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1、2012 第八届“博创恩智浦”杯全国大学生嵌入式物联网设计大赛 作品设计报告基于统一家电协议的智能家居控制终端基于统一家电协议的智能家居控制终端Intelligent Household Control Terminals Based on Unified Home Appliance Agreement设计报告目 录 摘 要3 关键词3 Abstract3 Key words3 第 1 章 序论4 1.1 研究背景4 1.2 研究现状与发展趋势4 第 2 章系统方案4 2.1 系统需求4 2.2 总体结构设计4 2.3 硬件设计5 2.4 软件设计 5 第 3 章 功能与指标7 3.1 主要
2、功能7 3.2 主要指标7 第 4 章 实现原理7 4.1 Zigbee 原理介绍7 第 5 章硬件框图9 第 6 章软件流程9 6.1 终端软件设计9 6.2 节点应用程序9 第 7 章系统测试方 案107.1 系统硬件调试11 7.2 系统软件测试11 第 8 章测试设备11 第 9 章测试数据12 第 10 章 结果分析12 第 11 章实现功能12 第 12 章特色12 结论12 附录14 参考文献17摘 要随着科学技术的发展，智能化逐渐走进了我们的生活，智能家居颠覆了传统的家居生活理念，并带来了全新的生活方式。智能家居作为家庭信息化的实现方式，已经成为社会信息化发展的重要组成部分，物
3、联网因其巨大的应用前景，将是智能家居产业发展过程中一个比较现实的突破口，对智能家居的产业发展具有重大意义。该系统以博创 CUP6410 嵌入式实验平台与 Zigbee 为核心，可以实时监控家居内各模块的运行状态，自动控制且方便操作。该系统从安全和智能化两个方面诠释智能家居的概念，倡导智能管理、健康生活、节能环保的现代居家生活理念，引领物联网智能生活新潮流。该系统包含照明控制、音响控制、风扇控制、水源控制等模块，真实模拟了一个小型家居系统。 关键词： 智能家居、嵌入式实验平台Abstract With the development of science and technology，the i
4、ntelligent control steps into our life，the intelligent household subverts the traditional household life concept and bring us a whole new way of life. The intelligent household has become one important part of social information development as a way of family information realization and content netw
5、orking will be a more realistic breakthrough in the development of intelligent household industry, having a the great significance in the development of intelligent household industry. The system uses CUP6410 embedded experimental platform and Zigbee as the core and can monitor the operation of each
6、 module within the household timely, control automatically and operate conveniently.The system interprets the concept of intelligent household from the view of safety and intelligence and advocate the modern life concept of intelligent management, healthy life, energy conservation and environmental
7、protection, leading the new trend of intelligent life things networking. The system contains lighting control module, Audio control module, fan control module, water source control module and so on，simulates a small home systems truly。 Key words: Intelligent household、Embedded experimental platform第
8、 1 章 绪 论1.1 研究背景随着科学技术的日益更新与发展，高科技与信息技术走进了家庭，追求安全、舒适、智能的生活环境空间已经成为人们的需求之一，智能小区的市场火爆，最基本的单元就是智能家居。近些年来，数字技术快速发展，使得计算机和通信相渗透相结合的更加密切；半导体技术的发展特别是高速 CPU 和存储器的出现，使得信息的收集与处理更加方便；电脑等一些家用设备的诞生使得智能家居控制终端成为可能，同时嵌入式的研究与发展给与信息设备的发展相结合，形成了低成本的运营模式。1.2 研究现状与发展趋势国内的家居智能化的研究还不是很深入，主要方面还处于初级阶段。欧美的家居智能已相对成熟且已在信息家电中得到
9、实际应用。家庭总线技术的一些标准如美国的 X-10、CEBus，欧洲的 Europe Home System 标准已经投入市场，但这些标准大都是与本国的情况制定的。国内至今还没有比较成熟的家庭总线标准，这相对阻碍了智能家居终端的开发与研究。近年来，欧美的一批知名企业先后进入了家居智能化的研究及开发领域，但现有系统在操作方式及使用方面与客户要求还有一定差距，家居内部的各个部分的通信协议不同难以构成完整的家居系统，各种原因延缓了家居市场的发展。国内的一些厂商也在进行家居智能化产品的研究与生产，一些大型 IT 企业用自身的资金与技术优势已经在低端市场占据相当重要的地位；一些传统的家电巨头也开始进入家
10、居智能化产业市场。这些发展值得我们为之一悦，但是国内的智能家居的研究起步比较晚，整体水平参差不齐，软件功能比较差，升级能力欠缺，难以保证传输的实时性和大数据量的可靠通信。随着智能化平台的发展，利用实时操作系统的智能家居控制终端将成为未来研究的热点。第 2 章 系统方案2.1 系统需求本家居系统包括主控制中心、家电控制终端、监控报警终端三个主要部分。系统应实现的主要功能：监控：用户通过计算机，可以登录到家庭的控制中心，查看家庭内部情况，对照明模块、窗户及窗帘、温湿度控制、防火防盗进行控制与处理。电器控制：用户可以通过计算机进行控制，对家电进行智能化管理。通信方式：系统采用 Zigbee 无线通信
11、方式，避免了有线布线带来的麻烦。2.2 总体结构设计智能家居系统的核心部分是一个嵌入式的计算机系统，系统主要是 Zigbee 无线通信模式，用户可以通过手机或 PC 机登录家中的嵌入式服务器，通过用户名和密码验证之后，便可以查看或控制家用电器、灯光、窗帘、门禁、安防等基础设施；系统具有可扩展接口，如无线蓝牙接口、GPRS 接口、以太网接口，SPI 接口。系统总体设计如图 1 所示：计计算算机机ZIGBEE音音响响ZIGBEE电电灯灯ZIGBEE风风扇扇ZIGBEE饮饮水水机机ZIGBEE图 1 系统总体设计2.3 硬件设计本系统采用 Zigbee 技术进行无线通信，大大减少了布线麻烦、成本高的
12、缺点。计算机作为无线通信控制终端，相当于一个大型数据处理中心。家居子模块包括音响、电灯、风扇、饮水机等模块，子模块分别与 Zigbee 连接，形成了通信辐射网络。在家居控制中心，选用 CC2420 作为家庭内部 ZigBee 通信协调器；家居、安防终端采用CC2430 与之相连。该芯片兼容 IEEE802.15.4 标准，其在单芯片上集成了 ZigBee RF 前端、存储器和微控制器（MCU） 。利用 cc2430 我们可以方便的进行数据采集，及设备控制等操作。考虑到家庭内部节点有限，网络规模基本固定，内部无线网络采用星型拓扑，以 CC2420 为中心协调器，与各家居分支节点进行通信。CC24
13、20 通过 4 线制 SPI 接口与处理器相连，进行数据的传输。通过 SPI 总线可以设置其到不同的工作模式，读写缓冲区，读入状态寄存器。其中，SI 和 SO 分别负责数据的输入和输出，CSn 负责 SPI 接口使能，SCLK 负责时钟信号。另外，还需使用 FiFO 和 FIFOP 状态引脚来访问 FIFO。通过 CCA 引脚查看通道是否清空，通过SFD 引脚提供时间信息。2.4 软件设计本系统是用计算机终端控制每一个家居子模块，如电灯、风扇、饮水机、音响等，智能家电控制终端界面如图 2 所示，照明系统子模块界面如图 3 所示，音响控制界面如图 4 所示。图 2 家电控制终端界面图 3 照明系统子模块界面图 4 音响控制界面第 3 章 功能与指标3.1 主要功能该系统采用 Zigbee 无线通信技术，以计算机为终端进行数据的处理与家电的控制，用户通过计算机，可以登录到家庭的控制中心，查看家庭内部家电控制情况。家居子模块如电灯、风扇、音响
