实用智能家居系统

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1、作者：Embeder实用智能家居系统静态监控系统(ARM7+Camera+ZIGBEE+CDMA)应用成员名单：引言近几年，“智能家居”这一概念逐渐进入普通居民的视野，家庭安全监控作为“智能家居”一个重要组成部分，更是普通居民所普遍关注的问题。随着社会的发展，生活水平的提高，工作压力也在逐渐增加，这就使得人们不得不在家庭与工作之间奔波，这不但带来了不便，也给家庭安全留下了隐患。此时，家庭安全监控就显得有必要了，它可以为人们带来方便，解决家庭安全问题，解决人们的后顾之忧。但专业的监控设备昂贵，普通居民很难消费得起，而静态监控在功能实现上虽然比不上专业监控，但对于普通的家庭用户已经够用，而且成本远

2、比专业要低，适合普通家庭用户使用。本设计方案从安全管理、远程管理和无线通信管理基础的三方面来构建各系统。低成本、易使用、扩展强、美观时尚为本系统特点。关键字： ARM7，CDMA，Camera，ZigBee，智能家居目录1硬件设计41.1ARM7 系统板41.1.1规格介绍41.2摄像系统51.2.1规格介绍51.2.2初始化51.2.3大致工作流程61.2.1CPLD的功能61.2.2单片机的功能71.3传感器81.3.1规格介绍81.3.2红外热释电传感器原理81.3.3离子烟雾传感器工作原理81.3.4门窗磁式传感器工作原理92传输通信92.1ZigBee无线传输92.1.1规格介绍10

3、2.1.2ZigBee102.1.3ZigBee 协议栈102.1.4ZigBee 无线传输模块112.1.5ZigBee 硬件设计122.2CDMA部分122.2.1规格介绍122.2.2CDMA功能描述132.2.3CDMA硬件设计描述(部分)132.2.3.1电源设计132.2.3.2响铃及耳麦的设计143软件模块143.1系统结构图143.2基本功能及其框架153.2.1通过系统的人机交互介面进行操作153.2.2通过服务器以访问网页的形式进行操作163.2.3当家中出现异常情况时系统反映流程图161 硬件设计1.1 ARM7 系统板1.1.1 规格介绍 处理器：STR710F-Z2T

4、6，内含（256+16）KB Flash、64KB SRAM； EMI外扩：256K16 SRAM IA61LV25616AL；2M16 Flash SST39VF1602； 10M以太网接口（CS8900A）； USB2.0通信接口（Device）； 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）； 162字符LCD； 5个LED指示灯（一个电源、一个STANDBY、三个通用）； 1个复位按钮（RESET）； 1个唤醒按钮（WAKE-UP）； 5个通用按钮； 20脚JTAG调试接口

5、（高速程序下载、调试，并支持Flash烧写）； 电源接口（+5V/2A）具体见原理图和PCB图1.2 摄像系统摄像系统母图1.2.1 规格介绍 视频解码芯片(SAA7111) JPEG压缩芯片（ZR36060） AVR单片机(ATmega16L) CPLD（Lattice:ISPLSI2064） SRAM(512K*8)1.2.2 初始化系统上电后，先分别对SAA7111，ZR36060初始化。对SAA7111的初始化很简单，用AVR单片机的两个IO口作为总线的串行时钟线SCL和串行数据线SDA，根据I2C总线的时序特性用软件编程模拟总线接口。对ZR36060的初始化是通过ZR36060的主控

6、制器接口完成的。AVR单片机通过ZR36060的两位地址线AADR1:0，片选信号，读写信号，以及数据总线DATA7:0直接对ZR36060内部的4个寄存器操作。将ZR36060的工作模式设置为:视频同步从模式，8bit代码主模式，16bit视频总线宽度。 SAA7111初始化部分原理图ZR36060主机接口1.2.3 大致工作流程 当AVR接收到传输图像数据的命令时，通知CPLD，并将ZR36060的CBUSY信号拉高，系统各个部分开始同步运行。模拟视频信号从SAA7111的AI22口输入，经过AD转换和亮色分离产生YUV4:2:2数字信号，并从VPO15:0口输出到ZR36060的视频接口

7、。同时输入到ZR36060视频接口的还有行同步信号HS，场同步信号VS，奇偶场指示信号RTS0以及系统时钟LLC(27MHz)和象素时钟(13.5MHz)。ZR36060对YUV信号进行压缩，从代码接口的CODE7:0输出标准的JPEG码流以及CCS，CWE等信号。这些信号均输入到CPLD中。CPLD通过CWE脉冲产生SRAM的写地址，将压缩数据存储到SRAM中。需要传输JPEG图像时，AVR产生一个合适的脉冲CRD，输入到CPLD中，作为AVR从SRAM中读取数据时的地址，同时也作SRAM的读信号。SRAM中的数据经CPLD送到AVR的IO口，然后由AVR的PA口直接将数据送到ZIGBEE。

8、当AVR接收到中止数据传输的命令时，通知CPLD，并将ZR36060的CBUSY信号复位，中止SRAM的读写操作。此时，SAA7111仍处于工作状态，ZR36060处于等待状态(等待CPLD给出START和FRAME信号)，整个系统等待下一次命令。1.2.4 CPLD的功能 CPLD子图ZR36060向SRAM中写数据时的地址发生器当ZR36060的代码接口向外传输数据的时候(CBUSY=1)，代码接口输出JPEG压缩码流CODE7:0，以及CCS，COE，CWR，ACK等信号。这些信号都输入到CPLD中。CPLD内部将实现一个计数器功能，其中，CWR作为计数脉冲。计数值作为SRAM的地址，将

9、CODE7:0的数据顺序存储到SRAM中。同时，CWR还作为SRAM的写信号。单片机从SRAM中读数据时的地址发生器当单片机需要从SRAM中读取数据的时候，单片机的某一个IO口产生一个合适的脉冲信号CRD，CPLD以该信号作为计数脉冲，产生另外一个读数据的地址，将SRAM中的数据顺序读取到单片机中。同时，CRD还作为SRAM的读信号。合理分配SRAM的总线控制权当ZR36060向SRAM中写数据的时候，SRAM的三总线必须交给ZR36060控制；当AVR单片机需要从SRAM中读取数据的时候，SRAM的三总线的控制权必须交由AVR。在这个过程靠CPLD来实现。ZR36060工作状态控制ZR360

10、60有很多种工作状态，在这个系统中必须交替处于三种状态：睡眠状态，空闲状态，压缩状态。系统上电后ZR36060要在在睡眠状态锁定缩相环(SLEEP=0)，然后SLEEP=1进入空闲状态，在空闲状态完成初始化，然后等待压缩启动信号START，然后扫描FRAME，开始进入压缩状态开始压缩数据。压缩完一场后END=0，当ZR36060检测到END=0后停止压缩，又处于空闲状态。1.2.5 单片机的功能 Atmega16L子图系统的初始化系统的初始化主要时指SAA7111和ZR36060的初始化。AVR单片机通过SCL，SDA对SAA7111进行初始化； 通过ZR36060的主机接口对ZR36060进

11、行初始化；控制系统的启动单片机负责接收ZIGBEE发送过来的命令并启动系统开始工作；发送数据给ZIGBEE单片机的PA口分时复用。初始化时作为ZR36060主机接口的数据线，之后作为和ZIGBEE传输数据的通道。1.3 传感器传感器系统是智能家居的反馈的终端，包括识别人（红外热释电传感器），门窗防盗（门磁传感器），火报警（烟雾温度传感器）。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无线节点回送。1.3.1 规格介绍 红外热释电传感器 离子烟雾传感器 磁式传感器1.3.2 红外热释电传感器原理人体有恒定的体温，一般在37，所以会发出特定波长为10m左右的红外线。被动式红外探

12、头就是靠探测人体发射的10m左右的红外线而进行工作的。人体发射的10m左右的红外线，通过菲涅尔滤光片增强后，聚集到红外感应源上。红外感应源泉通常采用热释电元件。这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时将会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后产生报警信号。上图为双元热释电红外检测元件LHI968的内部电路。它由两个双元热释电陶瓷，感应红外信号，再经场效应管放大输出。D端的电阻和S端的电容具有抗电磁干扰能力。信号从S端引出经前级放大，通过47F电容后再次放大，与设定门限电压进行比较，获得报警输出信号。47F电容能够除直流成分，从而消除了使用环境（阳光、灯光、火源泉等）对探测器的影响，

13、后面再加一延时触发电路以便主人设防与撤防。现在已有专用集成芯片BISS0001实现以上功能。为了适应主人进门时撤防的需要，设计一报警延时电路。延时长度须满足：当人以1m/s的速度从探测器的正前方移动0.2m，不产生报警；但移动3m应报警，测试速度应能检测0.33m/s或更宽的速度范围。1.3.3 离子烟雾传感器工作原理图3(a)是单电离室的结构图，P1和P2是一对电极，在电极之间放有放射性物质241 Am，不断放出a射线，高速运动的a离子撞击极板间的空气分子，将其电离为正离子和负离子，从而使电极之间原来不导电的空气具有了导电性。如果在极板P 和P2之间加上一个电压E，极板间原来杂乱无章的正负离

14、子，在电场的作用下作有规则的运动，从而在极板间形成电离电流， 施加的电压越高，则电离电流越大，当电离电流增加到一定值时，将不再增加，此电流称为饱和电流，如图3(b)所示。为了减少温度、湿度等环境条件变化对电离电流带来的影响，以提高传感器工作的稳定性，将两个电离室串接起来与电源相接，上面的一个为补偿电离室，下面的一个为检测电离室，在结构上检测电离室做成烟雾容易进入的型式，而补偿电离室做成烟雾很难进入、而空气又能慢慢进入的型式。当有火灾发生时，烟雾进入检测电离室，由于烟离子的阻挡作用，一方面使电离后的正负离子在电场中的运动速度降低，另一方面使a射线的电离能力降低，从而使检测电离室的电离电流减小，这

15、一现象，相当于补偿电离室的等效电阻未变，而检测电离室的等效电阻变大，从而使A点的电位升高。显然烟雾浓度越大，烟离子的阻挡作用越强，A点电位越高。这一电压信号经由T1、T2组成的跟随电路，传送给模数转换电路，实现对烟雾浓度的采样。采用离子源作为烟敏元件的突出特点是电流消耗极低，只有数百nA，适合在总线系统中使用 。图4中的Rt为自检电阻器，由于离子源等效电阻很高(一般在10MO以上)，只要适当选择Rt，就可使Rt上的压降在正常情况下近似为0.对探测器进行自检时，一个逻辑高电压加到Rf上，使传感器输出升高，单片机根据自检前后的模数转换结果，可判断出模数转换及传感器两个模块的功能是否正常。1.3.4

16、 门窗磁式传感器工作原理门窗磁式传感器一般案卷在门内侧的上方。它由两部分组成：较小的部件为永磁体，内部有一块永久磁铁，用来产生恒定的磁场；较大的是门窗磁式传感器主体，内部有一个常开型的干簧管。当永磁体和干簧管靠得很近时（小于5mm），门窗磁式传感器处于工作守候状态；当永磁体离开干簧管一定距离后（大于8mm），门窗磁式传感器立即产生报警信号。2 传输通信2.1 ZigBee无线传输ZigBee 作为传输无线传输协议，在系统中各个模块互联互通采用。在ARM7主板上，Jennic5121 Module作为网络协调器，组建整个星型网络核心，负责节点管理、动态组网与数据传输；对于传感器、摄像机等数据发送

17、设备，作为精简功能节点，只构成无线网络终端，由核心节点负责其网络的加入管理。2.1.1 规格介绍 Jennic ZigBee Module 5121 LP2985 fixed-output voltage regulator TSL2550 Light Sensor SHT11 Temperature and Humidity Sensor2.1.2 ZigBeeZigBee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。与以已有的无线传输方式相比：市场名/标准GPRS/GSM 1xRTT/CDMA Wi-

18、Fi/802。11bBluetooth/ 802。15。1 ZigBee/802。15。4应用重点广阔范围 声音，数据Web， Email， 图像电缆替代品监测 控制系统资源16MB+ 1MB+ 250KB+ 4KB -32KB 电池寿命(天)1至7 0.5 至5 1 至7 100 至1，000+ 网络容量1327255 / 65，000 带宽(KB/s) 64 -128+ 11，000+ 72020 -250 传输距离(米)1，000+ 1 -100 1 -10+ 1 -100+ 特点覆盖面大， 质量速度， 灵活性价格便宜， 方便可靠， 低功耗， 价格便宜ZigBee新兴的近距离、低复杂度、

19、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。以下为各节点的技术概要:节点名摄像头红外传感器烟雾传感器门窗传感器用户触点结点数（用户需求）110530120520110工作有效时间(天)（有线供电）200+节点所需速率（Kb/s)20505室内有效距离1-401-100可行性满足非常好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Zig

20、Bee一点对多点的树状结构。2.1.3 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、安全层和高层应用规范组成。如图所示，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。2.1.4 ZigBee 无线传输模块ZigBee采用Jennic

21、公司的JN5121无线模块，JN5121是低功耗低价格的适应IEEE802。15。4协议的无线微控制芯片。JN5121使用硬件MAC和安全加密加速硬件AES，整合的电源控制设备使该系统极低的电源消耗。 单芯片集合无线收发器和无线传感器网络微控制器 高效低功耗微控制器负责控制和传感器 硬件MAC 保证低功耗 用户设备扩展2.1.5 ZigBee 硬件设计Jennic 5121 原理图传感器模块使用集成光感芯片TSL2550D与温感芯片，在每个节点均可返回数据。同时，传感器芯片可根据市场与用户需求更改添加。2.2 CDMA部分2.2.1 规格介绍 选用AnyDATA公司的CDMA集成模DTGS-8

22、00，该模块具有体积小(33mm*53mm*2。8mm)，接口丰富，可直接通过UART接口与CPU通信。 电器参数: 供电电压:DC 4。5V10%Battery 3.4-4。3V 工作电流:最大时为520mA，空闲时为90mA。串行波特率:bps2.2.2 CDMA功能描述CDMA部分主要由CDMA module DTGS-800构成。具有以下功能： 发送紧急短信至指定手机，通知主人家庭情况。 可接听电话，使主人及时监听家庭中的动静，判断是否有意外发生。以上功能通过AT指令完成。CDMA的复位可通过AT指令完成，也可通过设计中的外部引脚实现复位。2.2.3 CDMA硬件设计描述(部分)2.2

23、.3.1 电源设计1. DTGS-800供电电源系统供电电压为DC5。0V，为使电路简单，设计中采用两个二极管串联的方法将供电电压降到合适的范围内供DTGS-800使用。具体电路原理图如下图:电流500mA时，两个1N5817的电压降大约为0.8V电流90mA时，两个1N5817的电压降大约为0.4V因此DTGS-800的实际供电电压在4.2V与4.6V之间，符合DTGS-800供电要求。2. UIM卡供电电源UIM卡供电电压3.0V，选用低压差的电源调整芯片RT9182BCE，输出两路3.0V， RT9182BCE输入选用DTGS-800的供电电压。利用DTGS-800的UIM卡电源使能输出

24、控制RT9182的SHUTDOWN引脚，以控制UIM卡的电源开断。电路原理图如下图所示。2.2.3.2 响铃及耳麦的设计3 软件模块3.1 系统结构图上图为家庭监控系统软件管理系统结构。对家庭监控系统的管理可以同过连接到ETHERNET上的电脑来实现。用户可以以网页界面的形式来访问服务器，对监控系统的一切操作都需要通过服务器来实现。用户向服务器发送对系统的操作的请求，由服务器执行对各个家庭的监控系统进行的设置和管理。另外可以在用户登陆时进行身份确认，并在访问权限上进行一定的分级设置，实现不同用户使用需求(比如对安保部门和户主需要用不同的访问权限)。3.2 基本功能及其框架本系统主要面向对象为家庭主人或者是安保部门。通过对可视化可操作界面，只需要简单的操作就能实现对整个家庭监控系统的管理。本系统主要实现对系统的查看和设置功能，即查看系统状态和设置系统参数。3.2.1 通过系统的人机交互介面进行操作 通过系统的LCD上的菜单提示进行操作，操作流程大致为：3.2.2 通过服务器以访问网页的形式进行操作由于系统可以通过网卡接入ETHERNET，而这种系统可以实现一个物管公司对一片居民进行服务，所以以统一服务器进行服务成为可能。这种操作的流程为：3.2.3 当家中出现异常情况时系统反映流程图 家中出现异常情况时系统反映流程图为：- 17 -