通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和Cerebot_32MX4實(shí)現(xiàn)家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

項(xiàng)目背景

隨著物聯(lián)網(wǎng)的熱潮的到來，2010年國(guó)內(nèi)許多省市紛紛發(fā)布的《物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃》，物聯(lián)網(wǎng)附屬領(lǐng)域智能家居的發(fā)展也得到了非常大程度的推進(jìn)。由于物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，所以在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中我們將智能家居內(nèi)部的傳感器網(wǎng)絡(luò)連接至控制核心PIC32，PIC32通過控制網(wǎng)絡(luò)模塊，按照TCP/IP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)PIC32的Web服務(wù)器功能，使得可以通過手機(jī)、電腦的瀏覽器來遠(yuǎn)程訪問該web服務(wù)器，并以點(diǎn)擊鏈接的形式，控制用電器。這種嵌入式Web服務(wù)器的低功耗和高可靠性，使其特別適合作為家庭小型Web服務(wù)器控制。

二、需求信息

擬采用的平臺(tái)：

cerebot 32M×4

兩個(gè)Digilent PMOD 產(chǎn)品：

PmodNIC——網(wǎng)絡(luò)接口控制器

PmodSF-Serial Flash Rom，16或128Mbit

三、項(xiàng)目總概

此次項(xiàng)目，我們計(jì)劃通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

通過分布于房屋各處的傳感器對(duì)房屋內(nèi)外的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，獲得的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)或有線連接匯總到此次項(xiàng)目的總控板Cerebot_32MX4上;

Cerebot_32MX4按照TCP/IP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)與Web服務(wù)器的鏈接，通過Web達(dá)到遠(yuǎn)程終端設(shè)備(PC、手機(jī)等)同Cerebot_32MX4間的數(shù)據(jù)傳輸;

Cerebot_32MX4可以將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給PC和手機(jī)，讓人們?cè)谌魏文軌蜻B接上網(wǎng)絡(luò)的地方就能了解家中的情況，并對(duì)家中的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，比如：控制草坪、花園中的灑水系統(tǒng)給花草澆水。在到家前提前10分鐘開啟空調(diào)，讓到家時(shí)能夠馬上享受到舒適的溫度。同時(shí)，人們?cè)诩視r(shí)也可以利用該方法控制身邊的設(shè)備，使房屋實(shí)現(xiàn)智能化;

Cerebot_32MX4也可以自己對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)家中設(shè)施的自動(dòng)控制，同時(shí)可以通過PC、手機(jī)對(duì)自動(dòng)控制的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置

系統(tǒng)整體框圖如下：

四、硬件設(shè)計(jì)

(1)家庭內(nèi)部信息的采集擬采用Zigbee節(jié)點(diǎn)組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中一個(gè)Zigbee節(jié)點(diǎn)作為總的傳感器采集點(diǎn)，與PIC32有線連接，其余Zigbee節(jié)點(diǎn)采用無線通信方式與總節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳感器信息的傳遞。

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。

本項(xiàng)目中，無線通信技術(shù)的應(yīng)用將很好的解決數(shù)據(jù)采集點(diǎn)分散、設(shè)備不集中的問題。

ZigBee在低耗能方面表現(xiàn)突出，明顯由于藍(lán)牙跟WIFI。有關(guān)材料表明，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月,甚至更長(zhǎng)。因此，通過配置小型太陽能電池板的方式即可對(duì)ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充電，保證其正常的運(yùn)行。

ZigBee具有大規(guī)模的組網(wǎng)能力，非常適合于大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集，解決了智能家居系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集點(diǎn)多的問題。

(2)傳感器網(wǎng)絡(luò)連接至PIC32控制板，PIC32通過控制網(wǎng)絡(luò)模塊，按照TCP/IP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)PIC32的Web服務(wù)器功能。

TCP/IP通信協(xié)議以其高效、可靠、通用性獲得了世界范圍的廣泛使用。

本項(xiàng)目采用Cerebot 32M×4為控制核心，在其中通過軟件方法實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的通信功能，通過進(jìn)一步的擴(kuò)展，在其上搭建起HTTP，F(xiàn)TP，TELNET等高級(jí)網(wǎng)絡(luò)功能。

利用TCP/IP協(xié)議中的UDP、IP、ARP及簡(jiǎn)單的應(yīng)用層協(xié)議實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)互連，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，同時(shí)擴(kuò)展數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行О霃健?/p>

TCP/IP協(xié)議是一套把因特網(wǎng)上的各種系統(tǒng)互連起來的協(xié)議組，保證因特網(wǎng)上數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確快速傳輸。參考開放系統(tǒng)互連(OSI)模型，TCP/IP通常采用一種簡(jiǎn)化的四層模型，分別為：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層。

①應(yīng)用層

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層要有一個(gè)定義清晰的會(huì)話過程，如通常所說的Http、Ftp、Telnet等。我們用單片機(jī)系統(tǒng)傳遞來自Ethernet和數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)，應(yīng)用層只對(duì)大的數(shù)據(jù)報(bào)作打包拆報(bào)處理。

②傳輸層

傳輸層讓網(wǎng)絡(luò)程序通過明確定義的通道及某些特性獲取數(shù)據(jù)，如定義網(wǎng)絡(luò)連接的端口號(hào)等，實(shí)現(xiàn)該層協(xié)議的傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)協(xié)議UDP。

③網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層讓信息可以發(fā)送到相鄰的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上的任一主機(jī)上，IP協(xié)議就是該層中傳送數(shù)據(jù)的機(jī)制。同時(shí)建立網(wǎng)絡(luò)間的互連，應(yīng)提供ARP地址解析協(xié)議，實(shí)現(xiàn)從IP地址到數(shù)據(jù)鏈路物理地址的映像。

④鏈路層

由控制同一物理網(wǎng)絡(luò)上的不同機(jī)器間數(shù)據(jù)傳送的底層協(xié)議組成，實(shí)現(xiàn)這一層協(xié)議的協(xié)議并屬于TCP/IP協(xié)議組。這部分功能由單片機(jī)控制網(wǎng)卡芯片實(shí)現(xiàn)。

控制核心PIC32根據(jù)web默認(rèn)配置將采集的傳感器信息分析并進(jìn)行自動(dòng)控制，用戶又可通過手機(jī)、電腦的瀏覽器來遠(yuǎn)程訪問該web服務(wù)器，并以點(diǎn)擊鏈接的形式，控制用電器。

軟件流程

PIC32主程序循環(huán)檢測(cè)ENC28J60芯片獲取的數(shù)據(jù)包，將廣播報(bào)文和目標(biāo)地址為本機(jī)地址的數(shù)據(jù)包接收進(jìn)行下一步的處理。由于本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的是TCP/IP通信，而建立起TCP連接最主要的用途是實(shí)現(xiàn)HTTP通信。PIC32接收到的待處理數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理函數(shù)，若檢測(cè)到有TCP連接建立的請(qǐng)求，則進(jìn)行相應(yīng)處理。當(dāng)建立了TCP連接后，就可以通過TCP連接發(fā)送和接收HTTP通信數(shù)據(jù)。

TCP連接建立的“三次握手”流程和有限狀態(tài)機(jī)如下：

PIC32在接收到正確的HTTP GET請(qǐng)求后，便進(jìn)行相應(yīng)處理，返回用戶需要的網(wǎng)頁，這樣就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的web server應(yīng)用。

本軟件流程圖僅以簡(jiǎn)單控制家電的通斷電為例進(jìn)行繪制，此處流程圖僅是軟件的設(shè)想方案，具體能否實(shí)現(xiàn)仍需實(shí)際測(cè)試。