基于藍(lán)牙的智能家居網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

目錄第1章緒論1.1課題研究背景1.2智能家居的開展?fàn)顩r1.21國內(nèi)智能家居開展?fàn)顩r1.22國外智能家居開展?fàn)顩r1.23未來智能家居開展趨勢1.3研究的目的和意義1.4課題研究的內(nèi)容第二章智能家居控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案2.1智能家居網(wǎng)絡(luò)的主要功能2.2智能家居網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)家居控制器的總體設(shè)計框圖2.2.2家居控制器硬件家居控制器軟件設(shè)計第三章硬件平臺設(shè)計3.1硬件模塊介紹3.2藍(lán)牙系統(tǒng)前端構(gòu)成3.3藍(lán)牙系統(tǒng)終端構(gòu)成第四章軟件平臺的搭建4.1藍(lán)牙系統(tǒng)的無線通信數(shù)據(jù)幀格式4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計單片機(jī)端軟件設(shè)計PC機(jī)端軟件設(shè)計系統(tǒng)收發(fā)數(shù)據(jù)流程第五章系統(tǒng)測試與分析結(jié)論參考文獻(xiàn)第一章緒論1.1課題研究背景 智能家居是以住宅為平臺兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡(luò)通訊、信息家電設(shè)備自動化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、效勞、管理為一體的舒適、高效、平安、便利、環(huán)保的家居環(huán)境。 目前在國內(nèi)家庭信息網(wǎng)絡(luò)和智能家居網(wǎng)絡(luò)的研究和實施中，存在的幾個關(guān)鍵問題：1.2智能家居的開展?fàn)顩r1.2.國內(nèi)智能家居的開展?fàn)顩r智能家居的未來開展趨勢1.3課題研究的目的和意義1.4課題研究的內(nèi)容課題研究的主要內(nèi)容具體如下〔1〕智能家居控制器硬件的設(shè)計。首先根據(jù)對智能家居控制器的具體要求例如功耗、本錢、體積等，為其選擇性價比比擬高的CPU，然后分別對其各個動能模塊進(jìn)行硬件電路的設(shè)計與調(diào)試?！?〕智能家居控制器的軟件的設(shè)計。對現(xiàn)在的嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行研究和分析，為智能家居控制器選定一個操作系統(tǒng)。完成嵌入式軟件開發(fā)平臺的搭建。開發(fā)實際的應(yīng)用軟件和圖形界面?！?〕家庭控制網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)。在研究藍(lán)牙Core-v1.2協(xié)議的根底上，完成控制器與其他設(shè)備的基于藍(lán)牙模塊的通信。調(diào)試病實現(xiàn)藍(lán)牙的點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多通信，最賤模擬的家庭內(nèi)部控制子網(wǎng)。第二章．智能家居控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案2.1智能家居網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的主要功能智能家居王所要是實現(xiàn)的主要功能有：對非智能家電的控制對現(xiàn)有家用電器和其他設(shè)備的控制、調(diào)節(jié)和檢測，比方燈光、安防報警器、微波爐、洗衣機(jī)、自動門以及各種手動的開關(guān)和遙控器等。2.2智能家居網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)家居控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖圖1.家居控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖藍(lán)牙系統(tǒng)在實現(xiàn)的時候，一般分成兩局部實現(xiàn)，一是硬件局部，它包括藍(lán)牙協(xié)議棧的下三個層次，即無線收發(fā)、根底和鏈路客理層(LMP)；二是軟件局部，它包括藍(lán)牙協(xié)議棧的上層，即L2CAP、RFCOMM、SDP和TCS以及一些藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用。由于每一個藍(lán)牙設(shè)備都擁有一個全球唯一的地址碼，因此可以利用該地址碼方便的實現(xiàn)家居內(nèi)電器設(shè)備的控制。2.2.2目前，雖然家用電器并沒有具有藍(lán)牙功能，但一般采用微處理器的控制方式，所以在研究家居遠(yuǎn)程控制時，利用簡單的微處理器控制系統(tǒng)代替家用電器設(shè)備，通過串口來實現(xiàn)與藍(lán)牙模塊之間的通信，從而模擬實現(xiàn)家用電器設(shè)備的藍(lán)牙接入功能。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖2所示，藍(lán)牙模塊采用ROK101007，微處理器采用AT89S52。圖二.藍(lán)牙模塊的系統(tǒng)設(shè)計框圖藍(lán)牙系統(tǒng)的軟件設(shè)計在設(shè)計時，定義電器設(shè)備為從設(shè)備；與PC機(jī)相連的模塊為主設(shè)備。處理器、PC機(jī)與ROK101007之間通過HCI〔主機(jī)控制接口〕來實現(xiàn)對其硬件的訪問和控制。具體的工作過程如下：當(dāng)處理器和主機(jī)控制器通信時，HCI層以上的協(xié)議在處理器上運(yùn)行，而HCI層以下的協(xié)議由藍(lán)牙主機(jī)控制器硬件來實現(xiàn)，它們通過HCI傳輸層進(jìn)行通信。由微處理器充當(dāng)主機(jī)的角色，其主機(jī)軟件工作在HCI之上，通過串口與HCI進(jìn)行交互，調(diào)用HCI命令，處理HCI事件和數(shù)據(jù)分組。處理器和主機(jī)控制器中都有HCI，它們具有相同的接口標(biāo)準(zhǔn)。主機(jī)控制器中的HCI解釋來自處理器的信息并將信息發(fā)向相應(yīng)的硬件模塊單元，同時還將模塊中的信息(包括數(shù)據(jù)和硬件/固件信息)根據(jù)需要向上轉(zhuǎn)發(fā)給處理器，從而完成藍(lán)牙無線通信功能第三章．硬件平臺的設(shè)計3.1硬件模塊介紹愛立信ROK101007藍(lán)牙模塊介紹愛立信ROK101008是愛立信(Ericsson)公司出品的適用于短距離通信的無線基帶模塊，它集成度高、功耗小、完全兼容藍(lán)牙1．0B協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可嵌入到任何需要藍(lán)牙功能的設(shè)備中。它同時支持?jǐn)?shù)據(jù)和語音的傳輸，輸出功率滿足Class2的要求。它提供有UART、PCM接口，可方便地實現(xiàn)與主機(jī)之間的通信。它在UART接口上的最高傳輸速率為460Kb／s，缺省波特率是57．6Kb／s，可支持的波特率為300、600，900，1200、2400，4800，9600、19200，38400157600，115200、230400，460800bit／s，并有一個128字節(jié)的FIFO隊列111。ROK101008的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4．2所示。處于模塊底層的是無線層(Radio)和基帶)縣(Baseband)，以硬件的形式存在；處于模塊中上層的，是鏈路管理器(LM)和HCI，以固件的形式存在。圖.愛立信ROK101008藍(lán)牙模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖ROK101008由基帶控制器(Baseband)、快閃式存儲器(FlashMemory)、無線電收發(fā)器(PBA31301／2)、電壓調(diào)節(jié)器(VoltageRegulation)、13MHz晶振(13MHzCrystal)共5局部組成【12J，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4．3所示。①基帶控$1J-器(Baseband)：是一個以ARM7一Thumb為根底的的芯片，通過接口控制無線電收發(fā)器的運(yùn)行。ROK101008的基帶控制器提供UART和PCM兩種接口。②快閃式存儲器r(FlashMemory)：閃存和基帶控制器同時使用。③無線電收發(fā)器(PBA31301／2)：PBA31301／2是短距離微波無線電收發(fā)器其天線濾波器、RX和TX不平衡變壓器都集成在電路中，可作為嵌入式結(jié)構(gòu)應(yīng)用。④電壓調(diào)節(jié)器：(VoltageRegulation)：Vcc典型值是3．3V，產(chǎn)生兩個可調(diào)電壓。⑤13MHz晶振(13MHzCrystal)：晶振提供頻率為13MHz的內(nèi)置時鐘。單片機(jī)C8051F120簡介微控制器(MCu)是藍(lán)牙應(yīng)用系統(tǒng)的核心，它的選擇將直接影響到系統(tǒng)的性能。C8051F120是Cygnal公司的一種與8051兼容的高速SOC單片機(jī)，它具有高速CIP．51內(nèi)核、靈活的I／O交叉開關(guān)、先進(jìn)的時鐘系統(tǒng)、JTAG系統(tǒng)調(diào)試接口以及多源復(fù)位系統(tǒng)。它性能卓越，內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，速度可達(dá)100MIPS，比普通的51快40倍，而且在資源豐富、體積小、功耗低、集成度高且調(diào)試方便。下面列出了它的一些主要特性：●高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP．51內(nèi)核；●真正8位500ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)；●2周期的16×16的乘法和累加引擎；●8448(8K+256)字節(jié)的片內(nèi)RAM；●可尋址64K字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口；●硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus／12C和兩個UART串行接El[10l；●5個通用的16位定時器；●具有6個捕捉／比擬模塊的可編程計數(shù)器／定時器陣列；●FLASH存儲器具有在系統(tǒng)中重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新固件；●片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、全速、在系統(tǒng)測試；●可在工業(yè)溫度范NI(．45"C一+85。c)N用2．7V～3．6V的電壓工作?！馛8051F120為100腳TQFP封裝。3.2系統(tǒng)藍(lán)牙終端構(gòu)成本課題采用單片機(jī)C805F120通過UART連接愛立信ROK101008藍(lán)牙模塊。簡單的連接示意圖如下圖，圖中的①、②、③分別標(biāo)出了連接中需要注意的3個地方。圖.單片機(jī)C8051F120通過UART連接藍(lán)牙模塊示意圖3.3系統(tǒng)藍(lán)牙前端構(gòu)成圖前端系統(tǒng)通過RS232將藍(lán)牙模塊與PC連接。這里只需要MAX232電平轉(zhuǎn)換簡單連接即可，其硬件原理如下圖圖.前端硬件構(gòu)成圖第四章．通信系統(tǒng)軟件模塊4.1藍(lán)牙系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)通信幀格式為了防止同頻干擾的問題，系統(tǒng)采用時分TDMA〔TimeDivisionMultipleAccess〕復(fù)用技術(shù)，把系統(tǒng)主機(jī)與任意一臺從機(jī)之間的通信采用時分的方式分開，主機(jī)通過掃描的方式與各從機(jī)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信?！?〕無線通信數(shù)據(jù)幀格式無線通信協(xié)議的首要任務(wù)就是能夠識別噪聲和有效數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的通信方式主要是藍(lán)牙模塊之間的無線通信和主機(jī)與PC機(jī)之間的串行通信格式。圖2所示的是系統(tǒng)的無線通信數(shù)據(jù)格式。其中圖〔a〕是主機(jī)發(fā)送命令時的數(shù)據(jù)幀格式。通常連接傳感器的從機(jī)處于“待命〞狀態(tài)，當(dāng)接收到引導(dǎo)字時，各從機(jī)都準(zhǔn)備分析地址信息，假設(shè)接收的地址信息與本機(jī)地址相符，那么執(zhí)行命令字，否那么繼續(xù)待命。在系統(tǒng)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)0xFF后跟0XAA在噪聲中出現(xiàn)的概率很小，所以，我們在傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)包前加“0xFF＋0xAA〞的引導(dǎo)字。接收協(xié)議約定只接收以0xFF后跟0xAA開始的數(shù)據(jù)包。圖.系統(tǒng)無線通信幀格式4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為單片機(jī)端軟件設(shè)計和PC端軟件設(shè)計兩大塊。單片機(jī)端軟件設(shè)計單片機(jī)端軟件采用嵌入式C語言的編程，開發(fā)環(huán)境為Keil，主要工作有兩局部，分別是藍(lán)牙根本數(shù)據(jù)傳輸模塊的實現(xiàn)和藍(lán)牙文件傳輸模塊的實現(xiàn)。(1)藍(lán)牙根本數(shù)據(jù)傳輸模塊的實現(xiàn)此局部軟件包括初始化、藍(lán)牙交互、處理數(shù)據(jù)三個局部。初始化包括系統(tǒng)初始化和藍(lán)牙初始化。系統(tǒng)初始化包括系統(tǒng)時鐘初始化、管腳分配、串口初始化、定時器初始化等，藍(lán)牙初始化是通過UART給藍(lán)牙模塊發(fā)送一系列初始化指令，藍(lán)牙模塊返回事件，交互完成一系列的復(fù)位、鑒權(quán)、讀地址等初始化操作。藍(lán)牙交互就是初始化完成后，假設(shè)本地藍(lán)牙作從設(shè)備，那么等待遠(yuǎn)端藍(lán)牙設(shè)備的建鏈請求，如果接受請求，那么繼續(xù)等待建鏈成功，獲得一個連接句柄，從而即可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；假設(shè)本地藍(lán)牙作主設(shè)備，那么進(jìn)行一系列主動查詢、建鏈、發(fā)送數(shù)據(jù)、斷鏈等操作。處理數(shù)據(jù)就是將有效數(shù)據(jù)提取出來顯示在液晶上或轉(zhuǎn)存到相應(yīng)位置等一系列后續(xù)操作。需要注意的是，在程序的主循環(huán)中，需要實時判斷串口接收緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)，有數(shù)據(jù)那么調(diào)用HCI狀態(tài)機(jī)進(jìn)行處理。程序流程如下圖。圖.從機(jī)數(shù)據(jù)處理程序流程PPC端采用面向?qū)ο蟮腃++編程，在VC抖6．0開發(fā)平臺下實現(xiàn)了基于藍(lán)牙HCI層通信的根本數(shù)據(jù)傳輸和文件傳輸?shù)目刂瞥绦?。PC端操作系統(tǒng)為XP，采用的藍(lán)牙設(shè)備為藍(lán)牙USB適配器，適配器內(nèi)嵌藍(lán)牙芯片為CSR(CambridgeSiliconRadio)公司的BlueCore04。藍(lán)牙USB適配器和PC之間通過USB接口進(jìn)行連接和通信，因而數(shù)據(jù)的傳輸利用的是藍(lán)牙HCIUSB傳輸層。圖.PC端數(shù)據(jù)傳輸軟件流程圖數(shù)據(jù)收發(fā)流程數(shù)據(jù)在傳送之前需要進(jìn)行相應(yīng)處理。需要將主要數(shù)據(jù)分割成一定格式的數(shù)據(jù)，并增加諸如糾錯等一些額外的信息(開銷比特)，這個過程叫打包。解包是將有效的數(shù)據(jù)從噪聲和隨機(jī)數(shù)據(jù)中區(qū)別出來的過程。解包程序的好壞直接影響到系統(tǒng)識別有效數(shù)據(jù)的能力。解包程序應(yīng)能有效地區(qū)分正確數(shù)據(jù)，降低誤碼率，提高系統(tǒng)通信速率。數(shù)據(jù)發(fā)送、接收程序流程圖如圖6所示圖.數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖第五章系統(tǒng)測試與分析在藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，PC端和單片機(jī)端可分別作為主或從設(shè)備。在此處，將PC作為主設(shè)備發(fā)起查詢，單片機(jī)端作為從設(shè)備，PC向單片機(jī)發(fā)送控制指令。圖藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)PC端界面程序的操作按照翻開藍(lán)牙設(shè)備、初始化藍(lán)牙、查詢附近藍(lán)牙、建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)／文件、斷開連接、關(guān)閉藍(lán)牙的順序進(jìn)行，由操作區(qū)的按鈕觸發(fā)實現(xiàn)。藍(lán)牙初始化完成后，在信息區(qū)會顯示本地藍(lán)牙地址，查詢完成之后，在信息區(qū)會顯示查詢到的遠(yuǎn)端藍(lán)牙地址，然后就可以發(fā)起建立連接。在建立連接指令中可通過參數(shù)設(shè)置不同的ACL分組類型，例如DMl、DM3等。不同的ACL分組類型對應(yīng)不同的時隙，可得到不同的傳輸速率和最大傳輸距離閻。連接建立成功后信息區(qū)“藍(lán)牙狀態(tài)"會顯示連接已建立，方可發(fā)送數(shù)據(jù)和文件。在數(shù)據(jù)的收發(fā)過程中，在信息區(qū)還會顯示發(fā)送計數(shù)、接收計數(shù)以及當(dāng)前可發(fā)送的ACL包數(shù)目。在進(jìn)行文件傳送時，首先要點(diǎn)擊“請求發(fā)送文件〞按鈕，獲得單片機(jī)端返回允許信息后，再進(jìn)行加載文件、發(fā)送文件信息、發(fā)送文件數(shù)據(jù)等一系列操作。文件發(fā)送完之后或要中斷文件發(fā)送時要點(diǎn)擊“發(fā)送文件結(jié)束〞按鈕，通知單片機(jī)端文件傳送結(jié)束。單片機(jī)端的程序運(yùn)行界面如下圖。圖單片機(jī)端程序界面實驗臺加電后，進(jìn)入藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸實驗?zāi)K，選擇主／從角色為從設(shè)備，然后按下初始化本地藍(lán)牙按鍵。藍(lán)牙初始化完成后實驗臺顯示本地藍(lán)牙地址，藍(lán)牙模塊處于工作狀態(tài)。注意此時單片機(jī)端系統(tǒng)功耗會明顯上升，因而系統(tǒng)要采用穩(wěn)壓電源以保證工作正常。待PC端查詢到單片機(jī)端藍(lán)牙設(shè)備并建立連接完成后，實驗臺提示連接完成并顯示遠(yuǎn)端藍(lán)牙(即PC端藍(lán)牙)地址，此時在PC和單片機(jī)之間就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。結(jié)論實用、簡單、人性化智能家居控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計，