【正文】 域已經(jīng)得到一定程度的應(yīng)用幢引。 其中物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)，交通，物流，智能家居和安防等已較為成熟乜引。 在工業(yè)領(lǐng)域，手持設(shè)備可實(shí)現(xiàn) GPS定位、 RFID 讀寫和智能計(jì)算，為商品車安 裝 RFID 卡， 具有防拆卸功能的 RFID 卡存儲(chǔ)車輛身份信息，利用 GSM網(wǎng)絡(luò)對(duì)全國 范圍內(nèi)的車輛數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)收集、加工和處理乜 4。 在安防領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用在上海浦東國際機(jī)場(chǎng)的防入侵系統(tǒng)中，系統(tǒng) 鋪設(shè)了數(shù)萬多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用在地面、柵欄和低空探測(cè)，可以檢測(cè)到人員的翻 越柵欄、偷渡、恐怖襲擊和攻擊性入侵乜引。 在物流領(lǐng)域，智能倉庫配備了電子標(biāo)簽、自動(dòng)輸送線、自動(dòng)化流程等先進(jìn)的 倉儲(chǔ)管理及智能化揀選系統(tǒng)，提供倉儲(chǔ)發(fā)貨、應(yīng)急發(fā)貨、定制包裝貼標(biāo)、簡(jiǎn)加工 等服務(wù)幢引。 物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用幾乎涵蓋所有行業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，已經(jīng) 上升到國家戰(zhàn)略的高 度，進(jìn)入科技產(chǎn)業(yè)化的過程中。未來存布巨大的市場(chǎng)但也面臨很多問題，由物聯(lián) 網(wǎng)掀起的革命面臨挑戰(zhàn)，也充滿機(jī)遇。 2． 2 嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)包括軟件和硬件兩大部分，本設(shè)計(jì)基于 ARM構(gòu)架和 l inux操作系 統(tǒng)，需要掌握 ARM嵌入式系統(tǒng)及體系結(jié)構(gòu)和 1inUX操作系統(tǒng)的開發(fā)流程等相關(guān)知 識(shí)，開發(fā)過程涵蓋了硬件、系統(tǒng)、軟件知識(shí)和設(shè)計(jì)。 O 智能家居家電控制與體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 微處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，目前市場(chǎng)上的微處理器有很多種類，如 ARM、 MIPS、 x8 DSP 等不同應(yīng)用領(lǐng)域的微處理器，其中英國 ARM公司以其獨(dú)特的商 業(yè)模式，成為嵌入式微處理器中的佼佼者，目前市場(chǎng)上 95％的手機(jī)里面的核心處 理器使用 ARM芯片， ARM在整個(gè)手持市場(chǎng)上占有 90％以上的份額 ∞1。因此 ARM處 理器以其良好開放性和通用性以及成熟的軟硬件開發(fā)方案，有效縮短應(yīng)用程序開 發(fā)與測(cè)試的時(shí)間，也降低了研發(fā)費(fèi)用，為嵌入式系統(tǒng)的首選處理器，根據(jù)本系統(tǒng) 的要求和性能， ARM是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。 嵌入式操作系統(tǒng)跟嵌入式微處理器一樣，也有很多種類，有名的操作系統(tǒng)有 Linux、 uClinux、 WinCE、 Symbian、 eCos、 uCOSII、 VxWorks 等，可以將嵌入 式操作系統(tǒng)分為兩類，一類是面向控制、通信等領(lǐng)域的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如 windriver 公司的vxworks，另一類是面向消費(fèi)電子產(chǎn)品的非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，比 較有名如 Microsoft 的WinCE 和 Google 的 Android等。在嵌入式應(yīng)用中，使用 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS)是當(dāng)前嵌入式應(yīng)用的趨勢(shì)，在眾多實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中， Linux 操作系統(tǒng)具有開源、性能穩(wěn)定、安全性高、良好的可移植性等優(yōu)點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì) 選用 1 inux系 統(tǒng)作為嵌入式操作系統(tǒng)口引。 嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程一般包括立項(xiàng)階段，需求分析，設(shè)計(jì)階段，實(shí)現(xiàn)階段， 測(cè)試階段，部署階段等。立項(xiàng)階段提出立項(xiàng)建議，提供合適的資金和資源，使項(xiàng) 目成立：需求分析階段需要了解項(xiàng)目情況，解決項(xiàng)目需求；設(shè)計(jì)階段根據(jù)需求設(shè) 計(jì)產(chǎn)品，主要進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軟硬件功能劃分和設(shè)計(jì)等；實(shí)現(xiàn)階段選擇開發(fā) 平臺(tái)和進(jìn)行軟件開發(fā)；測(cè)試階段對(duì)嵌入式產(chǎn)品進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的功能、性能及可靠性 測(cè)試；部署階段的主要工作是樣機(jī)部署、生產(chǎn)完善等。嵌入式開發(fā)流程如圖 2—2 所示。 O 智能家居家電控制與體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ? 一一一、 i7 需求分析 、 、一 ————————／ 7 一 ———jL—————一 ? I 初步方案設(shè)計(jì) I n藉麗葫弋夏矛、 l 器、操作系統(tǒng)選： 擇 ) l測(cè)試 (軟硬件涓； l 試、系統(tǒng)可靠性涓 ! 試 ) ≤耍 i≥歲。 tYES 樣機(jī)生產(chǎn) 圖 22 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程 2． 3 短距無線通訊技術(shù) 1．幾種無線通信技術(shù)比較 無線通訊技術(shù)克服了有線網(wǎng)絡(luò)布線 困難、擴(kuò)展性差等缺陷，在智能家居系統(tǒng)， 無線通訊技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，短距離 無線通信技術(shù)是智能家居內(nèi)部組網(wǎng)的發(fā)展趨 勢(shì)。短距離無線通信一般是指在較小區(qū)域內(nèi) (通常為數(shù)百米 )通信收發(fā)雙方通過 無線電波傳輸信息的技術(shù)，其特點(diǎn)是：距離短，通常幾厘米到幾百米；功耗低， 無線發(fā)射功率在 W 至 mw 量級(jí)；且不需申請(qǐng)頻率資源使用許可證，可 Band 超寬頻 )等心 。 自由的連接 各種電子設(shè)備所以 _f．分便捷。目前發(fā)展成熟的幾大短距無線通信技術(shù)主要有 ZigBee， Bluetooth(藍(lán)牙 )， IrDA(紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì) )技術(shù)， WiFi技術(shù)等，以及 其中發(fā)展成熟 的無線通信技術(shù) WLAN(無線局域網(wǎng) 802． 1 1 系列 )和具有發(fā)展?jié)摿? 的近距離無線技術(shù) UWB(U1tra Wide 幾種無線通信技術(shù)的傳輸距離、功耗、成本等的對(duì)比數(shù)據(jù)分析如表 2—1所示。 智能家居家電控制與體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 表 21 幾種無線通信技術(shù)性能指標(biāo)比較 傳輸速率 250Kbps 1Mbps 6陋 4帕 b 陋 1Gbps b p 傳輸距離 (米 ) 100 lO 3 m0 10 功耗 低 較高 低 ： 一向； 低 網(wǎng)絡(luò)容量 (個(gè) ) 255 8 2 琊 5 255 成本 很低 由 低 高 由 傳輸方式 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn) 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn) 點(diǎn)對(duì)點(diǎn) 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn) 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn) 傳輸距離遠(yuǎn)、速 傳輸速率 成本低、體積 傳輸速度 傳輸速率 高、抗干擾 率小、低功耗、 快、短跳頻 小、功能低、 快、距離遠(yuǎn)， 性能強(qiáng)，系 譬≯篙墓簍鐾 快、穩(wěn)定、 連接方便、傳 多用戶同時(shí) 綜合性能 統(tǒng)容量大 抗干擾強(qiáng)， 輸安全，視距 接入時(shí)，速 發(fā)送功率 大、可靠性高、 傳輸范圍 傳輸 易受障礙 率下降，設(shè) 小，傳輸范 安全性強(qiáng) 受限 物干擾 備昂貴 圍小 根據(jù)表格，以上幾種技術(shù)中，藍(lán)牙技術(shù)傳輸范圍小，功耗高，成本高且協(xié)議 較為復(fù)雜，抗干擾能力和信息安全性能等較弱。 WiFi 傳輸速率高，可移動(dòng)性很 強(qiáng)，但網(wǎng)絡(luò)方面容易被受黑客，使用射頻技術(shù)和無線電波傳輸數(shù)據(jù)，容易受外界 干擾，安全性和抗干擾性能較差，因此也不太適合對(duì)安全性要求極高的智能家居。 基于以上幾種無線通信技術(shù)性能指標(biāo)的分析， Zigbee 技術(shù)具有網(wǎng)絡(luò)容量大、低 功耗、傳輸距 離遠(yuǎn)、成本低廉、架構(gòu)簡(jiǎn)單、可自動(dòng)組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，且完全符合本設(shè) 計(jì)中智能家居數(shù)據(jù)傳輸組網(wǎng)要求與低成本設(shè)計(jì)，因此，本系統(tǒng)的采用 Zigbee組 網(wǎng)技術(shù)㈨ 1。 2． Zigbee技術(shù) ZigBee即 IEEE 802． 15． 4 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)， Zigbee技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離、低 數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)短距傳輸技術(shù)，底層遵循 IEEE802． 15． 4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，使 用不需頻率使用許可的 2． 4GHz ISM 頻段 (美國 915 MHz和歐洲 868 MHz)。在智 能家居應(yīng)用中，傳感器數(shù)據(jù)帶寬要求低，加上其功耗低，使用方便等因 素成為本 設(shè)計(jì)的首選。在智能家居無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中選擇 ZigBee的最大優(yōu)勢(shì)可歸為以 下兒方面㈨。 (1)傳輸距離： ZigBee的傳輸距離在 100 m 之內(nèi)，適用于家庭無線局域峭，也 蓉季乏學(xué) 誠五罰，刪竹 智能家居家電控制與體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 可通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信接力將傳輸距離增加， ZigBee 節(jié)點(diǎn)傳輸覆蓋范圍完全 能夠滿足家庭需求。 (2)低功耗： Zigbee 的突出優(yōu)勢(shì)是其功耗相當(dāng)?shù)停?ZigBee 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸率低， 消耗功率相應(yīng)也較低，其功耗遠(yuǎn)小于藍(lán)牙和 WiFi 的工作功耗。 (3)成本低廉： Zigbee使用 2． 46Hz波段為全球統(tǒng)一的無需申請(qǐng)的 ISM頻段， 沒有專利費(fèi)等使得 ZigBee生產(chǎn)成本的降低，協(xié)議簡(jiǎn)化等使得 Zigbee芯片價(jià)格偏 低。 (4)網(wǎng)絡(luò)容量：一個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可以包含 255 個(gè) ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，已經(jīng)滿 足家庭需求，另外通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組網(wǎng)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可支持 65535 個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。 (5)響應(yīng)速度較快： Zigbee 芯片從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需 15 ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn) 入網(wǎng)絡(luò)只需 30 ms，其響應(yīng)速度較藍(lán)牙和 WiFi 更快。 2． 4 本章小結(jié) 本章對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所涉及的主要技術(shù)、概念、特點(diǎn)及其應(yīng)用等做了介紹，主要 內(nèi)容包含物聯(lián)網(wǎng)概念及其應(yīng)用，嵌入式技術(shù)及開發(fā)過程，并對(duì)幾種短距無線通信 技術(shù)進(jìn)行比較，最后介紹了 Zigbee技術(shù)規(guī)范及其優(yōu)勢(shì)。 智能家居家電控制與體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第 3 章家電控制與體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本章將對(duì)智能家居系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并給出軟硬件系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，包括本設(shè)計(jì)中 嵌入式微處理器外圍電路、存儲(chǔ)器、接口等，接下來對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)選型，本設(shè)計(jì)以 ARM 嵌入式處理器和 1 inux 操作系統(tǒng)分別作為硬件平臺(tái) 和操作系統(tǒng)，將對(duì)微處理 器外圍電路、存儲(chǔ)器、調(diào)試接口等進(jìn)行設(shè)計(jì)并闡述 1inux 系統(tǒng)平臺(tái)搭建及 Zigbee 組網(wǎng)。 3． 1 智能家居系統(tǒng)方案 家庭網(wǎng)關(guān)在功能上要求一定的處理運(yùn)算能力， $3C2440A 基于 arm 內(nèi)核的五級(jí) 流水線微處理器，支持與 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)交互數(shù)據(jù)的 RS232／ 485串口和與 因特網(wǎng)通信的 RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口：軟件方面，支持 linux系統(tǒng)，系統(tǒng)嵌入 boa嵌入 式服務(wù)器，遠(yuǎn)程管理的應(yīng)用軟件及各部分硬件驅(qū)動(dòng)程序。智能家居系統(tǒng)的整體框 架如圖 31 所示。 圖 31 智能家居系統(tǒng)框架圖 家庭網(wǎng)關(guān)硬件由 $3C2440A 微處理器、電源電路、時(shí)鐘電路、 GSM通信模塊、 復(fù)位電路、串口接口電路、 NAND FLASH、 SDRAM接口等組成：軟件系統(tǒng)由嵌入式 操作系統(tǒng)、嵌入式服務(wù)器及．卜層應(yīng)用程序構(gòu)成：模塊有家電控制模塊， GSM 通信 模塊，傳感器及 Zigbee傳感網(wǎng)絡(luò)紐成。電源、時(shí)鐘、復(fù)位等外圍電路保證各硬 O 智能家居家電控制與體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 件資源穩(wěn)定運(yùn)行，電源電路為家庭網(wǎng)關(guān)供電，串口和 RJ45 網(wǎng)口用于內(nèi)部和外部 通信連接， flash 和 SDRAM是家庭網(wǎng)關(guān)外部存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)采集模塊用于獲取傳感 器數(shù)據(jù)，傳感器獲取體征信息；家電控制模塊用于控制家用電器； 6SM 通信模塊 用于體征異常短信提醒。在智能家居系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通過 RS232 串口和 Zigbee傳 感網(wǎng)完成。 Zigbee 無線模塊，使用了 2． 4G 無線技術(shù)，通過自組網(wǎng)連接家居設(shè)備； 家電控制模塊通過 Zigbee無線模塊與家庭網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)。各電路的功能詳細(xì) 概述如下： 1．電源電路為智能網(wǎng)關(guān)提供供電電源，電源影響整個(gè)系統(tǒng)性能，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重 點(diǎn)，通過開關(guān)電源接日 常交流 220V 來為系統(tǒng)接入 5V供電，開關(guān)電源采購 DELIPPO 5V 一 2A 適配電源， 1． 2V 內(nèi)核供電， 3． 3V 儲(chǔ)存器及外部 i／ o的供電由處理器外圍 電路變壓提供； 2．家庭網(wǎng)關(guān)主控制器為 $3C2440A，作為整個(gè)系統(tǒng)的核心組成部分，提供各個(gè)模 塊的驅(qū)動(dòng)支持和上層的應(yīng)用程序，完成通信訪問，遠(yuǎn)端家電控制和采集信息顯示 等； 3． Zigbee傳感網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，傳輸遠(yuǎn)程控制命令，控制家電開啟和關(guān) 閉，傳輸傳感器采集的數(shù)據(jù)等； 4． 6SM 通信模塊用于人體體征偏離正常時(shí)，將提醒短信和體征信息發(fā)送到 手機(jī)終 端或接收來自遠(yuǎn)程的控制家電短信命令等； 5．家電控制控制模塊連接家用電器電源，可以配置家用電源總開關(guān)，在安全隱患 或緊急情況發(fā)生時(shí)，可通過遠(yuǎn)程切斷電源，保證室內(nèi)人員安全。 智能家居系統(tǒng)外部通信：主要功能是實(shí)現(xiàn)用戶通過 Inter遠(yuǎn)程控制家居 設(shè)備及查看體征信息，我國當(dāng)前寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展已經(jīng)十分完善，傳輸速度的不斷 提升，常用的寬帶或光纖接入方式有中國電信 ADSL， FTTB+LAN等，智能家居網(wǎng) 關(guān)的以太網(wǎng) MAC 控制管理器硬件采用 DM9000芯片。內(nèi)部通信：由于有線傳輸布 線繁瑣且不 利于后期維護(hù)，成本相對(duì)昂貴，無線通信是未來發(fā)展趨勢(shì)，本設(shè)計(jì)采 用 zigbee無線通信方式作為智能家居控制系統(tǒng)的內(nèi)部通信方式。 3． 2 系統(tǒng)構(gòu)建 3． 2． 1 系統(tǒng)功能 智能家居剛關(guān)核心處理器 $3C2440A 是 Samsung 公司推出的 32位 ARM920T核