智能家居系统总体方案设计优质文档.docx
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智能家居系统总体方案设计优质文档
智能家居系统总体设计方案
•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木设计情况。
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
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O
智能家居系统的应用对家庭生活方式的带来深远影响,
它制備适安全、环保节能、财高臥性化的生活可；提孵?
能化的
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
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。
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;
（3）对家庭现场情况进行图像采集并进行计算处理;
⑷各检测、传输设备釆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具有数据木地存储功能，设防、撤防功能;
（7）美观隐蔽、操作简便.易于安装维护。
•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
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
Room11
传输设备
传输设备包括中继节点.路由节点和接收节点（SINK）O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。
屮
浪comi；电律
Room21=绝
Room22中綠
Room23丰线
Room314=Sb
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，管理整个无线监测的路由表，接I竦自佬餾&盹饰帥敷据，漱擞輛浚1E融合等妲a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•了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。
网关跚
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。
ACK
ACX
6
ACS
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;
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
系统总体设计指标
L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^C；
3.安全防范检测节点检测事件成功率WO%；误报率＜1%;4.
无线频段：
433MHZ频段;
5.发射功率：
可编程控制的输岀功率，最大功率可达+10dBm；
6.无线网络传输速率：
—100Kbps可调。
六检测设备设计方案
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•匸作温度范围:
-10-603.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J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：
—100Kbps可调;
7.天线：
陶瓷全向天线，增益，驻波比2；
8.结构美观，体积小，易于布设。
硬件设计
硬件平台的控制核心为TI公司26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；处理器包扌舌2个串行同步异步可配置接口控制器、时钟模块、看门狗S
A/D等片上外设；采用低电压系统，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
-llOdBm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2OOKHZ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：
〜、输出电压J.最大输出电流J500mA0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。
传感器的输岀分数字和模拟两类，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：
L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5.
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。
CCUW）传》丄元
1j
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。
Y
处理
~r~
etiTlfs：
步
SLEEP
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。
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。
产品化设计
EMC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。
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。
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
设计指标
1.工作温度范围:
-20-85^C；
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：
—100Kbps可调;
6.天线.鞭状全向天线，2dBi增益，驻波比V；
7.结构美观，体积小，易于布设。
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oSINK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。
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rtb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。
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。
产品化设计
EMC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。
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。
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
设计指标
1.
工作温度范围:
-20-85^C；
2.
5.无线网络传输速率：
—100Kbps可调;
6.天线：
鞭状全向天线，3dBi增益，驻波比＜；
7.接口支持：
SD卡座，USB主机，USB设备，RS232,RJ45。
硬件设计
硬件平台控制核心选用三星S3C2440A。
采用ARM920T内核,主频400MHZ,最高可达533MHZ。
支持NANDFLASH.NORFLASH,
SDRAM,支持STN/TFTLCD、触摸屏控制器，4通道DMA.3通道
UART、2通道SPI、IIC总线，IIS/AC97音频控制器，SD/MMC控制
器，2通道USBHOST、1通道USBDEVICE,4通道PWM、8通道A/D
转换、RTC,CMOS摄像头，多功能10及多种电源管理。
射频传输射频芯片采用CC1100.射频传输模块设计功放电路,功放采用SKY65004o
gprs彩信模块采用IWOW公司的TRSOOoTR800支持四频
WAP、
（GSM850/EGSM900/DCS1800/PCS1900）。
内嵌协议：
TCP/IP、
MMS以及Push-To-Talk。
内含3Mbytes内存可应用于客
户应用程序。
提供包含2个UART和1个SPI总线，提供1路数字及2路模拟音频接口。
摄像头选用omnivision的ov9650,130万像素，YUV/RGB输岀
格式。
电源模块采用国家半导体公司LM2576,和LM1084实现,
LM2576为开关型降压集成电路，最大输出电流3A;最高输入电压40V；输岀电压：
、5V、12V、15V和ADJ（可调）等可选。
LM1084
为低压差调压器，最高输入电压29V,输岀电压、5V、：
L2V和ADJ。
SDRAM选用两片Hynix公司的HY57V561620。
FLASH选用三星
的K9F1G08U0B,为64M的NAND型FLASH。
SD卡及USB主机提供木地存储功能。
USB设备及RS232进行
调试测试用及同PC的连接。
RJ45提供网关接入互联网功能。
网关平台的结构框图如下图所示。
Z"
；VSNGateway
S31UM
软件设计
网关设备软件需实现:
1.整个网络拓扑的维护和管理;
3.检测设备检测信息的收集;
4.对检测、传输设备的控制和查询;
5.摄像头的控制和图像釆集;
6.本地存储及布防、撤防功能;
7.与业主移动终端的信息交互;
8.协调整个系统的运行;
9.其他扩展功能。
结构设计
遵循美观、小型的原则，釆用公模外壳，根据具体需求进行再设计加工。
产品化设计
EMC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。
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。
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。
对设备进行长期大量可靠性测试。
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。
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