智能家居系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1、智能家居系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案引言智能家居以家居住宅為平臺(tái)，綜合傳感器網(wǎng)絡(luò)、信息計(jì) 算融合、自動(dòng)控制等技術(shù)，將與家庭生活有關(guān)的各種應(yīng)用元素有機(jī)地結(jié)合在一起，通過綜合管 理，讓家庭生活更舒適、安全、有效、便利和環(huán)保。本文從項(xiàng)目需求和系統(tǒng)功能出發(fā)，對智能家居系統(tǒng)進(jìn)行了分析 設(shè)計(jì)。介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、工作流程，并對系統(tǒng)進(jìn)行了功能分拆，進(jìn)而介紹了各功能 子系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)情況。本系統(tǒng)以建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜的獨(dú)體別墅為設(shè)計(jì)目標(biāo)，可廣泛應(yīng)用于 普通家居住宅環(huán)境。二需求分析2.1概述隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科技水平及信息化程度的不斷提高以及對生活品質(zhì)的不斷追求，人們對家庭生活方式的革新要求日益強(qiáng)烈。智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用對家庭生

2、活方式的帶來深遠(yuǎn)影響，它育就供舒適安全、環(huán)保節(jié)能、具有高度人性化的生活空間；提供智能化的 家居設(shè)備控制方式；提供全方位的信息交換功能；優(yōu)化人們的生活方式，幫助人 們有效地安排時(shí)間；增強(qiáng)家庭生活的安全性。家居環(huán)境的建筑設(shè)計(jì)和裝修裝飾千差萬別，不影響建筑格局的 前提下，人們要求智能家庭系統(tǒng)安裝簡單方便，易于維護(hù)，可靠性 高。智能家居其功能需求主要體現(xiàn)在完善的安全保障、舒適的居住 環(huán)境和便利的生活條件及方便的安裝操作上。智能家居利用傳感器 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)及移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)需求通過自組織形式 將家庭內(nèi)部的各種設(shè)備組成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)人與家居的和諧融合。 其基本功能包括安全防范、環(huán)境自動(dòng)控制、家電控制

3、、視頻監(jiān)控、訊息交互服務(wù)等。安全防范功能可以實(shí)時(shí)監(jiān)控非法侵入、浸水、火災(zāi)、燃 氣泄露、緊急呼救等事件的發(fā)生。根據(jù)光強(qiáng)、溫濕度等環(huán)境條件的變化，智能家居系統(tǒng)可以對 諸如空調(diào)、照明電器等的控制從而實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境的自動(dòng)控制。利用視頻圖像監(jiān)控功能，業(yè)主可 以實(shí)時(shí)查看家庭現(xiàn)場情況。通過與電信運(yùn)營商合作，通過方便快捷方式實(shí)現(xiàn)用戶與家庭的訊息互 動(dòng)。2.2系統(tǒng)功能需求實(shí)現(xiàn)安全防范功能，對非法侵入、浸水、火災(zāi)、燃?xì)庑孤兜染o急 情況實(shí)現(xiàn)報(bào)警；對光強(qiáng)、溫濕度等家居環(huán)境條件進(jìn)行檢測；對家庭現(xiàn)場情況進(jìn)行圖像采集并進(jìn)行計(jì)算處理；各檢測、傳輸設(shè)備采用無線方式組成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸；通過互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將檢測信息及圖片傳送

4、至用戶；具有數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)功能，設(shè)防、撤防功能;美觀隱蔽、操作簡便、易于安裝維護(hù)。三系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)由檢測設(shè)備、傳輸設(shè)備、網(wǎng)關(guān)設(shè)備組成，檢測設(shè)備、傳輸設(shè)備和網(wǎng)關(guān)設(shè)備組成簇樹結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如下圖所示3.1檢測設(shè)備檢測設(shè)備包括溫濕度、光強(qiáng)、煙霧、燃?xì)?、紅外、浸水等傳感器檢測節(jié)點(diǎn)，用以實(shí)現(xiàn)安防及環(huán)境條件的。檢測設(shè)備以房間為單位組成星形網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)實(shí)際房間需要決定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量。組成網(wǎng)絡(luò)圖如下圖所示Room 113.2傳輸設(shè)備傳輸設(shè)備包括中繼節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)（SINK）。中繼節(jié)點(diǎn)負(fù) 責(zé)以房間為單位的星形網(wǎng)絡(luò)的建立及維護(hù)，將其收來的其下各 節(jié)點(diǎn)上報(bào)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至路由節(jié)點(diǎn)，同時(shí)將來

5、自路由節(jié)點(diǎn)的配置及 控制信息轉(zhuǎn)發(fā)至每一個(gè)節(jié)點(diǎn)。該設(shè)備主要目的是對無線信號(hào)的中繼網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至接收節(jié)點(diǎn)。接收節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)關(guān)設(shè)備中的一個(gè)重要組成部 分，做為整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)備，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)。其 功能是實(shí)時(shí)、可靠的接收來自系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的發(fā)送的無線數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)需要對節(jié)點(diǎn)發(fā)送網(wǎng)關(guān)設(shè)備的查詢控制數(shù)據(jù)。中繼節(jié)點(diǎn)與路由 節(jié)點(diǎn)組成的多跳簇樹網(wǎng)絡(luò)如下圖所示。甲.1RjoamFloor 1贏gmFloor 2Rgm二2牛連SL&osi 114s J-&3.3網(wǎng)關(guān)設(shè)備網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接著多個(gè)的相互獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，作為智能家居系統(tǒng)的重要組成部分，管理整個(gè)無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)完整的路由表，接收來自傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行校

6、正、融合等處理,然后通過操作終端、GPRS 或以太網(wǎng)等傳送給業(yè)主；同時(shí)對于業(yè)主所發(fā)的指令給予相應(yīng)的處 理及實(shí)現(xiàn)一定的自動(dòng)控制功能等。網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)圖像的采集處理，并 有顯示、輸入及數(shù)據(jù)本地保存等功能。網(wǎng)關(guān)設(shè)備在系統(tǒng)中位置如下圖 所示。用戶四系統(tǒng)工作流程家庭中根據(jù)需要布設(shè)一定規(guī)模的檢測設(shè)備和傳輸設(shè)備，檢測設(shè)備與傳輸設(shè)備組成無線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)有非法侵入、浸水、火災(zāi)、燃?xì)庑孤兜染o急情況發(fā)生時(shí)，檢測設(shè)備將檢測結(jié)果通過傳輸設(shè)備發(fā)送給網(wǎng) 關(guān)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)設(shè)備對檢測結(jié)果進(jìn)行處理后發(fā)送短信至業(yè)主。業(yè)主接 到短信后可發(fā)短信至網(wǎng)關(guān)設(shè)備，控制網(wǎng)關(guān)的報(bào)警短信發(fā)送和攝像頭 圖像的采集。業(yè)主需要傳輸現(xiàn)場情況圖片時(shí)，網(wǎng)關(guān)設(shè)備將抓拍圖片 發(fā)

7、送彩信至業(yè)主。業(yè)主可發(fā)送短信至網(wǎng)關(guān)設(shè)備查詢檢測設(shè)備的工作 情況和檢測信息。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程如下圖所示。1 ：檢測設(shè)備檢測緊急情況的發(fā)生；2 :檢測設(shè)備將檢測結(jié)果發(fā)送至傳輸設(shè)備；3 :傳輸設(shè)備將檢測結(jié)果發(fā)送至網(wǎng)關(guān)設(shè)備;4 :網(wǎng)關(guān)設(shè)備對檢測結(jié)果進(jìn)行處理;5、6:網(wǎng)關(guān)設(shè)備、短信中心將檢測結(jié)果發(fā)送至業(yè)主；7、8:業(yè)主發(fā)送短信通過短信中心至網(wǎng)關(guān)設(shè)備；9 :網(wǎng)關(guān)設(shè)備對短息內(nèi)容進(jìn)行處理，根據(jù)業(yè)主需要對檢測設(shè)備 和攝像頭進(jìn)行操作；10、11 :業(yè)主需要現(xiàn)場圖片，網(wǎng)關(guān)設(shè)備將抓拍圖片通過短信中 心發(fā)送至業(yè)主；12 :業(yè)主需要對檢測設(shè)備進(jìn)行控制， 控制指令通過傳輸設(shè)備發(fā) 送至檢測設(shè)備；13 :業(yè)主短信操作，如繼續(xù)獲知

8、家居信息，重復(fù)712流程；14 :根據(jù)業(yè)主指令，檢測設(shè)備停止報(bào)警或繼續(xù)檢測報(bào)警，如繼 續(xù)，重復(fù)113流程。五系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)指標(biāo)1. 實(shí)現(xiàn)檢測信息種類：非法侵入、浸水、火災(zāi)、燃?xì)庑孤丁⒐?強(qiáng)、溫濕度、圖像采集；2.系統(tǒng)工作溫度范圍：-1060 C;3.安全防范檢測節(jié)點(diǎn)檢測事件成功率100 %;誤報(bào)率1 %; 4.無線頻段：433MHz頻段；5.發(fā)射功率：可編程控制的輸出功率，最大功率可達(dá)+10dBm ;6. 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率：1.2100Kbps可調(diào)。六檢測設(shè)備設(shè)計(jì)方案6.1設(shè)計(jì)指標(biāo)1. 檢測信息種類：非法侵入、浸水、火災(zāi)、燃?xì)庑孤丁⒐鈴?qiáng)、溫濕度；2. 工作溫度范圍：-1060 C;3. 供電方式

9、：浸水和燃?xì)夤?jié)點(diǎn)交流 220V ,紅外、火災(zāi)、光強(qiáng)、溫 濕度節(jié)點(diǎn)直流9V，容量800mAH ;4. 無線頻段：433MHz頻段5. 發(fā)射功率：可編程控制的輸出功率，最大功率可達(dá)+10dBm ; 6.無線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率：1.2100Kbps可調(diào)；7. 天線：陶瓷全向天線，0.5dBi增益，駐波比2;8.結(jié)構(gòu)美觀，體積小，易于布設(shè)6.2硬件設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)的控制核心為TI公司16位超低功耗微控制器MSP430F149，具有64KByte片上Flash存儲(chǔ)器和2KByte片上RAM ;采用先進(jìn)的3級(jí)流水線RISC架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單時(shí)鐘指令執(zhí)行周 期；處理器包括2個(gè)串行同步異步可配置接口控制器、時(shí)鐘模塊、 看門狗

10、、A/D等片上外設(shè)；采用3.3V低電壓系統(tǒng)，可工作于5種 低功耗模式，保證整個(gè)系統(tǒng)高效率低功耗運(yùn)轉(zhuǎn)。射頻模塊采用TI公司低功耗單芯片射頻芯片CC1100 ,具有 -110dBm高接收靈敏度和最高+10dBm發(fā)射功率，使用ISM頻段, 頻點(diǎn)為433MHz，254個(gè)頻率間隔200KHz的可選信道數(shù)，可程控8個(gè)發(fā)射功率和最高500kbps的射頻數(shù)據(jù)傳輸速率。根據(jù)需要，射頻模塊可設(shè)計(jì)功放環(huán)節(jié)，提高發(fā)送功率。選用MAX604作為電壓轉(zhuǎn)換芯片，其主要技術(shù)指標(biāo)為：輸入 電壓：2.711.5V、輸出電壓：3.3V、最大輸出電流：500mA。 檢測設(shè)備為電池供電時(shí)，不需要其他轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)設(shè)備供電為交流 220V

11、時(shí)，電源模塊采用JMA-2.5W作為交直流變換電路。根據(jù)檢測目的不同選擇不同的傳感器完成檢測節(jié)點(diǎn)的信息采 集功能。傳感器的輸出分?jǐn)?shù)字和模擬兩類，模擬信號(hào)需經(jīng)過模擬處 理單元進(jìn)行濾波、放大、隔直、比較等處理后送控制核心。依據(jù)項(xiàng)目需求，確定的傳感器型號(hào)為：1.溫濕度傳感器SHT11 2.光強(qiáng)傳感器TSL2560 3.煙霧傳感器NIS-09C 4.可燃?xì)怏w傳感器TP-1.1A 5.紅外傳感器 RE200B 6.浸水傳感器 YW515 硬件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖如下所示。6.3軟件設(shè)計(jì)檢測設(shè)備軟件需實(shí)現(xiàn)：1. 對傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理；2. 與傳輸設(shè)備組成星形網(wǎng)絡(luò)；3. 將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送至傳輸設(shè)備；4. 接

12、收并處理傳輸設(shè)備發(fā)送的查詢控制數(shù)據(jù);5. 協(xié)調(diào)整個(gè)檢測設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行;6. 控制檢測設(shè)備功耗檢測設(shè)備的軟件工作流程如下圖所示。時(shí)（T豆于檢測設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的過程是：設(shè)備首先監(jiān)聽公共頻點(diǎn)，找到中繼節(jié)點(diǎn)的ID，然后切換到簇內(nèi)頻點(diǎn)，開始超幀調(diào)度，發(fā)送入網(wǎng)請求。6.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)家庭安裝布設(shè)要求，遵循美觀、隱蔽、微型的原則，采用公模塑料外殼，根據(jù)具體需求進(jìn)行再設(shè)計(jì)加工6.5產(chǎn)品化設(shè)計(jì)6.5.1 EMC 設(shè)計(jì)考慮電磁兼容性設(shè)計(jì)，遵循 EMC原則，借鑒經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并對 設(shè)備進(jìn)行EMC及EMI測試，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)?？缮a(chǎn)性設(shè)計(jì)電路板設(shè)計(jì)時(shí)考慮焊接、測試環(huán)節(jié)，做到標(biāo)識(shí)清楚整齊，焊接、 調(diào)試方便；設(shè)計(jì)測

13、試點(diǎn)，板上提供測試信息，方便設(shè)備測試；軟件 設(shè)計(jì)及下載調(diào)試遵循簡單快捷易上手原則?？煽啃栽O(shè)計(jì)采用降額設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)選用了高質(zhì)量、高可靠性的元器 件。采用較高精度等級(jí)及可靠性高的分立元件、采用工業(yè)級(jí)的集成 芯片。器件的選擇符合工作環(huán)境的要求。硬件設(shè)計(jì)考慮EMC設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)從編碼可讀性、正確性、可移植性、可測試性、模塊 化和標(biāo)準(zhǔn)化等環(huán)節(jié)考慮提高軟件的可維護(hù)性和可靠性。七傳輸設(shè)備設(shè)計(jì)方案7.1設(shè)計(jì)指標(biāo)1.工作溫度范圍：-2085 C;2.供電方式：交流220V ;3. 無線頻段：433MHz頻段4. 發(fā)射功率：可編程控制的輸出功率，最大功率可達(dá)+25dBm ;5. 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率：1.210

14、0Kbps可調(diào)；6. 天線：鞭狀全向天線，2dBi增益，駐波比1.5 ;7. 結(jié)構(gòu)美觀，體積小，易于布設(shè)。7.2硬件設(shè)計(jì)傳輸設(shè)備分為中繼節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、SINK節(jié)點(diǎn)三類。中繼節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)采用相同硬件設(shè)計(jì)，路由節(jié)點(diǎn)由交流220V供電，中繼節(jié)點(diǎn)有交流220V和直流9V兩種供電方式可選。SINK節(jié)點(diǎn)作為 網(wǎng)關(guān)設(shè)備的一部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，本章所提傳輸設(shè)備指中繼節(jié)點(diǎn)和路由 節(jié)點(diǎn)。硬件平臺(tái)MCU采用MSP430F149，射頻芯片采用 CC1100 ,射頻傳輸模塊設(shè)計(jì)功放電路，功放采用 SKY65004。電壓轉(zhuǎn)換采用JMA-2.5W 和MAX604。硬件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖如下所示。7.3軟件設(shè)計(jì)傳輸設(shè)備軟件需實(shí)現(xiàn)：

15、1.簇樹網(wǎng)路的建立與維護(hù)；2.穩(wěn)定可靠的 對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸；3.協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)自身系統(tǒng)的運(yùn)行。 中繼節(jié)點(diǎn)的軟件 工作流程如下圖所示。中繼節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的過程是：設(shè)備首先監(jiān)聽公共頻點(diǎn)，找到路由節(jié)點(diǎn)的ID，然后切換到簇內(nèi)頻點(diǎn)，開始超幀調(diào)度，發(fā)送入網(wǎng)請求。路由節(jié)點(diǎn)的軟件工作流程如下圖所示。路由節(jié)點(diǎn)上電初始化后立即進(jìn)入超幀調(diào)度運(yùn)行階段并在每個(gè)超幀開始時(shí)廣播發(fā)送Beacon幀。對邑二-傳輸設(shè)備的路由策略采用表驅(qū)動(dòng)和按需路由，有 SINK節(jié)點(diǎn)發(fā) 起HELLO Frame，路由節(jié)點(diǎn)收到 HELLO frame 建立到Sink節(jié)點(diǎn) 的路由表，選擇到信號(hào)質(zhì)量最好的路由節(jié)點(diǎn)作為到 SINK下一跳的 路由。路由表需要定期更新

16、。7.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)家庭安裝布設(shè)要求，遵循美觀、隱蔽、微型的原則，采用 公模塑料外殼，充電器形式。7.5產(chǎn)品化設(shè)計(jì)7.5.1 EMC 設(shè)計(jì)考慮電磁兼容性設(shè)計(jì)，遵循 EMC原則，借鑒經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并 對設(shè)備進(jìn)行EMC及EMI測試，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)備進(jìn)行改 進(jìn)?？紤]到交流220V供電對無線射頻傳輸?shù)挠绊?，加?qiáng)對 硬件設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)的控制。7.5.2 可生產(chǎn)性設(shè)計(jì)電路板設(shè)計(jì)時(shí)考慮焊接、測試環(huán)節(jié)，做到標(biāo)識(shí)清楚整齊，焊接、 調(diào)試方便；設(shè)計(jì)測試點(diǎn)，板上提供測試信息，方便設(shè)備測試；軟件 設(shè)計(jì)及下載調(diào)試遵循簡單快捷易上手原則?？煽啃栽O(shè)計(jì)采用降額設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)選用了高質(zhì)量、高可靠性的元器 件。采用較高精度等級(jí)及

17、可靠性高的分立元件、采用工業(yè)級(jí)的集成 芯片。器件的選擇符合工作環(huán)境的要求。硬件設(shè)計(jì)考慮EMC設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)從編碼可讀性、正確性、可移植性、可測試性、模塊 化和標(biāo)準(zhǔn)化等環(huán)節(jié)考慮提高軟件的可維護(hù)性和可靠性。八網(wǎng)關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)方案8.1設(shè)計(jì)指標(biāo)1. 工作溫度范圍：-2085 C;2. 供電方式：直流5V;3. 無線頻段：433MHz頻段4. 發(fā)射功率：可編程控制的輸出功率，最大功率可達(dá)+25dBm5. 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率：1.2100Kbps可調(diào)；6. 天線：鞭狀全向天線，3dBi增益，駐波比1.5 ;7. 接口支持：SD卡座，USB主機(jī)，USB設(shè)備，RS232 , RJ45。8.2硬件設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)控制核

18、心選用三星 S3C2440A。采用ARM920T內(nèi)核,主頻400MHZ，最高可達(dá)533 MHZ。支持NAND FLASH、 NORFLASH , SDRAM，支持 STN/TFT LCD、觸摸屏控制器，4 通道DMA、3通道UART、2通道SPI、IIC總線，IIS/AC97音頻控制器，SD/MMC 控制器，2通道USB HOST、通道USB DEVICE,4通道PWM、8通道A/D轉(zhuǎn)換、RTC, CMOS攝像頭，多功能IO及多種電源管理。射頻傳輸射頻芯片采用CC1100 ,射頻傳輸模塊設(shè)計(jì)功放電路， 功放采用SKY65004。gprs彩信模塊采用IWOW 公司的TR800。TR800支持四頻

19、 (GSM850 / EGSM 900 / DCS 1800 / PCS 1900)。內(nèi)嵌協(xié)議：TCP/IP、WAP、 MMS 以及 Push-To-Talk 。內(nèi)含 3M bytes 內(nèi)存可應(yīng)用于客戶應(yīng)用程序。提供包含2個(gè)UART和1個(gè)SPI總線， 提供1路數(shù)字及2路模擬音頻接口。攝像頭選用 omnivision 的 ov9650，130 萬像素，YUV/RGB 輸出格式。電源模塊采用國家半導(dǎo)體公司 LM2576,和LM1084實(shí)現(xiàn)， LM2576為開關(guān)型降壓集成電路，最大輸出電流 3A ;最高輸入電 壓40V ;輸出電壓：3.3V、5V、12V、15V和ADJ (可調(diào))等可 選LM1084為低壓差調(diào)壓器，最高輸入電壓29V,輸出電壓3.3V、 5V、12V 禾口 ADJ。SDRAM 選用兩片 Hynix 公司的 HY57V561620。FLASH 選 用三星的 K9F1G08U0B，為 64M 的