基于zigbee技術的智能家居安全監控系統設計畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 系統電源電路部分： TMS320F2812 為 +3． 3V 信號電平，核心電平為 +1． 8V，而以太網控制器都是 +5V 的信號電平。因此需要設計三種不同 參考電壓的電源電路。 復位電路部分： SP708 給 TMS320F2812 和 SL811HS 提供低電平復位信 號。 西華大學碩士學位論文 以太網通信接口部分：數據處理后通過 RTL8019AS 網絡控制芯片與以 太網連接，且以太網與 RTL8019AS 之間要接隔離模塊后方可以連接。 RS232 串行通信部分：設計這一部分是為了方便調試。 此外， TMS320F2812 支持 JTAG 口下載仿真，需要設計 JTAG 接口；為了 方便將來對程序的調試，也需要設計串行通信接口。考慮到協議轉換需要大量 的數據存儲空間，而 TMS320F2812 內部空間有限，因此需要外擴一塊高速靜態 RAM，本文采用的是 ISSI 公司生產的 IS6lLV25616AL。 I／ O 口擴展引腳的分配如下： XD[0]XD[7]分配給液晶顯示屏作數據輸入口， EVA、 EVB 事件管理器的口留出來已備后續開發 (進行中斷程序開發 )，其余口 被用于擴展外部 RAM 和 FLASH。 基于 ZigBee 技術的智能家居安全監控系統設計 圖 4． 1 數據處理模塊結構 4． 2 數據處理模塊的外圍電路設計 4． 2． 1 系統電源電路設計 本模塊用到了 +5V、 +3． 3V和 +1． 8V的器件。 TMS320F2812 采用 +3． 3V的外 設供電和 +1． 8V 的內核供電，芯片采用這種分離式供電方式，可以大大降低 DSP 芯片功耗。所以本模塊采用 NationalSemiconductor 公司的芯片 LM2596 和LMlll7， 將電路板外接的 +9V 轉換成 +3． 3V 和 +1． 8V。供電電路如圖 4． 3所示。 基于 ZigBee 技術的智能家居安全監控系統設計 圖 4． 3 電源電路 基于 ZigBee 技術的智能家居安全監控系統設計 4． 2． 2 復位電路設計 為了提高系統的可靠性，保證系統穩定地運行，使用了 Sipex 公司生產的 低功耗 SP708R處理器監控芯片，可以提供高／低復位電平。如圖 4． 4所示。 SP708R 還可以監控電源和電池供給，它集成了很多器件在其中，包括：一個看門狗定 時器、一個 uP 的復位、一個掉電比較器和一個手動復位輸入。 MR腳就是手動 復位引腳，當該引腳輸入電平被下拉至低于 0． 8V 時， SP708R 將輸出一個復 位 脈沖。而 PFI腳是掉電輸入引腳，當 SP708R 的輸入電壓低于 1． 25V 時，肋將 為低，所以通常將 PFI連接到地。腳 RESET 是低電平復位輸出引腳，當 Vcc 電 壓低于復位閾值時，這個引腳將輸出低復位電平 200ms。 SP708R 在這里主要是 為 TMS320F2812 芯片、 USB 控制芯片 SL811HS 提供低電平的復位信號。手動 復位的功能是當系統出現程序跑飛或者需要系統重新初始化并運行時，按下復 位鍵產生的復位信號，使 DSP 進入正常的程序入口。 圖 4． 復位電路 4． 2． 3 以太網通信接口電路設計 為了把經過 DSP 處理模塊的數據通過以太網動態的顯示在監控機上，這就 需要設計以太網通信接口電路。這里選用臺灣 Realtek 公司生產的高性能工業以 太網控制器 RTL8019AS， RTL8019AS 的內部包含一塊雙端口的 16K 字節的 RAM，基于 ZigBee 技術的智能家居安全監控系統設計 有兩套總線連接到該 RAM 上，一套是本地 DMA，另一套是遠程 DMA。本地 DMA 完成控制器與網線的數據交換，遠程 DMA 負責 DSP 與 RAM 之間的數據傳輸， DSP 收 發數據只對遠程 DMA 操作。 芯片復位時，通過檢測 96 引腳 IOCSl6B(SLOTl6)的電平來確定是采用 了 16 位還是 8 位插槽 (這時該引腳稱為 SLOTl6)。為了做到這點，如果 33 引 腳 RSTDRV 置高，則網絡適配器被認為放入 16位插槽，而 IOCSl6B 腳將會連 ～ 300W 的上拉電阻；反之，則被認為放入 8 位插槽，而 IOCSl6B 腳將會連一 27KW 的下拉電阻。同時，通過在 RSTDRV 引腳輸出大于 800ns 的高電平可實 現 RTL8019AS 的硬件復位。如圖 所示。 圖 以太網通信接口電路 輔助串行通信電路 基于 ZigBee 技術的智能家居安全監控系統設計 考慮到以后調試工作的需要，所以為數據處理模塊設計了串行接口。 本設計 使用 MAX232 芯片實現 TTL電平和 RS． 232 電平之間的轉換，硬件電路如圖 所示。 圖 串行通信電路 4． 3 本章小結 本章概述了數據處理模塊的設計目的和原理，并以 TMS320F2812 為核心， 詳細介紹了外圍電路設計和輔助通信電路設計方案。 5嵌入式實時操作系統μ c／ osII在 TMS320F2812上的移植 5． 1 μ c／ os— II 的概述及特點 考慮到在智能家居系統中， ZigBee 收發模塊 (對應于安防傳感器的部分 ) 是一個要求實時傳輸數據的模塊，這也就要求整個系統必須 是一個實時系統， 能夠對各種傳感器或命令做出及時反應，且智能家居系統軟件必須能夠對內存 管理、對消息反應能夠實時。所以說移植一個實時操作系統是有必要的。同時， 基于 ZigBee 技術的智能家居安全監控系統設計 還考慮到以后可以對智能家居系統進行升級改造 (在嵌入式實時操作系統環境 下，開發新的應用程序 )的需要，移植一個實時操作系統也是非常有用的。本設計在考慮到整個設計成本問題時，首選免費型實時操作系統，考慮到μ C／ OS 比較適合家庭這種小型的控制系統，同時執行效率高、占用空間小、實時性能優良和可擴展性強等特點，對處理器的移植比較簡單，所以最后選擇了μ C／ os— II作為本設計將要移植的實時操作系統。 μ C／ OS． II是由 JeanJ． Labrosse 于 1992 年編寫的一個嵌入式多任務實時操作系統。最早這個系統叫做μ C／ OS，后來經過近 10 年的應用和修改，在1999 年 JeanJ． Labrosse 推出了μ C／ OS． II，并在 2020 年通過了美國聯邦航空管理局的 RTCADO： 178B 標準認證，從而證明μ C／ OS． II具有足夠的穩定性和安全性。μ C／ OS 一Ⅱ是用 C語言和匯編語言來編寫的。其中絕大部分代碼都是用 C語言編寫的，只有極少數部分與處理器密切相關的代碼是用匯編語言編寫的，所以用戶只要做很少的工作就可把它移植到各類 8位、 16 位和 32位嵌入式處理器上。 Ps]I．μ C／ OS． II的體系結構如圖 5． 1 所示。μ C／ OS． H 操作系統是一種性能優良、源碼公開且被廣泛應用的免費嵌入式操作系統，其主要特 點有： (1)μ C／ OS． II 是一個可剝奪型的實時內核，其內核提供任務調度與管理、時間管理、任務間同步與通信、內存管理和中斷服務等功能。 (2)μ C／ OS． II 非常適合小型控制系統，具有執行效率高，占用空間小、確定性、實時性能優良和擴展性強等特點。 (3）μ C／ OS．Ⅱ最多可以支持 64 個任務，采用的是占先式的實時多任務內核， 保證任務優先級最高的任務能夠即時完成。 (4)μ C／ OS． II 的移植較為簡單，只需要修改 3 個與硬件相關的文件和重寫幾個函數即可。 基于 ZigBee 技術的智能家居安全監控系統設計 圖 5． 1 μ C／ OS． II 的體系結構 5． 2 μ C／ 0S— II 的移植 在本設計中，所移植的系統建立了 8個任務 (參照見圖 1． 2)： O號任務，用來監測安防傳感器 (煤氣泄露 )。在執行該任務時通過 ZigBee 網絡協調器選擇與安防傳感器 (煤氣泄露 )終端節點通信，采集傳感器數據。 1號任務，用來監測安防傳感器 (溫度 )。在執行該任務時通過 ZigBee 網絡 協調器選擇與安防傳感器 (溫度 )終端節點通信，采集傳感器數據。 2號任務，與 0 號任務對應，將安防傳感器 (煤氣泄露 )采集的數據最終通 西華大學碩士學位論文 過以太網上傳到監控機 (PC 機 )上。 3號任務，與 1 號任務 對應，將安防傳感器 (溫度 )采集的數據最終通過以 太網上傳到監控機 (PC 機 )上。 4號任務，用來控制冰箱、空調、電視、燈的電源開關，通常情況下，這些 開關型控制，只用一個任務就可以完成，只要在執行該任務時，同時通過 ZigBec 網絡協調器同時發送一個 16 位地址符就可以選擇出所要執行開關任務的終端節 點。 基于 ZigBee 技術的智能家居安全監控系統設計 5號任務，單獨為窗簾建立一個任務。因為窗簾的控制是一個閉環控制。 6號任務，為電表、水表、燃氣表的數據采集建立一個任務。因為水表、電 表、燃氣表的數據對實時性要求沒有那么高，可以分時采集，在執行該任務時， 同 時通過 ZigBcc 網絡協調器同時發送一個 16位地址符就可以選擇出所要執行 數據采集任務的終端節點，另外，還要為該任務調用一個延時函數，并設置延 時時鐘周期數，從而最終實現在三表間輪流數據采集。 7號任務，用來對三表數據上傳到監控機 (PC 機 )建立任務。對應于任務 6，分別將從水、電、燃氣表采集的數據立即上傳。 從任務的代碼上來看，任務是如下形式的一個 C 函數： void task(void) { 參數定義； for(； ； ) { 執行任務代碼； 調用 OSTimeDly()延時函數，清除該任務就緒位，設置延時時鐘 周 期數，調用任務切換宏 OSTASKswo 進行任務調度； ) 它們具有各自獨立的堆棧空間和不同的靜態優先級， 0號任務優先級最高， 7號任務優先級最低。對于 0 號任務 ~3 號任務，由于它們是保證家居安全的是 不允許中斷響應的，所以在這些任務開始執行時，一定要設置程序狀態字 PSW 為 0x0002(關中斷 )。同時任務可以在系統和應用程序的控制下，根據具體情況改變自己的狀態，這個改變叫做任務狀態的轉換。任務在不同狀態之間的轉換即有 5 種狀態： 基于 ZigBee 技術的智能家居安全監控系統設計 (1)睡眠狀態 (DORMANT)：指任務駐留在程序空間中，還沒有交給操作系 統管理。把任務交給內核是通過調用任務創建函數 OSTaskCreateO 或提供了一些 附加功能的 OSTaskCreateExt0 實現的。 (2)就緒狀態 (READY)：當任務～旦建立，這個任務就處于就緒態準備運行。 就緒態的任務都被放在就緒列表中，在任務調度時，指針 OSTCBHighRdy 指向 優先級最高的那個任務控制塊 OSTCB，就立即運行該任務。 (3)運行狀態 (Rl 烈 NING)：處于就緒狀態的任務如果經調度器判斷獲得了處 理器的使用權，則任務就進入了運行狀態。任何時候只能有～個任務處于運行 狀態，就緒 的任務只有當所有優先級高于本任務的任務都轉為等待狀態時，才 能進入運行狀態。這時，控制塊指針 OSTCBCur 指向正在運行的任務的任務控 制塊。 (4)等待狀態 (WAITING)：正在運行的任務由于調用延時函數 OSTimeDlyO 或等待事件信號量的來臨而將處理器的使用權讓給其他任務而使任務處于等待 狀態。 (5)中斷服務狀態 (ISR)：一個正在運行的任務一旦響應中斷申請就會中止運 行而去執行中斷服務程序，這時任務的狀態叫做中斷服務狀態。 由此可知，在智能家居系統中的 8 個任務就是在這 5 種狀態間轉換的。 行 I． μ C／ OS． II 移植，主要進行以下部分的操作： (1)在 OSCPU． H文件中用 define 語句定義與處理器相關的常數、宏和 類型；根據處理器堆棧結構在 OSCPU． H中定義堆棧增長方向。 (2)在 OS CPU． C文件中用 C 語言編寫與處理器相關的 C語言代碼模塊， 即編寫 6個簡單的 C語言函數。 (3)在 OSCPUA． ASM 文件中，集中了所有與處理器相關的匯編語言代 碼模塊，在 OSCPUA． ASM 中要編寫 4個匯編語言函數。 μ C／ OS． II移植到 TMS320F2812 采用的是 CCS2． 0編譯軟件， CCS2． 0 支持交叉編譯 (允許在 C源代碼中插入匯編語言 )，所以適合嵌入式實時操作系統 基于 ZigBee 技術的智能家居安全監控系統設計 μ C／ OS． II的移植。 5． 3 本章小結 本章結合第 4章對 TMS320F2812 的研究，簡要介紹了μ C／ OS． II 的特點和 結構，為 pC／ OSII 的移植做了原理性解釋，同時介紹了移植μ C／ OS． II實時操作系統的方法及步驟。 6 智能家居