一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，現(xiàn)在人們的生活追求個(gè)性化、自動(dòng)化，追求快節(jié)奏，追求充滿(mǎn)樂(lè)趣的生活方式，家裝要求的檔次越來(lái)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(shí)生活中的智能家居電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)的應(yīng)用，給人們的家居生活帶來(lái)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(shì)。

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(guó)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(yīng)用于美國(guó)康乃迪克州（Conneticut)哈特佛市（Hartford）的CityPlaceBuilding時(shí)，才出現(xiàn)了首棟的[智能型建筑],從此也揭開(kāi)了全世界爭(zhēng)相建造智能家居的序幕。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代后期以來(lái)，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(gè)領(lǐng)域。隨著Internet網(wǎng)向普通家庭生活不斷擴(kuò)展，消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)、通訊一體化趨勢(shì)日趨明顯，智能化信息家電產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始步入社會(huì)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(diǎn)在21世紀(jì)將成為現(xiàn)代社會(huì)和家庭的新時(shí)尚。

“智能家居”是以住宅為平臺(tái)，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理、控制于一體，利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、電力自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，將與居家生活有關(guān)的各種設(shè)備有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化的綜合管理家中設(shè)備，來(lái)創(chuàng)造一個(gè)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(dòng)模式，成為具有能動(dòng)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(shí)間、節(jié)約各種能源，實(shí)現(xiàn)了

對(duì)家居的無(wú)線(xiàn)控制、手機(jī)控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制等。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)生活方便快捷環(huán)保節(jié)能的要求越來(lái)越高，智能家居系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。將無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)應(yīng)用于智能家居，將現(xiàn)代電子技術(shù)、通訊技術(shù)及自動(dòng)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(duì)家電設(shè)備的自動(dòng)控制和管理，防火防盜防煤氣泄漏防室內(nèi)空氣污染，能夠?yàn)橛脩?hù)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(shí)間，增強(qiáng)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(lái)的全新家居體驗(yàn)。同時(shí)，現(xiàn)代意義上的智能家居推廣在短期內(nèi)較難實(shí)現(xiàn)，且即使實(shí)現(xiàn)成本也超過(guò)了人們所能承受的范圍。我們所申請(qǐng)的“基于AVRmeg16智能家居系統(tǒng)”適用于目前的普通家庭，無(wú)須對(duì)居室結(jié)構(gòu)和裝潢做出改動(dòng)，僅需安裝一些模塊便可以實(shí)現(xiàn)智能家居理念當(dāng)中的相當(dāng)一部分功能，經(jīng)濟(jì)成本較低，可以讓普通家庭也能享受到科技對(duì)家居生活帶來(lái)的便利，具有較強(qiáng)的推廣性。

二、需求分析

2.1 功能要求

1.實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)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(shí)，窗戶(hù)能自動(dòng)打開(kāi)，進(jìn)行通風(fēng)。如果窗戶(hù)長(zhǎng)期忘記打開(kāi)時(shí)，窗戶(hù)也能自動(dòng)打開(kāi)進(jìn)行空氣流通，確保室內(nèi)的空氣環(huán)境良好。

2.實(shí)現(xiàn)家用電器狀態(tài)監(jiān)測(cè)及控制。通過(guò)手機(jī)或者網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)了解家中的情況，如窗戶(hù)是否開(kāi)啟，家用電器是否關(guān)閉；并能利用手機(jī)與網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)器的狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，如家用電器忘關(guān)時(shí)，可以遠(yuǎn)程關(guān)閉。

3.當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，具有應(yīng)急響應(yīng)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(dòng)應(yīng)急模式，啟動(dòng)聲光報(bào)警，并自動(dòng)向主人的手機(jī)發(fā)送緊急信號(hào)。

4.利用無(wú)線(xiàn)通訊，實(shí)現(xiàn)短距的網(wǎng)絡(luò)連接，使家中各個(gè)家居成為一個(gè)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(yīng)的操作。例如居室內(nèi)的空氣長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有流通時(shí)，窗戶(hù)可以自動(dòng)打開(kāi)。刮風(fēng)、下雨等窗戶(hù)能自動(dòng)關(guān)閉。

6.實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的訪(fǎng)問(wèn)控制。通過(guò)瀏覽器登錄網(wǎng)頁(yè)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)的訪(fǎng)問(wèn)與控制。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 性能要求

1、該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低功耗標(biāo)準(zhǔn)。

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(bào)。

3、居室環(huán)境狀態(tài)采集準(zhǔn)確、方位全面，反饋迅速。

4、反饋信息迅速、準(zhǔn)確、高效。

5、無(wú)線(xiàn)收發(fā)距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

6、響應(yīng)命令迅速、準(zhǔn)確。

7、有效的保證室內(nèi)的空氣流通，保護(hù)室內(nèi)環(huán)境。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 硬件平臺(tái)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(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu)

– 131 條指令 – 大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期

– 32 個(gè) 8 位通用工作寄存器

– 全靜態(tài)工作

– 工作于 16 MHz 時(shí)性能高達(dá) 16 MIPS

– 只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器

? 非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

– 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash

擦寫(xiě)壽命 ： 10，000 次

– 具有獨(dú)立鎖定位的可選 Boot 代碼區(qū)

通過(guò)片上 Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程

真正的同時(shí)讀寫(xiě)操作

– 512 字節(jié)的 EEPROM

擦寫(xiě)壽命 ： 100，000 次

– 1K 字節(jié)的片內(nèi) SRAM

– 可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)程序的加密

? JTAG 接口 （ 與 IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)兼容 ）

– 符合 JTAG 標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能

– 支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能

– 通過(guò) JTAG 接口實(shí)現(xiàn)對(duì) Flash、 EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程

? 外設(shè)特點(diǎn)

– 兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的 8 位定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器

– 一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器

– 具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器 RTC

– 四通道 PWM

– 8 路 10 位 ADC

8 個(gè)單端通道

TQFP 封裝的 7 個(gè)差分通道

2 個(gè)具有可編程增益 （1x， 10x， 或 200x）的差分通道

– 面向字節(jié)的兩線(xiàn)接口

– 兩個(gè)可編程的串行 USART

– 可工作于主機(jī) / 從機(jī)模式的 SPI 串行接口

– 具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器

– 片內(nèi)模擬比較器

? 特殊的處理器特點(diǎn)

– 上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測(cè)

– 片內(nèi)經(jīng)過(guò)標(biāo)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(kuò)展的 Standby 模式

? I/O 和封裝

– 32 個(gè)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(jí)

– 0 - 8 MHz ATmega16L

– 0 - 16 MHz ATmega16

? ATmega16L 在 1 MHz， 3V， 25°C 時(shí)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(luò)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(jiǎn)單周期RISC指令集，含DSP指令集

“讀-改-寫(xiě)”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(dá)91 DMIPS的運(yùn)行速度（1等待狀態(tài)）

在FLASH中33 MHz下，高達(dá)49 DMIPS的運(yùn)行速度（0等待狀態(tài)）

內(nèi)存保護(hù)單元

多層次總線(xiàn)系統(tǒng)

通過(guò)為提高性能而設(shè)的獨(dú)立總線(xiàn)上，實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)據(jù)傳輸

15個(gè)外設(shè)DMA通道，提高外設(shè)通信速度

內(nèi)部高速FLASH

512K Bytes

單周期訪(fǎng)問(wèn)速度高達(dá)33 MHz

預(yù)取緩沖，優(yōu)化了指令執(zhí)行效率，達(dá)到最高速度

4ms頁(yè)面編程時(shí)間和8ms整片擦除時(shí)間

100，000次寫(xiě)周期，15年數(shù)據(jù)保存能力

FLASH安全鎖定和用戶(hù)自定義配置區(qū)

內(nèi)部高速SRAM，全速單周期訪(fǎng)問(wèn)

64K Bytes

外部存儲(chǔ)器接口，用于AT32UC3A0擴(kuò)展

兼容SDRAM/SRAM存儲(chǔ)器總線(xiàn)（16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)和24位地址總線(xiàn)）

中斷控制器

自動(dòng)向量低延時(shí)中斷服務(wù)，帶可編程優(yōu)先級(jí)

系統(tǒng)功能

電源時(shí)鐘管理，含內(nèi)部RC時(shí)鐘和1個(gè)32KHz晶振

兩個(gè)多用途振蕩器和雙鎖相環(huán)（PLL），允許獨(dú)立CPU頻率，不受USB頻率影響

看門(mén)狗定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘定時(shí)器

通用串行總線(xiàn)

Device 2.0全速，以及On-The-Go（OTG）低速和全速

通過(guò)專(zhuān)用的DMA通道實(shí)現(xiàn)靈活的端點(diǎn)配置和管理

片上收發(fā)器，含上拉電阻

10/100 Mbps的以太網(wǎng)MAC接口

802.3以太網(wǎng)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器

支持媒體獨(dú)立接口（MII）和簡(jiǎn)化MII（RMII）

1個(gè)三通道16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器（TC）

3個(gè)外部時(shí)鐘輸入，PWM，接收和多種計(jì)時(shí)能力

1個(gè)7通道16位脈寬調(diào)制控制器（PWM）

4個(gè)通用 同步/異步 接收/發(fā)送器（USART）

獨(dú)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(xiàn)路

2個(gè)主/從串行外設(shè)接口（SPI），帶片選信號(hào)

1個(gè)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(gè)主/從2-wire接口（TWI），兼容400kbit/s I2C

1個(gè)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(dá)50 KHz

片上調(diào)試系統(tǒng)（JTAG接口）

Nexus Class 2+，運(yùn)行控制，非強(qiáng)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(fǎng)問(wèn)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(gè)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(guò)來(lái)，并判斷該命令是PC機(jī)或RF通信模塊發(fā)送的還是GPRS模塊發(fā)送的；然后檢測(cè)是什么命令，并根據(jù)命令來(lái)執(zhí)行不同的動(dòng)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(jī)或RF通信模塊或聲光報(bào)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(guò)來(lái)；然后將手機(jī)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(guò)無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送命令給采集數(shù)據(jù)的主控器。

嵌入式WEB服務(wù)器程序流程介紹：

使用HTML語(yǔ)言編寫(xiě)WEB界面，服務(wù)器使用CGI接口提取用戶(hù)的指令，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的 傳輸采用MAC地址來(lái)識(shí)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(shí)現(xiàn)ARP協(xié)議;由于嵌入式WEB服務(wù)器要能在 Internet上通信，在網(wǎng)絡(luò)層一定要實(shí)現(xiàn)IP協(xié)議，還要實(shí)現(xiàn)能報(bào)告數(shù)據(jù)傳送差錯(cuò)等情況的 ICMP協(xié)議;在應(yīng)用層，主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端主機(jī)通過(guò)瀏覽器的訪(fǎng)問(wèn)控制方式，所以要實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié) 議。而HTTP協(xié)議是基于TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)模由蟃CP協(xié)議是面向可靠的數(shù)據(jù)流的傳輸， 基于應(yīng)用的需要和對(duì)可靠性的要求，在傳輸層采用TCP協(xié)議，并對(duì)TCP協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)化處理， 主要針對(duì)HTTP協(xié)議開(kāi)發(fā)TCP協(xié)議。

3.4 系統(tǒng)軟件流程

主控制系統(tǒng)程序運(yùn)行流程圖：

GPRS程序運(yùn)行流程圖：

程序運(yùn)行流程圖

3.4 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

1.實(shí)現(xiàn)家用電器狀態(tài)監(jiān)測(cè)及控制。通過(guò)手機(jī)或者網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)了解家中的情況，如窗戶(hù)是否開(kāi)啟，家用電器是否關(guān)閉；并能利用手機(jī)與網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)器的狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，如家用電器忘關(guān)時(shí)，可以遠(yuǎn)程關(guān)閉。

2.當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，具有應(yīng)急響應(yīng)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(dòng)應(yīng)急模式，啟動(dòng)聲光報(bào)警，并自動(dòng)向主人的手機(jī)發(fā)送緊急信號(hào)。

3.利用無(wú)線(xiàn)通訊，實(shí)現(xiàn)短距的網(wǎng)絡(luò)連接，使家中各個(gè)家居成為一個(gè)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(yīng)的操作。例如居室內(nèi)的空氣長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有流通時(shí)，窗戶(hù)可以自動(dòng)打開(kāi)。刮風(fēng)、下雨等窗戶(hù)能自動(dòng)關(guān)閉。