毕业设计（论文）-基于物联网的智能家居网关系统的设计Word格式.docx
《毕业设计（论文）-基于物联网的智能家居网关系统的设计Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）-基于物联网的智能家居网关系统的设计Word格式.docx（48页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
关键词：
智能家居；
物联网；
ZigBee；
wifi
Abstract
Withtherapiddevelopmentofeconomy,thequalityoflifethatpeoplepursuewithisgettingincreasinglyhigher.Therefore,settingupapleasing,lowcostingandefficientIntelligentHomeSystemhasbeenoneofthehottesttopicsinthe21stcentury.
Theapplicationprospectoftheinternetwillbeanessentialbreakthroughofintelligenthomesystem,havinggreatsignificanceforthedevelopmentofintelligentindustry.Taking“approachabletolife,convenienttouse”asthedesignconcept,thisdesignbuildsanIntelligentHomeGatewaySystembasedonIOT.Modulesofourdesignaremadeofthegatewayboard,gussetplate,webpageandAPP.Themainfunctionsofthedesigninclude:
throughbrowser,PCcandisplaytemperatureandhumiditydatacollectedbygussetplateandcontroltheon-offstateofLEDofgussetplate.Likewise,theAPPhasthesameeffects.Thegatewayboardactsasthebridgeofthewholesystem,asboththecommunicationbetweengussetplateandPCandthecommunicationbetweengussetboardandAPPneedthetransmissionthroughthegatewayboard.Toachievethis,thedesignofgatewayadoptsNXP’sLPC1769astheMCUonhardware.ThissystembuildsanEthernetcontrollercomposedofEthernetmodulewithembeddedLPC1769andDP83848chip;
italsoconstructsaGatewaySysteminwhichincludeswifimodule,ZigBeemoduleandW25Q128storagechip.Aboutsoftware,whichincludestheuIPProtocolTaskandothertaskmodules,itproducesaWebServerfunctionwithintheframeworkofuC/OS-IIRTOS.BydesigningrelevantwebpagesandAPP,thatis,PCterminalandmobileterminal,thedesignapproachofusingconvenienceispresented;
Bycollectingthetemperatureandhumiditydata,thedesignconceptofapproachingtolifeisrealized.UltimatelyanIntelligentHomeGatewaySystemofIOTiscreated.
Keyword：
SmartHome;
InternetofThings;
ZigBee;
wifi
目录
第1章绪论 1
1.1智能家居的概念 1
1.2物联网的智能家居 1
1.2.1物联网的概念 1
1.2.2物联网的智能家居系统 2
1.3研究意义 3
第2章系统的总体设计 4
2.1网关板的功能介绍 4
2.2系统的设计方案 4
第3章硬件设计概述 6
3.1网关板的设计概述 6
3.1.1网关板的总体设计概述 6
3.1.2LPC1769的相关概述 6
3.1.3以太网控制器概述 7
3.1.4xbee模块概述 8
3.1.5wifibee模块概述 8
3.1.6FLASH存储器概述 8
3.2ZigBee节点板概述 9
第4章软件设计 10
4.1软件的总体设计概述 10
4.2uC/OS-II操作系统和uIP协议概述 10
4.2.1uC/OS-II操作系统简介 10
4.2.2uIP协议简介 12
4.3开发工具介绍 13
4.3.1KeilMDK 简介 13
4.3.2Dreamweaver简介 13
4.3.3Ecplise简介 14
4.4网关板的软件设计与实现 14
4.4.1网关板的软件框架 14
4.4.2网关板的软件代码分析 17
⑴网关板程序框架分析 17
⑵WebServer的实现过程 18
⑶获取网页数据的过程 20
4.5网页设计 22
4.5.1网页设计结构 22
4.5.2网页数据的响应过程 24
4.6xbee和wifibee网络通信的实现与设计 25
4.6.1通信协议的定制 25
4.6.2xbee通信的实现 27
4.6.3wifibee通信的实现 28
4.7APP的实现过程 28
4.7.1APP的界面设计 28
4.7.2代码分析 28
第5章系统的搭建与测试 34
5.1PC机的环境搭建 34
5.2PC机访问网关板测试 35
5.3手机APP访问网关板测试 38
第6章总结与展望 40
6.1毕业设计总结 40
6.2未来展望 40
致谢 41
参考文献 42
第1章绪论
1.1智能家居的概念
智能家居，或称智能住宅，是以住宅为平台，兼备建筑设备、网络通讯、信息家电和设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。
它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。
智能家居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，实现了家电控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、计算机控制、定时控制以及电话远程遥控等功能。
智能家居系统成为一种新兴的综合技术学科。
智能家居系统也可被定义为一个控制过程，或者控制系统，利用现在被大多数科技人员已掌握的计算机技术、网络布线技术、网络通信系统将其糅合，使之成为融合在家居控制中的多个子系统，并使其智能的结合在一起。
1.2物联网的智能家居
1.2.1物联网的概念
物联网（Internet of Things）指的是将无处不在的末端设备和设施，包括具
“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视频监控系统等、和“外在使能”的，如贴上RFID的各种资产、携带无线终端的个人与车辆等等“智能化物件或动物”或“智能尘埃”，通过各种无线和/或有线的长距离和/或短距离通讯网络实现互联互通（M2M）、应用大集成（Grand
Integration/MAI）、以及基于云计算的SaaS营运等模式，在内网（Intranet）、专网（Extranet）、和/或互联网（Internet）环境下，采用适当的信息安全保障机制提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、
43
领导桌面（集中展示的CockpitDashboard）等管理和服务功能，实现对“万物、高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化TaaS服务。
物联网概念的问世，打破了之前的传统思维。
过去的思路一直是将物理基础设施和IT基础设施分开，一方面是机场、公路、建筑物，另一方面是数据中心，个人电脑、宽带等。
而在物联网时代,钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施，在此意义上，基础设施更像是一块新的地球。
物联网把我们的生活拟人化了，万物成了人的同类。
在这个物物相联的世界中，物品能彼此“交流”，无需人的干预。
可以说，这是一个智能化的世界。
智能家居是物联网最生活化的应用之一：
窗帘可以自动感知光线而关闭;
空调更
“听话”了，天热它会把温度调低，太潮就会自动抽湿灯也知道节能了，房间里没人会自动灭掉。
如此等等，不一而足。
物联网的应用竟已经很广泛，遍及智能交通、环境保护、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测等领域[1]。
1.2.2物联网的智能家居系统
物联网智能家居是相对于智能家居单品和传统智能家居而言的，它得益于物联网、无线通信、云计算等新技术在智能家居上的应用。
智能家居单品很容易理解，就是家居生活用品的智能化，主要特点是设备安装的简捷性、功能的单一性以及运作的独立性，与其它设备之间不存在关联性，可以而且只能独立工作。
传统的智能家居与物联网智能家居的区别主要存在于两点。
一方面是智能家居网络通信方式上的差异，传统智能家居的通信方式是有线，这种方式主要的缺点在于前期安装和后期扩展的繁杂性，而物联网智能家居的通信方式是无线，这种方式最主要的优点就是“留白”，给设备的扩展留有足够的空间，便于后续的自由扩展。
另一方面，采用无线方式通信的简易智能家居系统也归于传统的智能家居，因为在于这种智能家居虽然是系统且易于扩展，但过于简单，功能有限。
相对于智能家居单品和传统智能家居，物联网智能家居能实现用户家庭的最大化智能，更符合现代家庭的需求。
按照南京物联的观点，物联网智能家居
应该涉及智能照明、家电控制、环境监测、影音娱乐、健康管理等方面，能将人、家、车连接起来，是功能更强、效果更佳的泛智能家居。
与智能家居单品相比，物联网智能家居能最大限度地将家居设备连接起来，发挥“组合拳”作用。
物联网智能家居能将智能开关、智能插座、智能门窗、智能照明、智能家电、智能影音、智能健康等设备连接起来，为用户营造更加安全、健康、舒适、高效、便捷的家居生活环境，而不是只能实现开门、开窗、开灯或其他较为单一的功能。
除了相互连接外，物联网智能家居还强调相互控制，如南京物联所推出智能家居还具有联动传递控制和场景一键控制功能。
而相比于传统智能家居，物联网智能家居优势更为明显。
智能家居不是一次性买卖，需要后续的推护、扩展和升级。
然而，由于传统综合布线智能家居需要提前设定方案，并且安装完成后就无法改变，因而在后续扩展上存在很大局限性，十分不便于升级，造成间接性成本增加，这一点对物联网智能家居来说却不是问题。
虽然采用无线技术的简易智能家居系统，也便于随时扩展，但这种局部或小范围系统从一开始就功能受限，需要不断扩展，而这本身也是一种麻烦。
值得一提的是，这种智能家居还需要通过扩展向物联网智能家居转变。
因此，物联网的发展的应用前景将会成为智能家居系统的一个重要的突破口。
1.3研究意义
随着电子技术在现实生活中的广泛应用，人们越来越感受到电子产品为生活所带来的各种便利，特别是在20世纪80年代，智能家居的出现更为人们享受生活提供了一个广阔的平台。
尽管智能家居发展已长达30年之久，但是智能
产品仍然是当今IT届发展的主流，特别是物联网的出现，更进一步推动其发展。
因此，本次设计对智能家居产品研究，正是符合世界潮流走向，并且使自己加
入智能家居产品开发的行业，所以本产品研发具有重大的研究意义。
第2章系统的总体设计
2.1网关板的功能介绍
网关板设计以LPC1769作为主控芯片，通过ZigBee模块，从节点板采集温度、湿度等数据无线传输到网关板上，用户可以使用PC机的浏览器登入网关板。
浏览器会显示节点板采集到的温度、湿度等一些数据内容，用户也可以通过浏览器控制节点板的LED灯开关状态。
同时，网关板的wifi模块可以与
Android手机的相应APP进行通信，所以APP也能收集到节点板所采集的数据，同样也能通过APP控制节点板的LED灯开关状态。
2.2系统的设计方案
根据设计要求及功能实现，系统包括网关板、节点板、PC机、Android手机。
其中核网关板主控MCU采用LPC1769芯片，ZigBee模块采用xbee模块，
wifi模块采用wifibee模块，ZigBee节点的主控芯片采用LPC1114芯片，温湿度传感器采用DHT11传感器。
系统整体模块的工作框架如图2.1所示。
PC机
有线
无线
ZigBee
节点板
网关板
APP
wifibee
xbee
DP83848
图2.1系统模块工作框架
第3章硬件设计概述
3.1网关板的设计概述
3.1.1网关板的总体设计概述
网关板主要由LPC1769主控芯片、W25Q18FV芯片、xbee模块、wifibee
模块组成的。
LPC1769是整个系统心脏，W25Q128芯片的职责是存储网页数据，
xbee模块建立ZigBee网络，wifibee模块负责与APP通信。
网关板的外设结构如图3.1所示。
UART
RMMI
SPI
FLASH
存储器
模块
xbee模块
以太网控制器
LPC1769
V
图3.1网关板外设结构
3.1.2LPC1769的相关概述
LPC1700系列ARM是恩智浦公司推出的基于第二代ARMCortex-M3内核的微控制器，是为嵌入式系统应用而设计的高性能、低功耗32位微处理器，其操作频率高达120MHz，采用3级流水线和哈佛结构，带独立的本地指令和数据结构及用于外设的低性能的第三条总线，使得代码执行速度高达1.25MIPS/MHz，并包含1个支持随机跳转的内部预取单元。
LPC1700系列
ARM增加了一个专用的Flash存储器加速模块，使得Flash中运行代码能过达到较理想的性能，适用于仪器仪表、工业通信、电机控制、灯光控制、报警系
统等领域[2]。
LPC1700系列Cortex-M3微控制器的外设组件包含高达512KB的Flash存储器、64KB的数据存储器、以太网MAC、USB主机/从机/OTG接口、8通道
的通用DMA控制器、4个UART、2条CAN通道、2个SSP控制器、SPI接口、
3个I2C接口、2-输入和2-输出的I2S接口、8通道的12位ADC、10位
DAC、电机控制PWM、正交编码器接口、4个通用定时器、6-输出的通用
PWM、带独立电池供电的超低功耗RTC和多达70个的通用I/O管脚[7]。
本设计主要用到LPC1769的以太网外设功能。
以太网模块包含一个功能齐全的10Mbps或100Mbps以太网MAC（媒体访问控制器），以太网MAC通过使用DMA硬件加速功能来优化其性能。
以太网模块具有大量的控制寄存器组，可以提供：
半双工/全双工操作、流控制、控制帧、重发硬件加速、接收包过滤以及LAN上的唤醒等。
利用分散-集中式（Scatter-Gather）DMA进行自动的帧发送和接收操作，减轻了CPU的工作量。
以太网模块是一个AHB主机，驱动AHB总线矩阵。
通过矩阵，它可以访问片上所有的RAM存储器。
建议以太网使用RAM的方法是专门使用其中一个
RAM模块来处理以太网通信。
那么该模块只能由以太网和CPU，或许GPDMA
进行访问，从而获取以太网功能的最大带宽。
以太网模块使用RMII（简化的媒体独立接口）协议和片上MIIM（媒体独立接口管理）串行总线、还有MDIO（管理数据输入/输出）来实现与片外以太网PHY之间的连接。
本设计采用DP83848芯片作为以太网的PHY，并且在DP83848芯片与
RJ45型网络接口之间增加了网络变压器HR601680，与LPC1769搭建成一个完成的以太网模块，通过RJ45端口与PC机通信。
3.1.3以太网控制器概述
本设计的以太网控制器电路设计是包括LPC1769内嵌的10Mbps或
100Mbps以太网MAC（媒体访问控制器）与DP83848芯片作为PHY（物理接口收发器）搭建而成的。
DP83848是单路10/100Mb/s以太网收发器，其物理层器件结合了低引脚数
目的RMII。
在10/100Mb/s系统中将DP83848的物理（PHY）层连接到媒体存取控制（MAC）层，RMII提高了引脚数目更低的选择来替换IEEE802.3定义的介质无关接口（MII）。
除了RMII定义的信号之外，DP83848提高一个RXDV信号（接收数据有效）使得恢复接收数据的方法更加简单而无需从CRSDV分离出RXDV信号。
3.1.4xbee模块概述
Digi公司生产的xbeeS2模块是一种近距离低功耗的数据传输模块，频段为2.4GHz，内置ZigBee协议栈，并包含了所有的外围电路，通过PC机上的配置软件X-CTU，对模块进行发射功率，信道等网络拓扑参数的配置。
ZigBee协调器是集成在嵌入式网关板上的xbee模块，它通过串口与MCU相连接。
xbee模块的组网成功后，接收数据通过其串口输出，发送数据通过其串口输入。
3.1.5wifibee模块概述
wifibee模块包含802.11b/g无线发射机构，32位的处理器，TCP/IP堆栈、实时时钟、电源管理单元和模拟传感器接口。
该模块预装Roving固件用
以增加其集成度以减少对于使用者至关重要的应用程序的开发时间。
在最简单实用的设置情况下,硬件只需要四个连接（电源，TX，RX和地）即可创建一个无线数据连接。
wifibee模块广泛应用于美国、加拿大、澳大利亚、以色列和欧洲各国。
建立射频通信不需要任何额外的配置而且模块的默认配置广泛的支持各种
设备的应用程序。
还可以使用AT指令对该模块进行高级配置，完成自己定制的一些特殊功能。
wifibee模块接收数据时通过其串口输出，发送数据时通过其串口输入的。
3.1.6FLASH存储器概述
本设计的FLASH存储芯片采用的是W25Q128芯片。
W25Q128由65536可编程的页组成的，每页有256个字节。
一次最多可以写256个字节。
可以一次
擦除16（4KBsectorerase），128页（32KBblockerase）,256页（64KBblock
erase）,或者擦除一整片。
W25Q128有4096个可擦除的扇区，256可擦除的块。
4KB的扇区对于数据和参数存储有更高的灵活性。
W25Q128支持标准SPI接口，以及更高性能的DUAL/QUADSPI，对应的管脚为时钟，片选，（I/O0）DI，（I/O1）DO，I/O2（/WP），I/O3（/HOLD）。
SPI 时钟可以达到104MHz，在DUAL使用快速读时就相当于208MHz，在
QUAD使用快速读时相当于320MHz。
这个传输速率比一般的异步8位，16位并行FLASH存储器要快。
3.2ZigBee节点板概述
本次实验的ZigBee节点板是采用实验室的板子。
ZigBee节点板由LPC1114芯片、FT232RL芯片、DHT11传感器、xbee模块组成的。
LPC1114是整个节点板的核心。
FT232RL为接口转换芯片，可以实现USB到串行UART接口的转换。
DHT11是温度、湿度传感器，负责采集温湿度数据。
xbee模块负责连接
ZigBee网络。
第4章软件设计
4.1软件的总体设计概述
本设计系统软件设计模块包括网关板的软件设
升级会员 