基于ZigBee的智能家居管理系统的设计与实现毕业论文Word格式.docx
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2.1.2性能需求 2
2.2风扇、窗帘、排气扇子系统需求 2
2.2.1功能需求 2
2.2.2性能需求 2
2.3安防子系统需求 3
2.3.1功能需求 3
2.3.2性能需求 3
2.4设置背景图片 3
2.5帮助子系统 3
2.6搭建开发环境 3
第三章概要设计 5
3.1系统概述 5
3.2用QT实现人机交互界面 5
3.2.1Qt简介 5
3.2.2主界面视图 5
3.2.3LED灯界面视图 6
3.2.4风扇界面视图 6
3.2.5呼叫界面视图 7
3.2.6设置界面视图 7
3.3基于Zigbee技术的无线控制技术 8
3.3.1Zigbee的基本流程 8
3.3.2CC2430无线模块 9
3.4Micro2440开发板 10
3.4.1产品介绍 10
3.4.2Micro2440硬件资源配置 11
3.6系统流程图 12
第四章详细设计 14
4.1人机交互界面的开发 14
4.1.1主界面的设计方案 14
4.1.2LED灯界面的设计方案 15
4.1.3风扇界面的设计方案 16
4.1.4呼叫界面的设计方案 16
4.1.5设置界面的设计方案 17
4.2串口读写的设置 17
4.3资源文件 18
第五章编码实现 19
5.1主界面的实现 19
5.1.1主界面的展示 19
5.1.2主界面的关闭 19
5.2LED灯界面的实现 20
5.2.1LED灯的开和关 20
5.2.2LED灯轮流闪烁 21
5.3风扇界面的实现 21
5.3.1电机的转动 21
5.3.2串口的操作 21
5.4呼叫界面的实现 24
5.5设置界面的实现 24
第六章开发主机与目标机的连接 26
6.1防火墙和开发主机IP设置 26
6.2虚拟机IP设置 26
6.3接数据线 27
6.4设置超级终端相关参数 27
第七章测试系统功能 29
7.1在目标机上运行程序 29
7.2测试子系统功能 29
结论 31
致谢 32
参考文献 33
附录Ⅰ 35
附录Ⅱ 44
太原科技大学学士学位论文
第一章绪论
随着网络技术和通信技术的不断发展以及人们对生活要求的不断提高,实现家庭智能的远程监控已经成为必然的趋势。
国家建设部住宅产业化促进中心提出住宅小区要实现六项智能化要求,其中包括实行安全防范自动化监控管理:
对住宅的火灾、有害气体的泄漏实行自动报警;
防盗报警系统应安装红外或微波等各种类型报警探测器;
系统应能与计算机安全综合管理系统联网;
计算机系统能对防盗报警系统进行集中管理和控制。
智能家居是以家为平台,兼备自动化、智能化于一体的高效、舒适、安全、便利、节能的住宅环境。
智能家居系统是将家庭中各种与信息有关的通信设备、家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术联网,进行有效的控制和信息交换,同时将家庭网络与外网相连,利用远程监控系统,实现对家居的远程控制。
智能家居系统是将相对独立的家用电器构成一个统一的系统,进而实现对这些设备和家庭环境的智能管理、远程监控和资源共享。
其目的是为人们提供一个安全、舒适、高效和便利的生活环境。
ZigBee短距离无线通信技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术,主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。
本文解决了家庭智能嵌入式系统、ZigBee无线通信、家电解码及编码、家居控制协议等相关技术难点,分析了其各自基本特点和所要实现的基本功能,并在此基础上提出了基于Linux嵌入式系统和ZigBee网络的智能家居系统的总体解决方案。
结合ZigBee协议低成本、低功耗等相关特点进行研究分析,在经济可行性方面,实现智能家居系统是可行的。
技术上,ZigBee技术的发展正在不断的完善成熟,其RF无线电收发机的传输距离也可拓展到几千米的距离,用以实现智能家居系统也是可行的。
59
第二章需求分析
2.1照明子系统需求
灯光是任何地方都有的一个普遍存在,却也是最容易让大家忽略的一个东西,只把它当做一个照明确实是一个极大的浪费,灯光效果和环境的配合及其本身加以智能化的灯光效果变化,也能给人带来视觉上的艺术享受,打造出个性的魅力。
2.1.1功能需求
(1)根据不同的灯具,用不同的控制开关控制灯具的照明;
(2)能够实现灯光的自动闪烁功能。
2.1.2性能需求
要求灯光控制系统稳定,不会出现灯具不亮或者不能熄灭的情况,在短时间内按照指令执行,无延时。
2.2风扇、窗帘、排气扇子系统需求
当早上起床时,发现需要自行把窗帘拉起来;
当早上出门后突然想起家里的空调还没有关闭;
当傍晚回家时,发现还需要打开空调来调节房间到一个适宜的温度;
当晚上睡觉的时候,发现需要把窗帘放下来。
这样会感到非常的麻烦,有必要设计一个智能控制系统来方便的控制家里的空调、风扇,这样使得自己的家更加的人性化、智能化。
2.2.1功能需求
(1)需要实现空调的开关功能;
(2)能够通过开关控制窗帘的卷起和展开;
(3)实现排气扇的正转和反转功能。
2.2.2性能需求
要求打开(关闭)空调、风扇、窗帘的及时性,时间上无延时,系统稳定,无差错。
2.3安防子系统需求
安防子系统主要由一键报警及紧急呼救按钮组成。
当有任何紧急情况发生,我们都可以通过家居安防系统来实现报警、呼救功能。
出现紧急情况只需要按下报警开关,即可向外界发出警报,或向外界求助。
2.3.1功能需求
(1)当家中出现意外需要通知家人离开时,一键发出警报,使家人迅速撤离;
(2)当需要求助时,一键发出求助,能使邻居收到求助信号。
2.3.2性能需求
安防系统一般都要求及时可靠,需要的时候按下按钮即可报警,不需要的时候不会自动报警。
要求系统稳定、可靠。
2.4设置背景图片
能够通过点击按钮设置不同的系统背景图片。
2.5帮助子系统
能够给用户提供系统的使用说明。
2.6搭建开发环境
Ø
基于高性能ARM9内核:
S3C2440
搭载操作系统:
内核版本Linux2.6.33
人机交互界面:
QT4.5.3
无线控制技术:
Zigbee技术
开发该系统前,需要在开发主机上安装VM虚拟机8.0版本,安装Linux映像文件,这里我用的是安装Ubuntu10.04,在虚拟机上Linux环境下做开发。
需要配置的一些服务软件,包括:
²
配置TFTP服务器;
配置NFS服务器;
安装交叉编译器:
在开发主机运行编译器编译内核、应用,而内核和程序要在目标机上运行,这
个编译过程称为交叉编译。
编译器运行在开发主机(通常是X86体系的PC机)上,编译出的代码是目标机体系结构的,如:
ARM。
我们需要在2440开发板上运行虚拟机里Linux环境下开发的系统,所以需要安装交叉编译器,以保证系统能够在开发板上正常运行。
Linux内核配置;
为应用程序运行准备QT库文件:
运用QT跨平台开发框架进行系统界面的开发。
整体的开发环境搭建体系如图2.1所示:
图2.1环境搭建体系
第三章概要设计
3.1系统概述
这里的研究以实验的形式进行的,用CC2430无线模块来模拟系统:
(1)用指示灯来模拟灯具;
(2)用电机的转动来模拟空调、换气扇、窗帘的转轴;
(3)用蜂鸣器来模拟警报器。
3.2用QT实现人机交互界面
3.2.1Qt简介
Qt是一个跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架。
它既可以开发GUI程式,也可用于开发非GUI程式。
Qt是面向对象语言,易于扩展,并且允许组件编程。
Qt的良好封装机制使得Qt的模块化程度非常高,可重用性较好
QtCreator是一个用于Qt开发的轻量级跨平台集成开发环境。
QtCreator包含了一套用于创建和测试基于Qt应用程序的高效工具,包括一个高级的C++代码编辑器、上下文感知帮助系统、可视化调试器、源代码管理、项目和构建管理工具等。
关闭
帮助
设置
娱乐
呼叫
风扇
灯光
3.2.2主界面视图
图3.1主界面功能分布图
应用QtCreator的设计工具设计出主界面的基本视图,在后续的开发中,能够通过主界面来实现不同子系统界面之间的跳转;
能够退出系统,关闭界面。
RETURN
LED4
AUTO
LED3
LED2
OFF
LED1
3.2.3LED灯界面视图
图3.2LED灯界面功能分布图
应用QtCreator的设计工具设计出LED灯界面的基本视图,在后续的开发中,能够通过反复点击LED1-LED4来控制4个LED灯的与熄灭;
能够通过点击OFF按钮来关闭所有的LED灯;
能够通过点击AUTO按钮来控制4个LED灯循环点亮和熄灭;
通过RETURN按钮返回主界面。
3.2.4风扇界面视图
风扇反传
风扇正传
图3.3风扇界面功能分布图
应用QtCreator的设计工具设计出风扇界面的基本视图,在后续的开发中,能够通过点击风扇正转(风扇反转)来控制风扇的转动方向;
能够通过点击 OFF
按钮来关闭风扇的转动;
打开
3.2.5呼叫界面视图
图3.4呼叫界面功能分布图
应用QtCreator的设计工具设计出呼叫界面的基本视图,在后续的开发中,能够通过点击打开按钮来打开蜂鸣器;
能够通过点击关闭按钮来关闭蜂鸣器;
通过
RETURN按钮返回主界面。
LAST
NEXT
3.2.6设置界面视图
图3.5设置界面功能分布图
应用QtCreator的设计工具设计出呼叫界面的基本视图,在后续的开发中,能够通过点击NEXT按钮设置下一张图片为主题背景;
能够通过点击LAST按钮设置最后一张图片为主题背景;
3.3基于Zigbee技术的无线控制技术
Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。
根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。
其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。
主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。
简而言之,ZigBee就是一种便宜的,低功耗的近距离无线组网通讯技术。
3.3.1Zigbee的基本流程
发送命令
Zigbee控制器在检测到按键时,要判断按键将要进行的操作,检测完成后,一方面显示屏页面按照按键命令产生变化;
另一方面控制器控制相关部件进行相应的功能操作。
其基本流程图如图3.6所示:
开始
检测到按键
判断按键将要进行的操作
Y
是否有数据
N
Y
是否延时
准备下次
界面操作
等待数据
图3.6Zigbee控制器的流程图
3.3.2CC2430无线模块
CC2430芯片是一款符合ZigBee技术的2.4GHz射频系统单芯片。
在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。
采用0.18μmCMOS工艺生产,工作时的电流损耗为27mA;
在接收和发射模式下,电流损耗分别低于27mA或25mA。
CC2430芯片适用于各种ZigBee的无线网络节点。
采用IEEE802.15.4标准,利用全球共用的公共频率2.4GHz,应用于监视、控制网络时,其具有非常显著的低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远等优势,目前被视为替代有线监视和控制网络领域最有前景的技术之一。
CC2430芯片的主要特点如下:
◆高性能和低功耗的8051微控制器核。
◆集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机。
◆优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。
◆在休眠模式时仅0.9μA的流耗,外部的中断或RTC能唤醒系统;
在待机模式时少于0.6μA的流耗,外部的中断能唤醒系统。
◆硬件支持CSMA/CA功能。
◆强大和灵活的开发工具。
◆通信协议:
波特率115200,数据位8,停止位1,无校验位。
图3.7协调器和控制器
3.4Micro2440开发板
3.4.1产品介绍
Micro2440是一个双层电路底板,核心板采用6层板设计,并使用等长布线以满足信号完整性要求。
从调试开发和方便维修的角度,主要芯片均放置在顶层;
为了方便拔插和引出更多的CPU信号脚,核心板采用2.0mm间距“U”型排列插针。
Micro2440开发板采用了三星S3C2440A处理器,该处理器基于ARM920T内核,工作频率400MHz,0.13μm的工艺制造,具有高性价比、低功耗、高性能的特点,同时内部集成了LCD、CMOS摄像头等接口模块,能够高速快捷地完成视频信号处理,而且丰富的外围接口提供了系统良好的扩展特性。
Micro2440其实是一个最小系统板,它包含最基本的电源电路(5V供电)、复位电路、标准JTAG调试口、用户调试指示灯、以及核心的CPU和存储单元等。
其中FLASH存储单元包含NANDFLASH和NORFLASH两种类型,通过跳线J1可以选择从NAND或
NOR启动系统。
一般NOR FLASH里面放置的是不经常更改的BIOS(我们采用的是supervivi),NANDFLASH里面则烧写完整的系统程序(bootloader、内核、文件系统等)。
图3.8Micro2440开发板
3.4.2Micro2440硬件资源配置
CPU
-SamsungS3C2440A,主频400MHz,最高533Mhz
SDRAM
-在板64MSDRAM
-32bit数据总线
-SDRAM时钟频率高达100MHz
FlashMemory
-在板256MNandFlash,掉电非易失
-在板2M Nor Flash,掉电非易失,已经安装BIOS (用户可自行更换为其他bootloader)
接口和资源
-1个56Pin2.0mm间距GPIO接口PA
-1个50Pin2.0mm间距LCD&
CMOSCAMERA接口PB
-1个56Pin2.0mm间距系统总线接口PC
-在板复位电路
-在板10Pin2.0mm间距JTAG接口
-4个用户调试灯
供电
-外接+5V
尺寸
-63x52mm
OSSupport
-Linux2.6
-WindowsCE5.0
-uCos2
3.6系统流程图
系统运行之后,整个应用程序的流程如图3.9所示:
接收用户触发信号
串口
控制
蜂鸣
进入
系统设置界面
输出
帮助信息
失败
判断
正确
接收
用户指令
判断指令
启动
相应程序
将指令写入串口
错误信息
相应的LED等执行开关动作
电机执行开关动作
蜂鸣器执行开关动作
图3.9系统流程图
打开串口后,需要判断串口打开是否正确,这里的串口指的是开发板与Zigbee协调器之间的串口。
如果串口打开失败,目标机(Micro2440)的显示屏上依然可以进行操作,但是控制器不会执行相应的指令。
接收用户指令后的判断指令动作,是判断用户想做什么样的操作,然后将指令写入目标机与协调器直接的串口,协调器发出指令,控制器接收到指令,控制相应部件执行相应动作。
整个系统开发采用宿主机-目标机模式,如图3.10所示:
图3.10宿主机-目标机模式
宿主机为开发主机,目标板为Micro2440开发板。
第四章详细设计
4.1人机交互界面的开发
Qt设计师(Qt Designer)为程序员们提供了一张可视化设计能力,可以用于开发应用程序的所有或部分窗体。
Qt设计师所创建的窗体最终仍旧是C++代码。
图4.1QtDesigner开发界面使用QtDesigner设计对话框一般有以下几个步骤:
(1)创建窗体并在窗体中放置各种空间;
(2)对窗体进行布局设计;
(3)设置个空间的表现顺序;
(4)创建信号和槽;
(5)连接信号和槽。
在以下的各个界面的设计方案中,第一步创建窗体和第二步窗体布局均按照自己喜欢的方式进行布局,此处不做赘述。
信号和槽的相关设计在编码实现中进行说明。
4.1.1主界面的设计方案
主界面的设计方案按照概要设计中的界面试图方案进行设计,创建出窗体并依图进行布局设计。
(后面的LED灯界面、风扇界面、呼叫界面、设置界面等均按照概要设
计中的视图方案进行设计。
)
图4.2主界面窗体及空间布局
主界面的窗体选用Widget类
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