ARM7+ZIGBEE的智能家居系統(tǒng)精品

1、基于 ARM7+ZIGBEE的智能家居系統(tǒng)1. 系統(tǒng)介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下：ARM7 主控板在整個(gè)系統(tǒng)中作為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)者， 傳感器為它的子節(jié)點(diǎn)， 傳感 器采集室內(nèi)環(huán)境信息， 然后無線傳輸?shù)街骺匕澹?經(jīng)過分析后進(jìn)行控制處理， 主控 中心如果發(fā)現(xiàn)異常，會(huì)發(fā)出警報(bào)，并通過 CDMA 模塊發(fā)送短信通知主人。另外 主人可以通過手機(jī)了解家中環(huán)境信息，并加以控制。2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 ARM7 主控板結(jié)構(gòu)圖規(guī)格介紹：處理器： STR710F-Z2T6，內(nèi)含（ 256+16）KB Flash、64KB SRAM ；EMI 外擴(kuò)： 256K16 SRAM IA61LV25616AL ；2M16 Flash S

2、ST39VF1602；1 個(gè) RS232 異步串行接口（ UART0，可直對(duì)連做 RS232通信實(shí)驗(yàn)）；2 個(gè) TTL 異步串行接口（UART1，用于接 ZigBee。UART2，用于接 CDMA ）； 按鍵；20腳 JTAG調(diào)試接口（高速程序下載、調(diào)試，并支持 Flash燒寫）； 電源接口具體硬件電路設(shè)計(jì)圖見原理圖和 PCB 圖。2.2 家居內(nèi)智能化實(shí)現(xiàn)途徑2.2.1 智能家居環(huán)境氣候系統(tǒng)家居系統(tǒng)的氣候環(huán)境功能包括對(duì)室內(nèi)的溫度、 濕度、和空氣的潔凈度的控制 等內(nèi)容。隨著現(xiàn)代家庭生活水平的不斷提高， 為了給居住者營(yíng)造更加舒適的居住、 生活環(huán)境，很有必要采用智能化的家居技術(shù)， 進(jìn)行自動(dòng)控制， 以

3、提高居室內(nèi)環(huán)境 的舒適度。智能化氣候控制系統(tǒng)由環(huán)境智能節(jié)點(diǎn)及其外圍傳感器和執(zhí)行器組成。2.2.2 智能化照明系統(tǒng)照明對(duì)每個(gè)家庭的作用都是不言而喻的。 不管哪個(gè)家庭， 離開了照明， 就好 像回到了幾百年前的古代， 給我們的生活帶來非常多的不便。 隨著科技的發(fā)展和 人民生活水平的提高， 人們對(duì)家庭的照明系統(tǒng)提出了新的要求， 它不僅要控制照 明光源的發(fā)光時(shí)間、 亮度，而且與家居子系統(tǒng)來配合， 不同的應(yīng)用場(chǎng)合做出相應(yīng) 的燈光場(chǎng)景，而且還要考慮到管理智能化和操作簡(jiǎn)單化以及靈活性來適應(yīng)未來照 明布局和控制方式變更等要求。 一個(gè)優(yōu)秀的智能照明系統(tǒng)可以提升家庭環(huán)境的品 質(zhì)，確保家庭生活的舒適和健康。 因此，很

4、有必要采用智能化的家居技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。 智能化照明系統(tǒng)由照明智能節(jié)點(diǎn)及其外圍傳感器和執(zhí)行器組成。2.2.3 無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)為了保證居民的生命財(cái)產(chǎn)安全， 常常在家居中安裝火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。 目前，雖 然已經(jīng)有多種火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)， 但大多還屬于脫機(jī)方式， 最終要靠人來聯(lián)系消 防部門，往往由于不能及時(shí)報(bào)警而造成重大損失。 如果能夠以在線的方式直接工 作，將很大程度上減輕財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。 因此，很有必要采用無線火災(zāi)報(bào)警 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)由智能節(jié)點(diǎn)及其外圍傳感器和執(zhí)行起組成。2.3 傳感器的選擇和設(shè)計(jì) 傳感器系統(tǒng)是智能家居的反饋的終端，包括溫濕度傳感器、光照傳感器、煙 霧傳感器等等。在本系統(tǒng)

5、中，每個(gè)傳感器與無線節(jié)點(diǎn)相連， 傳感器的數(shù)據(jù)由 ZigBee 無線節(jié)點(diǎn)發(fā)送給主控制系統(tǒng)。2.3.1 溫濕度傳感器溫度、濕度的測(cè)量采用瑞士 Sensirion 公司研制的 SHT11 型智能化 濕度 / 溫度 傳 感 器 , 它 采 用 CMOSens專 利技術(shù) (CMOS和 傳感器技術(shù)的融合 ), 外形尺寸僅為 7.5 mm5 mm2.5 mm。SHT11 具有 I2C 總線接口, 接口電路簡(jiǎn) 單 , 并具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、一致性好的特點(diǎn)。SHT11 內(nèi)部主要包括相對(duì)濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、 校準(zhǔn)存儲(chǔ)器 (E2PROM、)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (RAM)、狀態(tài)寄

6、存器、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼 (CRC) 寄存器、二線串行接口、 控制單元、 加熱器及低電壓檢測(cè)電路 ; 可給出全校準(zhǔn)相 對(duì)濕度及溫度值輸出 ; 具有露點(diǎn)值計(jì)算輸出功能 ; 濕度值輸出分辨率為 14 位, 溫度值輸出分辨率為 12 位, 并可編程為 12 位和 8 位; 具有數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)功 能。此傳感器具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。其接口電路如圖 2所示2.3.2 光照傳感器該系統(tǒng)選用了 TI 公司的 TSL230B 來測(cè)量環(huán)境周圍的光線強(qiáng)度。 該器件采 用先進(jìn)的 LinCMOS 工藝, 主要由多晶硅光電二極管和單片 CMOS 電流頻率集 成轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。不需外接元件即可完成高分

7、辨率的光照度 /頻率轉(zhuǎn)換?？蓪⒁欢?光譜的光轉(zhuǎn)換成電流 , 再由電流 /頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖頻率。 輸出方波或 者三角波的頻率完全由光照幅度決定 , 分辨率高 , 可以直接與微處理器相連 , 如 圖 3所示。 S0、 S1 為靈敏度控制端 , 實(shí)際上是通過改變器件上方的感光面積來 調(diào)整靈敏度 ; S2、S3 為滿量程選擇端 ; OUT 為頻率信號(hào)輸出端 , 進(jìn)入單片機(jī)的捕 獲輸入 , 通過計(jì)算兩次捕獲時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器的數(shù)值差 , 便可以計(jì)算出輸出頻率值。圖3 TSL230B的連接電路2.3.3 無線煙霧探測(cè)器系統(tǒng)采用 JA-60S型無線煙霧探測(cè)器。該探測(cè)器能探測(cè)到各種物體燃燒時(shí)的煙 霧，并能

8、通過其內(nèi)置警笛發(fā)聲報(bào)警以提醒附近人員， 同時(shí)進(jìn)一步通過無線方式向 警報(bào)主機(jī)或其它信號(hào)接收器發(fā)送該警報(bào)信號(hào)， 以使其發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警動(dòng)作。 通常， 該探測(cè)器進(jìn)行周期性自我檢測(cè)， 并定期匯報(bào)其自身的工作情況， 使得整個(gè)無線火 災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)處于全面循檢狀態(tài)。3. 傳輸通信3.1 ZigBee 無線傳輸ZigBee 是一種高可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，采取了 IEEE 802。 15。4 強(qiáng)有 力的無線物理層所規(guī)定的全部， 同時(shí)增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用層。 ZigBee 新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)，應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)，能有效發(fā)揮它低成本、低功耗和豐富而便捷的優(yōu)點(diǎn)。

9、在本套系統(tǒng)中， 低速率室內(nèi)無線連接傳輸部分使用 ZigBee技術(shù)， ZigBee技術(shù) 可靠保密性充分滿足智能家居的安全與人性化。由于家庭構(gòu)建的特點(diǎn)，以基于 ARM7(STR710ZF) 中央控制為核心，各反饋 采集子系統(tǒng)返回信息，子系統(tǒng)的互聯(lián)互通要求不高，采用 ZigBee 一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的 樹狀結(jié)構(gòu)。3.1.1 ZigBee 協(xié)議棧完整的 ZigBee協(xié)議棧由物理層、介質(zhì)訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用組 成。如圖 4所示， ZigBee協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用程序接口等由 ZigBee聯(lián) 盟制定。其中安全層( Security )主要實(shí)現(xiàn)密鑰管理、存取等功能。應(yīng)用程序接 口負(fù)責(zé)向用戶提供簡(jiǎn)

10、單的應(yīng)用軟件接口 (API)，包括應(yīng)用子層支持 (Application Sub-layer Support ， APS)、 ZigBee設(shè)備對(duì)象( ZigBee Device Object ，ZDO) 等，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層對(duì)設(shè)備的管理。圖4 ZigBee 協(xié)議棧3.1.2 ZigBee 無線傳輸模塊該系統(tǒng)采用成都無線龍開發(fā)的 CC2430模塊，通過串口連接到主控板。它也 可外擴(kuò)傳感器，利于開發(fā)。CC2430 芯片延用了以往 2420 芯片的架構(gòu)， 在單個(gè)芯片上整合了 ZigBee 射 頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用 1 個(gè)8 位MCU (8051)，具有128 KB 可 編程閃存和 8 K

11、B的RAM ，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC) 、幾個(gè)定時(shí)器 (Timer)、 AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器( Watchdog timer)、32 kHz 晶振的休眠模 式定時(shí)器、上電復(fù)位電路 (Power On Reset、) 掉電檢測(cè)電路 (Brown out detection)， 以及21個(gè)可編程 I/O引腳。CC2430 芯片采用 0.18 m CMOS 工藝生產(chǎn)；在接收和發(fā)射模式下，電流 損耗分別低于 27 mA 或25 mA。CC2430 的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí) 間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。CC2430 芯片的主要特點(diǎn)如下： 高性能和低

12、功耗的 8051 微控制器核。 集成符合 IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的 2.4 GHz 的 RF 無線電收發(fā)機(jī)。 優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性。 在休眠模式時(shí)僅 0.9 A 的流耗，外部的中斷或 RTC 能喚醒系統(tǒng) ; 在待機(jī)模 式時(shí)少于 0.6 A 的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)。 硬件支持 CSMA/CA 功能。 較寬的電壓范圍( 2.03.6 V)。 數(shù)字化的 RSSI/LQI 支持和強(qiáng)大的 DMA 功能。 具有電池監(jiān)測(cè)和溫度感測(cè)功能。 集成了 14 位模數(shù)轉(zhuǎn)換的 ADC 。 集成 AES 安全協(xié)處理器。 帶有2 個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的 USART ，以及1 個(gè)符合IEEE 8

13、02.15.4 規(guī)范 MAC 計(jì)時(shí)器， 1 個(gè)常規(guī)的 16 位計(jì)時(shí)器和 2 個(gè) 8 位計(jì)時(shí)器。 強(qiáng)大和靈活的開發(fā)工具。3.1.3 硬件電路設(shè)計(jì)Zigbee 模塊主要用于傳感器與 ARM主控板之間通訊，所以系統(tǒng)通過串口在 主控板連接一個(gè) Zigbee 模塊，使得主控板作為協(xié)調(diào)器，而傳感器部分則接到 Zigbee 模塊上為主控板的子節(jié)點(diǎn)。傳感器部分所設(shè)計(jì)的電路如下圖所示3.2 CDMA 模塊3.2.1 規(guī)格介紹選用 Wave 公司的 CDMA Q2358 ，它具有的功能包括：通話或緊急呼叫、 升級(jí)最高速率和半速率、雙音多頻功能( DTMF )、A5/1&A5/5 加密算法。電器參數(shù)：1)無線數(shù)據(jù)比特率 144kbps2)工作電流接收模式最大 150mA發(fā)送模式最大 770mA休眠模式最大 3.8mA3)尺寸 58*32*5.9mm4