基于Cortex—M3与Android的智能家居控制系统设计

2015-01-08 11:43 编辑:admin 来源:发表论文 浏览:
  智能家居是在传统住宅的基础上,利用现代科学技术,诸如网络通信、安全防范、自动控制、音视频等技术将家居生活有关的各种家居设施集成,构成的高效、便利、舒适、节能环保的家居环境[1]。随着无线移动网络的快速布局,现代的智能家居只要有一个无线智能设备,即能通过客户端实时查看到住宅中的一切动态[2]。在目前,智能家居控制系统中,有基于面板和红外遥控器或蓝牙的智能家居控制终端解决方案[3,4],也有完全基于PC机的智能家居控制终端解决方案[5],同时还有采用手机作为家居控制终端,利用GSM电话网络通信,实现短信或者语音控制[6]。而以上多种技术的应用,催生了各种智能控制模块的研究和生产,因此导致了当前智能家居控制系统的标准无法统一,各个系统和模块之间难以实现互联互通。针对以上问题,本文提出了一整套的智能家居控制系统解决方案,该方案采用Android智能手机作为控制终端,在STM32F107移植μC/OS-II操作系统和LwIP协议栈搭建嵌入式服务器,通过搭建ZigBee无线传感网络,采用改进的ZigBee路由算法,制定完善的通信协议,提高网络通信性能,最终实现手机对智能家居的远程和本地的实时监控。 
  1 系统总体设计 
  本文所设计的智能家居控制系统主要包括嵌入式服务器,Android客户端和ZigBee节点。移动控制终端和ZigBee节点通过嵌入式服务器进行通信实现信息交互。即用户采用Android客户端程序发送指令通过互联网或局域网传输到智能家居嵌入式服务器,服务器在接收到控制命令后再通过ZigBee无线传感网络发送到对应的终端节点,终端节点接收到命令后进行相应的操作,比如采集温湿度信息并将信息反馈到服务器,服务器再将信息通过局域网或互联网发送到Android客户端进行显示。系统总体结构图如图1所示。 
  2 系统硬件设计 
  2.1 设计原则 
  嵌入式服务器在整个系统中起着至关重要的作用,其实现的主要原则应从下面几点出发:(1)允许Android客户端远程登录到服务器,并能够保存登录用户的基本信息,实现多用户登录,为每个用户都能提供相应的服务。(2)能够正确接收客户端发送的控制命令,并能够返回相应信息。(3)能够与ZigBee协调器实现信息交互,完成命令传输和信息采集。嵌入式服务器启动后,采用socket通信方式接收客户端的登录命令,验证通过后为客户端提供相关服务。 
  2.2 服务器硬件设计 
  本次研究采用ST公司生产的Cortex-M3为内核的微处理器芯片STM32F107VC进行扩展搭建嵌入式服务器硬件平台,硬件结构图如图2所示。 
  根据需求,外围需扩展的功能模块主要包括与ZigBee协调器通信模块和与控制终端实现网络通信硬件模块。其中与ZigBee协调器通信采用串口通信方式实现。而STM32F107内部集成了以太网MAC控制器,因此本次设计采用RMII接口连接以太网PHY(物理层)芯片DM9161。 
  2.2.1 网络通信接口 
  网络通信接口是服务器与控制终端实现网络通信的桥梁[7]。STM32F107内部集成了一个以太网MAC,并有专用的DMA控制,实现内部数据的高速传输[8]。STM32F107还同时支持MII和RMII两种物理层接口,因此只需外界一片物理层收发器,即可实现以太网帧的发生和接收,实现网络通信[9]。所以本次设计采用高性价比的DM9161A作为10M/100M以太网PHY芯片,采用RMII接口与处理器STM32F107内部的IEEE1588 MAC连接,并与标准RJ45接口HR911105A连接,支持平行交叉网线自适应,实现以太网通信功能。网络接口硬件接口设计如图3。 
  2.2.2 ZigBee节点 
  智能家居中,家居内部无线网络通信方式的选择至关重要[10]。在本次智能家居控制系统设计中,家庭内部网络采用ZigBee组网技术。在智能家居网络中,ZigBee节点被分为主节点和从节点,主节点主要负责建立无线网络,分配从节点网络地址,并与从节点和嵌入式服务器实现指令的发送和接收[11]。ZigBee从节点主要嵌入到终端设备中用于采集检测信息发送到主节点,或者接收控制命令实现对终端设备的控制,ZigBee网络结构图如图4。 
  ZigBee节点采用TI公司的CC2530作为主控制器芯片。该芯片是用于2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统解决方案[12]。它结合了领先的RF收发器的优良性能,基于51内核,系统内可编程闪存,8KB RAM和许多其它强大的功能[13]。 
  数据采集节点主要包括一些通过传感器实现的信号采集类模块,比如温湿度采集,可燃气体泄漏或者火灾发生时的信号采集并报警。设备控制节点主要嵌入到家电设备中,以实现门禁系统、灯光控制、智能窗帘、智能热水器、智能空调、摄像头云台等的远程控制。 
  3 系统软件设计 
  本系统的软件主要包括3个部分:嵌入式服务器软件平台、ZigBee节点控制程序、控制终端的Android应用程序。 

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