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智能家居

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2010-11-07 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《智能家居doc》,可适用于IT/计算机领域

湛江海洋大学本科生毕业论文智能家居控制及通信节点的研究TheResearchforIntelligentControlandCommunication学生姓名宋立军所在专业电子信息工程所在班级信处班申请学位工学学士指导教师王骥职称副教授答辩时间年月日目录TOCo""hzu摘要IabstractII第章绪论引言智能家居简介及研究背景智能家居简介研究意义及背景智能家居的发展现状国外智能家居发展现状国内智能家居发展现状主要研究内容第章ZigBee技术、GPRS、DSP技术的研究ZigBee概述ZigBee技术优势ZigBee设备ZigBee网络拓扑ZigBee路由ZigBee无线组织网络ZigBee网络功能介绍数据传输模式帧结构GSM技术层结构发送过程DSP技术DSP芯片特点和优点第章智能家居系统总体设计建立Zigbee无线网络GSM短消息模块工作原理及工作方式GSM工作原理及工作流程GSM模块工作方式DSP芯片ZigBee节点第章硬件设计及原理系统控制模块GSM模块TMSVCEVM板及仿真器系统执行本章小节第章软件设计编程语言及软件选择本次设计的具体步骤程序的编写通信协议操作通信协议反馈信息的合成各个部分工作流程系统调试第章结论鸣谢参考文献附录附录:硬件连接图摘要随着计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术的迅猛发展人们日益重视提高自己的生活品质。建立一个高效率、低成本的智能家居系统已经成为必然。本设计指出基于IEEE的ZigBee技术是目前最适合无线家居控制系统的无线标准以及利用GPRS短信息技术进行远程家电控制是现阶段实现智能家居高效率低成本的较好方式。本设计围绕利用手机短信远程控制监测家庭设备的这一课题目标完成了基于GPRS短信及ZigBee组网技术的智能家居控制系统的设计并写出硬件电路连接方案同时针对短信收发特点着重研究和开发了主控模块接收短信与分析短信的软件程序而且给出了各设计部分程序流程图。本次设计实现了基于GPRS短信及ZigBee组网技术的智能家居控制。关键词:智能家居无线通信网络控制abstractWithcomputertechnology,communicationtechnology,networktechnology,controltechnology,therapiddevelopmentofthegrowingimportanceofimprovingtheirqualityoflifeTheestablishmentofanefficient,lowcostsmarthomesystemhasbecomeanecessityThatthedesignofZigBeetechnologyisbasedonIEEEthemostsuitableforwirelesshomecontrolsystemsandtheuseofGPRSwirelessstandardSMStechnologyremoteappliancecontroltoachieveatthisstageofhighefficiencyandlowcostsmarthomethebetterwayInthisdesign,theuseofmobilephonetextmessagesaroundtheremotecontrol,monitoringequipment,familyissuethatthegoalofcompleteGSMbasedmessagingandnetworkingtechnologyZigBeeintelligenthomecontrolsystem,andwritehardwarecircuitconnectionscheme,atthesametime,tosendandreceivetextmessagesforresearchanddevelopmentfocusonthecharacteristicsofthecontrolmoduletoreceiveSMStextmessagesandanalysissoftwareprogramandgivesthepartofthedesignprocessflowchartThedesignandImplementationofZigBeebasedonGPRSandSMStechnology,intelligenthomecontrolnetworkKeywords:SmarthomeWirelessCommunicationNetworkControl智能家居控制及通信节点的研究电子信息工程宋立军指导教师:王骥第章​ 绪论引言随着国民经济和科学技术水平的提高,特别是计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高,促使了家庭实现了生活现代化,居住环境舒适化、安全化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面,改变了人们生活习惯,提高了人们生活质量,家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。为了给人们提供一个更加舒适、便捷、安全的生活环境建立一个高效率、低成本的智能家居系统已经成为当今的一个热点问题。近年来国际上许多大公司都提出相应解决方案但至今为止这一领域的国际标准尚未成熟。针对目前利用公共电话、国际互联网、有线电视网或者电力网实现的智能家居系统的局限性本文提出一种基于GPRS、ZigBee技术的低成本智能家居系统将给普通居民家庭生活方式带来变革。智能家居系统采用电子传感技术、计算机技术和信息传输技术对用户提供全方位的服务同时对住房内情况进行远程监控和实时管理。它包括家庭内部传输系统、家庭接入系统及智能传感/执行设备等几个部分。智能家居简介及研究背景智能家居简介“智能家居”(Smart Home)又称智能住宅。相似的叫法也叫:智能住宅、数码家庭、数码家居、数字家园(庭)(Digitalfamily)、网络家庭、电子家庭、EHOME、家庭自动化等等。家居智能化技术起源于美国以家为平台利用先进的网络通讯技术、电力自动化技术、计算机技术、无线电技术兼备建筑、网络通讯、自动化和智能化子系统、与居家生活有关的各种设备(信息家电)有机地结合在一起成为优化生活方式和居住环境帮助人们能动、有效地安排时间智能性地使用各种设施营造优质、高效、舒适、安全、便利的生活空间的有利工具……通俗地说它利用先进的计算机、嵌入式系统和网络通讯技术将家中的各种设备(如照明系统、环境控制、安防系统、网络家电)通过家庭网络连接到一起。一方面智能家居将让用户有更方便的手段来管理家庭设备比如通过无线遥控器、电话、互联网或者语音识别控制家用设备更可以执行场景操作使多个设备形成联动另一方面智能家居内的各种设备相互间可以通讯不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行从而给用户带来最大程度的高效、便利、舒适与安全。与普通家居相比智能家居不仅具有传统的居住功能提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具提供全方位的信息交互功能帮助家庭与外部保持信息交流畅通优化人们的生活方式帮助人们有效安排时间增强家居生活的安全性甚至为各种能源费用节约资金。智能家居是以住宅为平台利用网络、通信及控制技术管理家中设备。来创造一个高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。研究意义及背景随着计算机技术和网络技术的高速发展以及人们居住理念的改变人们越来越追求生活细节的智能化希望在日常家居生活中都能置入智能化程序从而享受简单的生活操作。近年来数字家庭、数字家电等词汇频繁地出现在各种媒体上已经成为人们耳熟能详的词汇。本课题就是在上述背景下提出的旨在通过选用一套适合智能家居的通信技术并结合嵌入式技术和传感器技术等设计出具有照明管理电源管理安防报警、温湿度调节等功能的新一代智能家居系统通过家庭设备的网络化实现对各种家用电子设备的智能管理和对家庭安全环境的监控保护从而达到让家庭更舒适更安全更环保的目的。智能家居的发展现状国外智能家居发展现状智能家居系统是为适应现代化家庭生活而形成的多样化的网络结构。智能家居的概念首先是由美国、加拿大、欧洲、澳大利亚以及东南亚等经济比较发达的国家提出的。年美国联合科技公司将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州哈特佛市的一座旧式大楼的改造采用计算机系统对大楼的空调、电梯、照明等设备进行监测和控制并提供语音通信、电子邮件和情报资料等方面的信息服务至此首栋智能型建筑才诞生也因此揭开了智能家居发展的序幕。自从世界上第一座智能建筑出现之后美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛的应用。目前新加坡、美国等国家已有大量家庭安装了“家庭智能化系统”。三星公司从年春节后开始在中韩两国同时推出智能家居系统通过机顶盒和网络将家居自动控制、信息家电、安防设备以及娱乐和信息中心这四部分集成一个全面的、面向宽带互联网的家居控制网络。年日本NTT公司与上海交通大学合作进行数字家庭中传感器开关接入的研发希望在智能家居领域有所突破尽快在日本和中国打开市场。国内智能家居发展现状国内提出智能家居概念的时间比较早但是直到现在依然没有开发出相对成熟的智能家居产品。现阶段市场上见到较多的产品均是各种孤立的系统像安防监控灯具控制无线三表(水、电、气)等这些系统多是为解决某些方面的问题而设计并没有比较全面的利用家庭组网技术实现整个家庭的智能化管理。在国内开发智能家居的公司中在家庭内部组网中多是基于有线方式(如X)基于无线通信的也多是自己设计简单的协议并没有采用比较成熟适用于智能家居的协议。这些都为产品的相互兼容带来问题。而且到目前为止还没有那家公司的产品能够占到市场份额的。对此业内人士曾指出智能家居发展的最大瓶颈在于国家和行业没有相应的标准。在年月由联想牵头的“闪联”和以海尔为首的“e家佳”同时被信息产业部确定为行业推荐性标准从而拉开了数字家庭竞争的序幕。目前国内在智能家居行业里比较有影响力的公司主要有上海索博深圳波创等。上海索博的产品就是通过X实现家庭内部组网的而深圳波创的产品主要是利用无线通信实现家庭内部网络的。主要研究内容本次设计是基于GPRS、ZigBee设计的智能家居系统GPRS(GeneralPacketRadioService,通用分组无线服务)是在GSM基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式,在嵌入式系统中应用非常广泛。由于GPRS通信网络实现了联网和漫游,这样利用网络传输数据无须再组建专用通信网络,因此采用短信方式传输数据的系统应用将越来越广泛,这使得以短信方式传输控制命令成为可能。ZigBee是最近发展起来的一种短距离无线通信技术。由于ZigBee具有近距离、低功耗、低数据率、低成本等特点,因此适于家庭控制。基于GPRS和ZigBee技术的智能家居解决方案采用以单户家庭为单元的通信控制模式,在每一个家庭中都安装一个主控中心(负责用户控制信号及家电反馈信息的接收和转发),及若干个与家电设备相连的分控终端(控制该家庭的所有电器)。主控和分控装置由家庭总线相连,家庭总线采用ZigBee无线通信方式。此装置便于家庭独自管理,安全性、可靠性高。在智能家居领域由于可用于家庭内部控制网络的通信技术和系统软硬件平台的多样化而有多种实现方案例如早期的智能家居系统多以PC为控制核心而现在逐渐演变为以嵌入式处理器为系统核心。本课题在综合考虑国内外智能家居技术的发展现状国内市场需求等情况下结合公司前期所设计的智能家居系统并分析比较了多种有线、无线组网方案选用近年逐渐兴起有可能成为智能家居领域通信标准之一的ZigBee技术来实现家庭内部控制网络。由于智能家居系统是一个相对复杂的系统涉及到传感器、无线通信等方方面面。本课题的重点是利用ZigBee技术实现家庭内部的控制网络。由于智能家居系统是一个相对复杂的系统涉及到传感器、嵌入式技术、无线通信等方方面面需要多人分工合作例如底层驱动程序设计应用软件开发等。本课题的重点是利用ZigBee技术实现家庭内部的控制网络并实现了遥控器和灯具灯具控制器两个节点。第章ZigBee技术、GPRS、DSP技术的研究本文研究的是基于简单低速的家居控制网络所以成本和功耗是组建家庭控制网络中最为突出的两个要素家居无线控制网络需要的是低功耗、低成本、低复杂度、长电池寿命的标准。ZigBee概述ZigBee建立在IEEE标准之上它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术其PHY层和MAC层协议为IEEE协议标准网络层由ZigBee技术联盟制定应用层的开发应用根据用户自己的应用需要对其进行开发利用因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。根据IEEE标准协议ZigBee的工作频段分为个频段这个工作频段相距较大而且在各频段上的信道数目不同因而在该项技术标准中各频段上的调制方式和传输速率不同。它们分别为MHz、MHz、和GHz其中GHz频段上分为个信道该频段为全球通用的工业、科学、医学(ISM:Industrial,ScientificandMedical)频段该频段为免付费、免申请的无线电频段在该频段上数据传输速率为kbps另外两个频段为MHz其相应的信道个数分别为个信道和个信道传输速率分别为kbps和kbps。在组网性能上ZigBee设备可构造为星型网络或者点对点网络在每一个ZigBee组成的无线网络内连接地址码分为bit短地址或者bit长地址可容纳的最大设备个数分别为个和个具有较大的网络容量。在无线通信技术上采用免冲突多载波信道接入(CSMACA)方式有效地避免了无线电载波之间的冲突。此外为保证传输数据的可靠性建立了完整的应答通信协议。ZigBee设备为低功耗设备其发射输出为dBm通信距离为m具有能量检测和链路质量指示能力根据这些检测结果设备可自动调整设备的发射功率在保证通信链路质量的条件下最小地消耗设备能量。为保证ZigBee设备之间通信数据的安全保密性ZigBee技术采用了密钥长度为位的加密算法对所传输的数据信息进行加密处理。目前ZigBee芯片的成本在美元左右ZigBee设备成本的最终目标是在美元以下ZigBee芯片的体积较小随着半导体集成技术的发展ZigBee芯片的尺寸将会变得更小成本更低。ZigBee技术优势ZigBee技术的主要技术优势住于:)功牦低:由于ZigBee的传输速率低只有KB/s到KB/s发别功率仪为mW而凡采川了休眠模式功耗低。)成本低:ZigBee模块的成本美元左右而且估计很快就能降到到美元而PIZigBee议免专利费。)网络容量大组网灵活:一个ZigBee网络可以容纳最多个从设备和一个主设备一个区域内可以同时存在个ZigBee网络。)时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为ms休眠激活时延典型值为ms活动设备信道接入时延为ms。)安全:ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能采用AES加密算法。)可靠:ZigBee采取了碰撞避免机制同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制每个发送的数据包都必须等待对方的确认信息。ZigBee设备ZigBee网络中的设备通常可以划分为两种类型一种是全功能器件(FFD)它承担了网络协调者的功能可以同网络中的任何设备通信支持任何拓扑结构另一种是简化功能器件(RFD)它不能作为网络协调者只能与FFD通信两个RFD之间不能通信,RFD通常只用于星型拓扑结构中。ZigBee网络支持五种功能设备:网络协调器(coordinator)网络路由器(router)网络终端设备(enddevice)。前两种都是FFD后一种是RFD。ZigBee网络拓扑ZigBee主要采用三种组网方式:星型网、树型网和网状网。每一个ZigBee网络至少需要一个FFD(coordinator)实现网络协调功能。在星型网中网络协调器负责建立和维持网络而其他的设备(endedevice)直接和网络协调器通信。树型网中增加router每一个终端设备要和其他的终端设备通信都必须通过一层层向根节点(coordinator)回溯再从根节点向下路由。网状网则提供了更加灵活的机制网路中任意两个节点都可以建立链路网络节点间的路径多碰撞和阻摩可以减少局部的故障不会影响整个网络的正常工作可靠性高。ZigBee路由ZigBee路由和协调器需要对路由表进行维护。ZigBee路由和协调器也可保存一定数量的入口。路由选择是在网络中的设备相互合作条件下的选择并建立路由的一个流程该流程通常与特定的源地址和目的地址相对应。路由选择包括如下的一个流程:①路由搜索的初始化。②接收路由请求命令帧。③接收路由应答命令帧。ZigBee基本的路由算法如图所示。图ZigBee基本路由算法ZigBee无线组织网络ZigBee在网络设计中还采用了无线自组织网络概念。无线自组织网状网络(也称“多跳”网络)是以网状网络为拓扑结构每个网络节点为路由路径数据包根据路由协议在节点之间以无线的方式传送的交换式无线网络。从网络拓扑结构上讲无线网状网可以被看做是无线版、缩微版的互联网。拓扑结构如同一张网。在传统的星状拓扑结构中许多外围节点连接到中心节点。不过在无线自组织网状网络当中节点之间彼此相连。如果无线自组织网状网络中的节点要传送信息数据包就会从一个节点跳到另一个节点直到最终到达目的地。无线自组织网状网络与传统无线网络相比其主要优势表现在:稳定性好:单跳网络中如果一个接入点瘫痪会导致整个网络无法运行而无线自组织网络具有自我调节和自愈特性不依赖于单一节点。如果某个接入点或节点发生故障点无线自组织网状网络系统可绕过这些故障点数据也将通过另外的路径实现轻松传递网络仍可继续运行。节能性强:与传统的点到点网络相比无线自组织网状网络技术的主要优势之一是每个节点所需的功率大大降低。在无线自组织网状网络中各个节点可以靠得很近正是多跳技术大大延长了无线自组织网状网络节点的电池寿命。高带宽:无线自组织网状网络通过多次“短跳”来传递数据路程越短带宽程度也就越高从而可获得更高的带宽。空间再利用:空间再利用也是无线自组织网状网络相对于单跳网络的显著优势之一。单跳网络设备必须共享同一个接入点几种设备同时接入网络会发生虚拟的严重的堵塞系统速度也会随之降低。而在无线自组织网状网络中许多设备可以通过不同的节点同时接入网络采用的更短路程传送在减少干扰的同时实现了在不同的空间中同时传输数据。冲突减轻:自组织网络可以较大程度地减轻业务在执行时发生冲突。这是因为链路为网状结构每个节点可使用的链路数大大增加且每个网络节点都具有选路功能如果其中的某一条链路出现了故障节点便可以自动转向其他可选链路进行接人因而减轻了业务执行时发生冲突的可能性。维护方便:无线自组织网状网络简化了网络的维护与升级。具有可伸缩性:无线自组织网状网络系统比其他网络系统具有更好的可伸缩性。如果需要扩大覆盖区域只需向已有网络添加接入点或节点接通节点的电源然后进行网络配置无线自组织网状网即可开始运行。自我构建:在给某节点上电后它就能收听邻近节点如果它找到了一个或若干个就会要求加入网络并获得准入。ZigBee网络功能介绍数据传输模式ZigBee技术的数据传输模式分为种数据传输事务类型:第种是从设备向主协调器送数据第种是主协调器发送数据从设备接收数据第种是在两个从设备之间传送数据。对于星型拓扑结构的网络来说由于该网络结构只允许在主协调器和从设备之间交换数据因此只有两种数据传输事务类型。而在对等拓扑结构中允许网络中任何两个从设备之间进行交换数据因此在该结构中,可能包含这种数据传输事务类型。帧结构在通信理论中一种好的帧结构就是在保证其结构复杂性最小的同时需要在噪声信道中具有很强的抗干扰能力。在ZigBee技术中每一个协议层都增加了各自的帧头和帧尾在PAN网络结构中定义了种帧结构:·信标帧主协调器用来发送信标的帧·数据帧用于所有数据传输的帧·确认帧用于确认成功接收的帧·MAC层命令帧用于处理所有MAC层对等实体间的控制传输。GSM技术GSM短消息服务SMS是GSM提供的主要远程业务之一点对点的短消息服务可以实现双向计费性传送。短消息可用来发布日期和结算。如果收件人未联系上(手机关机或在覆盖范围之外)短消息即被存入存储器收件人一出现短消息即启动。在长时间未反应时经一段延迟短消息即被删去。总之短消息可在通信中交换信息。短消息有可能被运营者用于服务管理:通知用户有一个短消息在其语音信箱中发送价格信息等。层结构为短消息服务所实行的协议有物理层、数据链路层以及RR和MM网均用于呼叫管理并重新开始启用。CM层是专用于短消息的但在特殊情况下还要涉及CM层以上。应用层SMAL(ShortMessageApplicationLayer)位于移动台和SME中。这些层的实体产生和解释了短消息而在GSM建议中未加详细说明。传输层SMTL(ShortMessageTransportLayer)实现移动台和服务中心(SC)服务器之间的消息可靠传送它管理着信息编码形式(字节、字符等)如同一个时间指针给定时间在该时间消息被SC取定。这个指针用于移动台收取的消息。中继层SMRL(ShortMessageRelayLayer)允许短消息通过存储和重发转移于不同的设备之间。它包括了一些协议的集合。协议SMCP(ShortMessageControlProtocol)是MS和VMSCVLR之间的规定它允许短消息的转移但要防止由于专用信道的变换带来的损耗。发送过程短消息的发送过程很类似电话呼叫。然而这个过程在MSC、VLR和HLR之间仅仅参与了MAP协议因为它不需要预定话音电路。在移动台和BTS之间的会话是由CM层的SMS层管理的。移动用户在发短消息时应指明最终收件人地址(SME)和SC服务器的地址。移动传输实体按至多字节的块的形式编码短消息把收件人SME地址置于TL传输层的协议数据单元PDU中。它被包装RL中继层的PDU中(称为RPDATA)包括电话号码式的SC服务器地址RL层的PDU本身被包装于CPDATD式的CP控制协议的PDU中(不补充任何基本信息)。借助于CP层和以下各层PDUCPDATA被发送到VMSCVLR。VMSCVLR解开PDUCPDATA以便重新找到收件处SC的号码。它从中简略了所涉及的SMSIWMSC的地址消息MAPFORWARDSHORYMESSAGE中重新安置层TL的PDU就像SC号码和移动台号码一样。SMSIWMSC执行消息并重发给指向SC的层TL的PDU范围内。SC存储了消息和地址并通知SMSIWMSC转移流程。后者把它影射给VMSCVLR。同时执行消息MAPFORWARDSHORTMESSAGE(TCAP操作)。VMSCVLR形成PDURPACK后者又被装于PDUCPnATA这个PDU本身又是由移动台执行的。在VMSCVLRSC之间不可能发送的情况下PDURPERROR通过VMSCVLR发送给移动台这个PDU被装于PDUCPDATA中。在可能时SC向SME发送消息如果在给定期间结束不能做到这一点它就在其存储器中删去该消息。在TL层的PDU域中由移动台确定消息的专门时延。移动用户只是保证消息到达SC和未到SME。当它有效地收到消息时SME能够产生一个给移动台的新消息以便告诉它接收良好但是这都是个别进行考察的。结算是在SMAL层上管理的。为了发送一个短消息给移动台SME要在SC上指示移动台的MSISDN。这就形成了TL层上的PDU同时指示消息接收日期、SME地址和消息本身。该PDU被发送到SMSGMSC,SMSGSMC查询HLR,以便为移动台定位。相反向移动台的呼叫号码MSRN就不需要了因为只有消息MAP是有用的GMSC仅需要VMSCVLR总的地址这个地址是直接由HLR给它的。短消息由SMSGMSC寄给了移动台经过的媒体是VMSCVLR。不同的层次类似于移动台发的情况来参与。RL层的PDU包含了发件人SC的地址而TL层上的PDU包含了SME的地址。SIM卡和SME间已交换的短消息在TL层上保持有专用的标识符。层的集合处理这些消息就像普通消息一样。移动台在消息中继的装载中取值直到SIM卡。在通信或守候期间短消息都能发送。DSP技术DSP(DigitalsignalProcessor)指的是数字信号处理器。数字信号处理器也称DSP芯片是一种专门用于数字信号处理的微处理器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构具有专门的硬件乘法器采用流水线操作提供特殊的DSP指令可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。DSP芯片特点和优点根据数字信号处理的要求DSP芯片一般具有如下的一些主要特点:()在一个指令周期内可以完成一次乘法和一次加法。()程序和数据空间分开可以同时访问数据空间和程序空间。()片内具有快速RAM通常可通过独立的数据总线同时访间两块芯片。()具有低开销或零开销循环及跳转的硬件支持。()快速的中断处理和硬件IO支持。()具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。()可以并行执行多个操作。()支持流水线操作取指、译码和执行等操作可以流水执行。DSP主要有以下优点:多总线结构、流水线(pipeline)结构、多处理单元、指令周期短、运算精度高、硬件配置强。DSP是一种特殊的微处理器不仅具有可编程性而且其实时运行速度远远超过通用微处理器。其特殊的内部结构、强大的信息处理能力以及较高的运行速度是DSP最重要的特点。DSP芯片是一种专用微处理器是高性能系统的核心。它可以实时地对大量数据进行数字技术处理。这种实时能力使DSP在声音处理、图像处理等不允许时间延迟领域的应用十分理想成了全球数字电话的“心脏”同时DSP在网络领域也有广泛的应用。DSP芯片的上述特点使其在各个领域得到越来越广泛的应用。第章智能家居系统总体设计本文用ZigBee技术进行家庭组网结合DSP技术与短信方式来完成远程设备与用户之间的通信。这样网络覆盖范围广实现控制与监测时具有不需拨号、价格便宜、覆盖范围广等优势而且不必重新布电网可以节约财力、物力和人力稳定可靠易于实现。随着家庭内部电器设备的增多家电的控制的难度在增加。本系统是通过DSP控制中心模块外接GSM模块实现通过手机短信息控制家庭内部的电器设备并且DSP可以通过ZigBee网络对家电进行控制然后以短信的方式将家电的状态传送到手机上。DSP主控模块依照一定的通信协议与用户进行短信息的收发。DSP主控模块电路接收并解释短信息指令通过ZigBee网络对各功能单元模块进行控制。各单元模块与DSP主控模块通过串口通信。各个功能模块联系如下图所示:图功能模块图ZigBee网络的协调器节点和主控模块相互连接来进行数据传输。在ZigBee网络中所有节点的传感器数据都通过路由送往协调器节点。每个传感器节点可以设置成睡眠模式,在没有数据发送的时候进入休眠,以节省功耗,延长使用寿命。根据ZigBee协议每个ZigBee主设备可以连接多达个从设备,一个区域内最多可以同时存在个独立且相互重叠覆盖ZigBee网络。所以,网络容量很大,能满足大多数需求。网络中的数据传输采用了碰撞避免机制和完全确认的数据传输机制。而且网络层和MAC层都有安全策略,且安全分级,各个应用可以灵活确定其安全属性。所以整个网络的可靠性和安全性都比较高。建立Zigbee无线网络ZigBee设备在工作时各种不同的任务在不同的层次上执行通过层的服务完成所要执行的任务。每一层的服务主要完成两种功能:根据其下层服务要求为上层提供相应的服务根据上层的服务要求对下层提供相应的服务。各项服务通过服务原语来实现。每个事件由服务原语组成它将在一个用户的某一层通过该层的服务接入点(SAP)与建立对等连接的用户的相同层之间通信。服务原语通过提供一种特定的服务来传输必需的信息。这些服务原语是一个抽象的概念它们仅仅指出提供的服务内容而没有指出由谁来提供这些服务。它的定义与其他任何接口的实现无关。由代表其特点的服务原语和参数的描述来指定一种服务。一种服务可能有一个或多个相关的原语这些原语构成了与具体服务相关的执行命令。每种服务原语提供服务时根据具体的服务类型可能不带有传输信息也可能带有多个传输必需的信息参数。原语通常分为如下种类型(如下原语环境设置为一个具有I个用户的网络中两个对等用户及其与J层或子层对等协议实体建立连接的服务原语):Request:请求原语从第I用户发送到它的第J层请求服务开始。Indication:指示原语从第I用户的第J层向第I用户发送指出对于第I用户有重要意义的内部J层的事件。该事件可能与一个遥远的服务请求有关或者可能是由一个J层的内部事件引起的。Response:响应原语从第I用户向它的第J层发送用来表示用户执行上一条原语调用过程的响应。Confirm:确认原语由第J层向第I用户发送用来传递一个或多个前面服务请求原语的执行结果。网络层管理实体服务接入点为其上层和网络层管理实体的传送管理命令提供接口如图所示。建立新网络在一个网络中ZigBee协调器具有建立一个网络、维护邻居设备表对逻辑网络地址进行分配允许设备MAC层应用层的连接或断开网络的功能所有ZigBee设备都具有连接或断开网络的功能。图网络层参考模型以下为建立ZigBee网络过程:图建立ZigBee网络流程GSM短消息模块工作原理及工作方式GSM工作原理及工作流程无线通讯模块采用发展最成功的无线通讯技术能提供短消息、话音通讯和数据通讯三大功能。其中短消息业务将使该无线通讯模块获得最广泛的应用所以有时也将该无线通讯模块简称为GSM短消息模块。GSM短消息模块是一种基于无线GSM技术的工业级的MODEM是一种内嵌GSM无线通信模块插入移动运营商的手机SIM卡可以与移动运营商的短信中心建立无线连接本地通过与PC的连接可以实现计算机控制应用系统实现自由的短信收发。GSM短消息具有随时在线(AlwaysOnline、不需拨号、价格便宜、覆盖范围广等特点特别适合于需传送小流量数据的应用如车辆调度安全导航﹑监控监测等领域。采用GSMMODEM无线通讯模块后则可以利用随时在线的短消息业务通过无处不在的GSM公网将信息传送到调度中心。图系统控制流程图GSM模块工作方式点对点方式、数据中心方式(点对多点)、通过串口通讯与GSM短消息模块连接通过AT指令驱动短信模块收发短信。本设计中用的GSM短消息模块是HH华为HUAWEIGTMGPRS无线模块。DSP芯片本设计中选用的DSP芯片是TMSVC。TMSVC是位定点DSP采用改进的哈佛结构适应远程通信等实时嵌人式应用的需要。TMSVC有一组程序总线和三组数据总线高度并行性的算术逻辑单元ALU专用硬件逻辑片内存储器片内外设和专业化的指令集使该芯片速度更高操作更灵活。程序和数据空间分开允许同时对程序指令和数据进行访问提供了很高的并行度可在一个周期里完成两个读和一个写操作因此并行存储指令和专用指令可在这种结构里得到充分利用。另外数据可以在数据空间和程序空间之间传送。并行性支持一系列算术、逻辑和位处理运算它们都能在一个机器周期里完成。TMSVC还具有管理中断循环运算和功能调用的控制结构。ZigBee节点本设计采用了CC芯片。CC具有CCORF接收器以及增强性能的MCU、KBRAM等部件其增强的MCU核的性能是标准核性能的倍。CC还具备直接存储器定址(DMA)功能、可编程看门狗定时器、AES安全协处理器、多达输入的位ADC、USART睡眠模式定时、上电复位、掉电检测电路(brownoutdetection)、个可编程IO引脚等两个可编程的USART用于主从SPI或UART操作。带外部功放的CC参考设计可提供dB·m的输出功率。第章硬件设计及原理智能家居系统具有对家庭中的各种设备远程控制、远程查询、集中管理功能为用户提供更为舒适方便的生活方式本设计主要针对的是家电控制。ZigBee通信子节点需具备脉冲量数据采集、开关量数据采集、模拟量数据采集、继电器触点输出等功能而主节点实际上是一个功能齐全的FFD设备对家庭子网节点的管理并与家居服务器通信实现服务器和子节点的信息交互。本设计中家庭内部节点主要由射频芯片CC和TMSVC芯片组成CC是Chipcon推出的符合IEEE标准(MAC、和PHY层)的ZigBee无线网络模块它只需很少外围器件就可与MCU构成无线通讯系统。TMSVC芯片用来控制CCZigBee模块的运行并且与GSM模块通过MAX进行连接,用来进行数据的通讯。我们将ZigBee的协调器节点和GSM模块集成在一块板子。节点在空闲时间处于睡眠状态当用户有控制信号或者数据采集要求时采用中断将节点唤醒完成数据采集或控制任务并上报相关信息。对于ZigBee无线网络中的各个节点,主要是数据的采集、定时发送、定时休眠等,对于路由节点及协调器节点则主要实现了数据的转发及路由功能。在协调器节点与GSM的数据交互中,双方都应该遵循约定好的报文格式,以便上位机能够更好的解析报文。图系统构成图系统控制模块GSM模块GSM信收发采用深圳市宏电技术开发有限公司HGPRSRS无线调制解调器H提供RS与主机联接采用的是HUAWEIGPTM无线模块。采用的是HUAWEIGPTM无线模块是一款三频段GSMGPRS的无线模块。它支持标准的AT命令及增强AT命令提供丰富的语音和数据业务等功能内嵌TCPIP协议栈是高速数据传输等各种应用的理想解决方案。可方便的应用于移动通信、固定无线通信等领域。基本特点:即插即用使用方便灵活可靠。即插即用使用方便灵活可靠。支持双频GSMGPRS符合ETSGSMphase标准数据终端永远在线支持AA加密算法频段MHzMHz接受灵敏度dBm工作温度范围~+℃。增强功能:使用PC发短消息。GPRS虚拟拨号支持RS接口。提供语音接口并支持拨号通过Xmodem协议进行软件升级看门狗联络监测与重拨功能H支持GSMRee标准AT命令GSMReeAT命令TUTRecVterAT命令标准GPRSAT命令TCPIPAT命令级扩展命令。以下是GSM模块收发数据流程图:图GSM模块收发数据流程图TMSVCEVM板及仿真器主控中心模块它承担着短信的接收命令的判断执行命令的发出或直接驱动并将机器的工作状态用短信发给移动终端。这种工作可以选用低价普通的C单片机。但考虑要在以后扩展基于图像的彩信反馈的应用所以在本设计中控制器的处理机选用了TMSVC芯片。DSP主控模块采用了TMSVCEVM评估板及仿真器。TMSVCEVM提供了个BCMSP的直联接线口JJ和PHI的驱动口J。J时与仿真器的接口连接。该板有KRAM数据存储KRAM作为程序储存。KFLASH存储器可用于存储需保留的数据。)TMSVC芯片。这款TMSC是TI公司于年推出的新一代定点数字处理器,它具有功耗小、高度并行等优点,运算速度最高MIPS具有先进的多总线结构位算术逻辑运算单元(ALU),包括一个位桶形移位寄存器和两个独立的位累加器一个bit×bit并行乘法器和位专用加法器相连,用于非流水线式单周期乘法累加(AMC)运算最大k*bit外部数据空间,最大M*bit外部程序空间,k*bit内ROM,k*bit片内RAM内置可编程等待状态发生器、锁相环(PLL)时钟发生器、两个多通道缓冲串口、一个位并行与外部处理器通信的HPI口、两个位定时器以及通道DMA控制器支持单指令循环和块指令循环采用六级流水线结构,将一条指令执行所需要的取指、译码、取操作数并执行等几个步骤同时完成,将指令周期降到最小值。图DSP开发板示意图)开发板部分接口定义aJMcBsp串口:位于主板用于连接声音子卡或者扩展使用。bJ扩展口:位于主板和CPLD连接。cJJTAG口位于主板和仿真器连接。dPOWER电源在主板。该接口里面是电源正极。使用V、mA电源。eUSB口位于主板。用于连接PC。作为USBDEVICE使用。fIDE接口)IDE接口定义:图IDE接口图USB接口部分电路存储器接口模块如下图所示图存储器接口模块CPLD逻辑控制模块如下图所示图CPLD逻辑控制模块图DSP接口逻辑模块)仿真器DSP的仿真调试以及程序烧写都要通过JTAG接口进行下面的给出了系统的JTAG接口电路。脚没有连接而且应该把双排针连接器的该针脚去掉仿真器的DSP连接器通常用此脚进行定位。用MAX芯片实现同步串行数据接口到异步串行口(RS)的转换。可与H的RS口相连。MAX包括UART和RS两个部分其中UART部分包括兼容SPI的串行口可编程波特率发生器发送缓冲器及发送移位寄存器接收缓冲器接收移位寄存器字节接收FIFO以及有四种可屏蔽中断源的中断产生器。而RS部分包括自带电容的电泵其功能可由脚进行关断。图MAX芯片图JTAG接口电路MAX是V器件TMSVC的MCBSP串行接口工作SPI模式时可直接与MAX连接实现与RS设备异步数据传输。此时TMSVC作为SQI协议中的主设备发送时解信号(BCLKX)作为MAX的串行时解输入发送帧同步信号(BFSX)作为MAX的原选信号(TCS)。BDX与DIN连接作为发送数据线。BDR与DOUT作为接收数据线。MAX的功能可通过BDX线向其发送位的控制字配置命令来定制。MAX的TX与TIN连接RX与ROUT连接以便利用其片内的转换器实现UART到RS电平转换。MAX串断信号(IRQ)与DSP的外部中断LNTO相连。这样无需任何其它外围器件。由于异步收发由MAX硬件实现所以TMSVC的软件编程只需考虑与MAX之间的同步数据通信。对于基于MAX的同步转异步串口实现DSPTMSVC编下:stmSPCR,SPSA配置SPCRstm#h,MCBSPstmSPCR,SPSA配置SPCRstm#h,MCBSPstmPCR,SPSA配置PCRstm#h,MCBSPstmXCR,SPSA配置XCRstm#h,MCBSPstmSRGR,SPSA配置SRGRstm#h,MCBSPRPT#等待个CLKSRG时钟周期NOPstmSPCR,SPSA配置SPCRstm#h,MCBSP启动MCBSP采样率发生器RPT#等待个CLKSRG时钟周期NOPstmSPCR,SPSAstm#h,MCBSP启动接收stmSPCR,SPSA配置SPCRstm#h,MCBSP启动MCBSP发送端stmSPCR,SPSA配置SPCRstm#Ch,MCBSP启动帧同步脉冲RPT#等待个CLKSRG时钟周期NOPLd#H,Astm#Ch,DXR配置MAX个停止位系统执行本系统的执行环节之一采用ZigBee无线网络技术ZigBee采用IEEE标准利用全球共用的公共频率GHz应用于监视控制网络时其具有非常显著的低成本低耗电网络节点多传输距离远等优势。TMSVC与CC的联接是系统的执行环节。由于CC是C为核心的所以TMSVC与CC连接类似与C单片机的连接只是CC的电平为伏。而TMSVC接口电平为伏正好能直接匹配减少了电平转换的麻烦。图TMSVC与CC连接图图CC与执行终端连接图执行终端在接收到对本机的呼叫并确认中心所下达的执行命令时就驱动相应端口的输出脚如上图中的P驱动三极管Q带动继电器J三个常开接点闭合J课带动负载而J由P检测J的状态可供查询。用CC芯片组成ZigBee的无线网络可以在节点间进行接力传输每个节点间距离可达米在节点间距离较密时网络节点有自愈功能。这种网络可支持较大规模网络节点可达万多。在实现ZigBee的软件方面要有ZigBee协议栈的支持现在厂家以可以免费支持这使得基于利用CC无线单片机ZigBee技术的无线网络可以得到普级。直接驱动:就是控制中心提供直接驱动设备的电口这就需要TMSVC提供扩展IO端口的驱动本设计用TMSVCEVM版的J接口它将HPIIO口经LVC总线锁存后用其状态驱动继电器。如下图:图TMSVC与LS连接图本章小节本章详细介绍了系统的控制环节和执行环节。分析和介绍了各个模块电路的特性根据本系统的特点选用了合适的芯片介绍了芯片的特性并给出了各模块的具体电路设计方案。第章软件设计编程语言及软件选择本次编程基于CCS开发工具采用C与汇编的混合编程。会和编程步骤如下:)分别编写各C程序和汇编程序再独立编译或汇编形成各自的目标代码模块。)然后再将各目标模块链接起来。)直接在程序中嵌入汇编语句。)手工修改C程序编译后的汇编程序。本次设计采用的codecomposerstudio主界面如下:图CCS主界面本次设计的具体步骤、用仿真机将与DSPEVM板连接好打开电源然后运行CCS软件。、新建一个项目:点击Project-New将项目命名为project并将项目保存在自己定义的文件夹下文件夹一定要用英文名因为CCS软件不能识别以中文命名的文件夹。、新建一个源文件:点击File-New-SourceFile可以打开一个文本编辑窗口点击保存按键保存在和项目相同的一个文件夹下面(project)保存类型选择*C(如果使用汇编语言编写的,就选择*ASM为保存类型)我们在这里将保存名字命名为projectC。、在项目中添加源文件:在新建立了一个源文件以后要想使用CCS编译器对该源文

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