基于ZigBee技术的智能家居安全监控系统设计毕业设计.doc

基于ZigBee技术的智能家居安全监控系统设计摘要 ZigBee是一种新兴的短距离无线通信技术,为实现对家庭安全的实时监控，提出了智能家居远程安全监控系统设计方案。系统基于ZigBee技术和GSM/GPRS网络进行设计，能够通过彩信和短信发出监控图像和报警信息，接收远程指令；同时引入了多种传感器，实现了对家用电器的远程控制，实现了智能家居远程监控。重点阐述了系统的硬件、软件设计以及系统的性能测试，实现了多个监控装置的无线联网。实验结果表明，所设计的系统能够实现安全、便捷的智能家居远程监控，并具有较高的可用性和可靠性,验证了ZigBee技术应用于低速个域网具有低功耗、可扩展性以及较高的实用性等特点。 关键词：智能家居； 无线网络； ZigBee；【Abstract】ZigBee is a new kind of short distance wireless communication technology,To realize the real-time monitoring of family security, and put forward the intelligent household remote security monitoring system design scheme. System based on ZigBee technology and GSM/GPRS network design, can through the MMS and SMS send monitoring image and alarm information, receiving remote instruction; At the same time introduced a variety of sensors, realize the household appliances remote control, realize the intelligent household remote monitoring. Elaborated the system hardware, software design and system performance test, and realize multiple monitor wireless networking. The experimental results show that the designed system can realize the safe, convenient intelligent household remote monitoring, and has high availability and reliability. 【Keywords】: smart home; Wireless network; ZigBee;目录1 绪论11.1 引言11.2 报警器发展现状11.3 课题的主要内容现实意义12 系统总体方案设计32.1 总体方案设计32.2 系统工作原理33 器件选择及简介53.1 热释电红外线传感器及其基本原理53.2 微波探测器63.3 AT89S51单片机概述73.3.1 AT89S51单片机功能特性83.3.2 AT89S51单片机的管脚说明84 具体电路模块设计104.1 防盗探测器电路设计104.1.1 热释电红外传感器电路设计104.1.2 微波探测器电路设计114.2 放大电路设计114.3 时钟电路设计124.4 复位电路设计124.5 报警电路设计134.5.1 LED发光报警电路设计134.5.2 扬声器报警电路设计135 报警器软件设计145.1 主程序工作流程图145.2 中断服务流程图146 软件仿真16结论23致谢24参考文献25附录26附录1 proteus仿真图26附录2 源程序271. 绪论1.1 引言智能家居又称智能住宅，正朝着具备无线远程控制、多媒体控制、高速数据传输等功能的方向发展，其关键技术为兼容性强的家庭控制器和满足信息传输需要的家庭网络。目前，传输网络多采用综合布线技术，限制了系统的应用场所，而且费用较高。采用无线方式构建灵活便捷的智能家居安全监控系统，成为当前的研究热点。目前，应用于智能家居的无线通信技术主要包括： Ir2DA红外线技术、蓝牙技术和ZigBee技术等。IrDA属于短距离、点对点的半双工通信方式，使用不便且失误率高，不适用于家庭的组网方式；蓝牙技术则因为网络容量有限，成本较高，不适于节点较多的家居网络应用。本研究通过采用传输范围适中、安全可靠、网络容量较大的ZigBee技术，设计智能家居远程安全监控系统。1.2 智能家居系统的国内外研究现状121智能家居系统的国外研究现状自从世界上第一幢智能建筑在美国出现后，国外的智能家居已经获得了长足的发展。一些知名企业如IBM、CISCO、Siemens、Samsung、Microsoit、Sony、Panasonic很早就投身到这一领域，最初他们的产品种类繁多，各自采用的技术标准也不尽相同。发展至今，已经形成了比较统一的通信协议标准，这些协议标准在国际智能家居和家庭网络中占据主导地位。国外目前比较流行的智能家居品牌有：AMX、Crestron、ELAN、HAI(美国海益)【l】以及已经打入中国市场的Honeywell(霍尼韦尔)、LG。国外这些智能家居品牌主要采用的通信协议标准有：1)LonWorks协议LonWorks协议是由美国Echelon公司与Motorola和东芝公司共同倡导的，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISOOSI模型的全部七层通行协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从300bs至15Mbs不等，直接通信距离可达2700m，支持多种通信介质。其最大特点是在总线上挂接具有神经元(Neuron)芯片的控制节点，而这些芯片内已经固化有标准的网络通信协议、内嵌式网络操作系统和运作的时间数据库。可以说LonWorks协议最大的应用领域就是在楼宇自动化方面，它包括建筑物监控系统的几乎所有领域，即能源管理、消防、救生、供暖通风、测量、安保等。LonWorks协议中的介质访问控制层，即ISOOSI模型中的第1、2层，已经被接纳为建筑自动化控制网络(BACnet)的标准，同时也被美国国家标准协会(ANSI)制定的有关标准所采纳。2)CEBus协议CEBus(ConsumerElectroniCS Bus，消费电子总线)是美国于1984年4月开始组织开发的一种智能家庭网络系统的标准，经过多年研究，于1992年正式推出，并正式命名为CEBus。CEBus采用的传输介质可以是多种多样的：电力线、双绞线等。它在电力线载波模式工作时最具有优势。CEBus协议是一种开放式标准，在通信协议上遵循ISOOSI七层协议框架。CEBUS省略了ISOOSI七层协议中的传输层(TransportLayer)、会话层(Session Layer)和表达层(PresentationLayer)，仅保留物理层(PhysicalLayer)、链路层(LinkLayer)、网络层(NetworkLayer)和应用层(ApplicationLayer)。CEBUS协议具有两个典型特点：一是，在介质访问控制子层(MAC)采用总线结构的CSMACDCR(Carrier-sensingMultipleAccesswithCollisionDetectionandcollisionresolution，即载波侦听多路访问冲突检测协调协议)，即一个网络节点在需要通过总线来发送数据时，它首先要检测总线上是否有数据在传输，只有确认总线上没有数据在传输时，它才向总线发送数据，以确保任何两个节点不会同时占用总线而产生冲突；二是CEBus总线专门配置了专用的应用语言系统CAL(CommonApplication Language)，利用CAL系统可方便地对网络上的各种家电设备进行逻辑控制关系的设定，同时也可以以文件的模式来描述一个家电设备的功能。3)X-lO协议 X10协议是由美国RadioshareChain公司于1978年研制成功的，是国际通用的智能家居电力载波协议。目前己广泛应用于家庭安全监控、家用电器控制和住宅仪表数字读取等方面。它是以50Hz或(60Hz)为载波，再以120KHz的脉冲为调变波，发展出来的数位控制技术，并采用电力线为连接介质对电子设备进行远程控制的通信协议。X10的兼容产品可以通过电力线互相通讯，不需要重新铺设控制线路，电力线在提供电流的同时又可以像网线一样传送控制指令，从而实现网络化的控制。 国外厂家大多数都是专业生产家庭智能化设备的，历史悠久，产品的可靠性以及性能都经历了验证。国外的智能家居产品比较注重家庭内部功能的实现，不足之处在于其价格比较高和联网的能力方面比较差。122智能家居系统的国内研究现状 我国在智能家居研究领域起步较晚。最初，国内较有实力的家电厂商涉足了这一领域，比如，康佳、创维、厦华、美的、春兰等推出了系统改进的信息家电，为智能家居的实施提供了功能终端设备；然后到了1999年3月10日，微软的比尔·盖茨的深圳之行又推出了“维纳斯"计划，使国内的IT厂家对智能家居有了更加清晰的认识，他们将研究注意力主要集中在系统构成上，从而从根本上解决了目前智能家居存在的弊端和问题；目前，智能家居在国内的发展已全面展开，不论是技术还是市场方面都出现了可喜的局面。2008年12月4日，由千家网、千家品牌实验室共同主办的第九届中国国际建筑智能化峰会上，揭晓了“2008年中国智能家居十大品牌"，其中，中国国内的品牌有：上海索博、广州安居宝、青岛海尔、天津瑞朗、深圳波创、深圳普力特、上海慧居、深圳松本先天下、厦门振威安全。就智能家居解决方案而言，主要的困难就是系统通信，而最核心的问题还是通信协议的选择。上述中国智能家居十大品牌以及其它一些厂商的解决方案中，除了引进国外主流的一些通信协议外，还采取以下几种系统通信方案：1)荷兰PLCBUS技术上海索博就采用的是PLCBUS技术。PLCBUS技术是一种高稳定性及较高性价比的双向电力线通信总线技术，它主要利用已有的电力线来实现对灯光、家用电器及办公设备的智能控制。PLCBUS系统主要由三部分组成，即发射器、接收器和系统配套设备。发射器主要作用是通过电力线发射PLC-BUS控制信号给接收器，通过对接收器的控制，从而达到间接控制灯及电器设备的目的；接收器主要作用是接收来自电力线的PLCBUS控制信号，并执行相关控制命令，从而达到灯及电器控制的目的；系统配套设备主要是为了配合发射器及接收器设备，辅助实现控制目的，例如：三相耦合器、信号转换器、信号强度分析仪、吸波器等。PLCBUS技术的解决方案包括如下领域的应用：灯光控制，电器控制，HVAC控制以及网络与电器设备间的通信。2)HBus总线协议深圳普利特智能家居系统采用的就是HBus总线。HBus分布式总线是一种适合于中国家庭自动化及小型工业控制环境的简单、可靠、易用而又低成本的新型现场总线控制系统，可实现家庭电气设备及小型工业设备的现场互连与控制；方便构建一个统一的底层网络。它采用双向数字通信，无冲撞通信协议设计，系统容量大。同时采用了UTP5作为系统总线，布线简便。通讯速率为96KBS，总线电压为+12V，系统总线传输距离大于1000m。3)ApBus总线(网络)技术深圳汇创智能家居系统采用的就是ApBus总线技术。ApBus总线(网络)技术是具有专利产权的总线技术。ApBus采用的是一种电源信号混合传输的技术，是一种家庭自动化网络总线技术。该总线技术主要用于网络化控制系统，特别是智能家居网络、住宅小区网络方面。该总线系统主要由电源供应器、双绞线和功能模块三个基本部分组成。每个功能模块都是串联在双绞线上，互相的连接不分极性。：41该总线技术采用+24V直流电源，信号传输速率为10KBS，以双绞线作为传输媒体。总的来说，ApBus是一种新型的智能控制总线，在欧洲标准EIB总线及LonWorks总线技术上作了创造性的改进，其防通信冲撞协议设计很好的解决了总线上各节点收发指令的冲撞问题，大大提高了系统的通信效率与稳定性。国内的智能家居厂商的构成较为复杂，有科研院校，也有以前的家电厂商，技术实力也相差悬殊。他们目前设计的系统中主要采用的是有线方案(总线)，也有部分系统中包含了无线接口的应用。从目前的发展来看，在智能家居系统中，无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势，这不仅仅因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去了花在综合布线上的费用和精力，而且它更符合于家庭网络的通讯特点，同时随着无线网络技术的进一步发展，也必将大大促进家庭智能化、网络化的进程。无线网络技术主要可分为射频(RF)技术、IrDA红外线技术、IEEE8021la和IEEE8021lb协议技术、HomeRF协议、Zigbee技术，其各自的技术特点决定了其应用的侧重点仍有很大的不同。本设计采用了无线传感网络来构成智能居家系统，下一节中将要详细讨论其系统的构成和协议的选择。13本文设计的主要内容本系统采用模块化设计方案。以嵌入式系统主板为核心，通过CMOS摄像头对关键部位进行安全监测，通过手机传递安全信息和图像彩信，并对家用电器进行远程控制，利用ZigBee模块实现家用电器、系统主板和烟雾、温度、煤气等传感器的无线联网。系统主板的核心控制器为S3C44B0X型32位微控制器，对数据进行处理和判别，并通过彩信模块和Zig2Bee模块发出信息和指令；扩展板用以接入烟雾、红外、煤气等家庭安防状态传感器；彩信模块将系统控制器所发出的家庭安防状态信息发送至用户手机，并接收用户发送的短信指令； ZigBee模块负责系统主板、扩展板和家用电器之间的数据交联。系统结构如图1所示。图1 系统设计结构图基于以上要求，本设计主要分为以下部分：(1)无线传输模块：基于CC2430芯片(包括无线收发及传感器)设计无线传感网络模块，并完成各节点模块的软件编写和节点间通信调试。(2)数据处理模块：基于DSPTMS320F2812芯片设计数据处理模块，并完成程序编写，同时在TMS320F2812上移植嵌入式实时操作系统rtcosII。(3)以太网传输模块：利用网络接口芯片RTL8019AS设计以太网通信模块，并完成通信测试程序编写。(4)上位机显示界面设计：利用VC+60基于WindowsSockets编写上位机界面程序，使经过数据处理模块处理后的数据通过以太网上传到上位机(PC监控机)界面上，实现统一管理。2. 短距离无线通信技术ZigBee21 ZigBee技术概述 ZigBee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag型舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的，是一种通过简捷方式实现“无线”沟通的方式。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近距离无线网络通信技术，也包含了这种寓意。 ZigBee联盟成立于2002年8月，由英国Ivemys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司、荷兰飞利浦半导体等公司组成，迄今已吸引了上百家芯片公司、无线设备公司及产品开发商。ZigBee联盟的主要工作在：定义网络、安全以及应用软件层的协议；提供不同的协调性及互通性测试规格；促进ZigBee技术在全球的推广；有效管理该技术的发展。 ZigBee技术主要应用在短距离范围内以及数据传输速率不高的各种电子设备之间，所以非常适用于家电和小型电子设备的无线控制指令传输。其典型的传输数据类型有周期性数据(如传感器)、间歇性数据(如照明控制)和重复低反应时间数据(鼠标)。其目标功能是自动化控制。其主要特点包括以下几个方面：(1)省电。两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。(2)可靠。采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。(3)时延短。针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。(4)网络容量大。可支持达65000个节点。(5)安全。ZigB提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES128。(6) 高保密性。采用64位出厂编号并支持AES128加密。22 ZigBee协议221 ZigBee协议概述 ZigBee技术的基础就是IEEE802154标准。1998年3月，IEEE标准化协会正式批准成立了IEEE80215工作组，致力于WPAN网络的PHY层和MAC层的标准化工作，目标是为在个人操作空间(Personaloperatingspace，POS)内相互通信的无线通信设备提供通信标准。POS一般是指用户附近10米左右的空间范围，这个范围内用户可以是固定的，也可以是移动的。2000年12月IEEE成立了802154小组，负责制定物理层(PHY)与介质接入控制层(MAC)。但仅仅定义了物理层(PH与介质接入控制层(MAC)并不足以保证不同设备之间可以对话，于是便有了ZigBee联盟，ZigBee联盟从IEEE802i54标准开始着手，目前正在定义允许不同厂商制造设备相互对话的应用纲要。例如，ZigBee联盟“灯纲要"会确定相关的所有协议，从而能够使A公司买的ZigBee灯开关与B公司的正常工作。同时，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化，还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄露其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。 IEEE802154标准是针对于低速无线个人区域网(10w-ratewirelesspersonalareanetwork，LR-WPAN)，把低能量消耗、低传输速率、低成本作为重点目标，旨在为个人或家庭范围内不同设备之间低速互联提供统一的标准。IEEE802154标准定义的LR-WPAN网络具有如下特点：(1)在不同的载波频率下实现20kbps、40 kbps和250kbps三种不同的传输速率。具体来说就是：24GHz上的传输速率为250kbs；915MHz上的传输速率为40kbs；868MHz上的传输速率为20kbs。(2)支持星型(Star)和点对点两种网络拓扑结构。(3)有16位和64位两种地址格式。64位地址是全球唯一的扩展地址，而16位地址是网内通信短地址。(4)支持冲突避免的载波多路侦听技术(carrier sense multiple access withcollision avoidanee，CSMACA)。即当其中一个站点要发送信息时，首先侦听系统信道空闲期间是否长于某一帧的间隔：若是，立即发送；否则暂不发送，继续侦听。CSMACA通信方式将时间域的划分与帧格式紧密联系起来，保证某一时刻只有一个站点发送，实现了网络系统的集中控制(5)支持确认(ACK)机制，使用这种机制，所有特殊ACK标志位置1的帧均会被它们的接收器应答。这就可以确定帧是否已经被传递。如果发送帧的时候置位了ACK标志位，但在一定的超时期限内没有收到应答，发送器将重复进行固定次数的发送，如仍无应答就宣布发生错误。ACK机制保证了传输的可靠性。222 ZigBee协议的优势和应用领域 ZigBee通信协议虽然是是面向低功耗和低成本的通信技术的，但ZigBee协议是能够保证通信的可靠性的，而且ZigBee协议的另一大优势就是使网络的自组织、自愈能力也很强。1)ZigBee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络。2)ZigBee的自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。 ZigBee产品在发展初期是以工业或企业市场的感应式网络为主，提供感应辨识、灯光与安全控制等功能，最后才慢慢家庭应用中拓展的。目前只要符合以下条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术：>需要数据采集或监控的网点多；>要求传输的数据量不大，而且要求设备成本低；>要求数据传输可靠性高，安全性高；>设备体积很小，不方便放置较大的充电电池或者电源模块；>地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；>现有移动网络的覆盖盲区；>使用GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。 ZigBee技术的应用前景非常被看好，未来它主要将被应用在：>工业控制网络(如：无线仓库管理系统)>汽车自动化(如轮胎压力监测系统)>建筑智能化(如灯光控制、气体的感应和监测)>智能家居(三表数据采集，窗帘、空调和其它家用电器控制)>医疗监护(对血液、体温和心跳速度等信息的监测)3. ZigBee无线收发模块的硬件设计31 芯片的选择本系统采用CC2430芯片作为ZigBee无线通信模块。它使用一个8位MCU(8051)，具有32、64、128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含了模数转换器(ADC)、4个定时器(Timer)、AES128安全协处理器、看门狗定时器(WatchdogTimer)、32KHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电(Poweronreset)、掉电检测电路(Brownout detection)以及21个可编程IO引脚，CC2430的内部结构如图3.1所示。图3.1 CC2430内部结构示意图CC2430整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器，集成了符合IEEE802. 15. 4 标准的2. 4GHz的RF无线电收发机，支持数字化的RSSI/LQ I，具有CSMA /CA功能和强大的DMA功能、电池监测和温度感测功能，同时具有强大和灵活的开发工具。32 ZigBee无线收发模块的电路设计 CC2430的外围电路如图3.2所示。CC2430采用两种工作电压，外部数字IO接口使用+33V电压，内部使用+18V工作电压，这样的电压转化主要是因为CC2430在片上集成了一个直流稳压器，能够把+33V电压转化为+18V。这种供电方式对与智能家居系统来说很合适，只要采用+33V的纽扣电池就可以给ZigBee无线收发模块供图3.2 CC2430无线模块电路图33天线阻抗匹配电路设计 天线是任何一个无线电通信系统都不可缺少的重要组成部分，合理慎重地选用天线，可以实现较远的通讯距离和良好的通讯效果。CC2430的天线可以采用两种设计方案：金属倒F型PCB引线天线和单极天线。PCB引线天线是印制在电路板上的导线，通过它来感应空气中的电波，接收信号。 单极天线是一种由直接垂直安装在反射平面(底板)上的直导体(通常其长度不大于波长的14)组成的天线，其根部接馈线。 本设计采用的是50Q的单极天线，且该天线的长度是电磁波波长的14。34电源电路设计 给无线收发模块供电电路如图37所示，J4为外置+5V直流电源插座(方便模块调试)，J5为电池供电接口(通常为2节AA电池供电)，适用于家用时可移动更换。当本无线收发模块用于智能家居时，可以使用电池供电，这时只需要将SW2置于关闭端即可。 TPS79533是一种超低噪声、高电源抑制比的线性稳压电源调节器，它特别适用于蓝牙、无线传感网络、膝上型掌上型电脑、PDA、手机等应用领域。一般EN脚(1脚)为高电平时，将启动整个稳压调节器。而PASS脚(5脚)将接一外部电容避免内部带隙产生的噪声，这样可以加强电源抑制和减小外部噪声。图34 电源电路原理图35本章小结 本章重点阐述了ZigBee模块的设计原理和方案，并结合所选用的芯片CC2430内部功能结构，分析了该收发模块的硬件电路设计。同时给出了天线匹配电路和电源供电的具体设计方案。4 数据处理模块的硬件设计41数据处理模块的结构设计 本数据处理模块采用TMS320F2812作为主处理器，这是一种结构简单、功能强大、经济实用的高速数据处理芯片，它具有数据采集和处理功能。数据处理模块的结构如图41所示。硬件设计主要包括：>中央处理器DSP部分：TMS320F2812通过SPI接收来自ZigBee主无线模块传输的数据，经过数据分类处理后通过以太网传输到PC机上。>系统电源电路部分：TMS320F2812为+33V信号电平，核心电平为+18V，而以太网控制器都是+5V的信号电平。因此需要设计三种不同参考电压的电源电路。>复位电路部分：SP708给TMS320F2812和SL811HS提供低电平复位信号。西华大学硕士学位论文> 以太网通信接口部分：数据处理后通过RTL8019AS网络控制芯片与以太网连接，且以太网与RTL8019AS之间要接隔离模块后方可以连接。>RS-232串行通信部分：设计这一部分是为了方便调试。 此外，TMS320F2812支持JTAG口下载仿真，需要设计JTAG接口；为了方便将来对程序的调试，也需要设计串行通信接口。考虑到协议转换需要大量的数据存储空间，而TMS320F2812内部空间有限，因此需要外扩一块高速静态RAM，本文采用的是ISSI公司生产的IS6lLV25616AL。IO口扩展引脚的分配如下：XD0-XD7分配给液晶显示屏作数据输入口，EVA、EVB事件管理器的口留出来已备后续开发(进行中断程序开发)，其余口被用于扩展外部RAM和FLASH。图41数据处理模块结构42数据处理模块的外围电路设计421系统电源电路设计本模块用到了+5V、+33V和+18V的器件。TMS320F2812采用+33V的外设供电和+18V的内核供电，芯片采用这种分离式供电方式，可以大大降低DSP芯片功耗。所以本模块采用NationalSemiconductor公司的芯片LM2596和LMlll7，将电路板外接的+9V转换成+33V和+18V。供电电路如图43所示。图43电源电路422复位电路设计 为了提高系统的可靠性，保证系统稳定地运行，使用了Sipex公司生产的低功耗SP708R处理器监控芯片，可以提供高低复位电平。如图44所示。SP708R还可以监控电源和电池供给，它集成了很多器件在其中，包括：一个看门狗定时器、一个uP的复位、一个掉电比较器和一个手动复位输入。MR脚就是手动复位引脚，当该引脚输入电平被下拉至低于08V时，SP708R将输出一个复位脉冲。而PFI脚是掉电输入引脚，当SP708R的输入电压低于125V时，肋将为低，所以通常将PFI连接到地。脚RESET是低电平复位输出引脚，当Vcc电压低于复位阈值时，这个引脚将输出低复位电平200ms。SP708R在这里主要是为TMS320F2812芯片、USB控制芯片SL811HS提供低电平的复位信号。手动复位的功能是当系统出现程序跑飞或者需要系统重新初始化并运行时，按下复位键产生的复位信号，使DSP进入正常的程序入口。图42.2复位电路423以太网通信接口电路设计 为了把经过DSP处理模块的数据通过以太网动态的显示在监控机上，这就需要设计以太网通信接口电路。这里选用台湾Realtek公司生产的高性能工业以太网控制器RTL8019AS，RTL8019AS的内部包含一块双端口的16K字节的RAM，有两套总线连接到该RAM上，一套是本地DMA，另一套是远程DMA。本地DMA完成控制器与网线的数据交换，远程DMA负责DSP与RAM之间的数据传输，DSP收发数据只对远程DMA操作。 芯片复位时，通过检测96引脚IOCSl6B(SLOTl6)的电平来确定是采用了16位还是8位插槽(这时该引脚称为SLOTl6)。为了做到这点，如果33引脚RSTDRV置高，则网络适配器被认为放入16位插槽，而IOCSl6B脚将会连300W的上拉电阻；反之，则被认为放入8位插槽，而IOCSl6B脚将会连一27KW的下拉电阻。同时，通过在RSTDRV引脚输出大于800ns的高电平可实现RTL8019AS的硬件复位。如图4.2.3所示。图4.2.3 以太网通信接口电路4.2.4辅助串行通信电路 考虑到以后调试工作的需要，所以为数据处理模块设计了串行接口。本设计使用MAX232芯片实现TTL电平和RS232电平之间的转换，硬件电路如图4.2.4所示。图4.2.4 串行通信电路43本章小结 本章概述了数据处理模块的设计目的和原理，并以TMS320F2812为核心，详细介绍了外围电路设计和辅助通信电路设计方案。5嵌入式实时操作系统cos-II在TMS320F2812上的移植51 cosII的概述及特点考虑到在智能家居系统中，ZigBee收发模块(对应于安防传感器的部分)是一个要求实时传输数据的模块，这也就要求整个系统必须是一个实时系统，能够对各种传感器或命令做出及时反应，且智能家居系统软件必须能够对内存管理、对消息反应能够实时。所以说移植一个实时操作系统是有必要的。同时，还考虑到以后可以对智能家居系统进行升级改造(在嵌入式实时操作系统环境下，开发新的应用程序)的需要，移植一个实时操作系统也是非常有用的。本设计在考虑到整个设计成本问题时，首选免费型实时操作系统，考虑到COS比较适合家庭这种小型的控制系统，同时执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点，对处理器的移植比较简单，所以最后选择了CosII作为本设计将要移植的实时操作系统。 COSII是由JeanJLabrosse于1992年编写的一个嵌入式多任务实时操作系统。最早这个系统叫做COS，后来经过近10年的应用和修改，在1999年JeanJLabrosse推出了COSII，并在2000年通过了美国联邦航空管理局的RTCADO：178B标准认证，从而证明COSII具有足够的稳定性和安全性。COS一是用C语言和汇编语言来编写的。其中绝大部分代码都是用C语言编写的，只有极少数部分与处理器密切相关的代码是用汇编语言编写的，所以用户只要做很少的工作就可把它移植到各类8位、16位和32位嵌入式处理器上。PsICOSII的体系结构如图51所示。COSH操作系统是一种性能优良、源码公开且被广泛应用的免费嵌入式操作系统，其主要特点有：(1)COSII是一个可剥夺型的实时内核，其内核提供任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能。(2)COSII非常适合小型控制系统，具有执行效率高，占用空间小、确定性、实时性能优良和扩展性强等特点。(3）COS最多可以支持64个任务，采用的是占先式的实时多任务内核，保证任务优先级最高的任务能够即时完成。(4) COSII的移植较为简单，只需要修改3个与硬件相关的文件和重写几个函数即可。 图51 COSII的体系结构52 C0SII的移植 在本设计中，所移植的系统建立了8个任务(参照见图12)：O号任务，用来监测安防传感器(煤气泄露)。在执行该任务时通过ZigBee网络协调器选择与安防传感器(煤气泄露)终端节点通信，采集传感器数据。1号任务，用来监测安防传感器(温度)。在执行该任务时通过ZigBee网络协调器选择与安防传感器(温度)终端节点通信，采集传感器数据。2号任务，与0号任务对应，将安防传感器(煤气泄露)采集的数据最终通西华大学硕士学位论文过以太网上传到监控机(PC机)上。3号任务，与1号任务对应，将安防传感器(温度)采集的数据最终通过以太网上传到监控机(PC机)上。4号任务，用来控制冰箱、空调、电视、灯的电源开关，通常情况下，这些开关型控制，只用一个任务就可以完成，只要在执行该任务时，同时通过ZigBec网络协调器同时发送一个16位地址符就可以选择出所要执行开关任务的终端节点。5号任务，单独为窗帘建立一个任务。因为窗帘的控制是一个闭环控制。6号任务，为电表、水表、燃气表的数据采集建立一个任务。因为水表、电表、燃气表的数据对实时性要求没有那么高，可以分时采集，在执行该任务时，同时通过ZigBcc网络协调器同时发送一个16位地址符就可以选择出所要执行数据采集任务的终端节点，另外，还要为该任务调用一个延时函数，并设置延时时钟周期数，从而最终实现在三表间轮流数据采集。7号任务，用来对三表数据上传到监控机(PC机)建立任务。对应于任务6，分别将从水、电、燃气表采集的数据立即上传。从任务的代码上来看，任务是如下形式的一个C函数：voidtask(void)参数定义；for(； ；)执行任务代码；调用OSTimeDly()延时函数，清除该任务就绪位，设置延时时钟周期数，调用任务切换宏OSTASKswo进行任务调度；>)它们具有各自独立的堆栈空间和不同的静态优先级，0号任务优先级最高，7号任务优先级最低。对于0号任务3号任务，由于它们是保证家居安全的是不允许中断响应的，所以在这些任务开始执行时，一定要设置程序状态字PSW为0x0002(关中断)。同时任务可以在系统和应用程序的控制下，根据具体情况改变自己的状态，这个改变叫做任务状态的转换。任务在不同状态之间的转换即有5种状态：(1)睡眠状态(DORMANT)：指任务驻留在程序空间中，还没有交给操作系统管理。把任务交给内核是通过调用任务创建函数OSTaskCreateO或提供了一些附加功能的OSTaskCreateExt0实现的。(2)就绪状态(READY)：当任务旦建立，这个任务就处于就绪态准备运行。就绪态的任务都被放在就绪列表中，在任务调度时，指针OSTCBHighRdy指向优先级最