CS模型的智能家居电源控制系统硕士学位论文.docx
- 文档编号:25711057
- 上传时间:2023-06-11
- 格式:DOCX
- 页数:51
- 大小:995.87KB
CS模型的智能家居电源控制系统硕士学位论文.docx
《CS模型的智能家居电源控制系统硕士学位论文.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《CS模型的智能家居电源控制系统硕士学位论文.docx(51页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
CS模型的智能家居电源控制系统硕士学位论文
硕士毕业论文
基于C/S模型的智能家居网络控制系统
摘要
几年前一些经济比较发达的国家提出了“智能住宅”的概念,住宅智能化是智能家居的先导,智能家居是住宅智能化的核心。
智能家居是利用计算机、通讯与网络、自动控制、IC卡技术,通过有效的传输网络,将多元信息服务与管理、物业管理与安防、住宅智能化系统集成,为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段,以期实现快捷高效的超值服务与管理,提供安全舒适的家居环境”。
随着计算机技术,通信技术和嵌入式系统的发展,智能家居正逐步走进人们的生活。
一个典型的现代智能家居系统提供安防、家电控制、远程抄表和信息服务等功能。
低功率和高性能CPU的发展,为开发智能家居提供了现实可能性。
其内部构成包括嵌入式处理器、相关支持硬件、嵌入式操作系统以及应用层的软件包等。
针对智能家居需求,本文设计并实现了智能家居中的控制系统。
采用计算机网络控制方式,结合了基于ARM的嵌入式系统、单片机系统、计算机网络、WIN32编程等技术,实现了对开关型家电的控制。
本文的智能家居控制系统设计方案是:
以PhilipsLPC2103实验板为硬件平台,建立了嵌入式系统开发环境,移植了uc/os内核;开发的应用软件分为单片机子系统、PC客户端和PC服务端三个模块。
最终完成相关软硬件设计、调试,经测试,完全实现预期功能。
最后提出系统改进的方案和措施。
在硬件方面着手于PhilipsLPC2103芯片的数据手册,通过对其针脚的定义,进行相关电路的设计,实现了单片机串口的通讯、电脑数据的接收和处理、继电器电路的开关和复位电路的实现。
在软件方面,在Delphi2007中实现了PC服务端和客户端的数据收发和处理,并使服务端在接收到特定字符后发送相应的指令到串口。
基于LPC2103的智能家居远程控制系统提供了一种对家庭普通家用电器进行远程控制的新思路,是嵌入式的一项有效的尝试和应用。
关键词:
LPC2103,Indy10,智能家居,远程控制
Abstract
Afewyearsagoanumberofeconomicallydevelopedcountriesputforwardthe"smarthouse"concept;domesticintelligenceisaleaderinsmarthome,intelligenthome,thedomesticintelligencecore.SmartHomeistheuseofcomputer,communicationsandnetworks,self-control,ICcardtechnology,throughaneffectivetransportnetwork,multi-informationservicesandmanagement,propertymanagementandsecurity,homeintelligentsystemintegrationfortheresidentialdistrictofhigh-techservicesandmanagementintelligenttoolsinordertoachievefastandefficientvalueformoneyservicesandmanagement,providingasafeandcomfortablehomeenvironment."
Withcomputertechnology,communicationtechnologyandembeddedsystemdevelopment,intelligenthomeisgettingintopeople'slives.Atypicalmodernsmarthomesecuritysystems,homeappliancecontrol,remotemeterreadingandinformationservicesfunctions.Low-powerandhigh-performanceCPUdevelopment,forthedevelopmentofintelligenthomeoffersarealpossibility.Itsinternalcomposition,includingembeddedprocessors,relatedsupporthardware,embeddedoperatingsystemandapplicationlayersoftwarepackagesandsoon.Inresponsetothisphenomenon,thispaperdesignedandimplementedoneoftheintelligenthomecontrolsystem.Controlmethodusingacomputernetwork,combinedwithARM-basedembeddedsystem,microcontrollersystems,computernetworks,WIN32programmingtechniquestorealizetheswitching-typeappliancecontrol.
ThisarticlesystemthroughacombinationofsoftwareandhardwareinordertoexperimentboardforthePhilips2103hardwareplatform,theestablishmentoftheembeddedsystemdevelopmentenvironment,transplantationofuc/os-core;developedapplicationsoftware,isdividedintomicrocontrollersubsystem,PCclientandPCserver-sidethreemodules.Finalizationoftherelevanthardwareandsoftwaredesign,debug,tested,fullyachievethedesiredfunctionality.Concludeswithsystemimprovements,programsandmeasures.
OnthehardwaresidetoprecedeonthePhilipsLPC2103datasheet,throughitspindefinitionoftherelatedcircuitdesign,implementationofthemicrocontrollerserialportcommunication,computerdatareceptionandprocessingcircuitrelayswitchandresetcircuitimplementation.
Onthesoftwareside,intheDelphi2007toachieveaPCserverandclientfordatatransmissionandprocessing,toenabletheservicetoaspecificcharacteronthereceivingend,aftersendingtheappropriatecommandstotheserialport.
LPC2103-basedRemoteControlSystemforSmartHomeprovidesafamilyforcommonhouseholdappliancesforremotecontrolofnewideasisaneffectiveattempttoembedandapplications.
KeyWords:
LPC2103,Indy10,smarthomes,remotecontrol
目录
摘要i
Abstractii
图目录III
表目录1
第1章绪论1
1.1课题背景1
1.2本文研究的内容1
1.3项目软硬件分析1
1.3.1硬件分析2
1.3.2软件分析2
1.4本文组织结构2
1.5本章小结2
第2章系统设计方案4
2.1设计流程4
2.2硬件设计方案5
2.3软件设计方案6
2.4单片机软件的设计6
2.5拟解决的关键问题6
2.6本章小结7
第3章硬件系统的设计8
3.1CPU电路设计9
3.2继电器电路设计14
3.3串行接口设计15
3.4电源电路设计16
3.5复位电路设计17
3.6本章小结17
第4章软件系统的设计19
4.1软件功能分析19
4.2软件设计流程19
4.3PC端远程控制软件19
4.4PC机服务端接收软件22
4.5本章小结26
第5章单片机软件设计27
5.1单片机软件功能分析27
5.2软件设计流程28
5.3单片机指令接收与处理29
5.4本章小结34
第6章测试36
6.1测试方案的设计36
6.2测试流程设计36
6.2.1硬件测试36
6.2.2软件设计合理性测试37
6.2.3系统设计的合理性测试39
6.3本章小结39
第7章总结40
图目录
图1.1项目设计方案2
图2.1智能家居系统的总体结构4
图2.2系统整体设计流程5
图2.3硬件电路设计6
图2.4软件设计方案6
图3.1中央处理器及各针脚定义9
图3.2继电器电路设计14
图3.3串口RS232电路设计15
图3.4电源电路设计16
图3.5复位电路设计17
图4.1软件功能模块图19
图4.2Delphi2007中的Indy10插件19
图4.3PC机客户端操作界面20
图4.4服务端PC数据接收、处理过程23
图4.5PC机服务端接收界面24
图5.1单片机数据接收、处理流程28
图6.1硬件测试模块37
表目录
表3.1CPU各针脚定义10
第1章绪论
1.1课题背景
目前,一些经济比较发达的国家提出了“智能住宅”的概念,住宅智能化是智能家居先导,智能家居是住宅智能化的核心。
最近国家建设部住宅产业化办公室提出了关于住宅小区智能化的基本概念,即:
“住宅小区智能化是利用4C(即计算机、通讯与网络、自控、IC卡)技术[1],通过有效的传输网络,将多元信息服务与管理、物业管理与安防、住宅智能化系统集成,为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段,以期实现快捷高效的超值服务与管理,提供安全舒适的家居环境”。
随着计算机技术,通信技术和嵌入式系统的发展,智能家居正逐步走进人们的生活。
一个典型的现代智能家居系统提供安防、家电控制、远程抄表和信息服务等功能。
[2]低功率和高性能CPU的发展,为开发智能家居提供了现实可能性。
其内部构成包括嵌入式处理器、相关支持硬件、嵌入式操作系统以及应用层的软件包等。
国内的数码屋,在这方面走得比较领先,可以实现6项基本功能,包括家庭安全防范、照明系统控制、环境控制、家电控制、智能化控制、多种途径控制,可以通过手机短信或GPRS[3]功能实验对家用电器的远程控制,智能家居以嵌入式系统的形式走入了我们的生活。
根据国内的智能家居的发展趋势,完成本课题的研究。
1.2本文研究的内容
本文设计并实现了其中的智能家电控制系统。
采用计算机网络控制方式,结合了基于ARM的嵌入式系统、单片机系统、计算机网络、WIN32编程等技术,实现了对开关型家电的控制。
系统以Philips2103实验板为硬件平台,建立了嵌入式系统开发环境,移植了uc/os内核;开发了应用软件,分为、单片机子系统、PC客户端和PC服务端三个模块。
最终完成相关软硬件设计、调试,经测试,完全实现预期功能。
最后提出系统改进的方案和措施。
[4]
1.3项目软硬件分析
本文通过客户端PC与服务端PC进行通讯,通过客户端PC发送指令,经过服务端PC的接收与处理,再用串口发送给单片机,单片机接收到指令进行相应的操作,如断电操作等。
针对智能家居,总结出一个简单易操作的智能家居模型,即把家庭里的一系列设备通过中央电脑来分别控制,比如电源的开关,而中央电脑又可以通过远程计算机发送指令进行相应的操作,设计方案如图1.2所示,采用C/S模型。
图1.2的C/S模型中[5],中央电脑通过容易实现的串口与单片机进行通讯,单片机接收到指令后进行电路的开关操作。
图1.1项目设计方案
1.3.1硬件分析
硬件主要由服务端PC、客户端PC和Philips2103实验板构成。
选用LPC2103是因为LPC2103是基于一个支持实时仿真的ARM7TDMI-SCPU,并带有8kB和32kB嵌入的高速Flash存储器。
由于LPC2103非常小的尺寸和极低的功耗,它们非常适合于那些将小型化作为主要要求的应用,多个UART、SPI到SSP和2个I2C总线组成的混合串行通信接口和片内2kB/4kB/8kB的SRAM一起作用,可使得LPC2103非常适合用来实现通信网关和协议转换器、数学协处理器以及足够大空间的缓冲区的强大处理功能。
[6]
1.3.2软件分析
PC端软件设计分为客户端PC软件和服务端PC软件两个模块,客户端PC发送指令,服务端PC接收指令并发送相应的开与关指令给单片机。
1.4本文组织结构
本文首先介绍总体的系统设计方案,然后分硬件系统的设计、软件系统的设计和单片机软件的设计这三个方面来具体说明。
最后,对整个系统进行测试,并归纳总结全文。
1.5本章小结
本章简要地阐述了本论文的课题背景,包括国内外智能家居应用于生活的发展程度和趋势、智能家居影响生活的应用,提出本论文的写作目的和构成本论文提出的基于C/S模型的智能家居远程控制系统的三个组成部分。
第2章系统设计方案
智能家居系统总体结构如图2.1所示,其中LPC2103基于一个支持实时仿真的ARM7TDMI-SCPU,并带有8kB和32kB嵌入的高速Flash存储器。
128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。
这可以使得中断服务程序和DSP算法中重要功能的性能较Thumb模式提高30%。
对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%,而性能的损失却很小[7]。
由于LPC2103非常小的尺寸和极低的功耗,它们非常适合于那些将小型化作为主要要求的应用,多个UART、SPI到SSP和2个I2C总线组成的混合串行通信接口和片内2kB/4kB/8kB的SRAM一起作用,可使得LPC2103非常适合用来实现通信网关和协议转换器、数学协处理器以及足够大空间的缓冲区的强大处理功能。
而多个32位和16位的定时器、一个经改良后的10位ADC、PWM特性(通过所有定时器上的一个输出匹配来实现)和32个快速GPIO(含有多达9个边沿或电平有效的外部中断管脚)使它们特别适用于工业控制和医疗系统。
图2.1智能家居系统的总体结构
2.1设计流程
系统整体设计流程如图2.2所示,由硬件电路设计、PC端程序设计、单片机程序设计和测试四个部分组成。
其中,硬件电路设计分为CPU电路设计、继电器设计、串口设计、电源电路设计和复位电路五个部分构成;PC端程序设计由客户端PC程序和服务端PC程序构成;最后进行系统的整体测试。
图2.2系统整体设计流程
2.2硬件设计方案
硬件系统主要由Philips2103实验板、PC电脑2台、串口数据线和用电器构成。
Philips2103实验板的硬件电路设计如图2.4所示,由CPU电路设计、继电器设计、串口设计、电源电路设计和复位电路设计五部分构成。
图2.3硬件电路设计
2.3软件设计方案
如图2.4所示,软件设计方案主要由客户端PC软件和服务端PC软件两个部分构成。
图2.4软件设计方案
2.4单片机软件的设计
通过单片机的编码实验单片机对指令的接收与处理,以实现预期的功能目标。
2.5拟解决的关键问题
针对智能家居的特点,要合理地完善计算机客户端与服务端的通讯方式、出错控制和中央电脑与单片机的通讯方式、人工校验,以保证系统可以可靠、稳定地运行。
2.6本章小结
本章主要分析了目前智能家居的形势和提出硬、软件协同设计的思想以达到本项目设计的顺利实现。
根据自己的设计思想,作出硬件、软件分析并在此基础上进行硬件设计、软件设计和测试。
第3章硬件系统的设计
C/S模型的智能家居模型,需要硬件系统对从PC客户端发来的数据有一个即时的分析和处理,对系统处理的可靠性和即时性很高的要求。
Philips的LPC2103芯片被广泛地应用于各嵌入式系统的设计,可以满足本系统的要求。
基于本项目的软件系统的特征,硬件平台需要需要具备以下功能:
[8]
1.针对实时数据的处理需求,选用PhilipsLPC2103芯片作为中央处理器。
2.针对系统根据接收到的指令进行开关的开与断,要求一个继电器电路。
3.针对ARM实验板接收数据的需求,硬件平台必须具备2个串行接口。
4.为了能使软件系统持续稳定的工作,需要一个5V的直流电源。
5.任何的硬件系统必备的一个模块就是复位电路。
复位电路的设计为硬件系统和软件系统在运行过程中出现的异常情况提供一个可靠、快捷的处理方式。
3.1CPU电路设计
图3.1中央处理器及各针脚定义
如图3.1所示,本硬件电路板采用PhilipsLPC2103芯片为中央处理器。
主要特性:
1.16/32位ARM7TDMI-S处理器,极小型LQFP48封装。
2.2kB/4kB/8kB的片内静态RAM,8kB/16kB/32kB的片内Flash程序存储器,128位宽的接口/加速器使其实现了70MHz的高速操作。
3.通过片内Boot-loader软件实现在系统/在应用编程(ISP/IAP)。
Flash编程时间:
1ms可编程256字节,单个Flash扇区擦除或整片擦除只需400ms。
4.EmbeddedICERT通过片内RealMonitor软件来提供实时调试。
5.10位的A/D转换器含有8个模拟输入,每个通道的转换时间低至2.44μs,专用的结果寄存器使中断开销降到最低。
6.2个32位的定时器/外部事件计数器,具有7路捕获和7路比较通道。
7.2个16位的定时器/外部事件计数器,具有3路捕获和7路比较通道。
8.低功耗实时时钟(RTC),有独立的供电电源和专门的32kHz时钟输入。
9.多个串行接口,包括2个UART(16C550),2个快速I2C总线(400kbits/s)以及带缓冲和可变数据长度功能的SPI和SSP。
10.向量中断控制器,可配置优先级和向量地址。
11.多达32个可承受5V的通用I/O口。
12.高达13个边沿或电平有效的外部中断管脚。
13.通过可编程的片内PLL[9](可能的输入频率范围:
10MHz~25MHz)可实现最大为70MHz的CPU时钟频率,设置时间为100us。
14.片内集成的振荡器,工作在1MHz~25MHz的外部晶体下。
15.节电模式包括空闲模式、RTC有效的睡眠模式和掉电模式。
16.通过外设功能的单独使能/禁止和调节外设时钟来实现功耗的最优化。
17.通过外部中断或RTC将处理器从掉电模式中唤醒。
LPC2103各针脚的功能如表1所示:
表3.1CPU各针脚定义
续表3.1
续表3.1
续表3.1
续表3.1
3.2继电器电路设计
图3.2继电器电路设计
继电器是一种电子控制器件,它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路),通常应用于自动控制电路中,它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
如图3.2所示电路是当输入量达到规定值时,使被控制的输出电路导通或断开的电器。
继电器具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。
广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
只要在线圈两端加上一定的电压,线圈中就会流过一定的电流,从而产生电磁效应,衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。
当线圈断电后,电磁的吸力也随之消失,衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置,使动触点与原来的静触点(常闭触点)吸合。
这样吸合、释放,从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点,可以这样来区分:
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点,称为“常开触点”;处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
本系统采用普通额定电压12V,5针脚的光敏继电器。
3.3串行接口设计
图3.3串口RS232电路设计[10]
如图3.3所示,串口接口电路采用SP3222E/3232E芯片分别与串口1和串口2中的URXD0、UTXD0、RXD0、TXD0相连,以实现数据的发送与接收。
SP3222E/3232E系列是RS232收发器对便携式或手持式应用如笔记本或掌上型电脑的一种解决方案。
SP3222E/3232E系列有一个高效的电荷泵,工作电压为3.3V时只需0.1μF电容就可进行操作。
电荷泵允许SP3222E/3232E系列在+3.3V到+5.0V内的某个电压下发送符合RS-232的信号。
SP3222E/3232E系列是一个2驱动器/2接收器的器件,适用于便携式或手持式设备(如笔记本或掌上型电脑)。
SP3222E/3232E器件的ESD保护使得驱动器和接收器的管脚可承受±15kV人体放电模式和IEC1000-4-2气隙放电模式。
SP3222E器件包含一种低功耗关断模式,该模式下器件的驱动器输出和电荷泵被禁止。
关断状态下,电源电流低于1μA。
[11]
3.4电源电路设计
图3.4电源电路设计
如图3.4所示,电源电路使用一个AS11173.3V芯片和一个AS11171.8V芯片完成主要功能。
AS1117是一款低功耗的稳压器件,能够满足2.85V的固定输出电压和800mA的输出电流,并符合支持SCSI-II规格。
该芯片是SCSI总线和便携式计算机中电池供电稳压的理想
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- CS 模型 智能家居 电源 控制系统 硕士学位 论文