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基于物联网技术的网络智能家居远程控制系统的设计.pdf
封面
声明
中文摘要
英文摘要
目录
第一章 绪 论
1.1物联网的基本概念
1.2国外研究现状
1.3国内的研究现状
1.4 研究问题的提出
1.5论文完成的主要工作和内容
第二章 NIHA服务器主芯片软硬件的设计
2.1 ARM嵌入式微处理器简介
2.2 NIHA服务器最小系统结构设计
2.3显示电路
第三章 网络适配器的软硬件设计
3.1网络适配器硬件接口设计
3.2 DM9000A编程
3.3 读/写 EEPROM数据
3.4读/写PHY寄存器
3.5 发送数据包
3.6接收数据包
第四章 ZigBee无线网络的软硬件设计
4.1 ZigBee基础概述
4.2 ZigBee系统设计
第五章 电力线载波通信软硬件设计
5.1 电力线通信概述
5.2智能家居PLC控制系统的设计
5.3从控部分设计：
第六章 网络智能家居的整体设计
6.1 NIHA远端平台设计
6.2 ZigBee智能家居协议簇的设计
6. 3 ZigBee协调器网络的建立
6.4电力线PLC协议栈的设计
6.5系统调试
第七章 全文总结
参考文献
发表论文和参加科研情况说明
致谢
天津大学硕士学位论文
基于物联网技术的网络智能家居
远程控制系统的设计
Design of Remote Control System for NIHA
Based on IOT
学科专业：通信与信息系统
研 究 生：程静涛
指导教师：杨晋生 副教授
天津大学电子信息工程学院
2012 年 5 月
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的
研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表
或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津大学 或其他教育机构的学位或证
书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中
作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解 天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。
特授权 天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检
索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校
向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。
（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）
学位论文作者签名： 导师签名：
签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日
中文摘要
本课题主要研究的是物联网技术中关于网络智能家居 NIHA（Network
Intelligent Home Appliance ）的联网技术，以期为物联网时代网络智能家居的
实现提供一个可行的技术方案，使得 NIHA 系统能够实现家用电器的网络化、
智能化管理。
课题主要采用嵌入式 WEB 服务器的远程登录的控制方法，使远端计算机
通过 Internet 网络访问 NIHA 服务器。NIHA 服务器作为智能家居的核心控制设
备将接收指令和信息进行判决，通过 ZigBee 无线传感网络和电力线通信（PLC）
方式等技术处理，完成对智能家居数据信息的采集、控制等功能。系统采用嵌入
式处理器 ARM9（S3C2440A）芯片作为 NIHA 服务器的主芯片，以 DM9000A
为网络适配芯片完成数据联网的功能，选用 CC2430 作为无线传感网络的硬件设
备，文中还对 ZigBee 协议族以及协调器和终端节点的组网进行了研究。 本
设计采用基于 PLC 的仿以太网总线的基本构想，选用 MI200E 完成电力线通
信控制智能家电，具有低成本、联网容易、工作稳定的特点。本论文的创新之处
在于提出了以 NIHA 服务器为核心，将无线传感网路技术和电力线通信技术有机
融合，以此为框架作为网络智能家居的主要研究方向，实现系统的性价比高、
网络智能化程度高、联网容易的控制目标。
研究结果表明，本文完成的 NIHA 设计，可以解决 NIHA 系统的各种通信协
议的融合问题，易于实现，具有很好的应用前景。
关键词：ZigBee；网络智能家居；电力线通信；CC2430；MI200E
ABSTRACT
This subject is researched that the technology about Intelligent household NIHA
(Network Intelligent Home Appliance) in the IOT（the Internet of Things）networking
technology. Its provide a feasible technology solutions meaning for the age of IOT
realizethe NIHA. Enabling NIHA system can realize the household appliances of
network and intelligent management.
The control method is adopted mainly that long-range log on the Embbed-Web
Server, the NIHA server is visited to the far end computer through the Internet
network. The NIHA server as intelligence home core control equipment will receive
instruction and information and then carrying out judgment, accomplishing the
functions such as collecting, controlling intelligence home, through the ZigBee
wireless sensor network and power lines communication (PLC) mode technology
processing . System is adopt to Embedded processors ARM9 (S3C2440A) chips are
the NIHA server host chip; This paper detailed explanation about the chip operating
principle and networked data realization method that DM9000A as the network
adapter; Choose the CC2430 hardware equipment as wireless sensory network.It have
characteristic with low power consumption and networking easy, capital of net has
assumed detailed research in culture to the ZigBee agreement cluster who coordinator
and the terminal node. Can be stable accomplishing sensory data taking-over , analyse
and judge; Select and use MI200E accomplishing the power lines communication
under the control of intelligence home appliance, put forward the basic concept that
PLC imitation of the Ethernet bus, with low cost, networking easy, work stable
characteristics. This paper in the innovation of the proposed in NIHA server as the
core, will wireless sensor network technology and communication technology of
organic integration of the power lines, based on this frame as a network intelligence
lives in the main direction of the research, row disadvantages take interest, from each
of the system of high performance/price ratio, network intelligent, networking easy
control goals.
The results show that the NIHA design, it can solve NIHA system of the fusion
of various communication protocol, easy to be realized, has the very good application
prospects.
Key words：ZigBee NIHA PLC CC2430 MI200E
目 录
第一章 绪 论 .............................................................................................................. 1
1.1 物联网的基本概念 .................................................................................... 1
1.2 国外研究现状 ............................................................................................ 1
1.3 国内的研究现状 ........................................................................................ 1
1.4 研究问题的提出 ....................................................................................... 2
1.4.1 物联网技术的应用与智能家居的数字化进程 ............................. 2
1.4.2 问题的提出和意义 ......................................................................... 2
1.5 论文完成的主要工作和内容 .................................................................... 3
1.5.1 本课题研究目标 ............................................................................. 3
1.5.2 本课题研究的主要内容 ................................................................. 3
1.5.3 本课题拟解决的关键技术 ............................................................. 4
第二章 NIHA 服务器主芯片软硬件的设计 ............................................................... 6
2.1 ARM 嵌入式微处理器简介 .................................................................... 6
2.1.1 ARM 系列芯片功能概述 ............................................................... 6
2.1.2 NIHA 服务器器件选型 .................................................................. 7
2.2 NIHA 服务器最小系统结构设计 ............................................................. 7
2.2.1 时钟电路 ........................................................................................ 7
2.2.2 实时时钟 ........................................................................................ 9
2.2.3 存储器电路 .................................................................................... 9
2.2.4 系统复位电路 ............................................................................... 12
2.2.5 键盘电路 ...................................................................................... 12
2.3 显示电路 .................................................................................................. 14
2.3.1 S3C2440 LCD 控制器原理 ......................................................... 14
2.3.2 时钟源的选择 .............................................................................. 15
2.3.3 WXCAT43-TG3 # 001 液晶显示模块介绍 ................................. 15
2.3.4 WXCAT43-TG3 # 001 的总体设计 ............................................. 18
2.3.5 触摸屏工作原理 .......................................................................... 21
第三章 网络适配器的软硬件设计 ............................................................................ 25
3.1 网络适配器硬件接口设计 ...................................................................... 25
3.1.1 网卡芯片选择 ............................................................................... 25
3.1.2 系统硬件设计 ............................................................................... 26
3.1.3 串行 EEPROM 操作 .................................................................... 27
3.2 DM9000A 编程 ........................................................................................ 30
3.2.1 读/写 DM9000A 寄存器 .............................................................. 30
3.2.2 驱动器初始化步骤 ...................................................................... 31
3.3 读/写 EEPROM 数据.............................................................................. 31
3.3.1 读 EEPROM 数据 ...................................................................... 32
3.3.2 写 EEPROM 数据 ........................................................................ 33
3.4 读/写 PHY 寄存器 ................................................................................... 34
3.4.1 读 PHY 寄存器 ............................................................................. 34
3.4.2 写 PHY 寄存器 ............................................................................ 34
3.5 发送数据包 ............................................................................................. 35
3.5.1 包传输 ........................................................................................... 36
3.5.2 检查完成标志 ............................................................................... 36
3.6 接收数据包 .............................................................................................. 37
3.6.1 接收中断服务例行程序 ............................................................... 38
3.6.2 包的接收 ....................................................................................... 38
3.6.3 检查包状态和长度 ....................................................................... 38
3.6.4 接收包的数据 .............................................................................. 39
3.6.5 TCP/IP/UDP 校验......................................................................... 39
第四章 ZigBee 无线网络的软硬件设计 ................................................................... 41
4.1 ZigBee 基础概述 ..................................................................................... 41
4.1.1 ZigBee 节点类型 ....................................................................... 41
4.1.2 ZigBee 网络结构 ....................................................................... 41
4.1.3 ZigBee 芯片介绍 ....................................................................... 41
4.1.4 无线模块 .................................................................................... 43
4.2 ZigBee 系统设计 ................................................................................... 45
4.2.1 协调器电路设计 .......................................................................... 45
4.2.2 终端节点设备设计 ...................................................................... 52
第五章 电力线载波通信软硬件设计 ........................................................................ 58
5.1 电力线通信概述 ..................................................................................... 58
5.2 智能家居 PLC 控制系统的设计 ............................................................. 59
5.2.1 智能家居 PLC 基本结构组成 .................................................... 59
5.2.2 PLC 调制解调器芯片的选型 .................................................. 60
5.2.3 主控电路硬件设计 .................................................................... 61
5.2.4 主程序设计 ................................................................................ 65
5.2.5 初始化设置 ................................................................................ 66
5.2.6 发送程序 .................................................................................... 67
5.2.7 接收程序 .................................................................................... 69
5.3 从控部分设计： ...................................................................................... 71
第六章 网络智能家居的整体设计 ............................................................................ 74
6.1 NIHA 远端平台设计 ............................................................................... 74
6.1.1 TCP/IP 网络协议原理 ............................................................... 74
6.1.2 嵌入式 TCP/IP 的编程 .............................................................. 75
6.1.3 TFTP 协议 ................................................................................ 77
6.1.4 远程登录系统—嵌入式 Web 服务器的设计 .......................... 78
6.2 ZigBee 智能家居协议簇的设计 ........................................................... 80
6.2.1 ZigBee 协议栈 ........................................................................... 80
6.2.2 PHY 物理层 ............................................................................... 81
6.2.3 MAC 层 ........................................................................................ 82
6.2.4 ZigBee 网络层 .......................................................................... 83
6.2.5 ZigBee 智能家居应用层设计: .................................................. 85
6.2.6 ZigBee 智能家居的网络结构 ................................................... 86
6. 3 ZigBee 协调器网络的建立 .................................................................. 89
6.3.1 组建网络 ....................................................................................... 89
6.3.2 节点通过协调器加入网络 ........................................................... 91
6.4 电力线 PLC 协议栈的设计 ..................................................................... 94
6.4.1. PLC 的总线结构 ......................................................................... 94
6.4.2 仿以太网 CSMA/CD 工作原理 .................................................. 94
6.4.3 仿以太网标准 ............................................................................... 94
6.5 系统调试 .................................................................................................. 95
6.5.1 网络智能家居系统模拟连接 ...................................................... 95
6.5.2 调试方案 ...................................................................................... 96
第七章 全文总结 ........................................................................................................ 98
参考文献： .................................................................................................................. 99
发表论文和参加科研情况说明 ................................................................................ 101
致 谢 ........................................................................................................................ 102
第一章
第一章 绪 论
互联网技术的发展带来了物联网技术的革命。它的出现给人们的生活
带来了翻天覆地的变化。本章主要探讨物联网的基本概念及研究的主要领
域。并以此提出网络智能家居 NIHA（Network Intelligent Home Appliance ）的
基本概念和组成智能家居的基本构想。
1.1 物联网的基本概念
物联网其含义是指物 与物通过 传感设备和红外或无线识别技术 与互联
网技术紧密地连接起来，实现智能化管理。物联网技术通过分析处理各种
传感器的数据，为用户提供特定场合的服务[1]。如进行全球、国际间、省际
间、区域间的物流监控；对环境污染的 监控；实现交通管理、家居、路灯
控制智能化；各种类型的无障碍扫描收费 ；可进行各种类型数据的智能检
索查询和 远程抄表服务。
1.2 国外研究现状
国外对物联网的研发一开始仅局限于条形码、RFID 等技术在商业零售、
物流领域应用，如美、欧、日、韩等少数国家。随着远程通信技术以及计
算技术等的发展，其应用已拓展到各种环境监测、安防保护、智能型 基础
设施等领域。 “智能型 互联建筑”[2]。可以节约至少 15%的能耗；开发电
力、交通、医疗、银行等智能化以及城市间智能化。
1.3 国内的研究现状
近年来，我国在国家重大科技项目、国家自然科学基金、国家“863”
计划中已部署了物联网相关技术的研究。在通信协议、芯片、协同处理、
网络管理、智能计算等领域组织开展了技术攻关。物联网技术 除在灾情监
测、交通、 物流、医疗、环保等领域已经开 始应用外 ，在智能电网、智能
安防等方面的应用也开始实施，电信运营商开展了多种 M2M 业务应用推
进传感器网络与 3G 移动通信网络的融合。我国已具有了一定的物联网基
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