【正文】 ........................................................................................................................................32 參考文獻 ....................................................................................................................................................33 致 謝 .........................................................................................................................................................35 附錄 ..............................................................................................................................................................36 附錄 A.......................................................................................................................................................36 附錄 B .......................................................................................................................................................37 常州工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 1 第 1 章 緒 論 智能家居的背景 現(xiàn)代人在一天緊張工作學(xué)習(xí)后，都想回家享受舒適溫馨的歡樂時光。隨后是安防系統(tǒng)自動解除室內(nèi)警戒，照明系統(tǒng)會根據(jù)室內(nèi)的光線，控制電燈的亮暗。電冰箱會根據(jù)里面儲藏的食物以及主人飲食的習(xí)慣，建議出晚餐的菜式。目前，智能家居系統(tǒng)是以計算機技術(shù)、綜合布線技術(shù)、自動化控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、安全防范技術(shù)、監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)、視頻技術(shù)、音頻技術(shù)等綜合應(yīng)用。智能家居系統(tǒng)通過主控制器能夠?qū)⒎稚⒃诩抑械碾娮与娖髟O(shè)備互聯(lián)一起，實現(xiàn)家居智能化。 (1)穩(wěn)定性：智能家居的穩(wěn)定性主要依靠主控制器的運作，因此，對于主控制器的硬件及軟件設(shè)計要求相當(dāng)高。 (3)兼容性：由于家用電器制造商有各自的生產(chǎn)標準，因此要求智能系統(tǒng)具備“學(xué)習(xí)”功能，適應(yīng)對不同品 牌的電器進行控制。 智能家居的發(fā)展與現(xiàn)狀 智能家居的發(fā)展與現(xiàn)狀 智能家居是指利用先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、綜合布線技術(shù)，將與家居有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機地結(jié)合在一起，通過統(tǒng)籌管理，讓家居生活更加舒適、常州工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 2 安全、有效。 家居智能的基本目標是，將家居中各種與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器和家居安防通過家居總線技術(shù)（ HBS）連接到一個家居智能化系統(tǒng)上進行集中或者異地的監(jiān)視、控制和家居事務(wù)性管理，并保持這些家居設(shè)施與住宅環(huán)境的協(xié)調(diào)。 80 年代末，由于通信與信息技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了對住宅中各種通信、家電、安保設(shè)備通過總線技術(shù)進行監(jiān)視、控制與管理的商用系統(tǒng)，這在美國稱為智慧星（ WH,Wise Home），在歐洲稱為時髦星（ SH,Smart Home）。而隨著技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展和生物識別技術(shù)的實用性普及，智能化家居的概念才真正體現(xiàn)了其本意，在好 萊塢科幻大片中看到的那種智能化的家居系統(tǒng)正在走進我們的生活。它的系統(tǒng)功能包括三表抄送功能、安防報警功能、可視對講功能、監(jiān)控中心功能、家電控制功能、有線電視接入、電話接入、住戶信息留言功能、家居智能控制面板、智能布線箱、寬帶網(wǎng)接入和軟件配置等。養(yǎng)老院的所有房間都與局域網(wǎng)相連，裝備多種測量儀器、觸摸式顯示屏、數(shù)碼攝像機等 ，這樣每個居住者的體溫、血壓等多項數(shù)據(jù)傳送到護理中心，實現(xiàn)遠程醫(yī)療護理。日本大型住宅公司 Misawa Home 為解救購房者對房屋防常州工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 3 盜室，當(dāng)遇到小偷闖入門時屋主可躲進去緊急避難，防盜室設(shè)有兩道厚重的門，其中內(nèi)門只要從里面上鎖后，外部無法靠人力打開。 國內(nèi)智能家居的發(fā)展與現(xiàn)狀 智能家居在我國經(jīng)歷了近 7 年的起步階段，發(fā)展速度緩慢，這主要是因為沒有投入大量的資金，開發(fā)技術(shù)短期內(nèi)也不成熟。前期主要集中在一些分散的智能家居控制子系統(tǒng)的研究上，如三表抄送系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、可視對講系統(tǒng)等。目前，國內(nèi)一些傳統(tǒng)家電業(yè)的巨頭如海爾、創(chuàng)維、 TCL、科龍、海信等也開始進入智能化家居市場。 常州工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 4 第 2 章 總體設(shè)計方案 系統(tǒng)控制器設(shè)計方案的對比選擇 對于整個智能家居系統(tǒng)，中央控制器是系統(tǒng)的核心，它主管了其他子設(shè)備的協(xié)調(diào)工作，負責(zé)與遠程控制端的連接、控制及數(shù)據(jù)的傳輸。以下是三種控制器設(shè)計方案： (1)單片機處理器 + 無操作系統(tǒng)。其優(yōu)點是單片機的低功耗、低成本被廣泛應(yīng)用于自動化家電、設(shè)備中。本方案適用性較弱。 ARM7 微處理器為低功耗的 32位 RISC處理器，適合用于對價位和功耗要求較高的應(yīng)用。uCOSII 是一種可移植的，可植入 ROM 的，可裁剪的，搶占式的，實時多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核。其優(yōu)點是ARM7 是一種低功耗處理器，該處理器同樣具備低功耗優(yōu)勢，并且具備 32位處理能力，可以出色應(yīng)付相當(dāng)多的控制設(shè)計。本方案適用性中等。 ARM7 微處理器為低功耗的 32位RISC 處理器，適合用于對價位和功耗要求較高的應(yīng)用。嵌入式 Linux 是以Linux 內(nèi)核為基礎(chǔ)的嵌入式作業(yè)系統(tǒng)，它被廣泛應(yīng)用在移動電話、個人數(shù)字助理(PDA)、媒體播放器、消費性電子產(chǎn)品以及航空航天等領(lǐng)域中。其優(yōu)點是 Linux 免費，安全，穩(wěn)定，常州工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 5 應(yīng)用范圍廣，在嵌入式上，服務(wù)器上，家用機，都有廣泛應(yīng)用。本方案適用性較強。 方案的簡介 本設(shè)計將構(gòu)建一個基于 ARM7 和局域網(wǎng)互聯(lián)通信的智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)總體框架如圖 21 所示。溫度模塊主要是檢測室內(nèi)的溫度，以便用戶隨時了解并調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)募揖訙囟?；氣體模塊主要是檢測廚房的 CO 濃度，監(jiān)控廚房的安全，如若發(fā)現(xiàn)問題可及時做出調(diào)整，防止用戶煤氣中毒。中間是 ARM 微處理器，也就是本設(shè)計的核心，是各信息的中轉(zhuǎn)站， 將接收到的環(huán)境模塊采集到的信息處理后傳輸給用戶，等待接收到用戶指示信息后，再將其處理發(fā)送紅外指令到紅外模塊。由于眾多因素，本文以繼電器代替家用電器舉例說明。選擇嵌入式系統(tǒng)處理器時主要需要考慮以下幾個方面：處理器性能，所支持的開發(fā)工具，所支持的操作系統(tǒng)，過去的開發(fā)經(jīng)驗，處理器成本、功耗、代碼兼容性及算法復(fù)雜性等。 LPC2138 是飛利浦公司推出的基于 ARM7 內(nèi)核的微控制器，它具有非常豐富的外圍模塊，強大的處理和控制功能，較小的封裝和很低的功耗使 LPC2138 特別適用于訪問控制和 POS 機等小型應(yīng)用；內(nèi)置寬范圍串行通信接口和 32kB 的片內(nèi) SRAM，非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、軟件 modem、語音識別、低端成像等應(yīng)用，為其提供大規(guī)模的緩沖區(qū)和強大的處理功能。它的低功耗精簡和出色的全靜態(tài)設(shè)計特別適用于對成本和功耗敏感的應(yīng)用。 S3C44B0X 通過提供全面的、通用的片上外設(shè)，大大減少了系統(tǒng)電路中除處理器以外的元器件配置，從而最小化系統(tǒng)的成本。 常州工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 7 環(huán)境模塊的選擇 溫度模塊承擔(dān)了檢測房屋內(nèi)部溫度的任務(wù)，有了采集的溫度值微處理器就可以作出判斷，結(jié)合用戶的需求做出相應(yīng)的調(diào)整。 LM75A 是一個高速 I2C 接口的溫度傳感器，可以在 55℃～ +125℃的溫度范圍內(nèi)將溫度直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并可實現(xiàn) ℃的精度， MCU 可以通過 I2C總線直接讀取其內(nèi)部寄存器中的數(shù)據(jù)，并可通過 I2C對 4 個數(shù)據(jù)寄存器進行操作。 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器采用美國 DALLAS公司生產(chǎn)的 DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。測溫范圍 － 55℃～＋ 125℃，固有測溫分辨率 ℃。 本設(shè)計是用于家居生活，對測溫精度要求不是很高，主要是使用方便，價格合理，所以選擇 DS18B20 比較合適。 石英振子微秤 (QCM)由直徑為數(shù)微米的石英振動盤和制作在盤兩邊電極構(gòu)成。振動盤上淀積了有機聚合物，聚合物吸附氣體后，使器件質(zhì)量增加，從而引起石英振子的共振頻率降低，通過測定共振頻率的變化 來識別氣體。 常州工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 8 QMNG1 廣普型氣體傳感器是采用目前國際上工藝最成熟 ,生產(chǎn)規(guī)模最大的SnO2 材料作為敏感基體制作的廣普型氣體傳感器，該產(chǎn)品的最大特是對各種可燃性氣體（氫氣，液化石油氣，一氧化碳 ,烷烴類氣體）以及酒精，乙醚，汽油，煙霧等有毒氣體具有較高的敏感性。 系統(tǒng)通 信方式的選擇 紅外線技術(shù)的主要應(yīng)用 :設(shè)備互聯(lián)、信息網(wǎng)關(guān) .設(shè)備互聯(lián)后可完成不同設(shè)備內(nèi)文件與信息的交換。紅外傳輸是一種點對點的傳輸方式，無線，不能離的太遠，要對準方向，且中間不能有障礙物也就是不能穿墻而過，幾乎無法控制信息傳輸?shù)倪M度； IrDA 已經(jīng)是一套標準， IR 收 /發(fā)的組件也是標準化產(chǎn)品。 本設(shè)計主要是控制家用電器，只需近短程控制，而且要節(jié)約成本，紅外通信技術(shù)比較適合。它使用 ～ GHz 的 ISM(Industry Scientific Medical)頻段傳送語音和數(shù)據(jù)。 GPRS 是一種基于 GSM 系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)， GPRS 在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載和支持上具有非常明顯的優(yōu)勢：資源共享，頻帶利用率高，用戶只有在進行 數(shù)據(jù)傳輸時才占有系統(tǒng)資源；數(shù)據(jù)傳輸率高， GPRS 采用分組交換技術(shù)，每個用戶能同時占用多個無線信道，同一無線信道又可由多個用戶共享。 鑒于 GPRS 技術(shù)通信成本低，傳輸穩(wěn)定，又無需繁瑣布線，能美化家居環(huán)境的特點，本文將 GPRS 技術(shù)應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。硬件電路的設(shè)計過程中，始終以實用化為最終目標。 對于 ARM 控制系統(tǒng)，有類似單片機的最小工作系統(tǒng)，如電源、晶振、復(fù)位電路。 PC2138 概述 LPC2138是飛利浦公司推出的基于 ARM7內(nèi)核的微控制器，它具有非常豐富的外圍模塊，強大的處理和控制功能，較小的封裝 和很低的功耗使 LPC2138特別適用于訪問控制和 POS機等小型應(yīng)用；內(nèi)置寬范圍串行通信接口和 32kB的片內(nèi)SRAM，非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、軟件 modem、語音識別、低端成像等應(yīng)用，為其提供大規(guī)模的緩沖區(qū)和強大的處理功能。 LPC2138的引腳圖如下圖所示。 (2)32kB的片內(nèi)靜態(tài) RAM和 512kB的片內(nèi) Flash程序存儲器。通過片內(nèi) boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程 /在應(yīng)用編程 (ISP／ IAP)。 256字節(jié)行編程時間為 1ms。 (4)2個 8路 10位的 A/D轉(zhuǎn)換器，共提供 16路模擬輸入，每個通道的轉(zhuǎn)換時間低至 。 (6)2個 32位定時器 /計數(shù)器 (帶 4路捕獲和 4路比較通道 )、 PWM單元和看門狗。 (8)多個串行接口，包括 2 個 16C550工業(yè)標準 UART ， 2 個高速 I2C接151(400kbit/s)、 SPITM和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長度可變功能的 SSP?？膳渲脙?yōu)先級和向量地址。 (11)多達 9個邊沿或 電平觸發(fā)的外部中斷管腳。 (13)片內(nèi)晶振頻率范圍： 130MHz。 (15)可通過個別使能／禁止外部功能和外圍時鐘分頻來優(yōu)化功耗。 (17)單電源，具有上電復(fù)位 (POR)和掉電檢測 (HOD)電路。 10％ )， I／ 0口可承受 5V電壓。功能框圖如下圖所示 圖 33 PC2138功能框圖 常州工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 12 控制系統(tǒng)主電源設(shè)計 控制系統(tǒng)需要從 220V 的交流市電中獲取電，而控制系統(tǒng)中的 ARM 處理機及其外圍電路均需要一個穩(wěn)定的直流工作電壓。 圖 34 系統(tǒng)電源電路 SPXl117 是 Sipex 公司生產(chǎn)的 LDO 芯片，其特點為輸出電流大，輸出電壓精度高，穩(wěn)定性高。 1％以內(nèi)，還具有電流限制和熱保護功能，廣泛應(yīng)用在手持式儀表、數(shù)字家電、工業(yè)控制等領(lǐng)域。 SPX1117 引腳圖如 35 下圖所示。 OM OM2 都接地時主時鐘源和 USB 模塊時鐘源都由外接晶振產(chǎn)生 [1]。同時在 MPLLCAP 和 UPLLCAP 上也要外接 5pF 的環(huán)路濾波電容?？梢栽O(shè)計復(fù)位電路，其中上電復(fù)位是靠 RC 電路特性完成，開關(guān)二極管 1N4148 在手動復(fù)位時對電容起快速放電的作用，因此可以把復(fù)位電平快速拉到 0V。 圖 37 系統(tǒng)復(fù)位電路 在本系統(tǒng)對 GPRS 的應(yīng)用中，