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一、項目概述
1.1 引言
隨著社會經濟水平的發展，現在人們的生活追求個性化、自動化，追求快節奏，追求充滿樂趣的生活方式，家裝要求的檔次越來越高，生活家居要求一種人性化、智能化。智能電子技術在現實生活中的智能家居電子產品中得到廣泛應用。而計算機網絡與通訊技術的應用，給人們的家居生活帶來了全新的感受。智能家居正在日漸興起，家居智能化成為一種趨勢。
智能家居概念的起源甚早，但一直未有具體的建筑案例出現，直到1984年美國聯合科技公司（United Techno1ogies Building System）將建筑設備信息化、整合化概念應用于美國康乃迪克州（Conneticut)哈特佛市（Hartford）的CityPlaceBuilding時，才出現了首棟的[智能型建筑],從此也揭開了全世界爭相建造智能家居的序幕。
進入20世紀90年代后期以來，數字化技術取得了更加迅猛的發展并日益滲透到各個領域。隨著Internet網向普通家庭生活不斷擴展，消費電子、計算機、通訊一體化趨勢日趨明顯，智能化信息家電產品已經開始步入社會和家庭。智能信息家電由于其安全、方便、高效、快捷、智能化等特點在21世紀將成為現代社會和家庭的新時尚。
“智能家居”是以住宅為平臺，集系統、結構、服務、管理、控制于一體，利用先進的網絡通訊技術、電力自動化技術、計算機技術、無線電技術，將與居家生活有關的各種設備有機地結合起來，通過網絡化的綜合管理家中設備，來創造一個優質、高效、舒適、安全、便利、節能、健康、環保的居住生活環境空間。
智能家居在保持了傳統的居住功能的基礎上，擺脫了被動模式，成為具有能動性智能化的現代工具。它不僅提供了全方位的信息交換功能，還優化了人們的生活方式和居住環境，幫助人們有效地安排時間、節約各種能源，實現了
對家居的無線控制、手機控制、計算機網絡控制等。
1.2 項目背景/選題動機
隨著科技的發展和人們生活水平的提高，人們對生活方便快捷環保節能的要求越來越高，智能家居系統應運而生。將無線通信技術和網絡控制技術應用于智能家居，將現代電子技術、通訊技術及自動化技術相結合，使控制器具有了信息的獲取、加工、傳遞等功能，并能夠實現對家電設備的自動控制和管理，防火防盜防煤氣泄漏防室內空氣污染，能夠為用戶提供環保、安全、舒適、高效便利的生活環境。有效的幫助屋主與家居保持聯系，優化人們的生活方式，幫助人們合理安排時間，增強家居生活的安全性和舒適性，并能減少能耗。雖然智能家居的概念早已經提出，但是目前多數家庭并未真正享受到所謂智能家居帶來的全新家居體驗。同時，現代意義上的智能家居推廣在短期內較難實現，且即使實現成本也超過了人們所能承受的范圍。我們所申請的“基于AVRmeg16智能家居系統”適用于目前的普通家庭，無須對居室結構和裝潢做出改動，僅需安裝一些模塊便可以實現智能家居理念當中的相當一部分功能，經濟成本較低，可以讓普通家庭也能享受到科技對家居生活帶來的便利，具有較強的推廣性。
二、需求分析
2.1 功能要求
1.實現對室內空氣質量的監測及控制，保證室內空氣的質量。在室內空氣遭到污染，如有煤氣泄漏時，窗戶能自動打開，進行通風。如果窗戶長期忘記打開時，窗戶也能自動打開進行空氣流通，確保室內的空氣環境良好。
2.實現家用電器狀態監測及控制。通過手機或者網絡隨時了解家中的情況，如窗戶是否開啟，家用電器是否關閉；并能利用手機與網絡對機器的狀態進行遠程控制，如家用電器忘關時，可以遠程關閉。
3.當發生突發事件時，具有應急響應狀態。假如家中發生煤氣泄漏或者居室出現入侵者，系統啟動應急模式，啟動聲光報警，并自動向主人的手機發送緊急信號。
4.利用無線通訊，實現短距的網絡連接，使家中各個家居成為一個互聯的系統。
5.根據環境的情況，系統能作出相應的操作。例如居室內的空氣長時間沒有流通時，窗戶可以自動打開。刮風、下雨等窗戶能自動關閉。
6.實現互聯網的訪問控制。通過瀏覽器登錄網頁就能實現對該系統的訪問與控制。
圖1 系統架構
2.2 性能要求
1、該系統實現低功耗標準。
2、該系統可靠，安全，一旦工作不正常能迅速發出聲光警報。
3、居室環境狀態采集準確、方位全面，反饋迅速。
4、反饋信息迅速、準確、高效。
5、無線收發距離遠、數據準確。
6、響應命令迅速、準確。
7、有效的保證室內的空氣流通，保護室內環境。
三、方案設計
3.1 系統功能實現原理
系統硬件結構框圖
3.2 硬件平臺選用及資源配置
主控模塊：
AVRmeg16
AVRmeg16的主要特性如下
? 高性能、低功耗的 8 位 AVR ? 微處理器
? 先進的 RISC 結構
– 131 條指令 – 大多數指令執行時間為單個時鐘周期
– 32 個 8 位通用工作寄存器
– 全靜態工作
– 工作于 16 MHz 時性能高達 16 MIPS
– 只需兩個時鐘周期的硬件乘法器
? 非易失性程序和數據存儲器
– 16K 字節的系統內可編程 Flash
擦寫壽命 ： 10，000 次
– 具有獨立鎖定位的可選 Boot 代碼區
通過片上 Boot 程序實現系統內編程
真正的同時讀寫操作
– 512 字節的 EEPROM
擦寫壽命 ： 100，000 次
– 1K 字節的片內 SRAM
– 可以對鎖定位進行編程以實現用戶程序的加密
? JTAG 接口 （ 與 IEEE 1149.1 標準兼容 ）
– 符合 JTAG 標準的邊界掃描功能
– 支持擴展的片內調試功能
– 通過 JTAG 接口實現對 Flash、 EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程
? 外設特點
– 兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的 8 位定時器 / 計數器
– 一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時器 / 計數器
– 具有獨立振蕩器的實時計數器 RTC
– 四通道 PWM
– 8 路 10 位 ADC
8 個單端通道
TQFP 封裝的 7 個差分通道
2 個具有可編程增益 （1x， 10x， 或 200x）的差分通道
– 面向字節的兩線接口
– 兩個可編程的串行 USART
– 可工作于主機 / 從機模式的 SPI 串行接口
– 具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器
– 片內模擬比較器
? 特殊的處理器特點
– 上電復位以及可編程的掉電檢測
– 片內經過標定的 RC 振蕩器
– 片內 / 片外中斷源
– 6 種睡眠模式 ： 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及擴展的 Standby 模式
? I/O 和封裝
– 32 個可編程的 I/O 口
– 40 引腳 PDIP 封裝 ， 44 引腳 TQFP 封裝 ， 與 44 引腳 MLF 封裝
? 工作電壓 ：
– ATmega16L：2.7 - 5.5V
– ATmega16：4.5 - 5.5V
? 速度等級
– 0 - 8 MHz ATmega16L
– 0 - 16 MHz ATmega16
? ATmega16L 在 1 MHz， 3V， 25°C 時的功耗
– 正常模式 ： 1.1 mA
– 空閑模式 ： 0.35 mA
– 掉電模式 ： 《 1 μA
網絡模塊：
AT32UC3A0512
AT32UC3A0512主要特性如下：
高性能，低功耗AVR32UC 32位微控制器
精簡單周期RISC指令集，含DSP指令集
“讀-改-寫”三步操作和位元處理操作
1.49 DMIPS/MHz性能表現
在FLASH中66 MHz下，高達91 DMIPS的運行速度（1等待狀態）
在FLASH中33 MHz下，高達49 DMIPS的運行速度（0等待狀態）
內存保護單元
多層次總線系統
通過為提高性能而設的獨立總線上，實現高性能數據傳輸
內部高速FLASH
512K Bytes
單周期訪問速度高達33 MHz
預取緩沖，優化了指令執行效率，達到最高速度
4ms頁面編程時間和8ms整片擦除時間
100，000次寫周期，15年數據保存能力
FLASH安全鎖定和用戶自定義配置區
內部高速SRAM，全速單周期訪問
64K Bytes
外部存儲器接口，用于AT32UC3A0擴展
兼容SDRAM/SRAM存儲器總線（16位數據總線和24位地址總線）
中斷控制器
自動向量低延時中斷服務，帶可編程優先級
系統功能
電源時鐘管理，含內部RC時鐘和1個32KHz晶振
兩個多用途振蕩器和雙鎖相環（PLL），允許獨立CPU頻率，不受USB頻率影響
看門狗定時器，實時時鐘定時器
通用串行總線
Device 2.0全速，以及On-The-Go（OTG）低速和全速
通過專用的DMA通道實現靈活的端點配置和管理
10/100 Mbps的以太網MAC接口
802.3以太網媒體訪問控制器
支持媒體獨立接口（MII）和簡化MII（RMII）
1個三通道16位定時/計數器（TC）
3個外部時鐘輸入，PWM，接收和多種計時能力
1個7通道16位脈寬調制控制器（PWM）
4個通用 同步/異步 接收/發送器（USART）
獨立波特率發生器，支持SPI，IrDA和ISO7816接口
支持硬件握手操作，RS485接口和調制解調線路
2個主/從串行外設接口（SPI），帶片選信號
1個同步串行協議控制器
支持I2S協議和通用基于框架協議
1個主/從2-wire接口（TWI），兼容400kbit/s I2C
1個8通道10位模數轉換器
16位立體聲比特流
采樣速率最高可達50 KHz
片上調試系統（JTAG接口）
Nexus Class 2+，運行控制，非強加數據和程序跟蹤
100腳 TQFP（69 GPIO引腳），144腳 LQFP（109 GPIO引腳）
5V輸入容差I/Os
3.3V單電源供電或1.8V-3.3V雙電源供電
資源配置：
使用AVRmeg16 的全部特性。
2.使用AT32UC3A0512中的10/100 Mbps的以太網MAC接口 ，802.3以太網媒體訪問控制器，UART等模塊。
3.3系統軟件架構
主系統程序流程介紹：
首先是系統初始化，包括各個模塊和IO口的設置；然后傳感器采集數據，并在N5110上面顯示；然后判斷是否有命令發送過來，并判斷該命令是PC機或RF通信模塊發送的還是GPRS模塊發送的；然后檢測是什么命令，并根據命令來執行不同的動作；最后將采集到的數據根據是否有命令發送給GPRS模塊或PC機或RF通信模塊或聲光報警模塊。
GPRS模塊程序流程介紹：
首先是GPRS初始化，包括AT指令，文本格式接收；然后判斷是否有短信或者是有數據發送過來；然后將手機接收到的命令轉發給GPRS主控器，將接收到的數據在N5110上面顯示；最后GPRS模塊通過無線模塊發送命令給采集數據的主控器。
嵌入式WEB服務器程序流程介紹：
使用HTML語言編寫WEB界面，服務器使用CGI接口提取用戶的指令，以太網數據的 傳輸采用MAC地址來識別，ARP協議提供IP地址和數據鏈路層使用的MAC地址之間的轉換 功能，為了保證系統在以太網的通信，首先要實現ARP協議;由于嵌入式WEB服務器要能在 Internet上通信，在網絡層一定要實現IP協議，還要實現能報告數據傳送差錯等情況的 ICMP協議;在應用層，主要實現遠端主機通過瀏覽器的訪問控制方式，所以要實現HTTP協 議。而HTTP協議是基于TCP協議實現傳輸的，加上TCP協議是面向可靠的數據流的傳輸， 基于應用的需要和對可靠性的要求，在傳輸層采用TCP協議，并對TCP協議進行簡化處理， 主要針對HTTP協議開發TCP協議。
3.4 系統軟件流程
主控制系統程序運行流程圖：
GPRS程序運行流程圖：
程序運行流程圖
3.4 系統預計實現結果
1.實現家用電器狀態監測及控制。通過手機或者網絡隨時了解家中的情況，如窗戶是否開啟，家用電器是否關閉；并能利用手機與網絡對機器的狀態進行遠程控制，如家用電器忘關時，可以遠程關閉。
2.當發生突發事件時，具有應急響應狀態。假如家中發生煤氣泄漏或者居室出現入侵者，系統啟動應急模式，啟動聲光報警，并自動向主人的手機發送緊急信號。
3.利用無線通訊，實現短距的網絡連接，使家中各個家居成為一個互聯的系統。
4.根據環境的情況，系統能作出相應的操作。例如居室內的空氣長時間沒有流通時，窗戶可以自動打開。刮風、下雨等窗戶能自動關閉。
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