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        智能家居控制系统设计(Linux+ZigBee+CC2530)

        添加时间:2018/07/27 来源:东华理工大学 作者:邓峰
        本设计详细的分析和介绍了国内外智能家居系统的发展现状和未来的一个发展趋势以及系统使用到的相关技术;谀壳耙延械闹悄芗揖咏饩龇桨,本文主要研究和设计了基于ARM系统的智能家居控制系统。
          以下为本篇论文正文:

        摘 要

          随着科学技术的不断进步,人们生活水平的不断提高,人们也越来越追求高品质的生活,同时智能家居相关的产品也得到迅猛的发展。各大与智能家居相关高科技公司为了迅速占领市场不断加大研发投入力度,一套安全、智能、便利、高效、高品质用户体验的智能家居系统是他们追求的首要目标。人工智能、物联网、云技术、嵌入式、无线传感网络技术的不断发展以及智能家居市场巨大的需求。特别是在国内,在智能家居领域的研究和设计上得到空前的发展。但是,智能家居的发展同时也受限于行业内各个厂商使用的通信协议标准的不统一以及软件的兼容性等难题。

          本设计从系统成本、功耗、性能,可扩展性、可靠性等方面出发,同时也考虑到了用户的优良体验。本系统使用了嵌入式系统、单片机、ZigBee 无线网络传输、传感器、图形界面 Qt 等技术,在前人的研究的基础上提出了一套较完整的智能家居控制系统解决方案。与此同时设计了相关的硬件电路?、硬件驱动程序、以及图形界面的 Qt 应用程序,还包括 Linux 系统的移植,验证了此方案的可行性。从功能组成来看,本系统主要由四个部分构成,它们分别是主控制器、智能网关、传感器节点、ZigBee 无线传感网络。

          查阅了大量智能家居相关的资料后,完成了一套智能家居解决方案。本系统采用了 S5PV210 芯片为主控制器,2.6.35 版本的 Linux 内核、Qt 图形界面应用程序。网络方面采用了 ZigBee 无线传感网络技术,使用 TI 公司生产的 CC2530 芯片为传感器节点(包括 ZigBee 协调器和 ZigBee 终端节点),并采用了实现起来较为简单的星型网络拓扑结构以及 ZigBee 协议栈。

          最后,对整个智能家居控制系统的功能及性能进行了测试,结果显示,系统运行稳定,并完成了智能家居控制系统的所有功能需求。系统极好的体现出了它的低成本、低功耗、实用性、便捷性,易扩展性、高可靠性等特点。

          关键字:智能家居,嵌入式,Linux,ZigBee,CC2530

        Abstract

          With the continuous progress of science and technology, the continuous improvement of people's living standard.People are beginning to pursue a higher quality of life, while smart home-related products have also got rapid development. In order to quickly occupy the market, major and smart home-related high-tech companies continue to increase R & D investment. A set of safe, intelligent, convenient, efficient, high-quality smart home system is their primary goal that they pursue. Continuous development of artificial intelligence, networking, cloud technology, embedded, wireless sensor networks and other technologies and smart home market huge demand. Especially in the country, in the field of intelligent home research and design, it has got an unprecedented development. However, the inconsistent communication protocol standards and software compatibility issues limit the development of smart home.

          This design takes into account the system cost, power consumption, performance, scalability, reliability, etc., but also taking into account the user's excellent experience. The system uses the embedded system, single chip, ZigBee wireless network transmission, sensor, graphical interface Qt and other technologies. A set of intelligent home control system solutions completed on the basis of previous studies. At the same time, the design of the relevant hardware circuit modules, hardware drivers, and graphical interface of the Qt application, and Linux system transplant, verify the feasibility of this program. From the functional composition, the system consists of four parts, which are the main controller, intelligent gateway, sensor nodes, ZigBee wireless sensor network.

          By reading a large number of intelligent home-related literature, completed a lightweight intelligent home solutions. The system uses the S5PV210 host controller, 2.6.35 version of the Linux kernel, Qt graphical interface application. The ZigBee wireless sensor network technology is used in the network. The CC2530 chip produced by TI is used as the sensor node (including the ZigBee coordinator and the ZigBee terminal node), and uses a simple star network topology and ZigBee protocol stack.

          Finally, the function and performance of the whole intelligent home control system were tested. The results showed that the system was stable and completed all the functional requirements of the intelligent home control system. The system is excellent to reflect its low cost, low power consumption, practicality, convenience, scalability, high reliability and so on.

          Keywords: Intelligent home, Embedded, Linux, Zigbee, CC2530

          本人通过分析并比较传统智能家居的优缺点及国内外发展现状,在前人的基础上提出了一套使用方便、低成本、扩展灵活的智能家居解决方案。该方案实现的智能家居系统主要由三部分构成,它们分别是主控制器、ZigBee 无线传感网络、ZigBee 传感节点。主控制采用的是三星公司的 S5PV210 开发板,arm cortex-A8 处理器。本文主要完成了一下几个方面工作:

          查阅大量资料研究前人关于智能家居方面的解决方案,并细致分析前人智能家居解决方案中的优缺点,确定了本智能家居控制系统的使用无线传感网络的方案,排除了有线局域网的方案。

          进一步分析并比较了现今常见的几种无线通信技术,以及嵌入式操作系统,并对 ZigBee 技术进行了深入的研究,最终确定使用 ZigBee 无线通信技术和 Linux 系统。

          对本系统中的核心电路?榻辛朔治龊蜕杓。主要包括 5v、3v 电源电路、复位电路、串口电路、JTAG 接口电路、nandflash 存储器接口电路设计。同时还对终端节点的温湿度获取、可燃气体报警、步进电机窗帘控制、继电器?榻辛松杓。

          在软件方面,完成软件开发平台的搭建,进行了 bootloader 的移植、Linux 内核的移植、根文件系统的制作,完成了 ADC、蜂鸣器、烟雾传感器、湿温度传感器的驱动程序设计和传感器节点之间的无线通信的软件设计。

          完成了系统控制图形界面程序软件设计,包括主界面控制程序和子界面控制程序。

          完成了对整个系统的功能测试以及 ZigBee 无线通信网络的通信距离测试。

          课题技术难点首先一点就是智能家居控制系统所涉及到的学科以及相关的技术点非常的多,有嵌入式操作系统、单片机、传感器、Linux 下驱动程序设计、Linux 下应用编程、无线通信、物联网、图形界面程序设计、计算机基础等等。并且每个知识点都需要进行深入的学习。

          无线传感网络通信这块比较复杂、涉及到通信原理、通信协议、网络拓扑等等。

          整个系统的程序的代码量非常的大,包括驱动程序、应用程序、图形界面程序,而且它们之间是一环扣一环。对于系统的整体调试而言困难是非常的大的。

          论文的组织结构

          本文共分为 5 个章节,如下:

          第一章:主要对课题的研究背景、目的、意义以及智能家居系统的现状和发展趋势进行的较为详细的阐述,并对本文主要研究内容、难点以及文章结构安排进行了说明。

          第二章:对本系统使用到的相关技术进行了详细的分析,同时给出了系统的整体设计方案。

          第三章:针对智能家居控制系统的硬件核心?橐约拔尴咄ㄐ拍?榻辛朔治龊蜕杓。

          第四章:详细阐述了 bootloader、Linux 内核的移植、根文件系统的制作。以及系统中使用到的硬件?榈那绦蛏杓坪 ZigBee 传感节点通信的软件设计,最后还有一个多媒体播放器应用程序的设计。

          第五章:详细阐述使用 Qt 进行系统的图形界面程序设计,并对整个系统的功能以及无线传感网络的通信距离进行了测试。

          智能家居控制系统设计界面测试:

        主界面示意图
        主界面示意图

        多媒体播放界面
        多媒体播放界面

        多种场景选择界面
        多种场景选择界面

        获取室内温湿度
        获取室内温湿度

        目 录

          摘 要
          ABSTRACT
          第 1 章 绪论
            1.1 课题的研究背景
            1.2 课题研究的目的和意义
            1.3 相关技术的现状与发展趋势
              1.3.1 智能家居的现状
              1.3.2 智能家居的发展趋势
            1.4 课题的主要研究内容和组织结构
              1.4.1 课题主要研究内容
              1.4.2 课题技术难点
              1.4.3 论文的组织结构
          第 2 章 系统相关技术和总体设计介绍
            2.1 嵌入式相关技术
              2.1.1 嵌入式系统框架
              2.1.2 Linux 内核体系结构
              2.1.3 Linux 内核特性
              2.1.4 ARM 处理器与其体系结构
            2.2 ZIGBEE 技术
              2.2.1 ZigBee 协议框架
              2.2.2 ZigBee 的网络拓扑结构
            2.3 QT 技术
            2.4 系统整体方案
              2.4.1 嵌入式软件开发的一般原则
              2.4.2 系统功能组成
            2.4 本章小结
          第 3 章 智能家居控制系统硬件设计
            3.1 核心功能?橛布缏飞杓
              3.1.1 电源电路
              3.1.2 RS232 接口电路
              3.1.3 JTAG 接口电路
              3.1.4 复位电路
              3.1.5 Nand Flash 存储器电路
            3.2 无线通信? CC2530 相关
              3.2.1 CC2530 外部接口电路
              3.2.2 继电器开关控制电路
              3.2.3 温湿度获取电路
              3.2.4 蜂鸣器报警电路
              3.2.5 步进电机窗帘控制电路
            3.3 本章小结
          第 4 章 智能家居控制系统软件设计
            4.1 交叉编译环境的搭建
            4.2 U-BOOT 移植
              4.2.1 bootloader 的介绍
              4.2.2 u-boot 移植
            4.3 LINUX 内核的编译与移植
            4.4 根文件系统的制作与部署
            4.5 驱动程序的编写
              4.5.1 ADC 驱动实现
              4.5.2 DHT11 湿温度传感器驱动实现
              4.5.3 MQ-2 烟雾气敏传感器驱动程序设计
              4.5.4 蜂鸣器驱动程序设计
            4.6 ZIGBEE 协调器与终端节点通信实现
              4.6.1 ZigBee 无线传感通信原理
              4.6.2 数据包格式
              4.6.3 ZigBee 协调器软件设计
              4.6.4 ZigBee 终端节点软件设计
            4.7 多媒体应用程序设计
              4.7.1 mplayer 库移植
              4.7.2 多媒体应用程序设计与实现
            4.8 本章小结
          第 5 章 系统用户界面设计及功能测试
            5.1 系统用户界面设计
              5.1.1 主界面程序的设计
              5.1.2 其他子功能界面程序的设计
            5.2 系统功能测试
            5.3 ZIGBEE 协调器与终端节点通信距离测试
            5.4 本章小结
          总结与展望
          致 谢
          参考文献
          附录

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