基于嵌入式linux和zigbee技术的智能家居系统设计报告(编辑修改稿)

基于嵌入式linux和zigbee技术的智能家居系统设计报告(编辑修改稿)内容摘要：

使用的遥控器控制系统，第二套是出门在外时使用的手机控制系统，第三套是在家中控制智能管家。 系统总体结构 根 据总体方案画出了系统的总体设计图，如图 31 所示。 按照结构层次系统划分为三层：数据感知层（协调器和终端节点）、网络层和应用层（智能终端）。 图 31 智能家居 系统的结构图 数据感知层的终端是 系统的前线，它起着数据供给的作用。 它在系统的边缘，是数据采集终端，算是拥有独立系统的单元，它有独立的微控制器（嵌入的 8051 内核），所以响应控制中心发来的命令，经过分析之后命令执行机构作出相应操作。 设计结合智能家庭网络系统的特点， 山 东 省 应 用 物 联 网 设 计 大 赛 11 如家庭内部无线网络连接距离较短，分布的节点并不是太多，并且数据的传输量也不是太大。 基于家庭网络的这些特点，以协调器为中心节点组建一个星形家庭网络。 网络层由网关做为家居系统的控制心，是整个系统的大脑，它支配整个系统的活动，不仅负责实现系统的内部网络和外部网络之间的相互通信，并且还需 要通过 ZigBee 无线网络对智能终端设备进行实时的监控和管理。 通过智能管家或者手机发送命令，将命令接入网关，由网关将命令转发给协调器，由协调器通过传输转达给终端。 终端获得信息后控制外设传感器等器件，这些外设就属于执行机构，他们时刻等待命令，一旦接受立即执行相应操作。 应用层是实现系统向用户远程传达信息，可以通过 WiFi 网络与手机相互连接，实现远程无线通信功能。 第 4 章 系统硬件设计 智能家居系统中，控制终端（如手机）和受控终端（家居设备）为日常家居中的现成 产品，它们只需通过适当的接口纳入系统架构中即可。 系统硬件设计主要包括网关设计、 ZigBee 节点设计和家居控制模块设计。 本次设计以微分电子公司的物联网体验箱为平台，平台提供一个A8 网关、一个协调器节点和 6 个终端节点，因此系统硬件设计的重点在智能家居控制模块上。 实验箱内终端节点包含了光照度检测节点、温湿度检测节点、烟雾浓度探测节点、红外反射传感节点、步进电机节点和继电器节点，可实现基本的家居环境检测、家居控制和家居安防功能，如：光照强度的采集、温度和湿度的采集、智慧灯光控制、电动窗帘控制、红外探测和烟 雾探测。 在此基础上，又添加了太阳能洗浴、报警系统、自动门禁、与智能管家系统可以实时发现家居隐患以及家居的安防。 （ 1）自动门禁控制系统 —— 忠实守卫，我们的家 当房子主人走到门口时，只要拿出手机轻轻一点，手机发出相关命令就可以实现房门自动打开与关闭。 当客人到访而家中无人或遇到火情需要救援人员进入家中时，主人可以通过手机远程遥控打开房门。 本部分通过手机软件的加密措施实现安全的防盗功能。 本子系统由电磁锁、驱动模块、防盗门模型、手机和 CC2530 终端节点等组成 ，如图 41 所示。 山 东 省 应 用 物 联 网 设 计 大 赛 12 图 41 门禁控制硬件框图 （ 2）智慧灯光控制 —— 解放双手，智能感应 本子系统由灯光控制电路、光敏、红外探头、灯泡、遥控器和 CC2530 终端节点等组成，如图 32 所示。 当房主进入房间时，灯光自动打开，房主离开房间时灯光自动关闭。 本模块还可以检测进入房间、离开房间的人数。 只有当进入本房间的所有人离开时灯光才会自动关闭。 主人也可以按照自己的需求随时控制灯的亮灭，如图 42 所示。 图 42 灯光 控制硬件框图 （ 3）太阳能洗浴 —— 轻轻 一点，温暖你的身心。 本子系统由电磁阀门、太阳能模型、水位检测探头、驱动模块、手机和 CC2530 终端节点等相互配合组成。 当主人下班时，可以通过手机自动打开太阳能电磁阀门，在浴盆中提前注入合适水量的热水。 当主人回家时就可以马上舒舒服服的洗澡，如图 43 所示。 CC2530 模块 光敏 控制电路 红外探头 灯泡 CC2530模块 路由器 电磁锁 驱动模块 协调器 GPRS 手机 山 东 省 应 用 物 联 网 设 计 大 赛 13 图 43 太阳能洗浴硬件框图 （ 4）电动窗帘控制 —— 自动开关，随意遥控。 本子系统由窗帘、窗户模型、步进电机、单簧管、光敏、驱动模块、遥控器和 CC2530终端节点等组成。 早晨，当您还在熟睡，卧室的窗帘自动打开，温暖的阳光洒进房间，呼唤您开始新一 天的生活。 当夜幕降临，光敏感应，窗帘自动闭合。 主人也可以按照自己的需求随时使用遥控器发送指令控制窗帘的打开与关闭，如图 44 所示。 图 44 窗帘控制 硬件框图 （ 5）厨房自动控制系统 —— 与家电的对话。 本子系统由电饭煲、驱动模块、继电器、协调器、手机和 CC2530 的终端节点等组成。 当房主下班时，可以通过手机远程控制电饭煲开关，实现自动煮饭的功能，如图 45 所示。 图 45 电饭煲控制硬件框图 （ 6）防火自动监控与报警系统 —— 智能安防，时刻守护。 本子系统由烟雾传感器、扬声器、 GPRS 模块和 CC2530 终端节点等组成。 当房间内发生火情时，烟雾传感器会检测到火情并启动扬声器同时通过 GPRS 模块发送相关指令至主人手机，及时遏制火势蔓延，如图 46 所示。 山 东 省 应 用 物 联 网 设 计 大 赛 14 图 46 防火系统硬件框图 （ 7）远程监控与报警 —— 轻松监控，智能实现。 本子系统由摄像头、扬声器、 A8 网关、协调器、手机和 cc2530 终端节点等组成。 当系统处于防盗模式时，盗贼潜入家中，扬声器自动开启鸣笛震慑，同时会有短信或电话发送至主人手机，主人可通过互联网，利用视屏实时监控，通过摄像头实时监测并处理家中境况，如图47 所示。 图 47 远程监控系统硬件框图 （ 8）无线遥控 —— 随时随地，全屋掌控 ! 本系统将所有子系统连接在一起，只需要利用遥控器，就可以在家里任何地方遥控家里楼上楼下、各个房间的灯和电器；利用手机，更可以实现对家内家外对所有控制系统实施全面遥控。 山 东 省 应 用 物 联 网 设 计 大 赛 15 第 5 章 ZigBee 无线传感网络的设计 ZigBee 协议栈 ZigBee 协议体系结构如图 51 所示。 它的物理层和 MAC 层都是由 所定义，其中物理层支持 868/915MHz 和 三种频段。 MAC 层之上 是网络层，主要提供网络层数据收发和路由功能。 网络层之上是应用层，应用层又分为几个模块，其中网络层之上的是应用支持子层，简称“ APS”，主要提供应用层数据处理和绑定功能。 ZigBee 设备对象提供设备管理的各项功能，包括设备发现、服务发现、绑定管理和网络管理等。 另外 ZigBee 还提供了安全的功能，成为安全服务提供者，简称“ SSP”为网络层和应用层提供安全服务。 完整的 ZigBee 体系结构由物理层、 MAC 层、网络层和应用层组成。 不同层之间通过服务接入点进行通信，每一层为其上层提供服务。 其中物理层和 MAC 层之间是物理层数据服务接入点和物理层管理实体服务接入点， MAC 层与网络层之间是 MAC 层数据实体服务接入点和 MAC 层管理实体服务接入点，网络层与 APS 之间是网络层数据实体服务接入点和网络层管理实体服务接入点， APS 与各应用对象之间是 APS 数据实体服务接入点和 APS 管理实体服务接入点。 图 51 ZigBee 协议体系架构 Zstack ZigBee 联盟规范了协议，具体的协议编程语言表述则由 IC 厂商指定。 Zstack 是 TI 公司开发的一款 ZigBee 协议栈，是对 ZigBee 标准的具体实现。 Zstack 是半开源的协议栈，其 核 山 东 省 应 用 物 联 网 设 计 大 赛 16 心部分的代码都是编译好的，以库文件的形式给出的，比如安全模块，路由模块和 Mesh 自 组网模块。 与 ZigBee 协议像对应 ， Zstack 协议栈采用分层的结构，如图 52 所示。 图 52 Zstack软件结构 Zstack 协议栈使用了一个操作系统对整个系统进行统一调度。 该操作系统具有实时性 好，结构简单，操作方便等特点。 当主程序执行到启动操作系统后，系统的指挥权就交给了OS，由操作系统控制各个任务的调度切换及数据传送等功能。 Zstack 协议栈已经做了很多的工作，用户只需要在 APL（ 应用层）上实现自己的应用就可以了。 ZStack 几乎都是 C 语言写的 ，用户对 于 ZigBee 无线网络的开发就简化为应用层的 C语言程序开发。 此外 ， Zstack 提供了很多的例程，在根据节点电路移植协议栈后，通过修改例程可以很快地完成无线传感网络的设计。 使用协议栈进行开发的好处，不需要过多关注协议的细节，只需要掌握数据的流动过程，以及如何使用协议栈提供的函数来完成自身项目的需求即可。 因此，本文选择基于 Zstack 协议栈进行 ZigBee 无线传感网络的应用程 序开发。 ZigBee 无线传感网络的设计 本系统的 ZigBee 无线网络是由协调器和若干终端节点组成。 其软件设计主要包括 ZigBee 协调器软件设计和 ZigBee 终端节点软件设计。 通信协议 ZigBee 网络的物理层和 MAC 层的通信协议遵循 标准，由于本智能家居系统中 ZigBee 网络采用简单的星形拓扑结构，网络层也不涉及路由寻址等问题，因此，本文通信协议的设计主要考虑应用层。 数据帧格式如表 51 所示。 表 51 协议头 保留字段 传感器的唯一设备 传感 器 类型 操作类型 保留字段 数据域 CRC 协议尾 山 东 省 应 用 物 联 网 设 计 大 赛 17 Byte[0] Byte[16] Byte[712] Byte[13] Byte[14] Byte[1516] Byte[1724] Byte[25] Byte[26] 0xFF 默认填充 为 0 识别号 2 1 或 3 默认填充为[8,0] 传感器返回 的信息 校验和 0xFF 协调器节点设计 （ 1） 协调器的工作流程 协调器是全功能设备，是网络的核心，它不仅建立了网络，而且还给其它传感器节点分配网络地址。 如果没有协 调器整个网络就无法运行，协调器的硬件结构比较的简单，其软件设计相对比较复杂。 协调器初始化后就开始组建网络，组建网络成功后就处于等待数据查询状态，若触发数据查询事件，查找与该事件对应的传感器节点，查询到网络节点后发送查询命令，然后接收传感器节点的信息，主控制器若想获得某传感节点的信息，就通过此协调器获得对应节点的信息并在显示屏上显示该信息。 协调器的软件流程如图 53 所示。 山 东 省 应 用 物 联 网 设 计 大 赛 18 图 53 协调器节点的流程图 （ 2） 串口接收 /发送数据帧 串口通信的目的就是收集到的节点数据传输到上位机 (智能家居系统 )，系统将这些数据通过手机短信或者 Inter 的方式反馈给用户，用户根据这些数据做出决策，然后再发送指令给智能家居系统，系统再根据串口的数据通信协议规范用户发送的指令并将这些指令发送给 ZigBee 网络协调器，协调器根据 ZigBee 数 据通信协议规范接收到的指令并再次将这些指令发送给控制节点。 ①发送一帧数据的过程 发送数据帧主要在节点反馈数据和上位机发送查询 /控制命令，此过程比较简单，没有校验过程，具体步骤如下： 1) 设定起始字节和结束字节为 0xFF，在中间插入数据和数据的校验码。 2) 除了起始字节和结束字节外，将一帧数据中的 0。