基于ARM7+ZIGBEE的智能家居系统

基于ARM7+ZIGBEE的智能家居系统引言“智能家居”（sMart Home），又称智能住宅。通俗地说，它利用先进的计算机、嵌入式系统和网络通讯技术，将家中的各种设备（如照明系统、环境控制、安防系统、网络家电）通过家庭网络连接到一起。一方面，智能家居将让用户有更方便的手段来管理家庭设备，比如，通过无线遥控器、电话、互联网或者语音识别控制家用设备，还可以执行场景操作，使多个设备形成联动；另一方面，智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行，从而给用户带来最大程度的高效、便利、舒适与安全。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间；还由原来的被动静止结构转变为具有智慧互动的工具，提供全方位的信息交互功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的舒适感和安全性，甚至可以节约能源节省资金。ZigBee技术的出现，为开发低功耗、高可靠性、低成本的家庭智能化无线网络集成系统提供技术支持。目录引言1.系统介绍32.系统硬件设计32.1 ARM7主控板结构图 32.2 家居内智能化实现途径 42.2.1 智能家居环境气候系统 42.2.2 智能化照明系统 42.2.3 无线火灾报警系统 52.3 传感器的选择和电路设计 52.3.1 温湿度传感器 52.3.2 光照传感器 52.3.3 无线烟雾探测器 63.传输通信63.1 ZigBee无线传输 63.1.1 ZigBee 协议栈63.1.2 ZigBee无线传输模块 73.1.3 硬件电路设计 83.2 CDMA模块 83.2.1 规格介绍 83.2.2 CDMA功能描述 93.2.3 CDMA硬件电路设计 91.系统介绍系统结构框图如下：ARM7主控板主人手机传感器CDMAZIGBEEARM7主控板在整个系统中作为网络的协调者，传感器为它的子节点，传感器采集室内环境信息，然后无线传输到主控板，经过分析后进行控制处理，主控中心如果发现异常，会发出警报，并通过CDMA模块发送短信通知主人。另外主人可以通过手机了解家中环境信息，并加以控制。2.系统硬件设计2.1 ARM7主控板结构图UART2CDMA模块接口UART1ZigBee模块接口UART0RS232接口CPUSTR710FZ2T6内含（256+16）KB Flash、64KB SRAM2M*16 FlashSST39VF1601256K*16 SRAMIS61LV5128-10TKEYJTAG高速程序下载调 试 规格介绍： 处理器：STR710F-Z2T6，内含（256+16）KB Flash、64KB SRAM； EMI外扩：256K16 SRAM IA61LV25616AL；2M16 Flash SST39VF1602； 1个RS232异步串行接口（UART0，可直对连做RS232通信实验）； 2个TTL异步串行接口（UART1，用于接ZigBee。UART2，用于接CDMA）； 按键； 20脚JTAG调试接口（高速程序下载、调试，并支持Flash烧写）； 电源接口具体硬件电路设计图见原理图和PCB图。2.2 家居内智能化实现途径2.2.1 智能家居环境气候系统家居系统的气候环境功能包括对室内的温度、湿度、和空气的洁净度的控制等内容。随着现代家庭生活水平的不断提高，为了给居住者营造更加舒适的居住、生活环境，很有必要采用智能化的家居技术，进行自动控制，以提高居室内环境的舒适度。智能化气候控制系统由环境智能节点及其外围传感器和执行器组成。2.2.2 智能化照明系统照明对每个家庭的作用都是不言而喻的。不管哪个家庭，离开了照明，就好像回到了几百年前的古代，给我们的生活带来非常多的不便。随着科技的发展和人民生活水平的提高，人们对家庭的照明系统提出了新的要求，它不仅要控制照明光源的发光时间、亮度，而且与家居子系统来配合，不同的应用场合做出相应的灯光场景，而且还要考虑到管理智能化和操作简单化以及灵活性来适应未来照明布局和控制方式变更等要求。一个优秀的智能照明系统可以提升家庭环境的品质，确保家庭生活的舒适和健康。因此，很有必要采用智能化的家居技术来实现。智能化照明系统由照明智能节点及其外围传感器和执行器组成。2.2.3 无线火灾报警系统为了保证居民的生命财产安全，常常在家居中安装火灾报警系统。目前，虽然已经有多种火灾自动报警系统，但大多还属于脱机方式，最终要靠人来联系消防部门，往往由于不能及时报警而造成重大损失。如果能够以在线的方式直接工作，将很大程度上减轻财产损失和人员伤亡。因此，很有必要采用无线火灾报警技术来实现。无线火灾报警系统由智能节点及其外围传感器和执行起组成。 2.3 传感器的选择和设计传感器系统是智能家居的反馈的终端，包括温湿度传感器、光照传感器、烟雾传感器等等。在本系统中，每个传感器与无线节点相连，传感器的数据由ZigBee无线节点发送给主控制系统。2.3.1 温湿度传感器温度、湿度的测量采用瑞士 Sensirion 公司研制的 SHT11 型智能化 湿度 /温度 传 感 器 , 它 采 用CMOSens 专利技术(CMOS 和传感器技术的融合),外形尺寸仅为 7.5 mm5 mm2.5 mm。SHT11 具有I2C 总线接口, 接口电路简单, 并具有数字式输出、免调试、免标定、一致性好的特点。SHT11 内部主要包括相对湿度传感器、温度传感器、放大器、A/D 转换器、校准存储器(E2PROM)、随机存取存储器(RAM)、状态寄存器、循环冗余校验码(CRC) 寄存器、二线串行接口、控制单元、加热器及低电压检测电路; 可给出全校准相对湿度及温度值输出; 具有露点值计算输出功能; 湿度值输出分辨率为 14 位, 温度值输出分辨率为 12 位, 并可编程为 12 位和 8 位; 具有数据传输校验功能。此传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点。其接口电路如图2所示2.3.2 光照传感器该系统选用了 TI 公司的 TSL230B 来测量环境周围的光线强度。该器件采用先进的 LinCMOS工艺, 主要由多晶硅光电二极管和单片 CMOS 电流频率集成转换器构成。不需外接元件即可完成高分辨率的光照度/频率转换。可将一定光谱的光转换成电流, 再由电流/频率转换器转换成相应的脉冲频率。输出方波或者三角波的频率完全由光照幅度决定, 分辨率高, 可以直接与微处理器相连, 如图 3所示。S0、S1 为灵敏度控制端, 实际上是通过改变器件上方的感光面积来调整灵敏度; S2、S3 为满量程选择端; OUT 为频率信号输出端, 进入单片机的捕获输入, 通过计算两次捕获时间内计数器的数值差, 便可以计算出输出频率值。 图3 TSL230B的连接电路2.3.3 无线烟雾探测器系统采用JA-60S型无线烟雾探测器。该探测器能探测到各种物体燃烧时的烟雾，并能通过其内置警笛发声报警以提醒附近人员，同时进一步通过无线方式向警报主机或其它信号接收器发送该警报信号，以使其发出相应的报警动作。通常，该探测器进行周期性自我检测，并定期汇报其自身的工作情况，使得整个无线火灾报警系统处于全面循检状态。3.传输通信3.1 ZigBee无线传输ZigBee是一种高可靠的无线数据传输网络，采取了IEEE 802。15。4强有力的无线物理层所规定的全部， 同时增加了逻辑网络、网络安全和应用层。ZigBee新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，应用于智能家居系统，能有效发挥它低成本、低功耗和丰富而便捷的优点。在本套系统中，低速率室内无线连接传输部分使用ZigBee技术，ZigBee技术可靠保密性充分满足智能家居的安全与人性化。由于家庭构建的特点，以基于ARM7(STR710ZF)中央控制为核心，各反馈采集子系统返回信息，子系统的互联互通要求不高，采用ZigBee一点对多点的树状结构。3.1.1 ZigBee 协议栈 完整的ZigBee协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和应用组成。如图4所示，ZigBee协议栈的网络层、安全层和应用程序接口等由ZigBee联盟制定。其中安全层（Security）主要实现密钥管理、存取等功能。应用程序接口负责向用户提供简单的应用软件接口（API），包括应用子层支持（Application Sub-layer Support，APS）、ZigBee设备对象（ZigBee Device Object，ZDO）等，实现应用层对设备的管理。 图4 ZigBee协议栈3.1.2 ZigBee无线传输模块该系统采用成都无线龙开发的CC2430模块，通过串口连接到主控板。它也可外扩传感器，利于开发。CC2430 芯片延用了以往2420 芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee 射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1 个8 位MCU（8051），具有128 KB 可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器（Timer）、AES128 协同处理器、看门狗定时器（Watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown out detection)，以及21个可编程I/O引脚。CC2430 芯片采用0.18 m CMOS 工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA 或25 mA。CC2430 的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。CC2430 芯片的主要特点如下： 高性能和低功耗的8051 微控制器核。 集成符合IEEE802.15.4 标准的2.4 GHz 的 RF 无线电收发机。 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。 在休眠模式时仅0.9 A 的流耗，外部的中断或RTC 能唤醒系统;在待机模式时少于0.6 A 的流耗，外部的中断能唤醒系统。 硬件支持CSMA/CA 功能。 较宽的电压范围（2.03.6 V）。 数字化的RSSI/LQI 支持和强大的DMA 功能。 具有电池监测和温度感测功能。 集成了14 位模数转换的ADC。 集成AES 安全协处理器。 带有2 个强大的支持几组协议的USART，以及1 个符合IEEE 802.15.4 规范MAC计时器，1 个常规的16 位计时器和2 个8 位计时器。 强大和灵活的开发工具。3.1.3 硬件电路设计Zigbee模块主要用于传感器与ARM主控板之间通讯，所以系统通过串口在主控板连接一个Zigbee模块，使得主控板作为协调器，而传感器部分则接到Zigbee模块上为主控板的子节点。传感器部分所设计的电路如下图所示 图5 系统硬件电路图3.2 CDMA模块3.2.1 规格介绍选用Wavecom公司的CDMA Q2358，它具有的功能包括：通话或紧急呼叫、升级最高速率和半速率、双音多频功能（DTMF）、A5/1&A5/5加密算法。电器参数：（1） 无线数据比特率 144kbps（2） 工作电流 接收模式 最大150mA 发送模式 最大770mA 休眠模式 最大3.8mA（3） 尺寸 58*32*5.9mm（4） 重量 20g（5） 工作温度 -30C +60C3.2.2 CDMA功能描述（1）主控中心发现异常情况发送紧急短信到主人的手机，通知主人家庭情况。（2）主人通过手机监测家中的信息，判断是否有意外发生，并可加以控制。CDMA Q2358所具有的短消息服务有：点对点的MT&MO、短消息区域广播、回复呼叫信息、附加服务、呼叫转移、多方通话、呼叫限制等。3.2.3 CDMA硬件电路（详见原理图设计）