基于lpc2138和蓝牙技术的智能家居系统的设计硕士学位论文(编辑修改稿)

基于lpc2138和蓝牙技术的智能家居系统的设计硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

ELAN、 Life Ware、 Home Logic和mControl等产品，引领了国际智能家居产品的潮流 [3]。 国内厂商也在进行智能化家庭网络产品的研发和生产，一些大型 IT企业利用自身在资金与技术等方面的优势，在低端产品市场上己占据了相当重要的地位。 清华同方在智能化家庭网络领域与建设部智能建筑化专家委员会共同设立了智能住宅开放实验室，还取得了著名综合布线厂商西蒙、百通全线产品在中国的总代理资格。 北京德达创先科技集团 先后开发了 LDMS2020， 智能家居控制器、HomeNet网络化综合管理系统，并开通中国智能建筑服务网提供智能化建筑的在线咨询与在线技术支持，该网站已成为国内建筑智能化领域的权威网站。 目前在国内从事智能化家庭网络产品的企业中还有近几年 从 事安防产品转移过来的一些中小企业，一些传统家电业的巨头如海尔、创维、 TCL、科龙、海信也开始进入智能化家庭网络产品市场。 在近几年，各电子产品制造商、各电信产品生产及运营商，在合作基础上提出了 三 种符合中国国情的智能家居协议标准，包括以中国电信为首的 中国通信标准化协会的 CCSA标准协议 、 以联想为首的国内闪联信第一章 绪论 2 息设备资源共享协同服务的 IGRS标准协议和以海尔为首的 e家佳的 ITop Home标准协议 [4]。 虽然国内各大厂商开始进入智能家居产品的研制和开发，但目前市场上的产品还都存在这样或那样的不足，例如功能不全、成本较高、安装维护不便等，使智能家居产品没有得到很好的推广。 因此，国内市场迫切需研制一种功能完善、安装维护方便并且价格合理的智能家居系统。 智能家居系统的结构及功能 目前国内市场上的智能家居系统依据其体系结构为特征进行划分，可以分为以下四种类型 [59]： （ 1）拼凑型控制系统； （ 2）主机式集中控制系统； （ 3）遥控型系统； （ 4）现场总线控制系统。 智能家居系统主要有以下几种功能： （ 1）智能家庭安防：实现家庭的防火、防盗和防煤气泄漏。 在无线 连 接状态下，对防盗报警器、烟雾探测器、有害气体检测装置等进行数据采集以及可自动查询各传感器的工作状态。 一旦出现警 情 ，则由智能监控系统通过电话网向主人报警或通过互联网向监控中心 报 警。 （ 2）智能家庭仪表：通过蓝牙设备和计算机实现对水表、电表和煤气表的远程抄表。 （ 3）智能家电：通过互联网、电话线接口，实现信息交换和远程控制。 包括对重要家用电器、主要电源插座等实行远程监测和控制。 （ 4） 场景组合控制功能：主要是通过对灯光、电器和安防的不同状态的设定 ，设计成几种特定的模式， 如回家、外出、娱乐等 ，供用户选择。 （ 5）紧急呼救 ： 家中突发紧急事件时，可按动紧急呼救按钮，由系统的自动拨号模块拨出预先设置的号码求救（例如：家中老人突然发病可拨出预先设定的号码 120或者别的求助号码）。 另外还有部分智能家居产品具有智能门禁、可视对讲、现场监控等功能。 本文的主要工作和技术路线 主要工作 本文主要做了以下几个方面的工作： 第一章 绪论 3 （ 1） 将 ARM单片机引入到智能家居系统中，提高了系统的控制功能，为完善系统的功能打下基础，并简要介绍了菲利普公司的 ARM单片机 LPC2138。 （ 2） 将蓝牙技术引入到智能家居系统中，研究如何实现系统的模块化设计，从而探索使智能家居产品便于安装维护的办法。 并 简要介绍了蓝牙技术及在硬件设计中用到的蓝牙芯片。 （ 3） 给出了系统的 总体结构 框图 ，并对 系统各模块的 硬件电路进行了详细的分析和说明。 （ 4） 对系统的软件设计进行了介绍，并给出了部分程序的流程图。 （ 5） 对系统调试的结果进行分析，对论文进行了总结， 并提出了未来需要进一步研究开发的方向。 技术路线 在大量查阅国内外有关参考文献的基础上，详细 了解 了智能家居系统的发展历史 、 当前国际 上智能家居产品应用的技术及其发展趋势。 参观调研了一些电子商场， 实际考察了目前市场上智能家居产品及其功能特性，了解 了 适应国内市场产品的要求，从而确立了技术上循序渐进的开发步骤： （ 1） 根据实际情况对具体的功能模块提出各自的实现方法。 （ 2） 在做好系统总体规划的基础上，分别设计系统的各部分电路，先应用EWB、 protel99se等相关软件进行仿真，然后在实验箱上进行测 试。 （ 3） 设计系统的程序。 根据总体规划，分块实现的原则进行编程，然后利用开发板和实验电路进行 联机 测试，最后进行程序的整合。 （ 4） 软硬件测试完成后，利用 Protel99SE软件画出系统的原理图和 PCB图，并做出系统的电路板，结合程序进行系统的综合调试。 本文的创新点 （ 1）将 ARM单片机引入到智能家居系统中，从而使系统的功能比较完善，硬件电路非常 简洁， 提高了系统的 可靠 性和 性价比。 （ 2）将蓝牙技术引入到智能家居系统中，用无线传输代替有线传输，且易于实现系统的模块化设计，使系统结构更加简单，安装 维护 更容易。 （ 3） 首次提出将 ARM单片机 和 蓝牙技术 结合起来，应用到 智能家居系统中 ，使得系统扩展功能方便，安装灵活，节约能 源。 本章小结 本章主要介绍了智能家居的概念、基本功能和国外的发展现状 以及 国内在智能家居领域的研究状况和现状。 并简要介绍了本文的主要工作和系统的技术路第一章 绪论 4 线 ， 最后对本文的创 新点做了一个小结。 第 二 章 应用技术介绍 4 第二章 应用技术介绍 LPC2138 单片机 LPC2138 单片机 的特性 LPC2138[10]是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的 32/16位 ARM7 TDMI STM CPU的微控制器，带有 512KB的嵌入的高速 Flash存储器， 128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使 32位代码能够在最大时钟速率下运行。 它 对代码规模有严格控制的应用 ，使其 可用 16位 的 Thumb模式将代码规模降低超过 30%， 而性能损失却很小。 其 较小的封装、极低的功耗以及 2个 32位定时器、 2个 10位 8路ADC、 1个 10位 DAC、 PWM通道和 47个 GPIO以及多达 9个边沿或电平触发的外部中断 使 LPC2138可理想地用于小型系统中，如访问控制、 POS机、通信网关、协议转换器、软 modem、声音辨别和低端成像等。 LPC2138具有如下特性 [10]： ① 小型 LQFP64封装的 16/32位 ARM7TDMIS微控制器， 32KB片内静态RAM。 ② 片内 Boot装载软件实现在系统 /在应用中编程（ ISP/IAP。 扇区擦除或整片擦除的时间为 400ms， 1ms可编程 256字节。 ③ EmbeddedICE174。 RT和嵌入式跟踪接口可实时调试（利用片内 RealMonitor 软件）和高速跟踪执行代码。 ④ 实时时钟具有独立的电源和时钟源，在节电模式下极大地降低了功耗。 ⑤ 具有两个低功耗模式：空闲和掉电，也可通过个别使能 /禁止外部功能和降低外部时钟来优化功耗，也能通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 ⑥ 向量中断控制器。 可配置优先级和向量地址。 ⑦ 通过片内 PLL可实现最大为 60MHz的 CPU操作频率， PLL的稳定时间为100微秒，片内晶振频率范围： 1~30 MHz。 ⑧ 单个电源供电，含有上电复位（ POR）和掉电检测（ BOD）电路； CPU操作电压范围： ~ V ( V+/－ 10%)， I/O口可承受 5V的最大电压。 LPC2138 结 构图和引脚排列 LPC2138的结构如图 [10]。 LPC2138的 LQFP64封装的引脚排列如图 [10]。 第 二 章 应用技术介绍 5 LPC2138 的应用领域 自从推出 LPC2138 以来 ，已经 在很多方面获得了成功的应用。 典型的应用有： ① 工业控制 ； ② 医疗系统 ； ③ 访问控制 ； ④ POS 机 ； ⑤ 通信网关 ； ⑥ 嵌入式软 moderm ； ⑦ 一般性应用 [10]。 图 LPC2138 结构图 第 二 章 应用技术介绍 6 蓝牙技术 蓝牙技术简介 蓝牙 ,英文译为 Bluetooth ,本是一位在公元 10 世纪统一了丹麦的国王 ， 哈拉尔德二世 (Harald) 的绰号 ， 据说这位国王非常喜爱吃蓝梅 ,牙齿因而被染蓝 ， 故得此名。 1998 年 5 月 ， 爱立信、诺基亚、东芝、 IBM 和英特尔等五家著名厂商在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了用蓝牙 (Bluetooth)来命名 ， 意在统一无线局域网技术的通讯标准 ,其宗旨是提供一种 短距离、低成本的无线传输应用技术。 后来 SIG(Bluetooth Special Interest Group) 组织于 1999 年 7 月 26 日推出了蓝牙技术规范的 版本 ， 1999 年 12 月 1 日 ， 微软公司正式宣布加盟蓝牙特别利益集团 (SIG) ,全面支持 “蓝牙 ”技术 ,并与 3Com、朗讯、摩托罗拉公司和原有的 5 家公司一起成为蓝牙特别利益集团的 9 个核心成员。 时至今日 ， 世界上约有 3000 家公司加入了推进蓝牙标准的蓝牙特别利益集团 ， 包括海尔、长虹在内的多家国内公司企业 [1113]。 蓝牙技术是一项公开的技 术规范 ， 已得到许多国家的支持。 蓝牙技术是一种近距离无线连接的技术规范 ， 其程序写在一 个 99mm 的芯片中。 它具有无线性、开放性、低功耗等特点。 传输距离一般为 ～ 10m， 功效放大可达 100m； 蓝牙工作在 的 ISM(工业、科学、医学 )频段上 ， 采用跳频扩谱技术 传送信息。 图 LPC2138 的引脚排列 第 二 章 应用技术介绍 7 世界上大多数国家频段定义为 2400～ ， 也就是说将该频段划分为 79个信道 ， 信道 带宽为 1MHz。 因为应用了全球统一的频率设定 ， 所以蓝牙产品具有全球通用性 [1113]。 同时正是由于蓝牙技术工作在全球通用 ISM 频段 且 频道有限 ， 因此使用 时就难免出现相互干扰的现象； 为此 ， 蓝牙技术设计了跳频和向前纠错方案以确保链路的稳定性。 跳频技术 跳频技术，就是将整个频带分成若干跳频信道（ Hop Channel）。 在一次连接中，蓝牙芯片所控制的收发器按照一定的码序列，不断地从一个信道跳转到另一个信道；而接受方也是按照相同的跳转规律进行通信。 这实际上属于一种硬件加密方法。 除非第三方掌握了 收发 双方的信道 切换 规律，否则是无法获得完整信息的，而干扰源也不可能按同样的规律进行干扰。 跳频的瞬时带宽很窄，但通过扩展频谱技术，可以使这个窄带 宽被成倍的扩展成宽频带， 使 被干扰的可能性变得很小，由此就可以保证传送的完整性和系统的稳定性 [14]。 一般传输时跳频速率为 1600 跳 /s ， 而在与其它设备开始建立连接时可达 3200 跳 /s。 纠错技术 在蓝牙技术中使用了三种纠错方案： 1/3比例前向纠错码（ 1/3FEC）、 2/3比例前向纠错码（ 2/3FEC）和自动请求重发方式（ ARQ） [14]。 1/3比例前向纠错码是一种较简单的纠错码方式，属于重复码，实现时对每位信息重复三次。 2/3比例前向纠错码是一种（ 15， 10）精简的汉明码表示方法，用于 部分分组。 使用 ARQ方式，在一个时隙中传送的数据必须在下一个时隙得到确认（或超时）信息。 只有数据在接受端通过了报 头错误检测和循环冗余检测，被认为无错后，才向发送端返回确认信息 ， 否则，返回一个错误信息 [14]。 微微网（ Pico） 蓝牙技术是一种支持点对点和点对多点的通信技术。 通过蓝牙技术连接在一起的所有设备可认为是一个 pico（微微网） ， 一个 pico可以是两台相连的设备 ， 也可以是八台连在一起的设备。 在一个 pico中 ， 所有设备都是级别相同的单元 ， 具有相同的权限 ， 只 有在 pico初建时 ， 其中一个单元被定义为 Master，其它单元被定义为 Slave。 几个 Pico 可以被连接在一起 ， 靠跳频顺序识别每个pico， 同一 pico内的所有设备都与这个跳频顺序同步。 几个独立且不同步的pico组成一个 scatter（分布式网络） [15]。 其拓扑结构如图。 第 二 章 应用技术介绍 8 MasterSlave1 Slave3Slave4Slave5Slave7Slave2Slave6 Master1Slave2 Master2 Slave2Slave3Slave1Slave3Slave1 在微微网 (Pico)内的连接被建立之前 ， 所有的设备都处 Standby(待令 )状态。 在这种模式下 ， 未连接单元每隔 秒周期性地 监听 信息。 每当一个设备被激活 ， 它就监听规划给该单元的 32 个跳频频点 (跳频频点的数目因地理区域不同而异 )。 作为 Master 的设备首先初始化连接程序 ， 如果地址已知 ， 则通过寻呼 (Page)消息建立连接。