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                        智能家居控制系統設計(Linux+ZigBee+CC2530)

                        添加時間:2018/07/27 來源:東華理工大學 作者:鄧峰
                        本設計詳細的分析和介紹了國內外智能家居系統的發展現狀和未來的一個發展趨勢以及系統使用到的相關技術;谀壳耙延械闹悄芗揖咏鉀Q方案,本文主要研究和設計了基于ARM系統的智能家居控制系統。
                          以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          隨著科學技術的不斷進步,人們生活水平的不斷提高,人們也越來越追求高品質的生活,同時智能家居相關的產品也得到迅猛的發展。各大與智能家居相關高科技公司為了迅速占領市場不斷加大研發投入力度,一套安全、智能、便利、高效、高品質用戶體驗的智能家居系統是他們追求的首要目標。人工智能、物聯網、云技術、嵌入式、無線傳感網絡技術的不斷發展以及智能家居市場巨大的需求。特別是在國內,在智能家居領域的研究和設計上得到空前的發展。但是,智能家居的發展同時也受限于行業內各個廠商使用的通信協議標準的不統一以及軟件的兼容性等難題。

                          本設計從系統成本、功耗、性能,可擴展性、可靠性等方面出發,同時也考慮到了用戶的優良體驗。本系統使用了嵌入式系統、單片機、ZigBee 無線網絡傳輸、傳感器、圖形界面 Qt 等技術,在前人的研究的基礎上提出了一套較完整的智能家居控制系統解決方案。與此同時設計了相關的硬件電路模塊、硬件驅動程序、以及圖形界面的 Qt 應用程序,還包括 Linux 系統的移植,驗證了此方案的可行性。從功能組成來看,本系統主要由四個部分構成,它們分別是主控制器、智能網關、傳感器節點、ZigBee 無線傳感網絡。

                          查閱了大量智能家居相關的資料后,完成了一套智能家居解決方案。本系統采用了 S5PV210 芯片為主控制器,2.6.35 版本的 Linux 內核、Qt 圖形界面應用程序。網絡方面采用了 ZigBee 無線傳感網絡技術,使用 TI 公司生產的 CC2530 芯片為傳感器節點(包括 ZigBee 協調器和 ZigBee 終端節點),并采用了實現起來較為簡單的星型網絡拓撲結構以及 ZigBee 協議棧。

                          最后,對整個智能家居控制系統的功能及性能進行了測試,結果顯示,系統運行穩定,并完成了智能家居控制系統的所有功能需求。系統極好的體現出了它的低成本、低功耗、實用性、便捷性,易擴展性、高可靠性等特點。

                          關鍵字: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

                          本人通過分析并比較傳統智能家居的優缺點及國內外發展現狀,在前人的基礎上提出了一套使用方便、低成本、擴展靈活的智能家居解決方案。該方案實現的智能家居系統主要由三部分構成,它們分別是主控制器、ZigBee 無線傳感網絡、ZigBee 傳感節點。主控制采用的是三星公司的 S5PV210 開發板,arm cortex-A8 處理器。本文主要完成了一下幾個方面工作:

                          查閱大量資料研究前人關于智能家居方面的解決方案,并細致分析前人智能家居解決方案中的優缺點,確定了本智能家居控制系統的使用無線傳感網絡的方案,排除了有線局域網的方案。

                          進一步分析并比較了現今常見的幾種無線通信技術,以及嵌入式操作系統,并對 ZigBee 技術進行了深入的研究,最終確定使用 ZigBee 無線通信技術和 Linux 系統。

                          對本系統中的核心電路模塊進行了分析和設計。主要包括 5v、3v 電源電路、復位電路、串口電路、JTAG 接口電路、nandflash 存儲器接口電路設計。同時還對終端節點的溫濕度獲取、可燃氣體報警、步進電機窗簾控制、繼電器模塊進行了設計。

                          在軟件方面,完成軟件開發平臺的搭建,進行了 bootloader 的移植、Linux 內核的移植、根文件系統的制作,完成了 ADC、蜂鳴器、煙霧傳感器、濕溫度傳感器的驅動程序設計和傳感器節點之間的無線通信的軟件設計。

                          完成了系統控制圖形界面程序軟件設計,包括主界面控制程序和子界面控制程序。

                          完成了對整個系統的功能測試以及 ZigBee 無線通信網絡的通信距離測試。

                          課題技術難點首先一點就是智能家居控制系統所涉及到的學科以及相關的技術點非常的多,有嵌入式操作系統、單片機、傳感器、Linux 下驅動程序設計、Linux 下應用編程、無線通信、物聯網、圖形界面程序設計、計算機基礎等等。并且每個知識點都需要進行深入的學習。

                          無線傳感網絡通信這塊比較復雜、涉及到通信原理、通信協議、網絡拓撲等等。

                          整個系統的程序的代碼量非常的大,包括驅動程序、應用程序、圖形界面程序,而且它們之間是一環扣一環。對于系統的整體調試而言困難是非常的大的。

                          論文的組織結構

                          本文共分為 5 個章節,如下:

                          第一章:主要對課題的研究背景、目的、意義以及智能家居系統的現狀和發展趨勢進行的較為詳細的闡述,并對本文主要研究內容、難點以及文章結構安排進行了說明。

                          第二章:對本系統使用到的相關技術進行了詳細的分析,同時給出了系統的整體設計方案。

                          第三章:針對智能家居控制系統的硬件核心模塊以及無線通信模塊進行了分析和設計。

                          第四章:詳細闡述了 bootloader、Linux 內核的移植、根文件系統的制作。以及系統中使用到的硬件模塊的驅動程序設計和 ZigBee 傳感節點通信的軟件設計,最后還有一個多媒體播放器應用程序的設計。

                          第五章:詳細闡述使用 Qt 進行系統的圖形界面程序設計,并對整個系統的功能以及無線傳感網絡的通信距離進行了測試。

                          智能家居控制系統設計界面測試:

                        主界面示意圖
                        主界面示意圖

                        多媒體播放界面
                        多媒體播放界面

                        多種場景選擇界面
                        多種場景選擇界面

                        獲取室內溫濕度
                        獲取室內溫濕度

                        目 錄

                          摘 要
                          ABSTRACT
                          第 1 章 緒論
                            1.1 課題的研究背景
                            1.2 課題研究的目的和意義
                            1.3 相關技術的現狀與發展趨勢
                              1.3.1 智能家居的現狀
                              1.3.2 智能家居的發展趨勢
                            1.4 課題的主要研究內容和組織結構
                              1.4.1 課題主要研究內容
                              1.4.2 課題技術難點
                              1.4.3 論文的組織結構
                          第 2 章 系統相關技術和總體設計介紹
                            2.1 嵌入式相關技術
                              2.1.1 嵌入式系統框架
                              2.1.2 Linux 內核體系結構
                              2.1.3 Linux 內核特性
                              2.1.4 ARM 處理器與其體系結構
                            2.2 ZIGBEE 技術
                              2.2.1 ZigBee 協議框架
                              2.2.2 ZigBee 的網絡拓撲結構
                            2.3 QT 技術
                            2.4 系統整體方案
                              2.4.1 嵌入式軟件開發的一般原則
                              2.4.2 系統功能組成
                            2.4 本章小結
                          第 3 章 智能家居控制系統硬件設計
                            3.1 核心功能模塊硬件電路設計
                              3.1.1 電源電路
                              3.1.2 RS232 接口電路
                              3.1.3 JTAG 接口電路
                              3.1.4 復位電路
                              3.1.5 Nand Flash 存儲器電路
                            3.2 無線通信模塊 CC2530 相關
                              3.2.1 CC2530 外部接口電路
                              3.2.2 繼電器開關控制電路
                              3.2.3 溫濕度獲取電路
                              3.2.4 蜂鳴器報警電路
                              3.2.5 步進電機窗簾控制電路
                            3.3 本章小結
                          第 4 章 智能家居控制系統軟件設計
                            4.1 交叉編譯環境的搭建
                            4.2 U-BOOT 移植
                              4.2.1 bootloader 的介紹
                              4.2.2 u-boot 移植
                            4.3 LINUX 內核的編譯與移植
                            4.4 根文件系統的制作與部署
                            4.5 驅動程序的編寫
                              4.5.1 ADC 驅動實現
                              4.5.2 DHT11 濕溫度傳感器驅動實現
                              4.5.3 MQ-2 煙霧氣敏傳感器驅動程序設計
                              4.5.4 蜂鳴器驅動程序設計
                            4.6 ZIGBEE 協調器與終端節點通信實現
                              4.6.1 ZigBee 無線傳感通信原理
                              4.6.2 數據包格式
                              4.6.3 ZigBee 協調器軟件設計
                              4.6.4 ZigBee 終端節點軟件設計
                            4.7 多媒體應用程序設計
                              4.7.1 mplayer 庫移植
                              4.7.2 多媒體應用程序設計與實現
                            4.8 本章小結
                          第 5 章 系統用戶界面設計及功能測試
                            5.1 系統用戶界面設計
                              5.1.1 主界面程序的設計
                              5.1.2 其他子功能界面程序的設計
                            5.2 系統功能測試
                            5.3 ZIGBEE 協調器與終端節點通信距離測試
                            5.4 本章小結
                          總結與展望
                          致 謝
                          參考文獻
                          附錄

                        (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

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