電子發(fā)燒友App
一、項目概述
1.1 引言
隨著社會經(jīng)濟水平的發(fā)展，現(xiàn)在人們的生活追求個性化、自動化，追求快節(jié)奏，追求充滿樂趣的生活方式，家裝要求的檔次越來越高，生活家居要求一種人性化、智能化。智能電子技術(shù)在現(xiàn)實生活中的智能家居電子產(chǎn)品中得到廣泛應用。而計算機網(wǎng)絡與通訊技術(shù)的應用，給人們的家居生活帶來了全新的感受。智能家居正在日漸興起，家居智能化成為一種趨勢。
智能家居概念的起源甚早，但一直未有具體的建筑案例出現(xiàn)，直到1984年美國聯(lián)合科技公司（United Techno1ogies Building System）將建筑設(shè)備信息化、整合化概念應用于美國康乃迪克州（Conneticut)哈特佛市（Hartford）的CityPlaceBuilding時，才出現(xiàn)了首棟的[智能型建筑],從此也揭開了全世界爭相建造智能家居的序幕。
進入20世紀90年代后期以來，數(shù)字化技術(shù)取得了更加迅猛的發(fā)展并日益滲透到各個領(lǐng)域。隨著Internet網(wǎng)向普通家庭生活不斷擴展，消費電子、計算機、通訊一體化趨勢日趨明顯，智能化信息家電產(chǎn)品已經(jīng)開始步入社會和家庭。智能信息家電由于其安全、方便、高效、快捷、智能化等特點在21世紀將成為現(xiàn)代社會和家庭的新時尚。
“智能家居”是以住宅為平臺，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務、管理、控制于一體，利用先進的網(wǎng)絡通訊技術(shù)、電力自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、無線電技術(shù)，將與居家生活有關(guān)的各種設(shè)備有機地結(jié)合起來，通過網(wǎng)絡化的綜合管理家中設(shè)備，來創(chuàng)造一個優(yōu)質(zhì)、高效、舒適、安全、便利、節(jié)能、健康、環(huán)保的居住生活環(huán)境空間。
智能家居在保持了傳統(tǒng)的居住功能的基礎(chǔ)上，擺脫了被動模式，成為具有能動性智能化的現(xiàn)代工具。它不僅提供了全方位的信息交換功能，還優(yōu)化了人們的生活方式和居住環(huán)境，幫助人們有效地安排時間、節(jié)約各種能源，實現(xiàn)了
對家居的無線控制、手機控制、計算機網(wǎng)絡控制等。
1.2 項目背景/選題動機
隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對生活方便快捷環(huán)保節(jié)能的要求越來越高，智能家居系統(tǒng)應運而生。將無線通信技術(shù)和網(wǎng)絡控制技術(shù)應用于智能家居，將現(xiàn)代電子技術(shù)、通訊技術(shù)及自動化技術(shù)相結(jié)合，使控制器具有了信息的獲取、加工、傳遞等功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)對家電設(shè)備的自動控制和管理，防火防盜防煤氣泄漏防室內(nèi)空氣污染，能夠為用戶提供環(huán)保、安全、舒適、高效便利的生活環(huán)境。有效的幫助屋主與家居保持聯(lián)系，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們合理安排時間，增強家居生活的安全性和舒適性，并能減少能耗。雖然智能家居的概念早已經(jīng)提出，但是目前多數(shù)家庭并未真正享受到所謂智能家居帶來的全新家居體驗。同時，現(xiàn)代意義上的智能家居推廣在短期內(nèi)較難實現(xiàn)，且即使實現(xiàn)成本也超過了人們所能承受的范圍。我們所申請的“基于AVRmeg16智能家居系統(tǒng)”適用于目前的普通家庭，無須對居室結(jié)構(gòu)和裝潢做出改動，僅需安裝一些模塊便可以實現(xiàn)智能家居理念當中的相當一部分功能，經(jīng)濟成本較低，可以讓普通家庭也能享受到科技對家居生活帶來的便利，具有較強的推廣性。
二、需求分析
2.1 功能要求
1.實現(xiàn)對室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測及控制，保證室內(nèi)空氣的質(zhì)量。在室內(nèi)空氣遭到污染，如有煤氣泄漏時，窗戶能自動打開，進行通風。如果窗戶長期忘記打開時，窗戶也能自動打開進行空氣流通，確保室內(nèi)的空氣環(huán)境良好。
2.實現(xiàn)家用電器狀態(tài)監(jiān)測及控制。通過手機或者網(wǎng)絡隨時了解家中的情況，如窗戶是否開啟，家用電器是否關(guān)閉；并能利用手機與網(wǎng)絡對機器的狀態(tài)進行遠程控制，如家用電器忘關(guān)時，可以遠程關(guān)閉。
3.當發(fā)生突發(fā)事件時，具有應急響應狀態(tài)。假如家中發(fā)生煤氣泄漏或者居室出現(xiàn)入侵者，系統(tǒng)啟動應急模式，啟動聲光報警，并自動向主人的手機發(fā)送緊急信號。
4.利用無線通訊，實現(xiàn)短距的網(wǎng)絡連接，使家中各個家居成為一個互聯(lián)的系統(tǒng)。
5.根據(jù)環(huán)境的情況，系統(tǒng)能作出相應的操作。例如居室內(nèi)的空氣長時間沒有流通時，窗戶可以自動打開。刮風、下雨等窗戶能自動關(guān)閉。
6.實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的訪問控制。通過瀏覽器登錄網(wǎng)頁就能實現(xiàn)對該系統(tǒng)的訪問與控制。
圖1 系統(tǒng)架構(gòu)
2.2 性能要求
1、該系統(tǒng)實現(xiàn)低功耗標準。
2、該系統(tǒng)可靠，安全，一旦工作不正常能迅速發(fā)出聲光警報。
3、居室環(huán)境狀態(tài)采集準確、方位全面，反饋迅速。
4、反饋信息迅速、準確、高效。
5、無線收發(fā)距離遠、數(shù)據(jù)準確。
6、響應命令迅速、準確。
7、有效的保證室內(nèi)的空氣流通，保護室內(nèi)環(huán)境。
三、方案設(shè)計
3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
3.2 硬件平臺選用及資源配置
主控模塊：
AVRmeg16
AVRmeg16的主要特性如下
? 高性能、低功耗的 8 位 AVR ? 微處理器
? 先進的 RISC 結(jié)構(gòu)
– 131 條指令 – 大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期
– 32 個 8 位通用工作寄存器
– 全靜態(tài)工作
– 工作于 16 MHz 時性能高達 16 MIPS
– 只需兩個時鐘周期的硬件乘法器
? 非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器
– 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash
擦寫壽命 ： 10，000 次
– 具有獨立鎖定位的可選 Boot 代碼區(qū)
通過片上 Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程
真正的同時讀寫操作
– 512 字節(jié)的 EEPROM
擦寫壽命 ： 100，000 次
– 1K 字節(jié)的片內(nèi) SRAM
– 可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密
? JTAG 接口 （ 與 IEEE 1149.1 標準兼容 ）
– 符合 JTAG 標準的邊界掃描功能
– 支持擴展的片內(nèi)調(diào)試功能
– 通過 JTAG 接口實現(xiàn)對 Flash、 EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程
? 外設(shè)特點
– 兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的 8 位定時器 / 計數(shù)器
– 一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時器 / 計數(shù)器
– 具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器 RTC
– 四通道 PWM
– 8 路 10 位 ADC
8 個單端通道
TQFP 封裝的 7 個差分通道
2 個具有可編程增益 （1x， 10x， 或 200x）的差分通道
– 面向字節(jié)的兩線接口
– 兩個可編程的串行 USART
– 可工作于主機 / 從機模式的 SPI 串行接口
– 具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器
– 片內(nèi)模擬比較器
? 特殊的處理器特點
– 上電復位以及可編程的掉電檢測
– 片內(nèi)經(jīng)過標定的 RC 振蕩器
– 片內(nèi) / 片外中斷源
– 6 種睡眠模式 ： 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及擴展的 Standby 模式
? I/O 和封裝
– 32 個可編程的 I/O 口
– 40 引腳 PDIP 封裝 ， 44 引腳 TQFP 封裝 ， 與 44 引腳 MLF 封裝
? 工作電壓 ：
– ATmega16L：2.7 - 5.5V
– ATmega16：4.5 - 5.5V
? 速度等級
– 0 - 8 MHz ATmega16L
– 0 - 16 MHz ATmega16
? ATmega16L 在 1 MHz， 3V， 25°C 時的功耗
– 正常模式 ： 1.1 mA
– 空閑模式 ： 0.35 mA
– 掉電模式 ： 《 1 μA
網(wǎng)絡模塊：
AT32UC3A0512
AT32UC3A0512主要特性如下：
高性能，低功耗AVR32UC 32位微控制器
精簡單周期RISC指令集，含DSP指令集
“讀-改-寫”三步操作和位元處理操作
1.49 DMIPS/MHz性能表現(xiàn)
在FLASH中66 MHz下，高達91 DMIPS的運行速度（1等待狀態(tài)）
在FLASH中33 MHz下，高達49 DMIPS的運行速度（0等待狀態(tài)）
內(nèi)存保護單元
多層次總線系統(tǒng)
通過為提高性能而設(shè)的獨立總線上，實現(xiàn)高性能數(shù)據(jù)傳輸
內(nèi)部高速FLASH
512K Bytes
單周期訪問速度高達33 MHz
預取緩沖，優(yōu)化了指令執(zhí)行效率，達到最高速度
4ms頁面編程時間和8ms整片擦除時間
100，000次寫周期，15年數(shù)據(jù)保存能力
FLASH安全鎖定和用戶自定義配置區(qū)
內(nèi)部高速SRAM，全速單周期訪問
64K Bytes
外部存儲器接口，用于AT32UC3A0擴展
兼容SDRAM/SRAM存儲器總線（16位數(shù)據(jù)總線和24位地址總線）
中斷控制器
自動向量低延時中斷服務，帶可編程優(yōu)先級
系統(tǒng)功能
電源時鐘管理，含內(nèi)部RC時鐘和1個32KHz晶振
兩個多用途振蕩器和雙鎖相環(huán)（PLL），允許獨立CPU頻率，不受USB頻率影響
看門狗定時器，實時時鐘定時器
通用串行總線
Device 2.0全速，以及On-The-Go（OTG）低速和全速
通過專用的DMA通道實現(xiàn)靈活的端點配置和管理
10/100 Mbps的以太網(wǎng)MAC接口
802.3以太網(wǎng)媒體訪問控制器
支持媒體獨立接口（MII）和簡化MII（RMII）
1個三通道16位定時/計數(shù)器（TC）
3個外部時鐘輸入，PWM，接收和多種計時能力
1個7通道16位脈寬調(diào)制控制器（PWM）
4個通用 同步/異步 接收/發(fā)送器（USART）
獨立波特率發(fā)生器，支持SPI，IrDA和ISO7816接口
支持硬件握手操作，RS485接口和調(diào)制解調(diào)線路
2個主/從串行外設(shè)接口（SPI），帶片選信號
1個同步串行協(xié)議控制器
支持I2S協(xié)議和通用基于框架協(xié)議
1個主/從2-wire接口（TWI），兼容400kbit/s I2C
1個8通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器
16位立體聲比特流
采樣速率最高可達50 KHz
片上調(diào)試系統(tǒng)（JTAG接口）
Nexus Class 2+，運行控制，非強加數(shù)據(jù)和程序跟蹤
100腳 TQFP（69 GPIO引腳），144腳 LQFP（109 GPIO引腳）
5V輸入容差I(lǐng)/Os
3.3V單電源供電或1.8V-3.3V雙電源供電
資源配置：
使用AVRmeg16 的全部特性。
2.使用AT32UC3A0512中的10/100 Mbps的以太網(wǎng)MAC接口 ，802.3以太網(wǎng)媒體訪問控制器，UART等模塊。
3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)
主系統(tǒng)程序流程介紹：
首先是系統(tǒng)初始化，包括各個模塊和IO口的設(shè)置；然后傳感器采集數(shù)據(jù)，并在N5110上面顯示；然后判斷是否有命令發(fā)送過來，并判斷該命令是PC機或RF通信模塊發(fā)送的還是GPRS模塊發(fā)送的；然后檢測是什么命令，并根據(jù)命令來執(zhí)行不同的動作；最后將采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)是否有命令發(fā)送給GPRS模塊或PC機或RF通信模塊或聲光報警模塊。
GPRS模塊程序流程介紹：
首先是GPRS初始化，包括AT指令，文本格式接收；然后判斷是否有短信或者是有數(shù)據(jù)發(fā)送過來；然后將手機接收到的命令轉(zhuǎn)發(fā)給GPRS主控器，將接收到的數(shù)據(jù)在N5110上面顯示；最后GPRS模塊通過無線模塊發(fā)送命令給采集數(shù)據(jù)的主控器。
嵌入式WEB服務器程序流程介紹：
使用HTML語言編寫WEB界面，服務器使用CGI接口提取用戶的指令，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的 傳輸采用MAC地址來識別，ARP協(xié)議提供IP地址和數(shù)據(jù)鏈路層使用的MAC地址之間的轉(zhuǎn)換 功能，為了保證系統(tǒng)在以太網(wǎng)的通信，首先要實現(xiàn)ARP協(xié)議;由于嵌入式WEB服務器要能在 Internet上通信，在網(wǎng)絡層一定要實現(xiàn)IP協(xié)議，還要實現(xiàn)能報告數(shù)據(jù)傳送差錯等情況的 ICMP協(xié)議;在應用層，主要實現(xiàn)遠端主機通過瀏覽器的訪問控制方式，所以要實現(xiàn)HTTP協(xié) 議。而HTTP協(xié)議是基于TCP協(xié)議實現(xiàn)傳輸?shù)?，加上TCP協(xié)議是面向可靠的數(shù)據(jù)流的傳輸， 基于應用的需要和對可靠性的要求，在傳輸層采用TCP協(xié)議，并對TCP協(xié)議進行簡化處理， 主要針對HTTP協(xié)議開發(fā)TCP協(xié)議。
3.4 系統(tǒng)軟件流程
主控制系統(tǒng)程序運行流程圖：
GPRS程序運行流程圖：
程序運行流程圖
3.4 系統(tǒng)預計實現(xiàn)結(jié)果
1.實現(xiàn)家用電器狀態(tài)監(jiān)測及控制。通過手機或者網(wǎng)絡隨時了解家中的情況，如窗戶是否開啟，家用電器是否關(guān)閉；并能利用手機與網(wǎng)絡對機器的狀態(tài)進行遠程控制，如家用電器忘關(guān)時，可以遠程關(guān)閉。
2.當發(fā)生突發(fā)事件時，具有應急響應狀態(tài)。假如家中發(fā)生煤氣泄漏或者居室出現(xiàn)入侵者，系統(tǒng)啟動應急模式，啟動聲光報警，并自動向主人的手機發(fā)送緊急信號。
3.利用無線通訊，實現(xiàn)短距的網(wǎng)絡連接，使家中各個家居成為一個互聯(lián)的系統(tǒng)。
4.根據(jù)環(huán)境的情況，系統(tǒng)能作出相應的操作。例如居室內(nèi)的空氣長時間沒有流通時，窗戶可以自動打開。刮風、下雨等窗戶能自動關(guān)閉。
工商網(wǎng)監(jiān)
評論