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畢業(yè)設(shè)計(jì)-物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)(參考版)

2024-12-08 09:47本頁面
  

【正文】 盡管大多數(shù)時(shí)候tty 核心函數(shù)和 tty 之間的數(shù)據(jù)傳輸會(huì)經(jīng)歷 tty 線路規(guī)程函數(shù)的轉(zhuǎn)換,但是 tty 驅(qū)動(dòng)函數(shù)與 tty 核心函數(shù)之間也可以直接傳輸數(shù)據(jù)。 tty 設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的流程為: tty 核心函數(shù)從一個(gè)用戶獲取將要發(fā)送給一個(gè) tty 線路規(guī)程驅(qū)動(dòng),接著數(shù)據(jù)被傳遞到 tty 驅(qū)動(dòng)函數(shù), tty 驅(qū)動(dòng)函數(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以發(fā) 送給硬件的格式。 UART 設(shè)備是繼 tty_driver 的有一層封裝,包含 tty 核心函數(shù)、 tty 線路規(guī)程函數(shù)和 tty驅(qū)動(dòng)函數(shù)。這些串行端口所對應(yīng)哪個(gè)的設(shè)備名稱是 /dev/tts/0(或 /dev/ttyS0)、/dev/tts/1(或 /dev/ttyS1) 等,設(shè)備號 分別是( 4,0)、( 4, 1) 等,分別對應(yīng)于 DOS系統(tǒng)下的 COM COM2 等。串行端口終端是使用計(jì)算機(jī)串行端口連接的終端設(shè)備。tty 是 Teletype 的縮寫。 設(shè)計(jì)的 智能家居所能提供的功能,不僅 滿足了人們對傳統(tǒng)家居的 舒適、安全、高品位、高個(gè)性化且宜人的家庭生活環(huán)境, 而且 有著很 好的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值,必將成為 未來 智能家居主流產(chǎn)品,得到人們的認(rèn)可和越來越多的青睞。智能熱水器終端、空調(diào)器終端都可以讓用戶隨時(shí)隨地設(shè)定其狀態(tài),節(jié)省了用戶的時(shí)間,避免了資源的浪費(fèi)。煙霧傳感器通過對空氣中危險(xiǎn)氣體的濃度檢測可告訴用戶是否有危險(xiǎn)隱患存在。 系統(tǒng)從硬件和軟件兩方面闡述了設(shè)計(jì)思路和相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方法。 Zigbee 無線收發(fā)模塊的 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案建立家庭內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò) ,實(shí)現(xiàn)家居內(nèi)各個(gè)智能控制終端以及 節(jié)點(diǎn)與中央控制中心的無線通信 。 本設(shè)計(jì) 利用 ARM S3C2440 和經(jīng) 裁剪過的 ARM— Linux 系統(tǒng)作為系統(tǒng)的中央控制中心,實(shí)現(xiàn)對家居各類信息的統(tǒng)籌和管理以順利實(shí)現(xiàn) 監(jiān) 測和控制功能。同樣的可利用函數(shù) aspFSM()里接收來自各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息,包括溫濕度值、按鍵值等,這些信息都會(huì)以串口的形式通過觸摸屏顯示器顯示出來。在這之后的程序開始進(jìn)入到應(yīng)用層,程序中的處理函數(shù) aspFSM()監(jiān)測其監(jiān)測范圍內(nèi)空中有無 Zigbee 信號。如果成功的格式化了 Zigbee 網(wǎng)絡(luò),會(huì)通過串口在中央控制模塊的觸摸屏顯示器上格式化后的一些網(wǎng)絡(luò)信息。 26 圖 44 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器流程圖 在 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器中首先對 CC2430 芯片進(jìn)行 初始化,然后設(shè)置的程序開始初始化 Zigbee 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧同時(shí)打開中斷。系統(tǒng)開發(fā)首先要建立交叉編譯環(huán)境,然后引導(dǎo) bootloader ,移植操作系統(tǒng) 裝載文件系統(tǒng),開發(fā)圖形界面,最后編寫應(yīng)用程序。 主程序由一系列用來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的子程序組成,主要包括 Zigbee 無線通信程序、各種職能 模塊控制程序、 GPRS 無線通信程序和以太網(wǎng)通信程序等。 串口應(yīng)用 程序設(shè)計(jì) 中央控制模塊與外圍設(shè)備之間的通信采用了 串 口通信方式,因此串口的中斷接收程序是本設(shè)計(jì)的重要程序設(shè)計(jì)之一。但是由于 系統(tǒng)硬件資源有限,所以針對具體的智能家居終端應(yīng)用以及所連接的模塊對系統(tǒng)進(jìn)行裁剪 shell、配置內(nèi)核等操作,是整個(gè)控制系統(tǒng)能夠存放到 較小容量的 FLASH中。 設(shè)計(jì)基于 ARM— Linux 系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)作。 具體電路 如圖 313所示 : 22 圖 313 熱水器電源電路 23 第 4 章 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件概述 物聯(lián)網(wǎng)智能家居 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 主要 包括智能家居 中央 控制 模塊 軟件設(shè)計(jì)、 CC2430收發(fā)程序設(shè)計(jì)、 智能終端 控制器的 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì) 、 GPRS 模塊的收發(fā)程序設(shè)計(jì)等 部分 組成 。 熱水器的 電源電路 由于系統(tǒng)各芯片工作電壓均為 5V 直流,為了方便使 用,設(shè)計(jì) 將 220V 交流 家用電壓經(jīng)過變壓器電壓變換 后再 經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓得到直流 5V。當(dāng)加水 的 時(shí)間超過 用戶 設(shè)定值時(shí),單片機(jī)的 口 將置位, 結(jié)合外圍電路 驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)生 報(bào)警,同時(shí) D4 指 示燈亮。 21 熱水器的 自動(dòng)加熱上水和聲光報(bào)警電路 設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì) 利用 AT89C51 的 口作為 控制自動(dòng)加熱 、加水閥的控制口驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器, 由于 需要較大的驅(qū)動(dòng)電流才能使繼電器吸合工作 ,故 本設(shè)計(jì) 使用 了 ULN2021A 對電流進(jìn)行 了 反向放大 。具體DS18B20 的連接電路圖如下: 項(xiàng)目名稱 參數(shù)指標(biāo) 供電電壓 ~ V 溫度測量范圍 55 ~ 125 攝氏度 輸出信號形式 數(shù)字信號 測溫精度 攝氏度 20 圖 310 DS18B20 溫度傳感器連接電路圖 熱水器的 水位檢測電路 及相關(guān)說明 水位監(jiān)測電路電路具體連接示意圖如 311 所示: 圖 311 熱水器水位檢測電路 圖中電容 C1 的作用是 起 到 抗 高頻干擾, 圖中 電阻 R1阻值為 100K 起 到 下 拉地的作用,當(dāng)水位達(dá)到測量點(diǎn)時(shí),信號線和電源線之間有水浸沒 ,由于水 導(dǎo)電性很差所以其 電阻很大, 此時(shí)在電源 的 上拉 作用 下 , 在 Q1 的 有一個(gè)很小的電流 在三極管的 基極上流過,又 經(jīng)過 Q2三極管 的反向放大后 三極管 進(jìn)入 到了 飽和狀態(tài) , 這個(gè)時(shí)候三極管 Q2 的 集電極電位 狀態(tài) 很低,大約 僅 在 電壓上下 ,輸出 的 低水平 電壓經(jīng)反相器 反相后送入AT89C51 的 中斷口引腳上。 綜合上表中的 參數(shù)指標(biāo)和上文中的相關(guān)說明,采用 DS18B20 作為熱水器的溫度測量傳感器非常合適,精度符合要求。 熱水器的 水溫監(jiān)測電路 本設(shè)計(jì)中采用 DS18B20 作為水箱內(nèi)的溫度 檢測 傳感器, DS18B20 的 主要參數(shù)指標(biāo)如下表 31所示 : 表 31 DS18B20 的主要參數(shù)指標(biāo) DS18B20 還 可 以 把溫度的模擬信 號轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號輸出僅 在 1秒內(nèi) 完成 , 以“一線總線”串行傳輸?shù)姆绞綄?shù)字溫度信號傳遞給 CPU,在其工作時(shí),其工作電壓可由數(shù)據(jù)線供電。若 采用外擴(kuò) 的 EEPROM 對 用戶 設(shè)置 的參數(shù)可進(jìn)行斷電保留 ,斷電后,參數(shù)無需 用戶重新設(shè)定 , 在本設(shè)計(jì)中的熱水器智能控制終端中與 CC2430 zigbee 模塊終端利用串口通信的方式進(jìn)行通信,其具有 穩(wěn)定性高、 控制調(diào)節(jié)方便、 節(jié)能等特點(diǎn), 其價(jià)格便宜 實(shí)用性也特別好 。 在熱水器中有水時(shí),電加熱器受單片機(jī)的控制自動(dòng)加熱 到 用戶 設(shè)定 的 溫度, 加熱時(shí)間 是不需要 人為控制 的 。 本設(shè)計(jì)中 CC2430 zigbee 模塊終端利用串口通信的方式與空調(diào)控制器進(jìn)行通 信 的,用戶的控制命令會(huì)經(jīng)過 MM1192 的轉(zhuǎn)換通過 HBS 總線直接傳至空調(diào)主機(jī)實(shí)施控制動(dòng)作。在日立的空調(diào)控制系統(tǒng)的工作過程中,每當(dāng)系統(tǒng)上電后,系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)行初始化,空調(diào)主機(jī)與控制器之間就會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互。 18 MM1192 控制時(shí)序如下圖 38所示: 圖 38 MM1192控制時(shí)序圖 MM1192 傳輸延時(shí)如圖 39 所示: 圖 39 MM1192傳輸延時(shí) 空調(diào)系統(tǒng)命令碼的獲取是空調(diào)控制器在研制過程中不可缺少的必要環(huán)節(jié),事實(shí)上在空調(diào)主機(jī)的 HBS端口也可以擴(kuò)展 485 接口和 232 接口,但是都不能直觀地獲取這些命令碼,而且空調(diào)系統(tǒng)雖遵循 HBS 協(xié)議,但在傳輸數(shù)據(jù)的過程中命令碼都是加密的。在設(shè)計(jì)單片機(jī) I/O 控制口時(shí),令 P1 口作為各種控制按鍵的控制口,不同的控制功能對應(yīng)不同的按鍵,按鍵的 功能具體可分為:開機(jī)、高溫、除濕、低溫、送風(fēng)、加熱、制冷、關(guān)機(jī)。通過 MM1192 可將單片機(jī)控制信號附加到 HBS總線的直流載波上進(jìn)行傳輸,在接收端同樣利用 MM1192 將載波上濾出的信號還原。 MM1192 是一種適配器開發(fā)芯片,它是由日本的 MITSUMIG 公司研發(fā)的專為 HBS 總線控制模塊設(shè)計(jì)的解碼譯碼芯片。若有開門信號發(fā)出, CC2430 芯片會(huì)對連接電控鎖的芯片引腳發(fā)出開門信號。查詢等待,當(dāng)指紋在 FPS200 自動(dòng)采集 指紋圖像 進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器后,把指紋 圖像 存入指定的存儲(chǔ)空間。 FPS200 可以工作在中斷方式,也 可以工作在查詢方式下,設(shè)計(jì)采用中斷工作方式。 FPS200 直接提供了三種接口電路,本設(shè)計(jì)采用了 USB接口,其內(nèi)集成了高速 USB 電路, 200 芯片可在 USB 模式下支持 30幀 /s的指紋圖像采集傳輸速度。 FPS200 采用的檢測方法對指紋的低凹和凸起具有較強(qiáng)的敏感性,由此可形成相當(dāng)好的原始指紋圖像數(shù)據(jù)。 傳感器陣列包括 300 行 *256 列的傳感器電極。 FPS200 建立了一套在 性能、易集成性 、尺寸 等指標(biāo)上 的新的標(biāo)準(zhǔn)。其中LM3909 和 LED 構(gòu)成指示電路,電壓監(jiān)控器 DS1233 用于監(jiān)測 LM2940CT 的輸出電壓,當(dāng)LM2940CT 的輸出電壓低于 時(shí), DS1233 輸出低電平, VT1截止, LED 熄滅,表明供電電壓異常。 RT為溫度補(bǔ)償電阻,它與 R R R4 決定 A1 反相輸入端的參 考電壓。 LM2940CT 低耗穩(wěn)壓器為電路提供穩(wěn)定工作電壓。 煙霧傳感器 TGS813 連接及報(bào)警 圖設(shè)計(jì)及說明 圖 36 煙霧傳感器 TGS813節(jié)點(diǎn) 電路圖 16 煙霧傳感器 TGS813 連接及報(bào)警圖設(shè)計(jì) 如圖 36 所示。而在 設(shè)計(jì)中危險(xiǎn)氣體在空氣中的百分比達(dá)到氣敏傳感器 TGS813 爆炸極限的百分之五,報(bào)警器就會(huì)發(fā)生報(bào)警。 通過對傳感器外圍電路的設(shè)計(jì)設(shè)定警告報(bào)警濃度, 檢測家居內(nèi)危險(xiǎn)氣體的濃度。 當(dāng)用戶需要知道其所檢測范圍內(nèi)的溫度和濕度時(shí),中央控制器通過發(fā)送命令信號到與其連接的 CC2430 芯片對其數(shù)據(jù)進(jìn)行提取,然后將提取的數(shù)據(jù)再通過CC2430 的射頻端發(fā)送給中央控制平臺(tái)。 GND與 VDD 之 間連接了一個(gè)電容值為 F的去耦電容,其IIC 接口的 SCK 和 DATA 直接與 和 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)選用的 SHT11 采用兩線串行線和處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信, SCK 數(shù)據(jù)線負(fù)責(zé)處理器和 SHT11 的通訊同步; DATA 三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。 DB9 接口通過交叉串口線可連接到微型處理器上,這樣就完成了兩個(gè)模塊的串口通信的連接。 到 RS232 電平 (正負(fù) 12V)的專用轉(zhuǎn)換芯片的外圍電路如圖所示: 圖 34 MAX232外圍電路連接圖 其中 C C C C4 的電容值為 , C5 的電容值為 。具體的鏈接電路圖如圖 3 33所示: 圖 32 MC55芯片與 SIM卡的連接示意 圖 圖 33 S3C2440芯片與 MC55的電路連接圖 S3C2440 與 CC2430 之間的接口電路 S3C2440 與 CC2430 之間的接口采用了串口通信模塊。 終端硬件結(jié)構(gòu)較為簡單,根據(jù)各芯片的數(shù)據(jù)手冊及參考電路可以畫出電路原理圖, GPRS 模塊和 ARM 中央控制模塊 采用了 AT 指令集通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 C1 C1 C14 為去耦合電容,用于 對與其相對應(yīng)的電源 進(jìn)行濾波,從而 提高芯片工作 電壓 的穩(wěn)定性。 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、模擬測試模塊提供的電壓, 具體對應(yīng)關(guān)系可以查看 CC2430 芯片手冊,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,可以對電源進(jìn)行濾波,提高了 芯片工作需要的電壓的穩(wěn)定性。 通過對 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 。 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 。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。 Chipcon公司推出的 CC2430芯片是用來實(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)信號的收發(fā)功能。 擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的 CC2430 和連接無線網(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igbee 聯(lián)盟還開發(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。 zigbee 模塊 采用 C
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