论文总字数：35440字

摘 要

目前，随着国际互联网与传感器网络技术的发展与融合，智能家居系统因其突出的优势和强大的吸引力，正在以前所未有的速度发展。世界各国在智能家居方面的实现方案也多种多样，并在向设计通用化和便捷化方向发展。可以设想，未来的智能家居系统将使用户的家庭转变为一个多设备协调工作的大型智能系统，为人们的生活带来巨大的舒适性、便捷性和更好的生活体验。

传统的智能家居在布线设计等方面具有较大的局限性，本文立足于解决该问题的目的，决定采用ZigBee方案组建家居内部物联网来避免布线带来的局限，同时对方案所需的智能家居网关的硬件设备包括主控模块和协调器模块进行了设计与实现。

首先，本文在对目前国际上智能家居网关的实现方案进行了分析之后，依据本次网关设计性能指标对硬件设计进行了需求分析，将两者结合之后初步确定了本次设计的总计架构，决定将网关分为主控模块和协调器模块两部分进行设计，进而对设计所需的硬件进行了分析，确立了各子模块的具体设计方案并进行了硬件选型。

接下来，根据选择的硬件及其合适的应用方法，对主控模块的硬件电路进行了设计，并利用Altium Designer完成了PCB板的布局、布线以及最终的实现和测试。

最后，对本文的核心工作进行了总结，并对为本文提供支持的人表示感谢。

关键词：智能家居网关，ARM，硬件设计，模块，Altium Designer

THE DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A SMART HOME’S DATA SERVICE TERMINAL

Abstract

Now, with the development and integration of internet and sensor network, the smart home system is growing at an unprecedented pace because of its outstanding advantages and strong attractions. In the world, there are so many programs to achieve the system, and they are going to have more and more generality and convenience. It is envisaged that in the future, smart home system will allow a user's home into a large-scale intelligent system with the coordination of multi-device for people's comfort, convenience and better life experiences.

Traditional smart home have great limitations in wiring design, this paper decided to adopt ZigBee scheme to set up the internal home networking to avoid the limitations of wiring, and at the same time, design the control module and synchronizer module of smart home gateway.

Firstly, after analyzing the programs of smart home gateway in the world, this paper shows the results of requirement analysis in the hardware design based on the performance indicators, and determine the total framework of this design. This paper decides divided gateway into two parts with main control module and coordination module, and establish the specific programs of submodules.

Then, depending on the selected hardware and its appropriate application method, paper designs the hardware circuit of control module, and use the Altium Designer to complete the placement, routing and final implementation and test of the PCB.

Finally, the core work of this paper is summarized, and expressing the gratitude for persons who provided support for this paper.

KEYWORDS: Smart Home Gateway, ARM, Hardware Design, Module, Altium Designer

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景和意义 1

1.2 智能家居系统概述 2

1.3 智能家居无线网组网方案 4

1.4 智能家居的国内外研究现状 6

1.5 本文的主要研究内容 8

1.6 论文章节内容安排 8

第2章 需求分析和总体设计 9

2.1 智能家居网关需求 9

2.2 智能家居网关选取 10

2.3 智能家居网关结构组成 11

2.4 主控模块芯片选型与方案设计 11

2.4.1 处理器 12

2.4.2 存储器 14

2.4.3 WIFI接口 16

2.4.4 以太网接口 17

2.4.5 UART接口 17

2.4.6 按键与LED指示输出 17

2.5 协调器模块方案设计 17

2.6 智能家居网关总体结构 18

2.7 设计可行性分析 19

2.8 本章小结 20

第3章 硬件电路设计 21

3.1 主控模块电路 21

3.1.1 电源电路 21

3.1.2 SD卡接口电路 24

3.1.3 以太网接口电路 26

3.1.4 UART接口电路 29

3.1.5 USB2.0接口电路 30

3.1.6 实时时钟电路 31

3.1.7 按键指示灯接口电路 31

3.2 PCB设计 32

3.3 本章小结 35

第4章 硬件测试 37

4.1 Bootloader简介 37

4.2 Bootloader移植与硬件测试 37

4.2.1 电源模块测试 37

4.2.2 Bootloader下载与部分模块测试 38

4.2.3 以太网接口测试 41

4.2.4 SD卡模块测试 45

4.3 本章小结 46

第5章 总结和展望 47

5.1 总结 47

5.2 展望 48

致谢 49

参考文献 51

附录 53

绪论

课题研究背景和意义

伴随着互联网移动性和智能化的进一步发展，移动互联网和物联网成为又一次信息化浪潮，同时也将促进世界经济的飞跃性发展。物联网通过传感器网络连接人们的生活设备，形成一个内部专有的传感器网络，再将其通过互联网连接，形成一个通过智能化网络感知世界的物理设备。这样一来，各种智能终端就可以提供给人们浏览和管理各种家用设备的服务，包括设备的运行状态和信息等，从而实现人们日常生活的智能和自动化。

智能家居作为物联网在日常生活中的具体体现，是通过多种技术包括计算机网络和传感器网络的融合，提供一个智能家庭自动化系统的居住环境。在智能家居系统中，利用智能手机、个人电脑和无线遥控器等方法，用户可以查看家庭网络内部信息并进行控制。作为一个智能化居住平台，智能家居利用综合布线、网络通信、安全防范、自动控制、音视频等技术与家居设施的集成，构建高效的家庭设施与日程事物的管理系统，提升家居的安全性、便利性、舒适性以及艺术性，创造一个生态友好的生活环境^[1]。同时，采用数字通信技术将房子周围照明系统、空调、窗帘控制器等智能设备有机结合起来，营造一个轻松、方便的智能间距环境氛围。

在控制方面，随着移动互联网的飞速发展，各种视觉场景和语音识别的智能手机应用程序极大地丰富了人们的需求。而基于手机本身的移动性，用户可以更加高效便捷地进行远程控制。智能家居系统中，各种设备可以彼此相互通信，根据在系统中不同的操作条件协调各自的状态，而无需用户的指令，让人们轻松享受智能家居带给生活的舒适。传统的智能家居系统，在如今互联网和移动互联网的迅猛发展之下，其智能终端和中央控制系统都在向更加智能化的方向发展。

智能家居的概念出现在上世纪80年代，在当时的情况下，很少有具体的建筑案例。步入21世纪，随着网络通信技术的进一步发展，物联网被认为是可与Internet相比拟的重要技术革新之一。依托现有网络基础设施，物联网与因特网、电信网络、宽带网络和传感器技术相融合^[2]。作为一个有前途的朝阳产业，物联网正在逐渐普及并越来越多地走进人们的生活。物联网领域的相关专家表示，物联网技术及其相关产业正在逐步走向成熟，未来在我国将呈现如下几个发展趋势：技术标准化、经营管理制度化以及产业草根化^[3]。物联网的理念为智能家居带来了新思想，极大推动了智能家居这一物联网的重要应用的发展。限制于传统智能家居综合布线的思想，智能家居的发展一直广受制约，现在与无线技术相结合，大规模物联网应用与智能家居的蓬勃发展已经具备了成熟的先决条件。

简单来说，人们可以这样来理解物联网——将日常生活中作为传感器单元的物理设备通过无线通信网络连接在一起，最后形成经由Internet互通的巨大网络。Zigbee网络在智能家居系统中扮演着沟通各个子系统和感测单元的角色，因此需要智能网关来充当内部和外部网络之间通信时的桥梁作用，以实现通过外网访问和控制内部家庭网络中央控制系统的功能，它是智能家居的核心设备。

总之，更多的信息化设备进入家庭，智能家居也将搭载着智能化、数字化家电飞跃发展的快车迅速改变人们的生活，带给人们提供更加舒适、方便和高效的生活。

智能家居系统概述

智能家居按照人体工程学设计，集成各子系统和家庭生活的个性化需求，如安全、灯光控制、窗帘控制、地板采暖等，采用先进的计算机、网络通信、综合布线和医疗电子等技术综合控制管理家居系统，实现“以人为本”的家居体验。其总体结构如图1-1所示。通过智能家居网关，智能家居系统可以实现家庭内网与Internet的对接和交互，并对接入网络的智能家居设备进行远程的监视、查询、管理和控制。为了实现网络接口和ZigBee接口之间的协议转换，从而在这两种异构网络之间进行信息交互，智能家居网关必须集成上述两种接口，同时，网关还需要足够的运算处理和存储能力来支持对下层ZigBee设备的调控。

系统总体结构

智能家居系统有如下几点需求：

组网需求

智能家居系统的精髓是通过网络来对家庭内部网络中的智能设备进行控制，这就需要将家居中相互独立的子系统连接形成一个家庭内部的物联网^[5]。

远程控制

如今，智能手机、平板电脑等移动终端功能越来越强大，使用也越来越便捷，因此利用移动终端来对智能家居系统进行控制才是用户想要的体验，这就要求在本地和远程都可以对系统进行交互操作。

低功耗

由于家用设备终端很多需要在电池供能的情况下长时间工作，因此智能家居系统必须做好功耗处理，设计合适的低功耗模式^[7]。

智能化

智能家居系统应当做到根据历史数据以及当前工作状态运算得到优化控制结果，而这一切都应当在无人为操作干预的情况下自行完成，因此需要系统可以进行高效的数据收集、存储和运算处理。

低成本

成本是决定一个产品能否成功推广的重要因素，因此智能家居系统的成本不能太高，否则会限制其在市场的应用发展进而影响到该领域的长远发展。

可扩展

伴随着家居设备的不断发展，越来越多的新型智能家居设备问世并投入市场，因此系统需要具备良好的兼容性和可扩展性。

可靠性

智能家居系统在家庭中需要全天候运行，而且需要处理大量的设备数据，因此对系统的安全可靠和容错能力有着很高的要求，系统必须具备应对各种突发的复杂环境扰动因素的能力，保证家居、建筑以及人员的安全。

数据安全

伴随着网络的开放程度提高以及越来越多设备入网，家庭内部的数据包含着人们越来越多的隐私信息，智能家居系统必须能对这些内部隐私信息进行严格的保密处理，同时还要具备对流入家庭内部的数据进行审查的能力，保证智能设备不被非法操作，保障用户的安全。

智能家居无线网组网方案

传统的智能家居系统采用基于RS-485或CAN总线的现场布线方式来实现家居内部物联网的组建，这种利用有线网络组网通信的方式虽然具有较高的安全性和较低的数据传输延迟，布线技术也相对可靠，但是在安装和布线上存在较多的限制，例如：安装繁琐、布线设计不具备通用性、布线后不易更改等问题。这在家居环境变化迅速的当今是很不合理的，不仅会对家居环境造成一定程度的破坏，而且重复利用性低。因此，在同时考虑了上述因素以及家居内部较小的环境噪音干扰的状况下，利用短距离无线通信技术进行内部物联网的组建无疑是一个很好的解决方案。

短距离无线通信范围一般从几厘米到几百米不等，发射功率较小，工作在高频段^[8][22]。典型的短距离无线通信系统工作状态如图1-2所示，系统由无线发射器和接收器组成，数据由无线发射器的发射天线以无线数据的形式发出，接收器通过天线接收数据后处理得到正确的数据形式。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：35440字

相关图片展示：