【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 持先進(jìn)的高級(jí)加密技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) AES 的協(xié)處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)， 加密算法采用通用的 64 位出廠編號(hào)并支持 AES— 128 加密。 GPRS 模塊的選擇 GPRS 模塊 即通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)， 通常也被稱(chēng)為 技術(shù)， 是一種基于 GSM 為基礎(chǔ)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù) 。 GPRS 在 GSM 系統(tǒng)中引入兩個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（ GPRS 網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn) GGSN 和 GPRS 服務(wù)支持節(jié)點(diǎn) SGSN） 并對(duì)其進(jìn)行了軟件升級(jí)，能夠掛接在 Inter 7 上和終端設(shè)備上的服務(wù)器之間建立一條數(shù)據(jù)通信的線路 。 GPRS 采用分組交換技術(shù)，支持資源共 享，頻帶利用率高，數(shù)據(jù)傳輸率高。 GPRS 最高傳輸速率可達(dá) ，支持 協(xié)議和 IP協(xié)議；用戶永遠(yuǎn)在線且按流量、時(shí)間計(jì)費(fèi)，通信成本低，快速登錄， GPRS用戶開(kāi)機(jī)后，就始終附著在 GPRS 網(wǎng)絡(luò)上，每次使用時(shí)只需要一個(gè)一到三秒的激活過(guò)程。GPRS 的每一個(gè)無(wú)線終端需安裝一個(gè)開(kāi)通 GPRS 業(yè)務(wù)的 SIM 卡，該卡的唯一號(hào)碼作為該數(shù)據(jù)傳輸終端的唯一號(hào)碼 ID 號(hào)碼，方便在數(shù)據(jù)傳遞中識(shí)別其唯一身份。每一個(gè) GPR 數(shù)據(jù)傳輸終端可定時(shí)或隨時(shí)響應(yīng)數(shù)據(jù)分析中心的要求將采集到的信號(hào)傳遞給用戶的數(shù)據(jù)中心。 因此，將 GPRS 技術(shù)應(yīng) 用于家庭智能控制系統(tǒng)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸是最佳選擇。 系統(tǒng)采用 GPRS模塊主要 是 為了 通過(guò) GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn) ARM中央控制模塊 與戶主手機(jī)之間 進(jìn)行無(wú)線遠(yuǎn)距離 的數(shù)據(jù)交換。經(jīng)過(guò) 成本與性能 的綜合考慮，系統(tǒng)選用西門(mén)子公司的MC55 GPRS 模塊。 MC55 集成了完整的射頻電路和 GPRS 基帶處理器， 除具有普通的 GSM模塊的短信通信和通話功能 外，還可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線 GPRS 連接，支持 HTTP、 SOCKE、 TFTP、SMTP 等上層應(yīng)用協(xié)議，而且 提供了完整的 GSM 和 GPRS 無(wú)線接口，支持?jǐn)?shù)據(jù)、語(yǔ)音、傳真和短信息等多種通信方式，采用 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行通信。 智能家電終端控制器芯片的選擇 本設(shè)計(jì)采用了美國(guó) ATMEL公司推出的 AT89C51系列單片機(jī)作為智能家電終端控制器的控制器， AT89C51 是一個(gè)帶 4 KB 閃爍可擦出可編程的只讀存儲(chǔ)器的高性能、低電壓CMOS 8 位微控制器。該單片機(jī)采用了 ATMEL 非易失高密度高集成度的存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造而成，它的輸出管腳與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS 51 指令集相兼容。由于將閃爍存儲(chǔ)器與多功能 8位 CPU組合集成在一個(gè)芯片上，所以 ATMEL 的 AT89C51 是一種高性能高效的微控制器，為很多嵌入式中小型控制 系統(tǒng)提供了一種廉價(jià)且高靈活性的方案。綜合判斷比較其性價(jià)比較高。 溫濕度傳感器的選擇 本設(shè)計(jì)中采用了瑞士 Sensirion 公司生產(chǎn)的具有總線接口的數(shù)字溫濕度傳感器SHT11。 SHT11 溫濕度傳感器是高度集成的芯片，提供全量程標(biāo)定的數(shù)字輸出。通過(guò)該傳感器對(duì)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)溫度和濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，具有極高的安全性、可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。 溫濕度傳感器 SHT11 芯片上集成的 濕敏元件 是一個(gè)電容性聚合體， 溫敏元件 是由能隙材料制成的，而 這兩個(gè)元件 與一個(gè)串行接口以及一個(gè)十四位的 A/D 轉(zhuǎn)換器在一片芯片上集成 后就形成了一片 SHT11。溫濕度傳感器 SHT11 測(cè)量的主要參數(shù)如表 21 所示： 由于其有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、一致性好的特點(diǎn)，非常適合于單片機(jī)溫濕度測(cè)量與控制系統(tǒng) ，所以本設(shè)計(jì)中采用了 SHT11 溫濕度傳感器。 8 表 21 溫濕度傳感器 SHT11測(cè)量的主要參數(shù) 煙霧傳感器的選擇 煙霧傳感器能夠有效檢測(cè)環(huán)境中可燃?xì)怏w或有毒氣體的濃度（如 co）， 對(duì)家居中的安全隱患進(jìn)行檢測(cè)，防止火災(zāi)的發(fā)生。 因 為本 設(shè)計(jì)是針對(duì)家用可燃性氣體 如液化氣或者天然 氣 的 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) ， 而且通過(guò)對(duì)市場(chǎng)價(jià)格及氣敏傳感器主要參數(shù)的綜合考慮，本設(shè)計(jì)的可燃?xì)怏w泄露報(bào)警電路中采用了 TGS813 氣敏傳感器 。 TGS813 氣敏傳感器 的主要參數(shù)如下表 22中所示： 表 22 TGS813氣敏傳感器的主要參數(shù) 項(xiàng)目名稱(chēng) 參數(shù)指標(biāo) 加熱電壓 DC/AC 5V 著火點(diǎn)溫度 537 攝氏度 爆炸極限 5% ~ 15% 溫度范圍 200 攝氏度 ~ 300 攝氏度 項(xiàng)目名稱(chēng) 參數(shù)指標(biāo) 供電電壓 ~ 溫度測(cè)量范圍 40 ~ 120 攝氏度 濕度測(cè)量范圍 0 ~ 100% RH 輸出信號(hào)形式 數(shù)字信號(hào) 測(cè)溫精度 攝氏度 測(cè)試精度 % RH 9 利用 TGS813 氣敏傳感器可對(duì)可燃性氣體濃度信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并且轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后與設(shè)定的電壓信號(hào)進(jìn)行比較，一旦超過(guò)設(shè)定值就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。氣體傳感器種類(lèi)繁多，這里所用的是氣敏傳感器 TGS813 屬 N 型半導(dǎo)體類(lèi)傳感器，其主要成分是二氧化錫燒結(jié)體，當(dāng)吸附還原如液化氣、天然氣、氫氣、一氧化碳、有機(jī)溶劑蒸汽等時(shí)，電導(dǎo)率上升，當(dāng)恢復(fù)到清潔空氣時(shí)，電導(dǎo)率恢復(fù)。 TGS 傳感器就是將這種電導(dǎo)率變化，以輸出電壓的方式取出，從而監(jiān)測(cè)出氣體濃度。 TGS 傳感器最大優(yōu)點(diǎn)是壽命長(zhǎng)， TGS 傳感器的靈敏度特性只隨四季的溫濕度變化而呈周期性變化，并沒(méi)有單調(diào)變化的趨勢(shì)，說(shuō)明 SnO2 半導(dǎo)體氣體傳感器有極長(zhǎng)的壽命。 系統(tǒng)硬件電路框圖 系統(tǒng)硬件電路框圖如圖 21所示： 圖 21 物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng) 硬件電路 框圖 中央控制器采用 了 ARM920T S3C2400 作為主控芯片芯片， 由于 S3C2400 內(nèi)部集成了TFT/STN LCD 觸摸屏控制器主要用于傳輸顯示數(shù)據(jù)和產(chǎn)生控制信號(hào)，支持屏幕水平和垂直滾動(dòng)顯示。數(shù)據(jù)的傳遞采用 DMA 直接內(nèi)存訪問(wèn)方式。該 LCD 接口利用 S3C2440 內(nèi)部集成的 LCD 控制器，可直接和大多數(shù) TFT 液晶顯示屏直接相連，通過(guò) IIC 接口利用 IIC 總線可以控制液晶顯示屏的背光、對(duì)比度等，從而 實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交換界面 的建立。 采用 64M的 NAND型 Flash K29F2808通過(guò) NAND Flash存儲(chǔ)器接口總線直接與 S3C2400相連，用戶可以在其內(nèi)部存放系統(tǒng)啟動(dòng)代碼、根文件系統(tǒng)及內(nèi)核代碼。選用兩片溫濕度傳感器 SHT11 熱水器控制器 空調(diào)控制器 指紋識(shí)別門(mén)控器 煙霧傳感器 TGS813 CC2430收發(fā)模塊 CC2430收發(fā)模塊 CC2430收發(fā)模塊 CC2430收發(fā)模塊 CC2430收發(fā)模塊 CC2430收發(fā)模塊 ARM920T 中央控制器 S3C2440 FLASH SDRAM 電源及復(fù)位模塊 觸摸屏顯示模塊 GPRS模塊 用戶手機(jī) 10 HY57V561620CTP— H 構(gòu)成容量為 64MB 高速動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，這樣用戶可在 NAND Flash上執(zhí)行啟動(dòng)代碼，在 SDRAM 上執(zhí)行主程序。 系統(tǒng)硬件框圖中與中央控制器通過(guò)串口連接的 CC2430芯片作為 zigbee無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)的 協(xié)調(diào)器，采用形狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆绞?，主要?fù)責(zé)接收從傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)信息，同樣也負(fù)責(zé)發(fā)送從中央控制器傳來(lái)發(fā)送到各個(gè)控制器終端節(jié)點(diǎn)的控制與采集信息。從而建立了家庭內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)的信息交流中心實(shí)現(xiàn)了家庭信息在內(nèi)部網(wǎng) 絡(luò)內(nèi)的局域交流。 以太網(wǎng)接口模塊 采用 RTL8019AS 芯片 以及 相關(guān)電路 作為以太網(wǎng)的物理層接口 ，可以通過(guò) RJ45 連上以太網(wǎng)。用戶可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)連接到家庭中央智能控制器，了解家庭相關(guān)數(shù)據(jù)信息，以及控制智能家電采取動(dòng)作 ，例如：打開(kāi)空調(diào)和熱水器等。 溫濕度傳感器 SHT11 與 CC2430 芯片的 I/O 口連接構(gòu)成溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。 熱水器控制器采用 AT89C51 單片機(jī)做控制芯片，與 CC2430 采用串口異步通信的方式進(jìn)行信息的傳遞，構(gòu)成熱水器控制器終端節(jié)點(diǎn)。采用了 DS18B20 溫度傳感器與 AT89C51的 I/O口相連，可以對(duì)熱水器內(nèi)的水進(jìn)行溫度測(cè)量。具體還設(shè)計(jì)了水位監(jiān)測(cè)電路、電源模塊以及上水和加熱控制的 驅(qū)動(dòng)電路。 空調(diào)控制器同樣采用了 AT89C51 單片機(jī)做控制芯片，與 CC2430 采用串口異步通信的方式進(jìn)行信息的傳遞，構(gòu)成空調(diào)控制器終端節(jié)點(diǎn)。對(duì)采用 HBS 通信方式控制的空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相關(guān)外圍電路 。 指紋識(shí)別門(mén)控系統(tǒng)采用了指紋識(shí)別傳感器 FPS200 作為采集傳感器，采集來(lái)的信息通過(guò) USB 接口傳輸?shù)?CC2430 構(gòu)成指紋采集節(jié)點(diǎn)，采集到的信息通過(guò)與中央控制器中的指紋數(shù)據(jù)比照后，判斷是否對(duì)產(chǎn)生開(kāi)鎖信號(hào)。 煙 霧傳感器采用了 TGS813 氣敏傳感器，設(shè)計(jì)了其外圍電路的連接和報(bào)警電路，通過(guò)對(duì)其 電路中節(jié)點(diǎn)電壓的采集判斷其是否發(fā)出了危險(xiǎn)報(bào)警。 11 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) Zigbee 模塊外圍電路連接 本設(shè)計(jì)中采用 Zigbee 無(wú)線短距離通信模塊，采用星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建立家居內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)。 zigbee 模塊 采用 CC2430 芯片 ，作為協(xié)調(diào)器和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)終端。 每個(gè)協(xié)調(diào)器可連接多達(dá) 255 節(jié)點(diǎn)，而幾個(gè)協(xié)調(diào)器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒(méi)有限制。Zigbee 聯(lián)盟還開(kāi)發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意 外泄露其標(biāo)識(shí)，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其他節(jié)點(diǎn)獲得。 本設(shè)計(jì)中采用的 CC2430 是一顆真正的系統(tǒng)芯片 CMOS 解決方案，它結(jié)合 一顆小巧高效的 增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的八位 8051 微 控制器 和 一個(gè)高性能 DSSS 射頻收發(fā)器核心 ， 使用標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令集，滿足了 協(xié) 網(wǎng)絡(luò) 、議棧以及 應(yīng)用軟件的執(zhí)行 MCU 處理能力的要求， 由于通過(guò)除 去被浪費(fèi)掉的總線狀態(tài)的方式 和使用 運(yùn)行時(shí)鐘 為 32MHz 的工作頻率，所以具有更快的執(zhí)行時(shí)間。 擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的 CC2430 和連接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的 CC2430 外圍電路基本相同，只是模塊與模塊之 間的連接和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞讲煌?CC2430 外圍電路如圖 31所示。 Chipcon公司推出的 CC2430芯片是用來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式 Zigbee應(yīng)用的片上系統(tǒng)， CC2430需要很少的外圍接線元件就可以運(yùn)行了，其內(nèi)部已經(jīng)集成了大量必 要的電路，因此采用較少的外圍電路就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能。 在 圖 31 中用于正常工作使用的石英晶振電路 是由 為 22pF 的電容 C1， C2 連接 的32MHz 的晶振電路 。而用于 休眠時(shí)工作 的晶振電路是由電容值為 15pF 的 C C4連接 的 的晶振電路， 選擇不同工作模式下采用不同的晶振電 路可以 降低功耗。 為了防止單片機(jī)錯(cuò)誤復(fù)位 同時(shí)去除 一些雜波干擾 設(shè)置 C5 為 F RESET_N 為復(fù)位引腳低電平有效 。 在 DVDD、 AVDD_SOC、 AVDD_DREG、與 電源連接電路中分別并聯(lián)了 220nF的 C 110nF 的 C 100nF 的 C6 是為了濾波以及去除 雜波干擾使 提供給芯片內(nèi)模擬電路連接所需的 ~ 電壓更穩(wěn)定 。電路中與天線連接的 C9 電容值為 ，電路中 的 L電感 值為 22nH 的 L 電感值為 的 L3 與 電容 C9 以及一個(gè) PBC微波傳輸線組成 了接收和發(fā)送信 息的 非平衡變壓器， 芯片上的 RF_N 在 RX 期間向 LNA 輸入正向射頻信號(hào)，在 TX 期間接收來(lái)自 PA 的輸入正相射頻信號(hào)， RF_P 在 RX 期間向 LNA輸入負(fù)向射頻信號(hào)，在 TX 期間接收來(lái)自 PA 的輸入負(fù)向射頻信號(hào)。 通過(guò)對(duì) R R4 電阻大小的設(shè)置 滿足 RF輸入 /輸出匹配電阻 在 整個(gè)結(jié)構(gòu) 中 的要求 。 DVDD_ADCC、 AVDD_ADC 、AVDD_IF 、 AVDD_RF 、 AVDD_SW 引腳都連接的 電壓 是 為 芯片內(nèi) LNA/PA 交換電路 、相關(guān)的數(shù)字電路、相關(guān)的模擬電路、低通濾波器 提供 的， AVDD_RF、 AVDD_PRE、 AVDD_VCO、 VCO_GUARD 引腳也都連接到了 電壓主要是為 LNA、前置偏置電路、預(yù)訂標(biāo)識(shí)器、 LO 12 緩沖器、 VCO 和 PLL 環(huán)濾波器電路提供的。 圖 31 CC2430外圍電路連接圖 連接圖中 AVDD_CHP、 AVDD_IF 引腳連接的 電壓是為環(huán)狀濾波器、充電泵、模擬測(cè)試模塊提供的電壓， 具體對(duì)應(yīng)關(guān)系可以查看 CC2430 芯片手冊(cè)，圖中右側(cè)連接電路的 電壓電路上分別并聯(lián)了電感值為 10nF 的 C 電感值為 100nF 的 C1 電感值為 10nF 主要是作為去耦合電容，可以對(duì)