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基于tcpip的家居環(huán)境檢測(cè)和家電控制系統(tǒng)王照(更新版)

2024-07-24 12:40上一頁面

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【正文】 個(gè) 專 用 的 引 腳用于連接 LED,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)狀態(tài)指示。圖 36 復(fù)位電路(5)啟動(dòng)模式選擇電路一般 STM32 系列的處理器管腳上面 ,都有配有兩只 PIN 腳 BOOTO 和 B00T1,這兩只 PIN 腳的復(fù)位電平?jīng)Q定了最先程序運(yùn)行的空間位置,如下:BOOT0 = 0、B00T1 =X: 芯片內(nèi)部的 Flash 啟動(dòng),該方式是正常運(yùn)行模式 。圖 32 芯片電源部分圖 33 VDD 與 VSS 間的去耦電容(2)晶振電路STM32F103ZET6 微處理器需要兩個(gè)無源晶振作為系統(tǒng)的時(shí)鐘來源,MCU 的時(shí)鐘源是由 8MHZ 的晶振和串聯(lián)的電容構(gòu)成的,系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘源是由 晶振和串聯(lián)的電容所組成的。圖 31 STM32 系列芯片特性 主要電路的介紹(1)主機(jī)控制板電源電路部分設(shè)計(jì)因?yàn)?STM32F103 自身芯片上就配置了很多內(nèi)部資源,給主機(jī)控制板的電路設(shè)計(jì)帶來了很多便利,降低外部設(shè)備設(shè)計(jì)的難度,使設(shè)計(jì)更加穩(wěn)定,也減少了開發(fā)費(fèi)用。支持節(jié)電模式,邏輯門數(shù)少,適合低功耗應(yīng)用 。表 31 單片機(jī)性能價(jià)格 接口 抗干擾能 力 執(zhí)行速度 開發(fā) 典型代 表8 位 低 少 很差 慢 簡單 MCS5116 位 低 少 較強(qiáng) 一般 簡單 ATmega1632 位 區(qū)間大 多 強(qiáng) 快 一般 STM32可以看出,32 位的單片機(jī)不論在抗干擾能力還是執(zhí)行速度上都具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì),并且滿足多接口的要求。第一個(gè)單片機(jī)只有 4 位,隨后在電子和計(jì)算機(jī)行業(yè)的不斷發(fā)展下,逐漸出現(xiàn) 8 位、16 位甚至 32 位的單片機(jī)。 應(yīng) 用 程 序定 時(shí) 器硬 件 設(shè) 備 驅(qū) 動(dòng)UIP協(xié) 議 棧UIP ACLUIP INPT UIP PERODIC系 統(tǒng) 底 層圖 27 uIP 函數(shù)接口示意圖uIP 通過函數(shù)接口,向上可以跟應(yīng)用層聯(lián)系,向下可以與硬件打交道,具有強(qiáng)大的獨(dú)立性和通用性,可以方便地移植到不同的系統(tǒng)中,其接口示意圖如圖 27 所示。 uIP 是由瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院的 Adam Dunkels 等人開發(fā)的一款輕量級(jí)開源 TCP/IP 協(xié)議。對(duì)于主機(jī)而言,每當(dāng)收到一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào),IP 協(xié)議就去核對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)頭的目的 IP 地址是否為該主機(jī)的 IP 地址,如果 IP 地址相符,就將數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送到指定的協(xié)議模塊進(jìn)行處理,否則就丟棄該數(shù)據(jù)報(bào)。數(shù)據(jù)報(bào)在到達(dá)終點(diǎn)之前可以經(jīng)過多次分片,可以被源主機(jī)或在其路徑上任何路由器進(jìn)行分片。當(dāng)接收端接受數(shù)據(jù)時(shí),所得到的數(shù)據(jù)有可能會(huì)丟失,為了避免這種情況發(fā)生,就在發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器,如果定時(shí)器溢出時(shí)仍未收到接受端的確認(rèn)信息,發(fā)送端就重新發(fā)送該數(shù)據(jù),以確保數(shù)據(jù)的傳輸成功。 經(jīng)過上面的操作,TCP 發(fā)送端和 TCP 接收端完成了數(shù)據(jù)的正確可靠的傳輸。該系統(tǒng)包含四個(gè)子系統(tǒng):安防子系統(tǒng)、三表抄送系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、家電控制系統(tǒng)。而且本系統(tǒng)通過其他的家居感應(yīng)器,如:對(duì)煤氣、煙霧等危險(xiǎn)因素進(jìn)行監(jiān)控,發(fā)生可疑情況時(shí) ,系統(tǒng)通過 SMS 短息向用戶報(bào)警。所以在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候設(shè)計(jì)的功能模塊盡量進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),在系統(tǒng)部件故障需要維修時(shí),方便維護(hù)。所以對(duì)于目前大多數(shù)普通家庭日常生活而言很多功能并不實(shí)用,操作的界面也過于花哨,并不方便普通家庭的生活需求。(4)智能家居系統(tǒng)能夠接入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò),客戶可以在任何一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)上通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器訪問系統(tǒng),設(shè)置室內(nèi)溫度濕度,查看空調(diào)電燈等電器的工作狀態(tài)并進(jìn)行控制,瀏覽系統(tǒng)日志,查詢有無報(bào)警信息,對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的功能。(2)如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)的功能:包括對(duì)非法入侵的報(bào)警,對(duì)溫度濕度等物理量的采集,對(duì)空調(diào)、燈光等家電設(shè)備的控制,對(duì)煤氣泄漏的探測(cè),以及三表抄送功能的實(shí)現(xiàn)。環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為當(dāng)今最熱門的國際話題,全球性的氣候變化也讓人們開始反思發(fā)展與環(huán)境這道選擇題。隨著電子元器件的不斷更新、改進(jìn),未來的低成本產(chǎn)品也是必然的趨勢(shì); (2)標(biāo)準(zhǔn)化。同時(shí),國內(nèi)的企業(yè)也可以多借鑒一些國際品牌,學(xué)習(xí)他們?nèi)诵曰脑O(shè)計(jì)理念和縝密的設(shè)計(jì)思維。在國內(nèi),有海爾公司的“e 家佳聯(lián)盟 ” 、中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)發(fā)布的《基于共用電信網(wǎng)的寬帶用戶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)總體要求》 、國家建設(shè)部制定的《建筑及居住區(qū)數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用》系列標(biāo)準(zhǔn)等。先不論這些產(chǎn)品的功能如何,就單從“價(jià)格優(yōu)勢(shì)”上來說,也只能相對(duì)而言。 目前存在的問題綜上,不難得知智能家居這個(gè)行業(yè)的發(fā)展時(shí)間已經(jīng)不短,單單在國內(nèi)的發(fā)展已經(jīng)有十幾年。而其中資歷老、產(chǎn)品豐富的就要算海爾了。與傳統(tǒng)的家庭消耗來比較,新的環(huán)??萍技夹g(shù)將為大眾節(jié)約近一半的資源,大大提高了能源的利用率。這個(gè)系列產(chǎn)品主要針對(duì)單戶型,突破了智能家居只應(yīng)用于大中型房子的格局。如今易能森聯(lián)盟(EnOcean Alliance)在全球已經(jīng)吸引了超過 300 家的智能樓宇知名企業(yè)。 智能家居的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀外國對(duì)智能家居的研究比較早,從上個(gè)世紀(jì) 80 年代開始,至今已有 30 年歷史。首先需要將控制因素,如各類電器組成一個(gè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò),再通過外部網(wǎng)絡(luò)——有線或者無線與終端進(jìn)行通信,從而構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。在這之后,該學(xué)院提出將“所有事物都可以通過網(wǎng)絡(luò)互相聯(lián)系”作為物聯(lián)網(wǎng)的基本含義。通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展,多功能、智能化的家電成了人們夢(mèng)想擁有的物品之一。在公共場(chǎng)所和工作環(huán)境的不斷改善下,家庭居住環(huán)境也慢慢加入了生活品質(zhì)的名單。這樣客戶僅僅使用一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的個(gè)人計(jì)算機(jī),通過 Web 瀏覽器登錄到嵌入式 Web 服務(wù)器上,完成對(duì)家居設(shè)備的監(jiān)控和控制。河南機(jī)電高等??茖W(xué)校 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) ( 論 文 )基于 TCP/IP 的家居環(huán)境檢測(cè)和家電控制系統(tǒng)系 部: 自動(dòng)控制系 專 業(yè): 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 班 級(jí): 計(jì)控 121 班 姓 名: 王 照 學(xué) 號(hào): 121413134 指導(dǎo)老師: 王 琦 編 號(hào) I / 49二零一五年五月 摘 要家居生活是人們?nèi)粘I钪泻苤匾囊徊糠帧T谠O(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí),采用B/S(Browser/Server)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),通過在高性能的微處理器上實(shí)現(xiàn) Web 服務(wù)器,并采用 Linux 操作系統(tǒng)自帶的 TCP/IP 協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)對(duì)上層協(xié)議的支持,采用支持以太網(wǎng)協(xié)議的網(wǎng)卡芯片經(jīng) RJ45 接口接入以太網(wǎng),最后再同互聯(lián)網(wǎng)相連,實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)的功能,在此基礎(chǔ)上,利用 CGI(通用網(wǎng)關(guān)接口)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)CGI 程序?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁,并采用 HTTP(超文本傳輸協(xié)議)協(xié)議完成客戶端同服務(wù)器之間應(yīng)用層的數(shù)據(jù)交互,以此實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能。為人類開發(fā)更加舒適便捷、安全高效的產(chǎn)品成為信息社會(huì)發(fā)展的強(qiáng)有力動(dòng)力。這些依賴于家居智能管理系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)的概念最早出現(xiàn)于 1991 年,是由麻省理工學(xué)院的一位教授提出。那么“智能”到底要如何體現(xiàn)呢?當(dāng)用戶通過終端——電腦或手機(jī),可以隨時(shí)隨地地控制家用電器或監(jiān)控家庭環(huán)境,從而體驗(yàn)到安全放心、舒適美好的家居生活便是對(duì)“智能”的最佳詮釋。在不久的將來,普通住宅里也可以擁有如此智能化的家庭生活。目前,通過使用易能森技術(shù),已經(jīng)擁有超過 1000 種無線能量采集技術(shù)產(chǎn)品,它們之間能夠互相兼容,且成功地應(yīng)用于形形色色的建筑中。HRIS1000 系列是該公司近日發(fā)布的單戶型智能家居產(chǎn)品,進(jìn)一步推動(dòng)了智能家居的技術(shù)發(fā)展和科技創(chuàng)新。該項(xiàng)目正在緊鑼密鼓地進(jìn)行著,多采用環(huán)保技術(shù),如以太陽能及再生電池等可再生能源作為部分家用電器的電源。就連剛在國內(nèi)手機(jī)市場(chǎng)獲取一定關(guān)注的小米也在 2022 的夏天,高調(diào)推出智能家居控制中心項(xiàng)目,在微博中引起一陣轟動(dòng)。除了海爾,國內(nèi)還有一些優(yōu)秀的智能家居公司,如北京的中訊威易。當(dāng)然,相對(duì)于一開始的天文數(shù)字,如今的價(jià)格似乎越來越貼近民心,特別是一些剛剛興起的國內(nèi)品牌。國際上,現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)有:CAN、X10 、LonWorks 等數(shù)百種標(biāo)準(zhǔn);無線通信技術(shù)有:、 等標(biāo)準(zhǔn)。特別對(duì)于一個(gè)價(jià)格不低的產(chǎn)品,如果得到的功能不如預(yù)期將會(huì)打擊人們的購買欲。智能家居還做不到普及,最大的原因就是成本問題。 (4)低碳化。 主要內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)目標(biāo) 研究內(nèi)容一個(gè)完整的智能家居控制系統(tǒng)的解決方案,需要研究和解決的內(nèi)容主要包含以下幾個(gè)方面:(1)如何實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的功能:包括系統(tǒng)的初始化,對(duì)子系統(tǒng)的調(diào)度和管理,用戶管理,數(shù)據(jù)的接受發(fā)送及處理。(3)家電控制系統(tǒng):完成溫度濕度數(shù)據(jù)采集,根據(jù)室內(nèi)環(huán)境的變化自動(dòng)調(diào)整空調(diào)、照明燈具和電動(dòng)窗簾的狀態(tài)。因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要遵守以下的規(guī)則:(1)簡單方便由于現(xiàn)在市面上大多數(shù)的智能家居系統(tǒng)主要定位于高收入者、公司高層管理人員者的住宅控制系統(tǒng),方便金領(lǐng)的生活和工作。在用戶需要新的功能時(shí),方便進(jìn)行日后的優(yōu)化升級(jí)。如果發(fā)生異常環(huán)境入侵情況,處理器立即向用戶發(fā)送 MMS 報(bào)警信息,在用戶查看圖片授權(quán)確認(rèn)后,處理器根據(jù)用戶的設(shè)置,進(jìn)行操作,如:聯(lián)網(wǎng)報(bào)警、儲(chǔ)存可疑人員圖像、系統(tǒng)復(fù)位、更新系統(tǒng)背景圖片等。 自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的具體功能,主要實(shí)現(xiàn)溫度濕度的采集,非法入侵報(bào)警,煤氣泄漏檢測(cè),多表抄送,空調(diào)、照明燈具和電動(dòng)窗簾等家用設(shè)備的控制。由于 TCP 協(xié)議是面向連接的通信協(xié)議,所以在主機(jī)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí),必須先建立連接,才可以提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù),而數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詣t由以下措施來保障:TCP 發(fā)送端將要發(fā)送的數(shù)據(jù)分成多個(gè)合適大小的數(shù)據(jù)塊,然后把數(shù)據(jù)塊傳遞給 IP 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝,一般將 TCP 發(fā)送給 IP 的信息單元稱為報(bào)文段;當(dāng)TCP 發(fā)送端發(fā)出一個(gè)報(bào)文段后,會(huì)激活一個(gè)定時(shí)器,如果在一定的時(shí)間內(nèi)沒有收到 TCP 接收端收到該報(bào)文段的確認(rèn),TCP 發(fā)送端將會(huì)把該報(bào)文段重新發(fā)送一次;當(dāng) TCP 接受端接受到發(fā)送端發(fā)送的報(bào)文段后,會(huì)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信息,一般這個(gè)確認(rèn)信息將會(huì)延遲幾分之一秒后才發(fā)送;發(fā)送的報(bào)文段中包含它首部和數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和,用來驗(yàn)證數(shù)據(jù)在傳送過程中是否發(fā)生異常,如果 TCP 接收端計(jì)算得出的數(shù)據(jù)校驗(yàn)和與報(bào)文段中的校驗(yàn)和不符,TCP 接受端將會(huì)丟棄該報(bào)文段并且不發(fā)送接受確認(rèn)信息,讓 TCP 發(fā)送端重發(fā)該數(shù)據(jù);由于 TCP 報(bào)文段是封裝在 IP 數(shù)據(jù)包中傳輸?shù)?,這就有可能導(dǎo)致 TCP 報(bào)文段不會(huì)順序到達(dá),TCP 接收端需要對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排序,也有可能接受到重復(fù)的報(bào)文段,因此需要把多余的報(bào)文段丟棄,然后將正確的報(bào)文段提交給應(yīng)用層。TCP 的超時(shí)和重傳機(jī)制13 / 49在 TCP 協(xié)議中,超時(shí)重傳機(jī)制是對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的重要保障。運(yùn)輸層會(huì)進(jìn)行分片工作,把數(shù)據(jù)劃分成 IP 和在使用的數(shù)據(jù)鏈路層都可能接納的大小。路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)的工作原理是在內(nèi)存中的 IP 層保存了一個(gè)路由表,每當(dāng)它接收到一個(gè)來自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)報(bào)時(shí),就去查找一下路由表,來確定其下一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的最佳路徑,并把數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。但對(duì)于小成本或非商業(yè)性的系統(tǒng)開發(fā),15 / 49往往希望有開源的協(xié)議棧,uIP 正滿足了這個(gè)條件。uIP 為了節(jié)省內(nèi)存的占用率,在發(fā)送的時(shí)候并不緩存數(shù)據(jù),而是在內(nèi)部設(shè)計(jì)重發(fā)事件,在數(shù)據(jù)發(fā)送失敗的時(shí)候,直接調(diào)用重發(fā)事件。單片機(jī)是指,通過大規(guī)模集成電路技術(shù)把 CPU 和 RAM、ROM 以及其他 IO 口集成在一塊芯片上形成的最小計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。表 31 為 8 位、16 位、32 位單片機(jī)的性能對(duì)比。內(nèi)部含兩級(jí)嵌套優(yōu)先級(jí) ,支持中斷嵌套,縮短中斷延時(shí)。那么針對(duì)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,F1 系列已經(jīng)足夠滿足,于是將 STM32F103VET6 作為本系統(tǒng)的主控制芯片。濾波電容連接如圖 33 所示。圖 35 Jlink 復(fù)位電路(4)復(fù)位電路正常狀態(tài)下將主芯片的 RESET 引腳拉高,當(dāng)按下復(fù)位按鈕時(shí)將 RESET 引腳拉低,用于在控制器出現(xiàn)故障時(shí)復(fù)位控制器。 與 主 控 制 器 的 通 信 通 過 兩 個(gè) 中 斷 引 腳 和 SPI 實(shí) 現(xiàn) ,數(shù) 據(jù) 傳 輸 速 率 高 達(dá) 10Mb/s。PA6 連接火災(zāi)傳感器,PA7 連接可燃?xì)怏w傳感器以及 PC4 用來連接紅外探測(cè)器,在檢測(cè)到有異常的情況時(shí)將輸出數(shù)字信號(hào)反饋至主控器,主控制器便會(huì)控制 PD0 輸出高電平觸發(fā)光耦隔離器導(dǎo)通,進(jìn)而控制繼電器啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警。在中國,Keil 軟件被中國 80%的硬件工程師使用,利用其生成的目標(biāo)代碼效率非常之高,多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊,容易理解。這套軟件通過把原理圖設(shè)計(jì)、電路仿25 / 49真、PCB 繪制編輯、拓?fù)溥壿嬜詣?dòng)布線、信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)的完美融合,為設(shè)計(jì)者提供了全新的設(shè)計(jì)解決方案,使設(shè)計(jì)者可以輕松進(jìn)行設(shè)計(jì),熟練使用這一軟件必將使電路設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率大大提高。初始化連接服務(wù)器開始連接成功Y連接標(biāo)記置1 幀聽上位機(jī)上位機(jī)是否有信號(hào)Y處理上位機(jī)命令讀取傳感器值檢測(cè)到危險(xiǎn)輸出報(bào)警連接標(biāo)記是否為 1 ?打包傳感器信息并發(fā)送至上位機(jī)YYNNNN圖 41 主控制器程序流程圖27 / 49 VC++程序設(shè)計(jì)利用 MFC 設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件,上位機(jī)為服務(wù)器。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了整體架構(gòu),并最終完成家居環(huán)境檢測(cè)和家電控制控制系統(tǒng)。 (2)增強(qiáng)交互能力。本論文從一開始就得到了王老師的悉心指導(dǎo),沒有老師在總體上把握方向,論文工作不會(huì)這么順利地完成。 dat = op | (address amp。}void enc28j60WriteOp(u8 op, u8 address, u8 data){ u8 dat = 0。}void
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