基于PIC32上實現(xiàn)的TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議和zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的智能家居系統(tǒng)

一 項目背景

隨著物聯(lián)網(wǎng)的熱潮的到來，2010年國內(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。由于物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，所以在項目設(shè)計中我們將智能家居內(nèi)部的傳感器網(wǎng)絡連接至控制核心PIC32，PIC32通過控制網(wǎng)絡模塊，按照TCP/IP協(xié)議來實現(xiàn)PIC32的Web服務器功能，使得可以通過手機、電腦的瀏覽器來遠程訪問該web服務器，并以點擊鏈接的形式，控制用電器。這種嵌入式Web服務器的低功耗和高可靠性，使其特別適合作為家庭小型Web服務器控制。

二、需求信息

擬采用的平臺：

cerebot 32M×4

兩個Digilent PMOD 產(chǎn)品：

PmodNIC——網(wǎng)絡接口控制器

PmodSF-Serial Flash Rom，16或128Mbit

三、項目總概

此次項目，我們計劃通過網(wǎng)絡實現(xiàn)對家居環(huán)境的遠程監(jiān)控。

1. 通過分布于房屋各處的傳感器對房屋內(nèi)外的環(huán)境參數(shù)進行采集，獲得的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡或有線連接匯總到此次項目的總控板Cerebot_32MX4上；
2. Cerebot_32MX4按照TCP/IP協(xié)議來實現(xiàn)與Web服務器的鏈接，通過Web達到遠程終端設(shè)備（PC、手機等）同Cerebot_32MX4間的數(shù)據(jù)傳輸；
3. Cerebot_32MX4可以將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給PC和手機，讓人們在任何能夠連接上網(wǎng)絡的地方就能了解家中的情況，并對家中的設(shè)備進行遠程遙控，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)，讓到家時能夠馬上享受到舒適的溫度。同時，人們在家時也可以利用該方法控制身邊的設(shè)備，使房屋實現(xiàn)智能化；
4. Cerebot_32MX4也可以自己對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)家中設(shè)施的自動控制，同時可以通過PC、手機對自動控制的參數(shù)進行設(shè)置

系統(tǒng)整體框圖如下：

四、硬件設(shè)計

（1）家庭內(nèi)部信息的采集擬采用Zigbee節(jié)點組成傳感器網(wǎng)絡，其中一個Zigbee節(jié)點作為總的傳感器采集點，與PIC32有線連接，其余Zigbee節(jié)點采用無線通信方式與總節(jié)點進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)，其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。

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

ZigBee在低耗能方面表現(xiàn)突出，明顯由于藍牙跟WIFI。有關(guān)材料表明，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月,甚至更長。因此，通過配置小型太陽能電池板的方式即可對ZigBee節(jié)點進行充電，保證其正常的運行。

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)采集點多的問題。

（2）傳感器網(wǎng)絡連接至PIC32控制板，PIC32通過控制網(wǎng)絡模塊，按照TCP/IP協(xié)議來實現(xiàn)PIC32的Web服務器功能。

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。

本項目采用Cerebot 32M×4為控制核心，在其中通過軟件方法實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的通信功能，通過進一步的擴展，在其上搭建起HTTP，F(xiàn)TP，TELNET等高級網(wǎng)絡功能。

利用TCP/IP協(xié)議中的UDP、IP、ARP及簡單的應用層協(xié)議實現(xiàn)單片機的網(wǎng)絡互連，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，同時擴展數(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通常采用一種簡化的四層模型，分別為：應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、鏈路層。

①應用層

網(wǎng)絡應用層要有一個定義清晰的會話過程，如通常所說的Http、Ftp、Telnet等。我們用單片機系統(tǒng)傳遞來自Ethernet和數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)，應用層只對大的數(shù)據(jù)報作打包拆報處理。

②傳輸層

傳輸層讓網(wǎng)絡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)絡連接的端口號等，實現(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)絡層

網(wǎng)絡層讓信息可以發(fā)送到相鄰的TCP/IP網(wǎng)絡上的任一主機上，IP協(xié)議就是該層中傳送數(shù)據(jù)的機制。同時建立網(wǎng)絡間的互連，應提供ARP地址解析協(xié)議，實現(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)絡上的不同機器間數(shù)據(jù)傳送的底層協(xié)議組成，實現(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控制網(wǎng)卡芯片實現(xiàn)。

1. 控制核心PIC32根據(jù)web默認配置將采集的傳感器信息分析并進行自動控制，用戶又可通過手機、電腦的瀏覽器來遠程訪問該web服務器，并以點擊鏈接的形式，控制用電器。

• 軟件流程

PIC32主程序循環(huán)檢測ENC28J60芯片獲取的數(shù)據(jù)包，將廣播報文和目標地址為本機地址的數(shù)據(jù)包接收進行下一步的處理。由于本項目實現(xiàn)的是TCP/IP通信，而建立起TCP連接最主要的用途是實現(xiàn)HTTP通信。PIC32接收到的待處理數(shù)據(jù)會經(jīng)過數(shù)據(jù)處理函數(shù)，若檢測到有TCP連接建立的請求，則進行相應處理。當建立了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)機如下：

PIC32在接收到正確的HTTP GET請求后，便進行相應處理，返回用戶需要的網(wǎng)頁，這樣就實現(xiàn)了一個簡單的web server應用。

本軟件流程圖僅以簡單控制家電的通斷電為例進行繪制，此處流程圖僅是軟件的設(shè)想方案，具體能否實現(xiàn)仍需實際測試。