智能家居系统总体方案设计

智能家居系统总体设计方案一.引言智能家居以家居住宅为平台，综合传感器网络、信息计算融合、自动控制等技术，将与家庭生活有关的各种应用元素有机地结合在一起，通过综合管理，让家庭生活更舒适、安全、有效、便利和环保。本文从项目需求和系统功能出发，对智能家居系统进行了分析设计。介绍了系统的总体结构、工作流程，并对系统进行了功能分拆，进而介绍了各功能子系统的基本设计情况。本系统以建筑结构复杂的独体别墅为设计目标，可广泛应用于普通家居住宅环境。二.需求分析2.1概述随着社会经济的发展，科技水平及信息化程度的不断提高以及对生活品质的不断追求，人们对家庭生活方式的革新要求日益强烈。智能家居系统的应用对家庭生活方式的带来深远影响，它能提供舒适安全、环保节能、具有高度人性化的生活空间；提供智能化的家居设备控制方式；提供全方位的信息交换功能；优化人们的生活方式，帮助人们有效地安排时间；增强家庭生活的安全性。家居环境的建筑设计和装修装饰千差万别，不影响建筑格局的前提下，人们要求智能家庭系统安装简单方便，易于维护，可靠性高。智能家居其功能需求主要体现在完善的安全保障、舒适的居住环境和便利的生活条件及方便的安装操作上。智能家居利用传感器网络技术，结合互联网及移动通信网络，根据需求通过自组织形式将家庭内部的各种设备组成网络，实现人与家居的和谐融合。其基本功能包括安全防范、环境自动控制、家电控制、视频监控、讯息交互服务等。安全防范功能可以实时监控非法侵入、浸水、火灾、燃气泄露、紧急呼救等事件的发生。根据光强、温湿度等环境条件的变化，智能家居系统可以对诸如空调、照明电器等的控制从而实现家居环境的自动控制。利用视频图像监控功能，业主可以实时查看家庭现场情况。通过与电信运营商合作，通过方便快捷方式实现用户与家庭的讯息互动。2.2系统功能需求⑴实现安全防范功能，对非法侵入、浸水、火灾、燃气泄露等紧急情况实现报警；⑵对光强、温湿度等家居环境条件进行检测；⑶对家庭现场情况进行图像采集并进行计算处理；⑷各检测、传输设备采用无线方式组成网络进行信息传输；⑸通过互联网或移动通信网络将检测信息及图片传送至用户；⑹具有数据本地存储功能，设防、撤防功能；⑺美观隐蔽、操作简便、易于安装维护。三.系统总体设计方案系统由检测设备、传输设备、网关设备组成，检测设备、传输设备和网关设备组成簇树结构的无线传感器网络。系统整体结构如下图所示3.1检测设备检测设备包括温湿度、光强、烟雾、燃气、红外、浸水等传感器检测节点，用以实现安防及环境条件的。检测设备以房间为单位组成星形网络，根据实际房间需要决定网络节点数量。组成网络图如下图所示3.2传输设备传输设备包括中继节点、路由节点和接收节点（SINK）。中继节点负责以房间为单位的星形网络的建立及维护，将其收来的其下各节点上报的数据转发至路由节点，同时将来自路由节点的配置及控制信息转发至每一个节点。该设备主要目的是对无线信号的中继传输，以保证系统的可靠运行。根据现场实际情况，节点可充当中继器。路由节点负责以楼层为单位的簇树网络的建立及维护，同时承担楼层之间多跳簇树网络的路由功能，以实现数据由节点通过无线网络转发至接收节点。接收节点是网关设备中的一个重要组成部分，做为整个系统的协调设备，负责整个网络的建立和维护。其功能是实时、可靠的接收来自系统中各节点的发送的无线数据，同时根据需要对节点发送网关设备的查询控制数据。中继节点与路由节点组成的多跳簇树网络如下图所示。3.3网关设备网关设备连接着多个的相互独立的网络，作为智能家居系统的重要组成部分，管理整个无线监测网络完整的路由表，接收来自传感器网络节点的数据，并对数据进行校正、融合等处理，然后通过操作终端、GPRS或以太网等传送给业主；同时对于业主所发的指令给予相应的处理及实现一定的自动控制功能等。网关实现图像的采集处理，并有显示、输入及数据本地保存等功能。网关设备在系统中位置如下图所示。四系统工作流程家庭中根据需要布设一定规模的检测设备和传输设备，检测设备与传输设备组成无线网络。当有非法侵入、浸水、火灾、燃气泄露等紧急情况发生时，检测设备将检测结果通过传输设备发送给网关设备，网关设备对检测结果进行处理后发送短信至业主。业主接到短信后可发短信至网关设备，控制网关的报警短信发送和摄像头图像的采集。业主需要传输现场情况图片时，网关设备将抓拍图片发送彩信至业主。业主可发送短信至网关设备查询检测设备的工作情况和检测信息。系统的数据流程如下图所示。1：检测设备检测紧急情况的发生；2：检测设备将检测结果发送至传输设备；3：传输设备将检测结果发送至网关设备；4：网关设备对检测结果进行处理；5、6：网关设备、短信中心将检测结果发送至业主；7、8：业主发送短信通过短信中心至网关设备；9：网关设备对短息内容进行处理，根据业主需要对检测设备和摄像头进行操作；10、11：业主需要现场图片，网关设备将抓拍图片通过短信中心发送至业主；12：业主需要对检测设备进行控制，控制指令通过传输设备发送至检测设备；13：业主短信操作，如继续获知家居信息，重复7～12流程；14：根据业主指令，检测设备停止报警或继续检测报警，如继续，重复1～13流程。五系统总体设计指标1.实现检测信息种类：非法侵入、浸水、火灾、燃气泄露、光强、温湿度、图像采集；2.系统工作温度范围：-10~60℃；3.安全防范检测节点检测事件成功率100％；误报率1％；4.无线频段：433MHz频段；5.发射功率：可编程控制的输出功率，最大功率可达+10dBm；6.无线网络传输速率：1.2～100Kbps可调。六检测设备设计方案6.1设计指标1.检测信息种类：非法侵入、浸水、火灾、燃气泄露、光强、温湿度；2.工作温度范围：-10~60℃；3.供电方式：浸水和燃气节点交流220V，红外、火灾、光强、温湿度节点直流9V，容量800mAH；4.无线频段：433MHz频段5.发射功率：可编程控制的输出功率，最大功率可达+10dBm；6.无线网络传输速率：1.2～100Kbps可调；7.天线：陶瓷全向天线，0.5dBi增益，驻波比2；8.结构美观，体积小，易于布设。6.2硬件设计硬件平台的控制核心为TI公司16位超低功耗微控制器MSP430F149，具有64KByte片上Flash存储器和2KByte片上RAM；采用先进的3级流水线RISC架构，实现单时钟指令执行周期；处理器包括2个串行同步异步可配置接口控制器、时钟模块、看门狗、A/D等片上外设；采用3.3V低电压系统，可工作于5种低功耗模式，保证整个系统高效率低功耗运转。射频模块采用TI公司低功耗单芯片射频芯片CC1100，具有-110dBm高接收灵敏度和最高+10dBm发射功率，使用ISM频段，频点为433MHz，254个频率间隔200KHz的可选信道数，可程控8个发射功率和最高500kbps的射频数据传输速率。根据需要，射频模块可设计功放环节，提高发送功率。选用MAX604作为电压转换芯片，其主要技术指标为：输入电压：2.7～11.5V、输出电压：3.3V、最大输出电流：500mA。检测设备为电池供电时，不需要其他转换电路。当设备供电为交流220V时，电源模块采用JMA-2.5W作为交直流变换电路。根据检测目的不同选择不同的传感器完成检测节点的信息采集功能。传感器的输出分数字和模拟两类，模拟信号需经过模拟处理单元进行滤波、放大、隔直、比较等处理后送控制核心。依据项目需求，确定的传感器型号为：1.温湿度传感器SHT112.光强传感器TSL25603.烟雾传感器NIS-09C4.可燃气体传感器TP-1.1A5.红外传感器RE200B6.浸水传感器YW515硬件平台的结构框图如下所示。6.3软件设计检测设备软件需实现：1.对传感器采集数据进行分析处理；2.与传输设备组成星形网络；3.将检测数据发送至传输设备；4.接收并处理传输设备发送的查询控制数据；5.协调整个检测设备系统的运行；6.控制检测设备功耗。检测设备的软件工作流程如下图所示。检测设备加入网络的过程是：设备首先监听公共频点，找到中继节点的ID，然后切换到簇内频点，开始超帧调度，发送入网请求。6.4结构设计根据家庭安装布设要求，遵循美观、隐蔽、微型的原则，采用公模塑料外壳，根据具体需求进行再设计加工。6.5产品化设计6.5.1EMC设计考虑电磁兼容性设计，遵循EMC原则，借鉴经验设计，并对设备进行EMC及EMI测试，根据国家标准对设备进行改进。6.5.2可生产性设计电路板设计时考虑焊接、测试环节，做到标识清楚整齐，焊接、调试方便；设计测试点，板上提供测试信息，方便设备测试；软件设计及下载调试遵循简单快捷易上手原则。6.5.3可靠性设计采用降额设计。根据设计目标选用了高质量、高可靠性的元器件。采用较高精度等级及可靠性高的分立元件、采用工业级的集成芯片。器件的选择符合工作环境的要求。硬件设计考虑EMC设计。软件设计从编码可读性、正确性、可移植性、可测试性、模块化和标准化等环节考虑提高软件的可维护性和可靠性。七传输设备设计方案7.1设计指标1.工作温度范围：-20~85℃；2.供电方式：交流220V；3.无线频段：433MHz频段4.发射功率：可编程控制的输出功率，最大功率可达+25dBm；5.无线网络传输速率：1.2～100Kbps可调；6.天线：鞭状全向天线，2dBi增益，驻波比1.5；7.结构美观，体积小，易于布设。7.2硬件设计传输设备分为中继节点、路由节点、SINK节点三类。中继节点和路由节点采用相同硬件设计，路由节点由交流220V供电，中继节点有交流220V和直流9V两种供电方式可选。SINK节点作为网关设备的一部分进行设计，本章所提传输设备指中继节点和路由节点。硬件平台MCU采用MSP430F149，射频芯片采用CC1100，射频传输模块设计功放电路，功放采用SKY65004。电压转换采用JMA-2.5W和MAX604。硬件平台的结构框图如下所示。7.3软件设计传输设备软件需实现：1.簇树网路的建立与维护；2.稳定可靠的对数据进行传输；3.协调节点自身系统的运行。中继节点的软件工作流程如下图所示。中继节点加入网络的过程是：设备首先监听公共频点，找到路由节点的ID，然后切换到簇内频点，开始超帧调度，发送入网请求。路由节点的软件工作流程如下图所示。路由节点上电初始化后立即进入超帧调度运行阶段并在每个超帧开始时广播发送Beacon帧。传输设备的路由策略采用表驱动和按需路由，有SINK节点发起HELLOFrame，路由节点收到HELLOframe建立到Sink节点的路由表，选择到信号质量最好的路由节点作为到SINK下一跳的路由。路由表需要定期更新。7.4结构设计根据家庭安装布设要求，遵循美观、隐蔽、微型的原则，采用公模塑料外壳，充电器形式。7.5产品化设计7.5.1EMC设计考虑电磁兼容性设计，遵循EMC原则，借鉴经验设计，并对设备进行EMC及EMI测试，根据国家标准对设备进行改进。考虑到交流220V供电对无线射频传输的影响，加强对硬件设计的各个环节的控制。7.5.2可生产性设计电路板设计时考虑焊接、测试环节，做到标识清楚整齐，焊接、调试方便；设计测试点，板上提供测试信息，方便设备测试；软件设计及下载调试遵循简单快捷易上手原则。7.5.3可靠性设计采用降额设计。根据设计目标选用了高质量、高可靠性的元器件。采用较高精度等级及可靠性高的分立元件、采用工业级的集成芯片。器件的选择符合工作环境的要求。硬件设计考虑EMC设计。软件设计从编码可读性、正确性、可移植性、可测试性、模块化和标准化等环节考虑提高软件的可维护性和可靠性。八网关设备设计方案8.1设计指标1.工作温度范围：-20~85℃；2.供电方式：直流5V；3.无线频段：433MHz频段4.发射功率：可编程控制的输出功率，最大功率可达+25dBm5.无线网络传输速率：1.2～100Kbps可调；6.天线：鞭状全向天线，3dBi增益，驻波比1.5；7.接口支持：SD卡座，USB主机，USB设备，RS232，RJ45。8.