基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的智能家居系統(tǒng)的研究_圖文

1、燕 山 大 學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目開(kāi) 題 報(bào) 告項(xiàng) 目 名 稱(chēng)：基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的智能家居系統(tǒng)的研究 項(xiàng) 目 來(lái) 源：（）國(guó)家級(jí)、 （ ）校級(jí)項(xiàng) 目 編 號(hào)：20091021609 負(fù) 責(zé) 人：魏占朋 聯(lián) 系 電 話所 在 院 系：電氣工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 年 級(jí)：07級(jí)電力系統(tǒng) 指 導(dǎo) 教 師：盧志剛 課題性質(zhì)、來(lái)源： 獨(dú)立課題 導(dǎo)師的子課題其他 項(xiàng)目起止時(shí)間：2009.112010.10 教 務(wù) 處 制2009年10月一、課題論證（可另附頁(yè)）1課題的立項(xiàng)背景、目的和意義（明確指出學(xué)生自己對(duì)課題的理解）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外研究的一大熱點(diǎn)，

2、很多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都開(kāi)展了相關(guān)的研究。發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、日本非常重視無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，IEEE正在努力推進(jìn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展，它在軍事和民用領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景，將會(huì)給人類(lèi)的生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。而無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心則是無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸。本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)芯片的特殊選擇和軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)功耗的特殊要求，在穩(wěn)定性上和數(shù)據(jù)傳輸率上也具有相當(dāng)優(yōu)異的性能。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，現(xiàn)在人們的生活追求個(gè)性化、自動(dòng)化，追求快節(jié)奏，追求充滿(mǎn)樂(lè)趣的生活方式，家庭要求的檔次越來(lái)越高，生活家居要求一種人性化、智能化。智能電子技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中的智能家居電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)的應(yīng)

3、用，給人們的家居生活帶來(lái)了全新的感受。智能家居正在日漸興起，家居智能化成為一種趨勢(shì)。目的和意義：本項(xiàng)目的最終目的是通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與智能家居相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、自動(dòng)化，快節(jié)奏，充滿(mǎn)樂(lè)趣的生活方式。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)擺脫了有線連接的限制，通過(guò)項(xiàng)目的完成，進(jìn)一步提高提高自身對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的興趣與愛(ài)好，擴(kuò)寬自己的知識(shí)面，提高自己的動(dòng)手能力，專(zhuān)業(yè)技能和創(chuàng)新意識(shí)。將所學(xué)的電子技術(shù)、編程、自動(dòng)控制理論、信號(hào)處理等方面的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐并更為深刻的理解與掌握。對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的研究不僅鍛煉了學(xué)生的編程能力還開(kāi)發(fā)學(xué)生的科研方面的內(nèi)在潛質(zhì)。對(duì)于研究各種工業(yè)工程及控制有著推動(dòng)作用。本項(xiàng)目的意義在于使人們的生活更加多樣化，更加智能化。智

4、能家居在保持了傳統(tǒng)的居住功能的基礎(chǔ)上，擺脫了被動(dòng)模式，成為具有能動(dòng)性智能化的現(xiàn)代工具。它不僅提供了全方位的信息交換功能，還優(yōu)化了人們的生活方式和居住環(huán)境，幫助人們有效地安排時(shí)間、節(jié)約各種能源，實(shí)現(xiàn)了家電（如空調(diào)、熱水器等）控制、照明控制、室內(nèi)外遙控、窗簾自控、定時(shí)控制等。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)智能控制和管理，體驗(yàn)“以人為本”的全新家居生活。2課題研究現(xiàn)狀評(píng)述有些發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)，非常重視無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，IEEE正在努力推進(jìn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展，波士頓大學(xué)(Boston Unversity還于最近創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(huì)(Sensor Network Consortium，期望能促進(jìn)傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

5、開(kāi)發(fā)。美國(guó)的技術(shù)評(píng)論雜志在論述未來(lái)新興十大技術(shù)時(shí)，更是將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項(xiàng)未來(lái)新興技術(shù)，商業(yè)周刊 預(yù)測(cè)的未來(lái)四大新技術(shù)中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入其中。可以預(yù)計(jì)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛是一種必然趨勢(shì)，它的出現(xiàn)將會(huì)給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)極大的變革。將會(huì)給人類(lèi)的生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。國(guó)內(nèi)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究與國(guó)際上相比具有同發(fā)優(yōu)勢(shì)、同等水平。傳感網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前信息技術(shù)的前沿領(lǐng)域：1999年，上海微系統(tǒng)所率全國(guó)之先，啟動(dòng)無(wú)線傳感器研究，中科院在“十五”開(kāi)始全面部署傳感網(wǎng)絡(luò)的研究，科技部在“十一五”計(jì)劃中列入大量的傳感網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目計(jì)劃，國(guó)家自然基金委設(shè)立傳感網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域，國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃中重大專(zhuān)項(xiàng)、優(yōu)

6、先發(fā)展主題、前沿領(lǐng)域三個(gè)層面均列入傳感網(wǎng)絡(luò)。目前絕大多數(shù)工科院校都已經(jīng)開(kāi)展了有關(guān)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作，一些高科技企業(yè)，如中國(guó)移動(dòng)、華為、中興、諾基亞、阿爾卡特等大型企業(yè)，也加入了研究行列?，F(xiàn)階段多數(shù)智能家居系統(tǒng)的布線工程比較費(fèi)事，所以在一些新的智能家居商家所研發(fā)的系統(tǒng)，就立足實(shí)現(xiàn)無(wú)線智能控制。部分系統(tǒng)采用的藍(lán)牙技術(shù)，其產(chǎn)品更為昂貴且在國(guó)內(nèi)也并不常見(jiàn)。目前美國(guó)有一種占據(jù)市場(chǎng)主流的產(chǎn)品X-10，但這些產(chǎn)品技術(shù)限制較多、較復(fù)雜，并不適合在我國(guó)原樣照搬使用應(yīng)用。還有國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的產(chǎn)品也都大大減少了布線施工量。但就目前的技術(shù)而言，讓無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)真正的大量投入使用還面臨著許多問(wèn)題：比如網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通

7、信質(zhì)量問(wèn)題，成本問(wèn)題和高功耗等問(wèn)題，通過(guò)改善節(jié)點(diǎn)之間的通信協(xié)議我們可以提高通信質(zhì)量問(wèn)題，我們項(xiàng)目一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)就是低功耗，通過(guò)改善硬件和軟件我們極大的降低了整個(gè)系統(tǒng)的功耗。參考文獻(xiàn)：1數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ) 清華大學(xué)出版社2電路電子技術(shù)基礎(chǔ)華中科技大學(xué)出版社3蔣仙華，智能家居系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)學(xué)位論文，浙江大學(xué)4龍邦貴，一個(gè)智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究和初步實(shí)現(xiàn)學(xué)位論文，廣東工業(yè)大學(xué)，5鄭嫻，姚銘 智能家庭網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 智能建筑與城市信息，6張浠，王德銀，張晨 MSP430單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)與實(shí)踐 北京航空航天大學(xué)出版社7沈建華，楊艷琴 MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐 北京航空航天大學(xué)

8、出版社8胡大可 MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機(jī) 北京航空航天大學(xué)出版社9(美 Edgar H. Callaway, Jr 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議 電子工業(yè)出版社10李曉維 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 北京理工大學(xué)出版社 11黎連業(yè), 郭春芳, 向東明 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用技術(shù) 清華大學(xué)出版社12郭曉林，彭放 一種實(shí)用智能溫濕度傳感器 傳感器世界13 高鵬，安濤，寇懷成 電路設(shè)計(jì)與制作protel99入門(mén)與提高 人民郵電出版社14魏小龍，MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)技術(shù)實(shí)例 北京航空航天大學(xué)出版社3課題主要內(nèi)容與基本思路，分析難點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)主要內(nèi)容：本項(xiàng)目重點(diǎn)研究超低功耗的無(wú)線

9、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)在智能化家居系統(tǒng)中的應(yīng)用。基本思路：一、設(shè)計(jì)并制作智能家居的模型用合適的材料按照現(xiàn)實(shí)中的住宅做一個(gè)智能化家居的模型，研究硬件電路，搭建硬件平臺(tái)，把搭建好的硬件平臺(tái)嵌入到智能化家居的模型中。二、搭建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)本系統(tǒng)擬采用超低功耗的MSP430系列單片機(jī)和低功耗的CC1100無(wú)線模塊搭建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，采用星型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的通信。三、把搭建起的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)成功的應(yīng)用到智能家居上本智能家居系統(tǒng)主要包括室內(nèi)燈光的控制，太陽(yáng)能熱水器水溫和水量的檢測(cè)及自動(dòng)上水，窗簾的自動(dòng)開(kāi)合的控制，廚房油煙、天然氣的監(jiān)測(cè)報(bào)警及自動(dòng)排煙，室內(nèi)溫度濕度檢測(cè)及控制，時(shí)間顯示及無(wú)線設(shè)定修改。通過(guò)無(wú)線

10、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)將這些功能有機(jī)的組合起來(lái)，能夠正常有序的工作。難點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)難點(diǎn)： 1、 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)。2、 主機(jī)從機(jī)通訊協(xié)議的制定。3、 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)與家具模型的結(jié)合。創(chuàng)新點(diǎn)：一、本系統(tǒng)的超低功耗本系統(tǒng)擬采用MSP430系列單片機(jī)和CC1100無(wú)線模塊來(lái)搭建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。從硬件方面來(lái)說(shuō)，MSP430系列單片機(jī)是目前業(yè)界功耗最低的16位單片機(jī)，電源采用的是 1.83.6V 電壓，芯片的電流在 200400uA；CC1100 無(wú)線模塊也是低功耗的，工作電壓也是1.83.6V，正常工作時(shí)的電流僅為15mA。從軟件方面來(lái)說(shuō)，對(duì)于MSP430系列單片機(jī)，通過(guò)軟件編程可以設(shè)定當(dāng)在高速處理信息時(shí)啟用高頻時(shí)

11、鐘，這樣可以縮短消息處理時(shí)間，減小數(shù)據(jù)包的延時(shí)，當(dāng)單片機(jī)處于待機(jī)模式時(shí)可以啟用低頻時(shí)鐘用于內(nèi)部定時(shí)器的時(shí)鐘源，并且同時(shí)提供給實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊作為基準(zhǔn)時(shí)鐘。采用兩個(gè)時(shí)鐘協(xié)調(diào)工作大大降低了單片機(jī)以及系統(tǒng)的功耗。而CC1100有三種工作模式：正常工作模式、空閑模式和睡眠模式。通過(guò)軟件編程可以實(shí)現(xiàn)三種不同的工作模式的切換，可以節(jié)省大量的資源。二、避免無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)之間的干擾本系統(tǒng)擬采用CC1100無(wú)線模塊，CC1100的數(shù)據(jù)包協(xié)議已經(jīng)固化在芯片中，使用起來(lái)非常方便，但是CC1100的數(shù)據(jù)包格式能被軟件配置，可根據(jù)自己的實(shí)際情況對(duì)數(shù)據(jù)包格式進(jìn)行刪減，通過(guò)前導(dǎo)和同步詞匯的設(shè)定可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)之間的干擾，接著

12、可以對(duì)地址設(shè)定，這樣就可以解決無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)干擾問(wèn)題。并且還可以通過(guò)設(shè)定地址濾波和最大長(zhǎng)度濾波實(shí)現(xiàn)外界信號(hào)對(duì)本系統(tǒng)的干擾，CRC校驗(yàn)還可以提高信息的準(zhǔn)確度。三、星型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)采用星型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，星型網(wǎng)絡(luò)是由一個(gè)控制終端和若干個(gè)傳感器終端組成。每個(gè)傳感器終端上都安裝上一個(gè)處理器和一個(gè)無(wú)線芯片，主控制端通過(guò)廣播的方式呼叫其他傳感器終端和執(zhí)行終端。傳感器終端和執(zhí)行終端只有在接受到與自己地址匹配的數(shù)據(jù)包才會(huì)接受數(shù)據(jù)。能有效解決網(wǎng)絡(luò)沖突問(wèn)題?？尚行苑治觯罕緢F(tuán)隊(duì)都是由無(wú)線電愛(ài)好者協(xié)會(huì)骨干人員組成，對(duì)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)有濃厚的興趣，從進(jìn)入大學(xué)我們就開(kāi)始學(xué)習(xí)電子知識(shí)，完善自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高

13、自己的科技研發(fā)能力，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合。植根于學(xué)校各技術(shù)社團(tuán)，充分利用大學(xué)的各種資源，經(jīng)常和技術(shù)類(lèi)社團(tuán)成員進(jìn)行交流探討，互相學(xué)習(xí)。經(jīng)過(guò)近兩年的學(xué)習(xí)能熟練應(yīng)用AT89S52和AVR各種系列型號(hào)的單片機(jī)，還能很好的設(shè)計(jì)連接單片機(jī)的外圍電路模塊。每位成員都積極參加各種科技類(lèi)活動(dòng)與研發(fā)。現(xiàn)已獲得“世紀(jì)杯”、“電子制作大賽”、“單片機(jī)大賽”、“慧魚(yú)機(jī)器人大賽”“秦皇島市高校單片機(jī)程序設(shè)計(jì)大賽”等各種科技比賽的優(yōu)秀成績(jī)。完成校級(jí)科研立項(xiàng)兩項(xiàng)。本團(tuán)隊(duì)于08年11月份開(kāi)始著手進(jìn)行“飛思卡爾”杯智能車(chē)的研究，期間我們不斷嘗試新方法，對(duì)智能車(chē)的軟件結(jié)構(gòu)，硬件設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了深入的研究，歷時(shí)7個(gè)多月的研究我

14、們對(duì)如何提高智能車(chē)的整體性能有了一個(gè)更高層次的理解。于今年7月代表學(xué)校參加了東北賽區(qū)的“飛思卡爾”杯智能車(chē)大賽，經(jīng)過(guò)激烈的角逐最終取得東北賽區(qū)一等獎(jiǎng)的好成績(jī)，并成功晉級(jí)全國(guó)總決賽，又經(jīng)過(guò)近半個(gè)多月的認(rèn)真準(zhǔn)備，8月在北京總決賽中取得全國(guó)二等獎(jiǎng)的優(yōu)異成績(jī)。通過(guò)本次比賽我們不僅對(duì)單片機(jī)編程，電路設(shè)計(jì)，PCB板的制作有了更好地理解，更讓我們認(rèn)識(shí)到團(tuán)隊(duì)合作的重要性，要敢于嘗試勇于創(chuàng)新。我相信我們一定有能力很好地完成這個(gè)項(xiàng)目。4課題預(yù)期成果1. 用超低功耗的MSP430F436和CC1100無(wú)線模塊成功的搭建起一個(gè)穩(wěn)定的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。2. 將搭建起的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到智能家居上，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居的無(wú)線控制。3.

15、 做出一個(gè)智能家居的模型，屆時(shí)會(huì)在大家面前呈現(xiàn)一個(gè)無(wú)線控制的智能化住宅。二、研究進(jìn)度及具體時(shí)間安排起止日期主要研究?jī)?nèi)容預(yù)期結(jié)果2009.112009.12搜集資料，咨詢(xún)老師完成整體規(guī)劃2010.12010.2根據(jù)整體模塊的設(shè)計(jì)，選購(gòu)器件，并對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行細(xì)化。搭建一個(gè)基本的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的基本調(diào)試。2010.32010.4對(duì)各模塊分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析實(shí)現(xiàn)各部分模塊獨(dú)立正常運(yùn)行2010.52010.8搭建整體硬件平臺(tái)，調(diào)試軟件程序，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行整合實(shí)現(xiàn)模塊間的通信2010.82010.9把產(chǎn)品嵌入到家居模型中，優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)。初步實(shí)現(xiàn)家具模型基本功能2010.92010.10系統(tǒng)的整體調(diào)試，相關(guān)文件的歸檔處理，準(zhǔn)備答辯。做出最終智能家居模型。三、現(xiàn)有條件及經(jīng)費(fèi)預(yù)算現(xiàn)有條件：電氣工程學(xué)院學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室中有幾臺(tái)電腦，電源，示波器等等。研究過(guò)各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板，信號(hào)發(fā)生和調(diào)理電路。項(xiàng)目撥款：10000元。 資料費(fèi) 500 購(gòu)買(mǎi)圖書(shū)和光盤(pán)資料、打印文檔等購(gòu)買(mǎi)實(shí)驗(yàn)耗材 8600 MSP430系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)板：500*1=500（元）MSP430芯片：80*12=960（元）CC1100無(wú)線模塊：60*12=720（元）家居模型：500（元）觸摸屏（3.5寸）：420*2=840（元）電機(jī)：80*6=480（元）各種元器件：1500（元）PCB