智能家居系统设计，帮助家庭远离雾霾
一、项目概述1.1 引言
随着社会经济水平的发展，现在人们的生活追求个性化、自动化，追求快节奏，追求充满乐趣的生活方式，家装要求的档次越来越高，生活家居要求一种人性化、智能化。智能电子技术在现实生活中的智能家居电子产品中得到广泛应用。而计算机网络与通讯技术的应用，给人们的家居生活带来了全新的感受。智能家居正在日渐兴起，家居智能化成为一种趋势。
智能家居概念的起源甚早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司（United Techno1ogies Building System）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州（Conneticut)哈特佛市（Hartford）的CityPlaceBuilding时，才出现了首栋的[智能型建筑],从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。
进入20世纪90年代后期以来，数字化技术取得了更加迅猛的发展并日益渗透到各个领域。随着Internet网向普通家庭生活不断扩展，消费电子、计算机、通讯一体化趋势日趋明显，智能化信息家电产品已经开始步入社会和家庭。智能信息家电由于其安全、方便、高效、快捷、智能化等特点在21世纪将成为现代社会和家庭的新时尚。
“智能家居”是以住宅为平台，集系统、结构、服务、管理、控制于一体，利用先进的网络通讯技术、电力自动化技术、计算机技术、无线电技术，将与居家生活有关的各种设备有机地结合起来，通过网络化的综合管理家中设备，来创造一个优质、高效、舒适、安全、便利、节能、健康、环保的居住生活环境空间。
智能家居在保持了传统的居住功能的基础上，摆脱了被动模式，成为具有能动性智能化的现代工具。它不仅提供了全方位的信息交换功能，还优化了人们的生活方式和居住环境，帮助人们有效地安排时间、节约各种能源，实现了
对家居的无线控制、手机控制、计算机网络控制等。
1.2 项目背景/选题动机
随着科技的发展和人们生活水平的提高，人们对生活方便快捷环保节能的要求越来越高，智能家居系统应运而生。将无线通信技术和网络控制技术应用于智能家居，将现代电子技术、通讯技术及自动化技术相结合，使控制器具有了信息的获取、加工、传递等功能，并能够实现对家电设备的自动控制和管理，防火防盗防煤气泄漏防室内空气污染，能够为用户提供环保、安全、舒适、高效便利的生活环境。有效的帮助屋主与家居保持联系，优化人们的生活方式，帮助人们合理安排时间，增强家居生活的安全性和舒适性，并能减少能耗。虽然智能家居的概念早已经提出，但是目前多数家庭并未真正享受到所谓智能家居带来的全新家居体验。同时，现代意义上的智能家居推广在短期内较难实现，且即使实现成本也超过了人们所能承受的范围。我们所申请的“基于AVRmeg16智能家居系统”适用于目前的普通家庭，无须对居室结构和装潢做出改动，仅需安装一些模块便可以实现智能家居理念当中的相当一部分功能，经济成本较低，可以让普通家庭也能享受到科技对家居生活带来的便利，具有较强的推广性。
二、需求分析
2.1 功能要求
1.实现对室内空气质量的监测及控制，保证室内空气的质量。在室内空气遭到污染，如有煤气泄漏时，窗户能自动打开，进行通风。如果窗户长期忘记打开时，窗户也能自动打开进行空气流通，确保室内的空气环境良好。
2.实现家用电器状态监测及控制。通过手机或者网络随时了解家中的情况，如窗户是否开启，家用电器是否关闭；并能利用手机与网络对机器的状态进行远程控制，如家用电器忘关时，可以远程关闭。
3.当发生突发事件时，具有应急响应状态。假如家中发生煤气泄漏或者居室出现入侵者，系统启动应急模式，启动声光报警，并自动向主人的手机发送紧急信号。
4.利用无线通讯，实现短距的网络连接，使家中各个家居成为一个互联的系统。
5.根据环境的情况，系统能作出相应的操作。例如居室内的空气长时间没有流通时，窗户可以自动打开。刮风、下雨等窗户能自动关闭。
6.实现互联网的访问控制。通过浏览器登录网页就能实现对该系统的访问与控制。
图1 系统架构
2.2 性能要求
1、该系统实现低功耗标准。
2、该系统可靠，安全，一旦工作不正常能迅速发出声光警报。
3、居室环境状态采集准确、方位全面，反馈迅速。
4、反馈信息迅速、准确、高效。
5、无线收发距离远、数据准确。
6、响应命令迅速、准确。
7、有效的保证室内的空气流通，保护室内环境。
三、方案设计
3.1 系统功能实现原理
系统硬件结构框图
3.2 硬件平台选用及资源配置
主控模块：
AVRmeg16
AVRmeg16的主要特性如下
•高性能、低功耗的 8 位 AVR ? 微处理器
•先进的 RISC 结构
– 131 条指令 – 大多数指令执行时间为单个时钟周期
– 32 个 8 位通用工作寄存器
– 全静态工作
– 工作于 16 MHz 时性能高达 16 MIPS
– 只需两个时钟周期的硬件乘法器
•非易失性程序和数据存储器
– 16K 字节的系统内可编程 Flash
擦写寿命 : 10,000 次
– 具有独立锁定位的可选 Boot 代码区
通过片上 Boot 程序实现系统内编程
真正的同时读写操作
– 512 字节的 EEPROM
擦写寿命 : 100,000 次
– 1K 字节的片内 SRAM
– 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密
•JTAG 接口 ( 与 IEEE 1149.1 标准兼容 )
– 符合 JTAG 标准的边界扫描功能
– 支持扩展的片内调试功能
– 通过 JTAG 接口实现对 Flash、 EEPROM、熔丝位和锁定位的编程
•外设特点
– 两个具有独立预分频器和比较器功能的 8 位定时器 / 计数器
– 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 16 位定时器 / 计数器
– 具有独立振荡器的实时计数器 RTC
– 四通道 PWM
– 8 路 10 位 ADC
8 个单端通道
TQFP 封装的 7 个差分通道
2 个具有可编程增益 （1x, 10x, 或 200x）的差分通道
– 面向字节的两线接口
– 两个可编程的串行 USART
– 可工作于主机 / 从机模式的 SPI 串行接口
– 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器
– 片内模拟比较器
•特殊的处理器特点
– 上电复位以及可编程的掉电检测
– 片内经过标定的 RC 振荡器
– 片内 / 片外中断源
– 6 种睡眠模式 : 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及
扩展的 Standby 模式
•I/O 和封装
– 32 个可编程的 I/O 口
– 40 引脚 PDIP 封装 , 44 引脚 TQFP 封装 , 与 44 引脚 MLF 封装
•工作电压 :
– ATmega16L：2.7 - 5.5V
– ATmega16：4.5 - 5.5V
•速度等级
– 0 - 8 MHz ATmega16L
– 0 - 16 MHz ATmega16
•ATmega16L 在 1 MHz, 3V, 25°C 时的功耗
– 正常模式 : 1.1 mA
– 空闲模式 : 0.35 mA
– 掉电模式 : < 1 ?A
网络模块：
AT32UC3A0512
AT32UC3A0512主要特性如下：
高性能，低功耗AVR32UC 32位微控制器
精简单周期RISC指令集，含DSP指令集
“读-改-写”三步操作和位元处理操作
1.49 DMIPS/MHz性能表现
在FLASH中66 MHz下，高达91 DMIPS的运行速度(1等待状态)
在FLASH中33 MHz下，高达49 DMIPS的运行速度(0等待状态)
内存保护单元
多层次总线系统
通过为提高性能而设的独立总线上，实现高性能数据传输
15个外设DMA通道，提高外设通信速度
内部高速FLASH
512K Bytes
单周期访问速度高达33 MHz
预取缓冲，优化了指令执行效率，达到最高速度
4ms页面编程时间和8ms整片擦除时间
100,000次写周期，15年数据保存能力
FLASH安全锁定和用户自定义配置区
内部高速SRAM，全速单周期访问
64K Bytes
外部存储器接口，用于AT32UC3A0扩展
兼容SDRAM/SRAM存储器总线(16位数据总线和24位地址总线)
中断控制器
自动向量低延时中断服务，带可编程优先级
系统功能
电源时钟管理，含内部RC时钟和1个32KHz晶振
两个多用途振荡器和双锁相环(PLL)，允许独立CPU频率，不受USB频率影响
看门狗定时器，实时时钟定时器
通用串行总线
Device 2.0全速，以及On-The-Go(OTG)低速和全速
通过专用的DMA通道实现灵活的端点配置和管理
片上收发器，含上拉电阻
10/100 Mbps的以太网MAC接口
802.3以太网媒体访问控制器
支持媒体独立接口(MII)和简化MII(RMII)
1个三通道16位定时/计数器(TC)
3个外部时钟输入，PWM，接收和多种计时能力
1个7通道16位脉宽调制控制器(PWM)
4个通用 同步/异步 接收/发送器(USART)
独立波特率发生器，支持SPI，IrDA和ISO7816接口
支持硬件握手操作，RS485接口和调制解调线路
2个主/从串行外设接口(SPI)，带片选信号
1个同步串行协议控制器
支持I2S协议和通用基于框架协议
1个主/从2-wire接口(TWI)，兼容400kbit/s I2C
1个8通道10位模数转换器
16位立体声比特流
采样速率最高可达50 KHz
片上调试系统(JTAG接口)
Nexus Class 2+，运行控制，非强加数据和程序跟踪
100脚 TQFP(69 GPIO引脚)，144脚 LQFP(109 GPIO引脚)
5V输入容差I/Os
3.3V单电源供电或1.8V-3.3V双电源供电
资源配置：
[*] 使用AVRmeg16 的全部特性。
2.使用AT32UC3A0512中的10/100 Mbps的以太网MAC接口 ，802.3以太网媒体访问控制器，UART等模块。
3.3系统软件架构
主系统程序流程介绍：
首先是系统初始化，包括各个模块和IO口的设置；然后传感器采集数据，并在N5110上面显示；然后判断是否有命令发送过来，并判断该命令是PC机或RF通信模块发送的还是GPRS模块发送的；然后检测是什么命令，并根据命令来执行不同的动作；最后将采集到的数据根据是否有命令发送给GPRS模块或PC机或RF通信模块或声光报警模块。
GPRS模块程序流程介绍：
首先是GPRS初始化，包括AT指令，文本格式接收；然后判断是否有短信或者是有数据发送过来；然后将手机接收到的命令转发给GPRS主控器，将接收到的数据在N5110上面显示；最后GPRS模块通过无线模块发送命令给采集数据的主控器。
嵌入式WEB服务器程序流程介绍：
使用HTML语言编写WEB界面，服务器使用CGI接口提取用户的指令，以太网数据的传输采用MAC地址来识别,ARP协议提供IP地址和数据链路层使用的MAC地址之间的转换 功能,为了保证系统在以太网的通信,首先要实现ARP协议;由于嵌入式WEB服务器要能在 Internet上通信,在网络层一定要实现IP协议,还要实现能报告数据传送差错等情况的ICMP协议;在应用层,主要实现远端主机通过浏览器的访问控制方式,所以要实现HTTP协 议。而HTTP协议是基于TCP协议实现传输的,加上TCP协议是面向可靠的数据流的传输, 基于应用的需要和对可靠性的要求,在传输层采用TCP协议,并对TCP协议进行简化处理, 主要针对HTTP协议开发TCP协议。
3.4 系统软件流程
主控制系统程序运行流程图：
GPRS程序运行流程图：
程序运行流程图
3.4 系统预计实现结果
1.实现家用电器状态监测及控制。通过手机或者网络随时了解家中的情况，如窗户是否开启，家用电器是否关闭；并能利用手机与网络对机器的状态进行远程控制，如家用电器忘关时，可以远程关闭。
2.当发生突发事件时，具有应急响应状态。假如家中发生煤气泄漏或者居室出现入侵者，系统启动应急模式，启动声光报警，并自动向主人的手机发送紧急信号。
3.利用无线通讯，实现短距的网络连接，使家中各个家居成为一个互联的系统。
4.根据环境的情况，系统能作出相应的操作。例如居室内的空气长时间没有流通时，窗户可以自动打开。刮风、下雨等窗户能自动关闭。
5.实现互联网的访问控制。通过浏览器登录网页就能实现对该系统的访问与控制。
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