【文章內(nèi)容簡介】 取決于系統(tǒng)的設計和配置是否經(jīng)濟合 理并且系統(tǒng)能 否成功運行，系統(tǒng)的使用、管理和維護是否方便，系統(tǒng)或產(chǎn)品的技術是否成熟適用，換句話說，就是如何以最少的投入、最簡便的實現(xiàn)途徑來換取最大的功效，實現(xiàn) 便捷高質(zhì)量的生活。 為了實現(xiàn)上述目標，智能家居系統(tǒng)設計時要遵循以下原則： 實用便利 智能家居最基本的目標是為人們提供一個舒適、安全、方便和高效的生活環(huán)境。對智能家居產(chǎn)品來說，最重要的是以實用為核心，摒棄掉那些華而不實，只能充作擺設的功能，產(chǎn)品以實用性、易用性和人性化為主。 智能天然氣監(jiān)控終端的網(wǎng)絡通信系統(tǒng) 3 在設計智能家居系統(tǒng)時，應根據(jù)用戶對智能家居功能的需求，整合以下 最實用最基本的家居控制功能：包括智能家電控制、智能燈光控制、電動窗簾控制、 防盜報警 、門禁對講、煤氣泄露等，同時還可以拓展諸如三表抄送、視頻點播等服務增值功能。對很多個性化智能家居的控制方式很豐富多樣，比如：本地控制、遙控控制、集中控制、手機遠程控制、感應控制、網(wǎng)絡控制、定時控制等等，其本意是讓人們擺脫繁瑣的事 務，提高效率，如果操作過程和程序設置過于繁瑣，容易讓用戶產(chǎn)生排斥心理。所以在對智能家居的設計時一定要充分考慮到用戶體驗，注重操作的便利化和直觀 性，最好能采用圖形圖像化的控制界面，讓操作所見即所得。 可靠性 整個建筑的各個智能化子系統(tǒng)應能二十四小時運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)的安全性、可靠性和容錯能力必須予以高度重視。對各個子系統(tǒng)，以電源、系統(tǒng)備份等方面采取相應的容錯措施，保證系統(tǒng)正常安全使用、質(zhì)量、性能良好，具備應付各種復雜環(huán)境變化的能力。 標準性 智能家居系統(tǒng)方案的設計應依照國家和地區(qū)的有關標準進行，確保系統(tǒng)的擴充性和擴展性，在系統(tǒng)傳輸上采用標準的 TCP/IP 協(xié)議網(wǎng)絡技術，保證不同產(chǎn)商 之間系統(tǒng)可以兼容與互聯(lián)。系統(tǒng)的前端設備是多功能的、開放的、可以擴展的設備。如系統(tǒng)主機、終端與模塊采用標準化接口設計， 為家居智能系統(tǒng)外部廠商提供集 成的平臺，而且其功能可以擴展，當需要增加功能時，不必再開挖管網(wǎng)，簡單可靠、方便節(jié)約。設計選用的系統(tǒng)和產(chǎn)品能夠使本系統(tǒng)與未來不斷發(fā)展的第三方受控設 備進行互通互連。 方便性 布線安裝是否簡單直接關系到成本，可擴展性，可維護性的問題，一定要選擇布線簡單的系統(tǒng)，施工時可與小區(qū)寬帶一起布線，簡單、容易；設備方面容易學習掌握、操作和維護簡便。系統(tǒng)在工程安裝調(diào)試中的方便設計也非常重要。家庭智能化有一個顯著的特點，就是安裝、調(diào)試與維護的工作量非常大，需要大量的人力物力投入，成為制約行 業(yè)發(fā)展的瓶頸。針對這個問題，系統(tǒng)在設計時， 就應考慮安裝與維護的方便性，比如系統(tǒng)可以通過 Inter 遠程調(diào)試與維護。通過網(wǎng)絡，不僅使住戶能夠?qū)崿F(xiàn)家庭智能化系統(tǒng)的控制功能，還允許工程人員 在遠程檢查系統(tǒng)的工作狀況，對系統(tǒng)出現(xiàn)的故障進行診斷。這樣，系統(tǒng)設置與版本更新可以在異地進行，從而大大方便了系統(tǒng)的應用與維護，提高了響應速度，降低 了維護成本。 輕巧型 “ 輕巧 ” 型智能家居產(chǎn)品顧名思義它是一種輕量級的智能家居系統(tǒng)。 “ 簡單 ” 、 “ 實用 ” 、 “ 靈巧 ” 是它的最主要特點，也是其與傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)最大的區(qū)別。所以我 們一般把無需施工部署，功能可自由搭配組合且價格相對便宜可直接面對最終消費者銷售的智能家居產(chǎn)品稱為 “ 輕巧 ” 型智能家居產(chǎn)品。 智能家居 設計 的 特點與 優(yōu)勢 當今世界已經(jīng)是一個數(shù)字信息的大數(shù)據(jù)時代，人們對于日常生活的要求已經(jīng)大大提高，老一套的控制方式已經(jīng)遠遠不能滿足人們現(xiàn)在的要求。人們對于家庭智能天然氣監(jiān)控終端的網(wǎng)絡通信系統(tǒng) 4 家電，儀器等等的自動化，智能化控制的要求早已經(jīng)提到了設計者們的設計計劃日程中。 它的特點與優(yōu)勢也是十分明顯的。 特點 傳輸速度快 數(shù)字化 傳輸線路簡單，組網(wǎng)方便 具有在線巡檢功能 實現(xiàn)小區(qū)多通 道功能 布線成本低 具有在線巡更功能 優(yōu)勢 網(wǎng)絡可視對講功能 內(nèi)部電話功能 儲存來訪者影相功能 遠程監(jiān)視功能 強大的信息服務功能 家電智能控制功能 燈光的控制 電動窗簾及遮陽系統(tǒng)控 本次設計 正是 主要采用了 WIFI 的無線通信使手機與控制終端無線即時連接到了一起，使得用戶可以隨時在手機上獲取最新的家庭中的天然氣，煙霧情況的信息。 既滿足了人們對于當今家電智能化，無線化的要求，也符合了世界發(fā)展的主流趨勢。 無線通信網(wǎng)絡的原理 無線通信系 統(tǒng)幾乎所有數(shù)據(jù)的傳輸與芯片控制都是通過 SPI 實現(xiàn)的。SPI 讀寫程序是軟件控制的基礎。為了使單片機的 SPI 控制器正常工作，需要先對其進行初始化設置。可通過向 SPI 控制寄存器 SPCTL 和控制寄存器 SPSTAT 寫入適當?shù)目刂谱謱崿F(xiàn) 。 單片機控制器需要對收發(fā)器各個寄存器進行設置。保證其工作在規(guī)定的頻段和模式下。初始化時通過 SPI 總線向收發(fā)器寫入控制命令 [4]。主要包括配置設定命令，電源管理命令，頻率設定命令，數(shù)據(jù)濾波命令， FIFO 和復位模式命令，自動頻率控制命令，發(fā)射配置控制命令，喚醒定時器命令，低任務周期命令和電池低壓檢測以及微控制器時鐘分頻命令等，且每個命令均長為 16 位。 收發(fā)器成功初始化后就可以開始數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收了，系統(tǒng)先通過 SPI 寫入電源管理命令字 Ox8228 打開發(fā)送寄存器并開始數(shù)據(jù)的傳送。發(fā)送完畢后要寫入智能天然氣監(jiān)控終端的網(wǎng)絡通信系統(tǒng) 5 電源管理器命令字 Ox8228 關閉發(fā)送寄存器，同時打開接收寄存器。為了實現(xiàn)有效接收和發(fā)送，將待發(fā)送數(shù)據(jù)打包為幀的形式，下面主要介紹一下發(fā)送幀數(shù)據(jù)的情形。其從幀頭開始依次為：同步格式的長度 Ox2DD4，設置傳輸開始標志位，待傳數(shù)據(jù)的長度和實際發(fā)送的數(shù)據(jù)。 收發(fā)器的接收方式采用的是 FIFO 模式，在相應的控制字都 設置好后，引入的數(shù)據(jù)通過時鐘串入 16 位 FIFO 緩沖器內(nèi)，當 VDI 和同步格式識別電路指示潛在的真實數(shù)據(jù)接入，真實數(shù)據(jù)開始填充 FIFO。接收開始。接收一幀數(shù)據(jù)時，因采用 FIFO 模式狀態(tài)寄存器的前兩個字節(jié)分別是中斷位輸出和狀態(tài)位輸出。接下來才是需要的數(shù)據(jù)，故在接收一幀數(shù)據(jù)時，應先將前兩個字節(jié)度取后拋棄，且每次讀取時都要重復此過程。接下來需判斷接收到的第三字節(jié)是否為開始標志位，若是繼續(xù)拋棄前二字節(jié)后開始數(shù)據(jù)的接收。接收完畢后讀入二字節(jié)的狀態(tài)表示接收完畢。 該系統(tǒng)應用了單片機和無線收發(fā)芯片，他們之間的控制與數(shù)據(jù)連接則 是通過SPI 接口來實現(xiàn)的。 SPI 接口有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，且器件操作遵循統(tǒng)一的規(guī)范，使系統(tǒng)軟硬件具有良好的通用性，以無線方式傳輸數(shù)據(jù)在實際應用中由于其方便靈活，可望在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛應用。 本 系統(tǒng)總體方案設計 采用了 ST 公司的 CortexM3 內(nèi)核的 STM32 微處理器 STM32F107。該芯片屬于 STM32 系列的增強型，提供多達 256KB的片內(nèi) Flah、 64KB的 RAM和豐富的外設接口。 CortexM3 內(nèi)核在設計上專門考慮了滿足集功耗低、實時性強的工業(yè)級嵌入式產(chǎn)品領域的特點。在性能相同 的條件下， STM32 產(chǎn)品功耗比同級別產(chǎn)品要低 75%，工作環(huán)境溫度達 105℃。 硬件 框圖如 下 圖所示 系統(tǒng)的設計采用了框架結(jié)構(gòu)將整個系統(tǒng)分為兩個 部分分別為 監(jiān)控終端部分和手機監(jiān)控 部分 。 智能監(jiān)控終端 主要負責 實時 采集 煙霧濃度和天然氣濃度 信息 ，可實時把監(jiān)控信息通過 WIFI 模塊傳輸?shù)街悄苁謾C上，還可通過 WEB 網(wǎng)頁查看實時數(shù)據(jù)以及設置傳感器參數(shù)等。另外，智能監(jiān)控終端在監(jiān)測到煙霧或者天然氣濃度超過閾值時，不僅有聲光報警，還可以通過 GPRS 模塊呼叫預設的報警電話。 ANDROID 智能手機可通過 WIFI 模塊與監(jiān)控終端進行無線通 訊。可以實時獲取到煙霧和天然氣的濃度數(shù)據(jù)，并且可記錄數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)，并且可設置傳感器的報警閾值等參數(shù)。另外在產(chǎn)生超閾值報警時，手機有多種提醒方式。 智能天然氣監(jiān)控終端的網(wǎng)絡通信系統(tǒng) 6 2 無線天然氣監(jiān)控終端的硬件組成 終端結(jié)構(gòu) 終端硬件結(jié)構(gòu)如下 智能監(jiān)控終端實現(xiàn)功能如下： 1. 實時獲取煙霧，天然氣傳感器數(shù)據(jù) 2. 傳感器數(shù)據(jù)實時顯示在 LCD 屏上 3. 實時通過 WIFI 傳輸傳感器數(shù)據(jù) 4. 內(nèi)嵌 WEB 服務器，可通過網(wǎng)頁查看傳感器數(shù)據(jù)，并且可以設置傳感器閾值參數(shù) 5. 具有聲光報警提示方式 6. 可通過 GPRS 模塊呼叫指定電話或者發(fā)短消息 ANDROID 智 能手機實現(xiàn)以下功能： 實現(xiàn)以表格和文本方式顯示傳感器數(shù)據(jù) 可設置傳感器閾值等參數(shù) 當有超閾值報警時，可播放警示音 各功能模塊介紹 開發(fā)板板載資源 ◆ STM32F107VCT6, ARM CortexM3 內(nèi) 核 ， LQFP100 封裝 , 內(nèi)部FLASH:256K,SRAM:64K 智能天然氣監(jiān)控終端的網(wǎng)絡通信系統(tǒng) 7 ◆ 1 個 10M/100M 以太網(wǎng)接口，標準 RJ45 接口，支持平行交叉網(wǎng)線自適應 ◆ 1 個 USB OTG 全速接口，可以作為 USB SLAVE 接口，也可以作為 USB HOST接口 ◆ 1 個標準的 / 寸 TFT LCD 接口，支持觸摸屏，分辨率 320X240, 26萬色 ◆ 1 個 I2S 音頻解碼芯片，支持音樂文件的播放 ◆ 1 個 SD卡接口 ◆ 1 個 無線通信模塊接口 ◆ 1 個 315M 無線通信模塊接口 ◆ 2 個 CAN 總線接口 ◆ 1 個 485 總線接口 ◆ 1 個 SPI FLASH 芯片， W25X16，容量為 16M 比特 ◆ 1 個 IIC 接口的 EEPROM 芯片， 24C02，容量 2K 比特 ◆ 2 個 RS232C 串口（使用 DB9 公頭，線序與 PC 機相同） ◆ 1 個蜂鳴器 ◆ 1 個復位按鈕，控制整板硬件復位 ◆ 4 個功能按 鈕，其中包括 WAKEUP 喚醒功能和 TEMPER 入侵功能 ◆ 1 個電源指示燈（綠色） ◆ 4 個用戶狀態(tài)指示燈（ LED1~LED4：綠色） ◆ 2 個啟動模式選擇配置接口 ◆ 1 個 RTC 后備電池座 ◆ 1 個標準的 JTAG/SWD 仿真調(diào)試下載接口 ◆ 1 路電位器可調(diào)電阻模擬輸入，可以做模數(shù)轉(zhuǎn)換實驗 ◆ 2 個 DAC 數(shù)模轉(zhuǎn)換接口連接到接線端子 ◆ 2 個 ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換接口連接到接線端子 ◆ 2 個 PWM 接口連接到接線端子 ◆ 1 個 DC5V 電源接口 ◆ 1 個電源開關，控制整個板的電源，可以選擇從 USB 取電或 DC5V 電源接口取電 ◆ 支持從 JLINK 取 5V電源或 電源 ◆ 除晶振占用的 IO 管腳外，其余所有 IO 口全部引出到擴展雙排插針 智能天然氣監(jiān)控終端的網(wǎng)絡通信系統(tǒng) 8 煙霧氣體傳感器 一、尺寸： 35mm X24mm X26mm 長 *寬 *高 二、主要芯片： LM39 MQ2氣敏傳感器探頭 三、工作電壓： DC 四、特點： 具有信號輸出指示； 雙路信號輸出；（模擬量輸出及 TTL 電平輸出） TTL 輸出有效信號為低電平 ,可接直接接單片機 IO口 。 模擬量輸出 0~5V 電壓，濃度越高電壓越高； 對液化氣、丁烷 、甲烷、煙霧等有較好的靈敏度； 使用壽命長、穩(wěn)定性好； 具有快速響應恢復特性 智能天然氣監(jiān)控終端的網(wǎng)絡通信系統(tǒng) 9 天然氣傳感器模塊 傳感器特點 一、 尺寸： 35mm X24mm X27mm 長 *寬 *高 二、 主要芯片： LM39 MQ4氣體傳感器 三、 工作電壓： DC35V 四、 特點： 具有信號輸出指示； 雙路信號輸出（模擬量輸出及 TTL 電平輸出）； TTL 輸出有效信號為低電平，可直接接單片機； 模擬量輸出 0~5V 電壓，濃度越高電壓越高； 對甲烷氣體，天然氣有較好的靈敏度； 具 有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性； 快速的響應恢復特性； 智能天然氣監(jiān)控終端的網(wǎng)絡通信系統(tǒng) 10 WIFI 模塊 WIFI 模塊性能和功能特色： 通訊距離：外置天線版本 400 米，內(nèi)置天線 300 米。測試條件：開闊地視距，兩個模塊自行組網(wǎng)， 57600 波特率雙向互傳不丟包，輕松穿三層混泥土墻。 最高支持波特率 460800bps 支持絕大多數(shù) WIFI 加密方式和算法， WEP/WAPPSK/WAP2PSK/WAPI，加密類型 WEP64/WEP128/TKIP/AES 支持 IEEE b/g/n，用來做遠距離 覆蓋的大功率 AP 多使用 n協(xié)議，本模塊也完美支持。 支持 DHCP 自動獲取 IP，支持工作在 AP 模式時為從設備分配 IP 支持網(wǎng)絡協(xié)議： TCP/UDP/ARP/ICMP/HTTP/DNS/DHCP 可選 TCP Server/TCP Client/UDP 工作模式， TCP Server 模式時可支持多達32 個 Client 連接 超小體積，雙排 間距插針，方便用戶應用。 通過拉低 Reload IO 口一秒即可恢復出廠設置，不用擔心設置錯 支持無線工作在 AP 模式和節(jié)點 (Station)模式，真正的硬件 AP，安卓系統(tǒng)可以直接訪問 1可選內(nèi)置板載 (USRWIFI232A)或者外置天線 (USRWIFI232B) 1支持透明 /協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸模式，高達 1M 緩存空間 1提供 AT+指令集配置 1提供友好的 Web 配置頁面，通過網(wǎng)頁配置 1串口分幀延遲和數(shù)據(jù)量可以設置 智能天然氣監(jiān)控終端的網(wǎng)絡通信系統(tǒng) 11 1 單電源供電 1支持路由 /橋接模式網(wǎng)絡構(gòu)架 ANDROID 智能手機 智能手機 參數(shù) CPU 1GHz RAM 512MB ROM 512MB 支持內(nèi)存卡擴展 屏幕 4 寸 800x480 分辨率 TFT 操作系統(tǒng) Android ENC28J60 以太網(wǎng)控制器 ． ENC28J60 簡介 ENC28J60 是 MICROCHIP 公司的帶 SPI 接口的獨立以太網(wǎng)控制器， 以太網(wǎng)控制器特性 ? IEEE 兼容的以太網(wǎng)控制器 ? 集成 MAC 和 10 BASET PHY ? 接收器和沖突抑制電路 ? 支持一個帶自動極性檢測和校正的 10BASET 端口 ? 支持全雙工和半雙工模式 ? 可編程在發(fā)生沖突時自動重發(fā) ? 可編程填充和 CRC 生成 ? 可編程自動拒絕錯誤數(shù)據(jù)包 智能天然氣監(jiān)控終端的網(wǎng)絡通信系統(tǒng) 12 ? 最高速度可達 10 Mb/s 的 SPI 接口 緩沖器 ? 8 KB 發(fā)送 / 接收數(shù)據(jù)包雙端口 SRAM ? 可配置發(fā)送 / 接收緩沖器大小 ? 硬件管理的循環(huán)接收 FIFO ? 字節(jié)寬度的隨機訪問和順序訪問（地址自動遞增） ? 用于快速數(shù)據(jù)傳送的內(nèi)部 DMA ? 硬件支持的 IP 校驗和計算 介質(zhì)訪問控制器（ MAC）特性 ? 支持單播、組播和廣播數(shù)據(jù)包 ? 可編程數(shù)據(jù)包過濾，并在以下事件的邏輯“與” 和“ 或”結(jié)果為真時喚醒主機： 單播目標地址 組播地址 廣播地址 Magic Packet 由 64 位哈希表定義的組目標地址 多達 64 字節(jié)的可編程模式匹配（偏移量可由用戶定義） ? 環(huán)回模式 物理層（ PHY ）特性 ? 整形輸出濾波器 ? 環(huán)回模式 工作特性 ? 兩個用來表示連接、發(fā)送、接收、沖突和全 / 半雙工