基于无线传感器网络技术的智能家居系统的设计与实现

摘要

智能家居是利用计算机技术、控制技术、图像显示技术以及通讯技术将各种家用设施通过家庭网络连接到一起，从而为人们提供更舒适更便捷的生活。传统的智能家居一般是通过有线线路的布线方式对家用设施进行控制和通讯的，但这样的有线方式不仅使人们很难脱离各种线缆的束缚、安装成本较高，而且系统的扩展性也很差。基于无线网络技术的智能家居不仅可以摆脱线缆的束缚、降低安装成本，而且系统的扩展性也有了大幅度的提高。所以研究无线智能家居对智能家居的发展是十分必要的。 本文设计的智能家居系统实现了对家庭环境的检测和控制，组建了基于无线传感器网络技术的家庭网络。由于无线智能家居越来越多的倾向于低成本、低功耗、易操作、易安装的设计思路。所以本文以无线传感器网络为组网形式，使用TI公司推出的超低功耗单片机MSP430F449和低功耗无线收发芯片CC1100为核心设计一种智能家居系统。系统安装方便，适用范围广，具有很好的实用价值。 论文在查阅大量相关资料的基础上，完成了智能家居系统中主控模块，传感器模块的软硬件设计。硬件设计方面，完成单片机的选型和各模块主要组成电路的功能、设计思想和硬件原理图。软件方面，通过分析各个模块的功能，完成流程图和程序的编写。此外，本文还详细介绍了一款低功耗无线收发芯片CC1100，并围绕CC1100完成了无线收发模块的软硬件设计。硬件方面，完成CC1100的外围电路设计和单片机的接口电路设计。软件方面，完成CC1100的寄存器设置和单片机问的SPI通讯以及数据发送和接收，并给出了流程图和部分程序。 本文另一个重点是智能家居系统网络的设计。在比较现有组网的技术的基础上，选择采用无线传感器网络技术组建智能家居内部通讯网。通过比较几种基本的网络拓扑结构，采用星型网络拓扑结构。完成了无线传感器网络通讯协议的设计，着重介绍了CC1100的通讯协议和数据包格式化，并给出了无线传感器网络数据传输的流程图和部分程序。 最后，对系统进行了调试，验证了系统设计的合理性，并对论文进行了总结，指出了系统设计的不足和改进思路，为课题的进一步研究做了准备。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章 绪论

1.1智能家居的概念

1.2智能家居的发展概况

1.2.1国外智能家居的发展现状

1.1.2国内智能家居的市场现状

1.3家庭组网技术概述

1.3.1有线组网技术

1.3.2无线组网技术

1.4无线传感器网络技术

1.4.1无线传感器网络的概念

1.4.2无线传感器网络的特点

1.5本文所研究的系统的主要特点

1.6论文的研究思路和主要内容

1.6.1研究思路

1.6.2论文结构

1.7小结

第二章系统总体方案设计

2.1智能家居系统的设计

2.1.1温度控制

2.1.2湿度控制

2.2智能家居系统的功能模块的设计

2.3小结

第三章系统硬件平台设计

3.1主控模块的硬件设计

3.1.1主控芯片的选择

3.1.2主控模块的核心电路

3.1.3人机接口电路的设计

3.1.4实时时钟电路的设计

3.1.5复位电路

3.1.6电源电路

3.1.7声光报警电路

3.1.8时钟电路

3.2传感器模块硬件设计

3.2.1液晶玻片显示电路

3.2.2温度传感器电路设计

3.2.3湿度传感器电路设计

3.2.4A/D转换电路

3.2.5 4～20mA电流/电压转换电路

3.2.6开关量输入电路

3.3硬件抗干扰设计

3.3.1 隔离技术

3.3.2去耦电路

3.3.3 印刷电路板的抗干扰措施

3.4小结

第四章无线收发模块的设计

4.1无线收发芯片的选择

4.2无线收发芯片CC1100

4.2.1 CC1100的主要特性

4.2.2 CC1100内部结构

4.2.3 CC1100的引脚结构

4.2.4 CC1100典型的外围电路

4.2.5 CC1100与处理器的接口

4.2.6 CC1100内部寄存器配置

4.2.7 CC1100工作模式设定

4.3晶体振荡器电路

4.4天线接口电路

4.5小结

第五章系统软件设计

5.1无线收发模块的软件设计

5.1.1无线收发芯片CC1100的初始化设置

5.1.2 CC1100应用程序

5.2主控模块的软件设计

5.2.1人机接口电路的软件设计

5.2.2实时时钟任务的设计

5.3智能传感器终端软件设计

5.3.1总线复位

5.3.2总线写

5.3.3总线读

5.3.4 DS18820的读写程序

5.3.5 DS18820的任务流程图

5.4小结

第六章无线传感器网络的设计

6.1无线传感器网络的基本网络拓扑结构

6.2无线传感器网络的通讯模式设计

6.3 CC1100的通讯协议

6.3.1数据白化

6.3.2 CC1100数据包格式化

6.3.3 CC1100接收模式下的数据包滤波

6.3.4 CC1100发送/接收模式下的数据包处理

6.4无线传感器网络软件设计

6.5无线传感器网络收发程序

6.6小结

第七章试验设计验证

7.1试验装置原理图

7.2 IAR试验开发环境

7.3程序调试

7.4试验调试

7.5试验结果

7.5.1温度控制试验

7.5.2无线收发试验

7.5.3键盘显示试验

7.6小结

第八章结论

8.1本文完成的主要工作

8.2本文的特点

8.3本文的不足

参考文献

附录 整体试验实物如下图

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文