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家庭自动化是指为了用户的便利自动控制家用电器的过程与技术。这种技术依照严格的要求使用设备并防止误用，从而让生活变得更加轻松，同时可节省能源。就控制而言，最基本的形式是用遥控器调节灯光明暗，而复杂的则包括在家中组建一个设备网络，利用主控制器甚至通过手机从世界任意地点对网络进行编程。 家庭自动化系统涉及的操作包括在达到所需温度时将空调或冰箱等大型电器关闭一段时间，然后，当温度越过某个临界值后再将电器打开。此外，家庭自动化系统还可用来防止窃贼，当系统感应到侵入者时可以向最近的警察局和房主发送警报。 图1：基本的家庭自动化系统 除了算法自动化外，用户可根据个人需要利用直接按键、手机、因特网或红外遥控来控制设备。电器和传感器网络的建立可实现设备间的交互并制定运行决策。 图2：控制单元示例 开发家庭自动化系统时的设计考虑因素： 开发家庭自动化系统时有一些设计挑战和考虑因素。设计人员在设计系统之前应考虑几个关键点，这样可简化设计，降低成本，并最大限度地增强功能。设计家庭自动化系统所涉及的主要考虑因素由用户需求决定。在继续设计工作之前，考虑以下几点有助于为系统选择正确的处理器、传感器和通信协议： 1.接口类型：系统需求是家庭自动化系统设计时最基本和最重要的需求。接口是基本的通信协议与硬件组合，可用于在设备间或者与用户之间发送和接收信息。设计人员在执行设备、用户和整体系统间的通信时有多种选项，因此必须结合系统、范围、房屋大小和易用性等因素做出明智选择。 a.如果用户想通过因特网控制家用电器，设计人员就需要添加一个以太网或Wi-Fi接口将系统连接到家庭网络。 b.如果用户想通过手机中的蓝牙控制系统，设计人员就需要添加一个蓝牙接口与设备通信。 此外，通信接口的选择还取决于中央控制单元 (CCU) 和房间控制单元 (RCU) 之间所使用的拓扑结构。有关这两种单元的更多介绍将在本文后面部分讨论。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 【 系列文章 】 家庭自动化系统设计(2):基于星形拓扑结构的系统架构 家庭自动化系统设计(3):利用片上系统技术实现 2.感应要求：设计人员需注意用户的感应要求，并确定执行任务所需的传感器类型。此外，设计人员还需要评估在不同环境中不同需求和可用性所需要的传感器规范。 传感器类型包括： a.热敏电阻 – 可用于控制空调、冰箱、热水器、供热系统，或火灾情况。 b.湿度传感器 – 感应环境中的湿气等级。 c.气体传感器 – 可用于检测厨房中的气体泄漏。 d.光传感器 – 可用于检测房屋内的光强度。 这些传感器提供的信息（经信号调节后）可被处理器用来制定与电器有关的几个重要决策以及开关电器。 3.安全等级：设计家庭自动化系统的另一个主要要求是保证整个系统的安全。这样，系统就不会被轻易更改，以避免非授权用户控制房屋。系统应当能够阻止大部分类型的入侵行为。即使系统被侵入，也应能够向用户和最近的警察局发送信号。此外，系统还需隐藏主控制板上尽可能多的组件，使控制板对于试图解除它的人来说成为一个黑盒子。系统在与其它设备通信时应能够发送和理解编码数据。这样能防止其他人通过接入系统和相同的接口来非法入侵设备。 4.拓扑结构：拓扑结构定义了家庭自动化控制单元间的交互方式。星形拓扑是使用最多的结构。它利用CCU与所有RCU进行交互并为它们制定决策。所有RCU将从传感器获取的数据发送到CCU，如果CCU发现数据有任何问题，就会送回指令以采取特定行动。 另一个可考虑的结构是网状拓扑。该结构采用相似的控制单元。这些单元相互连接以构成一个控制单元Web。每个单元都可在网络中发送信息，同时信息被所有单元共享。各单元是独立的，而且可依照有关环境的可用信息制定自身决策。 系统拓扑结构的选择决定了选择哪种通信接口，例如ZigBee、RF、蓝牙等。 5.自动化深度：系统设计受需求的影响。这些需求可以简单到根据一天中不同时间来控制房屋内的灯光，也可以复杂到控制所有的电器和安全系统。每种要求都会影响整体设计。开发人员需要确定最优化的方法以最低成本和复杂性执行所有任务。尽管系统内部很复杂，但系统要易于使用，不能给房屋用户的操作带来难度。 6.成本：这是系统设计中最重要的方面，因为系统复杂性和自动化深度决定系统成本。高度复杂和高成本的系统会打消客户购买和在房屋中安装该系统的念头。 系统的成本直接与组件数量、所用接口以及固件和硬件的设计复杂程度有关。在不降低软硬件质量的前提下，应减少系统中组件的数量，以降低总成本和系统尺寸。可利用片上系统 (SoC)与多个外设和一个处理器进行集成，以方便地实现更低的系统成本。 我们在第1部分中介绍了家庭自动化系统设计的一般设计考虑因素。在第2部分，我们将探讨家庭自动化系统的架构。 关于作者： Rahul Raj Sharma是赛普拉斯半导体公司USB器件业务的应用工程师。他从事PSoC应用的研究，热衷于开发模拟和混合信号设计。他的联系方式是rrsh@cypress.com Tushar Rastogi是赛普拉斯半导体公司的应用工程师。他从2012年开始研究基于PSoC的应用。他的职责包括PSoC固件编程、应用开发、编程方面的客户技术支持以及边界扫描相关问题和技术资料的撰写。他的联系方式是tusr@cypress.com 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 【 系列文章 】 家庭自动化系统设计(2):基于星形拓扑结构的系统架构 家庭自动化系统设计(3):利用片上系统技术实现

    董 湘 麟 苏州中科集成电路设计中心（215021）        随着现代社会对物流智能化和信息化服务的需求，基于物联网技术以高度信息化，智能化微特征的智慧物流应运而生。使物流信息进入一个崭新的阶段。 智慧物流系统包括 3 个层面：最下层是感知互动层包括 RFID 设备、传感器与传感网等。主要用于物流信息的获取：感知互动层之上是网络传输层，网络传输层是进行物流信息交换传递的数据通路，包括各类接入网与核心网：最上层的是应用服务层，包括数据交换平台，公共服务平台和用户服务平台。 1.    感知互动层技术       物联网感知互动层主要完成物体信息的采集，融合处理，采用条码识别， RFID, 智能图像处理识别， GPS,AIS, 等多种技术对各类物流对象进行信息采集，这种采集具有实时，智能化，信息全面的特点。 (1)     条码识别       条码识别是由宽度不同，反射率不同的条和空，按照一定的编码规则编制的用以表达一组数字或者字母信息的图形标识符。随着计算机的应用不断普及条形码识别技术应用得到了很大的发展。条形码可以标出商品的生产国，制造厂家，商品名称，商品名称，生产日期，起止地点等信息。因而在商品了流通图书管理，银行系统得到广泛的应用。 （ 2 ） RFID         RFID 技术源于上世纪 40 年代，其发展有着近 60 年的历史，随着 RFID 技术从军用转向民用，以及全球几大零售巨头沃尔玛、麦德龙，及美国国防部等相继要求其供货商采用 RFID 技术对商品进行标识，吹响了 RFID 进军物流领域的号角，使得沉寂多年的 RFID 技术焕然一新，成为世人瞩目的焦点。巨大的市场前景，使 RFID 被视作 IT 领域的下一个金矿，各软件巨头纷纷投入巨资进行 RFID 技术研发， IBM 、微软、 Oracle 、 HP 、 Sun 和 SAP 等软件巨擘相继发布 RFID 研究计划，如 2004 年 IBM 宣布在未来五年，将投资 2.5 亿美元和招募 1000 名雇员组建一个新的与 RFID 相关的部门； HP 也宣布在未来五年投入 1.5 亿美元进行 RFID 研发，并在全球成立了多个 RFID 研究中心；微软 2004 年宣布投入 1 亿新台币在台湾成立独立的 RFID 卓越中心 。   UID 标签泛指所有包含 ucode 码的设备，如条码、 RFID 标签、智能卡和主动芯片等，并定义了 9 种不同类别的标签。除了标签， UID 网络还包含两个关键部分：一是读取标签的终端，称为普适通信（ ubiquitous communicators ， UCs ），它除了能和标签通信还提供 3G 、 PHS 、 802.11 等多种接入方式与广域网上的信息服务器相连；另一个是 ucode 解析服务器，提供由 ucode 到信息服务器地址的转换功能。       21 世纪的全球商业竞争已不仅仅是技术、成本和管理等领域的单项角逐，而是全球供应链优劣高下的综合竞争。为应对日益激烈的市场竞争，各跨国商业零售巨头不惜投入巨资，运用当今最先进的科学技术如全球定位系统（ GPS ）、智能交通技术、地理信息系统（ GIS ）、无线射频识别技术（ RFID ）等建立快速、高效的物流体系。   （ 3 ）智能图形识别       集装箱号码识别系统，简称箱号识别是基于图像识别中的 OCR 技术发展起来的一种实用技术。包括触发，图形抓拍，字符识别机构关键技术。对集装箱的图像进行实时抓拍，集装箱号和集装箱代码 (ISO 号码 ) 进行识别。    (4) AIS        AIS 全称为： Automatic Identification System  中文名为：自动识别系统，也称全球无线电应答系统。 AIS 是近年来国际组织（ IMO ） , 国际航标协会（ IALA ） . 国际电信联盟（ ITU ）共同研究的成果。 AIS 的目的是所有船舶都安装无线应答系统。以求得所有的航线船舶都看得见彼此。 AIS 能够识别船只，协助追踪目标，提供其他辅助信息以避免碰撞的可能性。 AIS 的正确使用可以加强海上人类生命安全和救生的效率，加强对海洋的环境保护。   2.    网络传输层技术        网络传输层是进行物流信息交换，传递的数据通路。包括各类接入网与核心网。出传统的因特网外，在物流领域较为广泛的是移动通信技术，集群天线技术 等。 （ 1 ）移动通信技术        目前我国移动通信的发展正处于 2G 技术为主导，积极推广 3G 技术阶段。随着技术的不断完善和进步，移动通信技术的数据传输能力越来越强。在广域，远程无线语音与数据传输等应用中，为用户提供方能，快捷的通讯服务。 （ 2 ）集群通讯技术       集群通讯系统产生于 20 世纪 70 年代，已经广泛应用于**，公安，司法，铁路，交通，水利，机场，港口等部门。集群通讯系统由基站，移动台，调度台和控制中心 4 部分组成。其中，基站负责无线信号的转发，移动台用于在运动中或者停留在某个不确定的地点的目标进行通讯，调度台负责对移动台进行指挥，调度和管理。控制中心主要负责控制和管理整个集群通讯系统的运行，交换和接续。   3. 应用服务层 （ 1 ） EDI        EDI- 即电子数据交换。联合国标准化组织将 EDI 描述为：按照统一标准化，将商业或者行政事务处理转换成结构化的报文数据结构格式，并利用计算机网络实现的一种数据电子传输方法。 EDI 的主要功能表现在电子数据传输，传输数据的存证文书数据标准化格式的转换，安全保密，提供信息查询，提供信息增值服务等诸方面。 （ 2 ）物流信息系统        所谓物流信息系统，实际上是物流管理软件和信息网络结合的产物，小到每一个具体物流管理软件，大到利用覆盖全球的互联网将所有相关企业的合作伙伴，供应链成员连接在一起的系统多可以成为物流信息系统。       建立在信息网络基础上的物流信息系统，成为网络信息平台。物理学系呕吐的功能是将物流相关的企业**务机构，通过统一的信息网络连接起来，实现不同数据格式，多种信息标准的转换和传输，，通过公共的应用模块方便企业使用，降低信息成本。进一步通过信息决策服务。 3 智慧物流的应用和市场预期        中国政府高度重视智慧物流产业的发展。 2009 年出台了《物流产业调整振兴规划》。为物流领域的网联网应用发展带来强大的动力。        2010 年，我国物流信息化在产业升级的宏观环境下，信息化浪潮应时而动，围绕制造、商贸等企业如何通过信息数据的集约化管理推进内部物流资源整合与优化，以及物流企业如何与客户的信息数据整合推进供应链建设这两大主线，加快信息化发展的步伐。在这一进程中，物联网的兴起引发物流信息化整合进入一个新周期，在这个阶段，信息技术的单点应用将会逐步整合成一个体系，以追求整体效应，从而带来物流信息化的变革，推进物流系统的自动化、可视化、可控化、智能化、系统化、网络化的发展，形成智慧物流系统。               预计到 2015 年，智慧物流领域网联网产业市场规模将达到 300 亿元。到 2016 年 -2020 年，其中 5 年的转换物流领域网联网产业的市场规模将达到 1000 亿元。  

  无线传感器网络是计算机技术、传感器技术和网络通信技术相结合的产物。它由大量随机分布的、具有实时感知、无线通信和自组织能力的传感器节点组成 。随着无线技术的高速发展，无线传感器网络越来越多地走进人们的视野中。与有线技术相比，无线技术具有成本低、体积小、省去复杂的布线等优点。但是由于现有的无线传感器节点大都采用电池供电，放置地点随机变动，随时可能出现节点中断的情况，通信能力十分有限，需要经常性的人工维护。因此，无线传感器网络节点要具有自组织、中断自我修复的功能，需要设计合适的通信协议和路由算法，以提高系统通信的可靠性。为此，本文采用无线射频芯片nRF905和STC12系列单片机设计了一种无线传感器节点，并且在典型自组织网络的通信协议-动态源路由协议DSR(Dynamic Source Routing) 的基础上，针对路由维护算法做出改进，设计出一种易于实现且实用性高的通信协议，实现了自组织和多跳传输数据的无线通信系统。 1节点硬件设计 节点分为协调器节点和普通节点，普通节点带有传感器，负责采集需要的数据并组成网络，协调器节点负责整个网络的控制和数据的汇总、分析、处理等。 STC12LE5410AD单片机是单时钟/机器周期(1T)的兼容8051内核单片机，是高速、低功耗的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，而速度快8~12倍，内部集成硬件高速SPI(Serial Peripheral Interface)接口、2 KB EEPROM、A/D转换模块和MAX810专用复位电路。工作电压2.4~3.8 V，因此可用电池工作，并可长时间工作。器件在少于6 μs的时间内可以从低功耗模式迅速唤醒。STC12LE5410AD的超小封装、高度集成、精简外部电路可设计出更小的节点，超低的价格可以大规模铺设传感器节点。STC12LE5410AD单片机的这些特征，非常适合应用在无线传感器网络中。 1.2射频收发器件nRF905 nRF905由挪威Nordic公司生产，是一个为433/868/915 MHz-ISM(工业、科学、医疗)频段设计的单片无线收发芯片，32脚QFN封装，工作电压为1.9～3.6 V，最大发射功率为10 dBm。该收发芯片由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，片内自动完成曼彻斯特编码/解码。nRF905有两种活动(TX/RX)模式和两种节电模式。活动模式之间转换时间小于550 μs，活动模式与节电模式之间的转换时间小于650 μs。 nRF905通过SPI与微控制器通信，自动处理字头和循环冗余码校验(CRC)。当进行数据发送时，只需将配置寄存器信息、所要发送的数据和接收地址送给nRF905，它就会自动完成数据打包(加字头和CRC校验码)和发送。接收数据时，nRF905自动检测载波并进行地址匹配，接收到正确数据后自动移去字头、地址和CRC校验码，再通过SPI将数据传送到微控制器。 1.3硬件连接设置 STC单片机通过内部集成的硬件高速串行外设接口SPI与nRF905连接，最快可达3 Mb/s，比软件模拟SPI方式快30倍左右，大大减少了程序执行时间，提高了网络的吞吐率。同时在设计协调器节点与PC上位机软件通信程序时，利用STC单片机1T时钟的优势，设置串口波特率使用的定时器12倍速方式，使串口波特率提高至115 200 b/s，提高了协调器节点的反应速度，减少了等待时间，提高了系统的吞吐率。 2节点软件设计 本系统的软件设计分为协调器节点Connector软件和普通节点Node软件的设计，其中协调器节点作为整个网络系统的主节点，起着控制全网络的作用，通过PC机的上位机软件，可以对协调器进行接收和发送命令及数据，从而实现对整个系统网络的控制。而每个普通节点也预留通信接口，可以在需要的时候与其他设备相连接。 由于本系统实现自组织网络的需要，在物理层中为每个节点(包括协调器和普通节点)定义了相同的物理地址，实现全网的广播功能。在网络层为每个节点分配唯一的网络地址，通过软件判断接收数据的目的节点是否是本机。 图2为节点自组织流程图。当网络中增加一个新节点，新节点上电初始化后，首先会向协调器发送路由请求RREQ请求加入网络，并打开定时器；协调器收到RREQ后，记录新节点信息，并通过反路由发送应答信号ACK至源节点；如果新节点在设定的时间内收到ACK信号，表示加入网络成功，并且记录本节点至协调器的路由信息；如果在设定的时间内没有收到ACK信号，那么重新发送路由请求RREQ至协调器，如此循环直至收到ACK信号。如果重发次数达到设定的上线，仍没有收到ACK信号，则进行全网广播RREQ，并打开定时器，等待返回RREP命令；在设定时间后进行重新广播RREQ，直到到达重发上限。新节点收到RREP表示加入网络成功，同时保存RREP命令帧中的路由信息。 2.1路由协议 现有无线网状网络的路由协议通常可分为：表驱动式路由协议和按需路由协议。前者需要网络中的每个节点维护一张或多张路由表，以记录到其他节点的路由，增加了路由开销。而按需路由协议——动态源路由协议(DSR)使用了源路由，每一个数据分组的帧头中包含整条路由的信息，中间节点不需要维持当前的路由信息，分组自己带有路由信息，按需路由的特性避免了周期性路由广播和邻居节点的检测。 DSR协议包括两个过程：路由发现和路由维护。路由发现过程使用泛洪路由(Flooding Routing)。为了减少路由发现过程的开销，每一个节点都包括一个缓存器，存放最近学到的和用过的路由信息。路由维护过程是源节点用来检测网络拓扑是否发生变化的机制。若拓扑发生变化、源路由发生中断，源节点就会收到路由错误信息。其他节点收到路由错误信息后删除中断路由，并且重新发起广播寻找路由。 本系统中的路由协议采用DSR协议，并对DSR协议进行一些改进。 (1)每个节点中到达目的节点含有最多两个路由缓存。 (2)查到中断节点后先检查本节点中有无到中断节点下级节点的信息，若有，则直接使用此路由，若无，则立即广播发送RRER。 (3)所有节点收到RRER后，检查是否含有终端路由，有则删除中断路由。 系统通信协议格式如表1所示。其中，FRAME_TYPE表示命令帧类型，SOURCE_ADDR表示源地址，FIRE_ADDR表示目的地址，MID表示路由节点地址，REMIAN表示最大跳数下剩余跳数，MAX表示最大跳数，DATA表示要传输的数据，ODD代表奇校验。 2.2程序设计 2.2.1广播 在广播RREQ时，为了避免广播冲突，利用nRF905的载波检测多路访问机制CSMA/CA，发送前先进入接收模式，监听该信道是否空闲。如果检测到CD信号为高，则表示该信道被占用，根据退避延时一段时间，再检测CD信号是否为高。 而根据检测，数据包接收的时间大致为20 μs，时隙为60 μs，加上程序运行的时间，定义短帧空间SIFS和时隙分别为50 μs及100 μs，分散帧空间DIFS为SIFS加2个时隙即250 μs。CSMA/CA程序流程如图3所示，定义NB、CW和BE。 后退次数(NB)：NB的初始值为0，当设备有数据要传送时，经过一段后退时间(2BE-1)×100 μs后，检测CD，若检测到信道忙，则会再一次产生倒退时间。此时NB值会加1，NB值最大定义为4。当信道在经过4次的后退延迟时间后仍为忙，则放弃此次的传送，以避免过大开销。 尝试次数(CW)：循环判断当前频道是否空闲，当判断到了一定次数后该频道依然空闲则跳出循环，开始传送数据，设初值为2。 后退指数(BE)：初值设为2。 本设计中，CD信号为高时必须通过切换至standby模式来使CD信号复位，以保证下次CD信号的检测。 根据nRF905模块的时序可知，模块从standby模式切换至接收或发送模式的时间为650 μs，发送和接收模式之间的切换需要550 μs，切换时间远大于时隙及DIFS的值。因此，BE设置为2，最大为4。 2.2.2数据传输 在进行数据传输时，源节点首先检查自己的缓存中是否有到目的节点的路由信息，如果没有，则先进行路由发现，与广播模式相同。如果有至目的节点的路由信息，则根据路由信息，先发送数据请求命令RTS。当目的节点接收到返回的允许发送命令CTS信号时，则表示已经建立了数据传输通道，由请求节点开始传输数据，传输完毕后，由目的节点发送DATA_ACK给源节点，表示数据发送完毕。其工作流程如图4所示。 2.2.3路由修复 数据传输时，每个节点收到数据后，都要先回复应答ACK信号给其前一个节点，再转发至下一个中继节点，节点中设置超时定时器，约等待1 633 μs ACK信号，前一个节点没有收到ACK，则重发数据，设置重发次数为3。假若重发3次都没有收到ACK信号，则判断下一个节点为中断节点。查询缓存路由中是否有其他到达中断节点下游节点的信息，有则使用这个备用路由，无则广播发送RERR给所有包含中断节点路由的源节点，每个节点在收到该RERR后，就会从它的路由缓存中删除所有包含该中断节点的路由。 路由修复示例如图5所示。节点0需要发送数据给节点5，节点0中含有到节点5的路由信息，0→1→2→5；节点0开始发送RTS，每个节点收到RTS后返回给前一个节点ACK，表示路由无中断；假若节点1没有收到ACK，重发3次后仍没有ACK返回，则判断节点2是中断节点；这时查询节点1中有无到达节点5的路由，发现1→3→4→5，则按照此路由继续发送RTS；当节点1返回DATA_ACK，表示数据传输完成，延迟10×跳数(ms)后，广播发送RRER，收到RRER的每个节点查询本节点是否含有中断路由，有则从路由缓存中删除包含中断节点的路由。 3试验结果 试验网络系统由10个普通节点和1个协调器节点组成，采用人工随机安放的方式把所有节点放置在约200 m的空旷地带。首先，把协调器节点通过串口与主控PC机连接，打开上位机控制软件，并给协调器节点上电；随后在随机放置普通节点的同时一一打开节点的电源。 通过上位机软件可以清楚地看到，每当有新节点加入网络(打开电源)，上位机会实时显示出新加入节点的地址和路由信息，并且通过反向路由返回应答信号给新节点，表示成功加入网络。当所有节点都加入网络后，可以通过上位机软件看到整个网络中各个节点的路由信息，并且可以对每个节点或多个节点进行远程控制。 为了实时监测到每个节点的运行情况，每个节点程序都加入定时扫描程序，定时时间1 min，检测节点本身在1 min内是否为空闲状态，如果是空闲状态，则向协调器节点发送节点信号，保证本链路无中断；协调器在一定时间周期内，检测接收到的每个节点信号，如果缺少某个节点的信息，则由协调器发送检测信号给这个节点，寻找中断节点并进行路由维护。也可以直接通过主控电脑的上位机软件手动发送检测信号给每个节点，从而检测每个节点的运行情况。 nRF905的空中传输速率峰值为100 kb/s，有效传输速率为50 kb/s。 通过上位机软件对整个网络进行连续数据传输试验，测试在本协议下的网络吞吐率。测试条件：200 m空旷地带，分别测试一个节点至10节点网络中点对点，1跳、2跳、3跳情况下的吞吐率，数据包大小32 B。传输要求一个包到达目的节点后返回到应答表示传输完成，其吞吐率计算 如下： 测得的网络吞吐率如图6所示。可以看出，网络中进行点对点的数据传输，吞吐率约为16 kb/s，并且随着节点数的增多，影响很小；随着跳数的增加，网络吞吐率降低，但是网络中节点数量增多，同时节点传输几率增加，因此逐渐趋于稳定值。最后在网络设定最大跳数(3跳)、10个节点网络的情况下，网络吞吐率约为4 kb/s。 通过实验测得数据表明，在短距离的无线通信网络中，该系统可以稳定可靠地运行，数据传输率高，网络吞吐率完全可以达到一般的无线传感器网络的要求。并且该系统具有良好的扩展性、移植性和实用性，可广泛运用于温度、湿度、光传感器采集数据、能量监测及电路控制等技术。