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基于ZigBee和ARM的智能家居控制系统

智能装备 | 发布时间:2017-10-25 | 人气: | #评论# |本文关键字:ZigBee,ARM,智能家居
摘要:随着网络技术和当代通讯技术发展的不断完善 , 家居智能化已经愈来愈受到人们的关注 。 智能家居控制系统是以家庭住宅为平台 , 控制各种家居电器设备 , 完美地将系统 、 结构

随着网络技术和当代通讯技术发展的不断完善家居智能化已经愈来愈受到人们的关注智能家居控制系统是以家庭住宅为平台控制各种家居电器设备完美地将系统结构服务管理集合为一体的控制系统

    系统通过对住宅内部环境的长期监测智能的获取用户的居住习惯并结合人为设定的控制指令自动调节设备状态实现住宅的智能化人性化为人们营造一个节能安全舒适的居住环境

    利用ARM ZigBee无线模块技术设计了一款新型智能家居终端控制系统实现了对家庭内的家居电器远程控制系统最终调试的结果能够满足用户对家居电器设备的远程监测和控制的需求该设计合理能够达到预期的目标

1   整体方案的设计

结合设计理念和整个系统所要实现的功能对整个系统进行设计如图1 所示

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1 整体系统设计结构图

在智能家居控制系统中根据各个系统的模块对整个方案进行设计总体来说整个方案可以分成以下几个单元

1)    ZigBee无线数据采集单元

ZigBee无线数据采集单元利用最新的无线ZigBee通讯技术使用无线子节点模拟家庭内的家居电器并由多个ZigBee无线数传节点组成的家庭内部的无线局域网用户智能网关发来控制信息经过中央控制器处理由协调器节点根据信息中的地址传输给相应的无线子节点完成对家庭内电器的控制和监测

2)    ZigBee无线模块数传单元

ZigBee无线模块数传单元是整个系统的核心部分它一方面通过串口和WIFI 与家庭无线局域网中的协调器相连接通过协调器接收发送控制信息同时通过网口与路由器相连接入以太网中用户可以远程发送命令经以太网控制家庭内部的家居电器设备

3)    数据处理单元

数据处理单元主要指用户通过各种智能终端如智能网关智能手机掌上电脑等发送控制命令控制家庭内部的环境状况

    对整体系统方案的设计是在综合各种因素的基础上设计完成的不仅实现系统要完成的功能而且在扩展性提高以及降低成本方面都有所发展在本设计中家居控制终端釆用嵌入式处理器在家庭无线局域网中釆用ZigBee技术作为无线组网技术嵌入式设备不仅拥有功耗低体积小成本低等优势同时也具有良好的稳定性和实用性可以快速的接入以太网彻底摆脱了以往对计算机的依赖性同样ZigBee无线数传技术也具有成本低组网自组织能力强更为各个节点设备制定了统一的标准整个系统满足了用户的需求和功能要求

系统硬件的设计

.智能网关电路设计

选用TI 公司新一代移动应用处理器——— OMAP3530 ,该处理器在单个的芯片上集成了600‐MHz ARMCortex8 Core 、412‐MHz TMS32064x + DSP Core 图形引擎视频加速器以及富足的多媒体外设Cortex8 内核是采用ARMv7 指令体系架构ARM 公司历史上性能最强大的一款处理器适合用于复杂的操作系统和用户应用运转速率可达600 MHz 1 GHz 功耗一般在300 mW 以下而性能可高达2000MIPS 

智能网关使用的是核心板加底板的模式在系统中使用了7 TFT 24 位液晶触摸屏由于接口资源丰富又增添了通用的存储器通讯接口使嵌入式最小系统具备了体积小高性能低功耗等特点硬件结构如图2 所示

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2 智能网关硬件结构框图

在本设计中UART ZigBee数传模块协调器相连接外部Inter

net 网通过DM9000网卡接入。OPAM3530 处理器根据接收到的各种输入信息来进行处理和分析工作并把处理后的结果通过通信接口分别传输给用户或者ZigBee无线模块节点设备

.ZigBee 模块电路设计

ZigBee无线模块主要的功能是负责家庭内部无线局域网的搭建,并完成用户发送的控制命令和ZigBee无线模块采集的信息的传输。当前,市场上选用较多的无线模块是TI 公司生产的CC2530 芯片,它不仅集成了一个增强型8051处理器,而且还集成了符合IEEE802.15.4/ZigBee联盟标准的射频收发芯片于一体,并且支持IEEE802.15.4ZigBee2007/Pro/RF4CD 等多种协议标准。同时CC2530 可以在多种模式下进行工作,符合系统的低功耗工作要求。CC2530 应用电路电路图如图3 所示。

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3 CC2530 应用电路

3   系统软件的设计

嵌入式操作系统选用Windows Embedded CE .0 系统因为该系统具备开发周期短相对简单工具强大GUI 丰富内核完善等优点所以被广泛用以手持设备的开发

    .嵌入式平台的搭建Windows Embedded CE 6 .0 开发中微软公司经过战略性的调整Platform Builder 制作成了Visual Studio 2005 的一个插件如同Visual C # Visual C + + 一样被全部集成到Visual Studio 2005 一样

    针对嵌入式系统交叉编译环境的特点Windows Embedded CE .

 开发环境在PC 机上的搭建步骤做如下简单的介绍

   安装Visual Studio 2005 安装包

② 安装Visual Studio 2005 Team Suite ServicePack 1 安装包

③ 安装Visual Studio 2005 SP1 Update for Vista 安装包如果需要的话

④ 安装Windows Embedded CE .0 安装包

⑤ 安装Windows Embedded CE .0 Service Pack 1 安装包

⑥ 安装Windows Embedded CE .0 2 安装包

⑦ 安装Windows Embedded CE .0 3 安装包

⑧ 安装Update 升级包在安装相关软件之前必需确保PC 机上系统所在磁盘有足够的使用空间建议系统磁盘至少有8 GB的使用空间并在安装完所有软件之后至少有4 GB 的剩余使用空间

    至此实现platformbuilder6.0安装visual studio2005中新建项目时便会出现platformbuilder6.0项目类型

    然后利用visual studio2005中的platformbuilder6.0项目类型定制内核并对其进行编译导出并安装SDK 至此wince的开发环境建立完成

.ZigBee 节点软件开发

3 .2 .1 ZigBee数传模块协调器节点软件设计协调器是整个家庭内部无线局域网的核心在组网成功后协调器充当一个路由器的作用它的功能主要是负责无线网络的建立网络参数的设定网络信息的管理及维护等功能协调器的程序设计流程如图所示

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4 ZigBee 协调器程序流程图

系统首先上电在完成协调器硬件和协议栈的初始化以后协调器就开始进行信道能量检测和信道扫描从中选择出空闲信道中能量最强的作为所建无线网络的信道从而建立无线网络并生成无线网络编号PAN ID 和配置无线网络参数建立ZigBee无线网络成功后协调器会进入侦听状态若有ZigBee数传模块子节点申请入网则允许子节点加入并且为它分配无线网络地址建立绑定文件

..2 终端节点的软件设计

无线终端节点的主要功能是完成接收用户发送的控制和查询数据和上传无线终端节点传感器采集的信息上电初始化模块后首先是信道扫描查询是否有可加入的ZigBee无线数传网络信道即向协调器发送申请入网请求然后检查是否加入网络成功如果加入网络未成功ZigBee无线数传子节点则继续发送申请加入网络请求如果加入网络成功协调器就会分配无线网络地址在加入网络成功后ZigBee无线数传子节点就会侦听网络信息查询是否接收到数据如果接受到网络数据则会进一步判断数据类型当接收到的是用户的查询信息时则获取与之相应的传感器节点信息并经ZigBee无线局域网把数据传输给协调器当接收到的是用户的控制指令时则与之相应的ZigBee 无线子节点执行控制操作ZIGBEE无线终端节点的程序设计流程图如图5 所示

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5 ZIGBEE无线终端节点程序流程图

 系统的性能测试


在测试过程中整套系统有6 个无线节点、1 个协调器、1 CORTEX ADB 智能网关1 个无线节点都有1 CC2530 模块1 个电源板电源板上有1 个蜂鸣器、6 LED 和功能不同的传感器在这个系统中有温湿度传感器光传感器烟雾传感器继电器电机驱动等模块作为家居中的模拟电器设备

在系统性能测试时智能网关通过以太网与路由器连接协调器通过串转网模块与路由器相连在此特别说明串转网模块的IP 地址和智能网关的IP 地址必须在同一个局域网内然后打开智能网关和协调器开关当协调器的指示灯处于闪烁状态时说明协调器组网成功然后打开子节点开关接入协调器的组网中子节点的指示灯处于闪烁状态时说明入网成功到此硬件连接成功在智能网关中打开应用程序然后点击打开连接按钮输入串转网模块的IP 地址然后点击确定然后就可用智能网关中的应用程序对ZigBee无线模块节点进行实时监测和控制6 为温度采集模块在智能网关中的应用程序界面的实时监测显示

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6 温度采集节点实时监测数据显示

 结语

本设计的智能家居系统是采用ARM ZigBee无线模块技术在分别以OMAP3530 为控制核心和CC2530为无线控制核心的基础上完成了智能网关和ZigBee数传模块节点的设计实现了ZigBee无线数据采集实时监测和控制家居电器的设计该系统具有传输快捷安全组网简易灵活等优点达到了对家庭设备的智能化管理所以该系统在未来市场中具有良好的竞争力


责任编辑:电气自动化网

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