基于PIC32上實(shí)現的TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的智能家居系統

一 項目背景

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)的熱潮的到來(lái)，2010年國內許多省市紛紛發(fā)布的《物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展規劃》，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)的核心和基礎仍然是互聯(lián)網(wǎng)，所以在項目設計中我們將智能家居內部的傳感器網(wǎng)絡(luò )連接至控制核心PIC32，PIC32通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò )模塊，按照TCP/IP協(xié)議來(lái)實(shí)現PIC32的Web服務(wù)器功能，使得可以通過(guò)手機、電腦的瀏覽器來(lái)遠程訪(fǎng)問(wèn)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：

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、項目總概

此次項目，我們計劃通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現對家居環(huán)境的遠程監控。

1. 通過(guò)分布于房屋各處的傳感器對房屋內外的環(huán)境參數進(jìn)行采集，獲得的數據通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )或有線(xiàn)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(lái)實(shí)現與Web服務(wù)器的鏈接，通過(guò)Web達到遠程終端設備（PC、手機等）同Cerebot_32MX4間的數據傳輸；
3. Cerebot_32MX4可以將采集到的數據傳輸給PC和手機，讓人們在任何能夠連接上網(wǎng)絡(luò )的地方就能了解家中的情況，并對家中的設備進(jìn)行遠程遙控，比如：控制草坪、花園中的灑水系統給花草澆水。在到家前提前10分鐘開(kāi)啟空調，讓到家時(shí)能夠馬上享受到舒適的溫度。同時(shí)，人們在家時(shí)也可以利用該方法控制身邊的設備，使房屋實(shí)現智能化；
4. Cerebot_32MX4也可以自己對采集到的數據進(jìn)行處理，實(shí)現家中設施的自動(dòng)控制，同時(shí)可以通過(guò)PC、手機對自動(dòng)控制的參數進(jìn)行設置

系統整體框圖如下：

四、硬件設計

（1）家庭內部信息的采集擬采用Zigbee節點(diǎn)組成傳感器網(wǎng)絡(luò )，其中一個(gè)Zigbee節點(diǎn)作為總的傳感器采集點(diǎn)，與PIC32有線(xiàn)連接，其余Zigbee節點(diǎn)采用無(wú)線(xiàn)通信方式與總節點(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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其特點(diǎn)是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設備。

本項目中，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的應用將很好的解決數據采集點(diǎn)分散、設備不集中的問(wèn)題。

ZigBee在低耗能方面表現突出，明顯由于藍牙跟WIFI。有關(guān)材料表明，2節5號干電池可支持1個(gè)節點(diǎn)工作6～24個(gè)月,甚至更長(cháng)。因此，通過(guò)配置小型太陽(yáng)能電池板的方式即可對ZigBee節點(diǎn)進(jìn)行充電，保證其正常的運行。

ZigBee具有大規模的組網(wǎng)能力，非常適合于大規模的數據采集，解決了智能家居系統中數據采集點(diǎn)多的問(wèn)題。

（2）傳感器網(wǎng)絡(luò )連接至PIC32控制板，PIC32通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò )模塊，按照TCP/IP協(xié)議來(lái)實(shí)現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。

本項目采用Cerebot 32M×4為控制核心，在其中通過(guò)軟件方法實(shí)現TCP/IP協(xié)議的通信功能，通過(guò)進(jìn)一步的擴展，在其上搭建起HTTP，FTP，TELNET等高級網(wǎng)絡(luò )功能。

利用TCP/IP協(xié)議中的UDP、IP、ARP及簡(jiǎn)單的應用層協(xié)議實(shí)現單片機的網(wǎng)絡(luò )互連，提高數據傳輸的速度，保證數據傳輸的正確性，同時(shí)擴展數據傳輸的有效半徑。

TCP/IP協(xié)議是一套把因特網(wǎng)上的各種系統互連起來(lái)的協(xié)議組，保證因特網(wǎng)上數據的準確快速傳輸。參考開(kāi)放系統互連（OSI）模型，TCP/IP通常采用一種簡(jiǎn)化的四層模型，分別為：應用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò )層、鏈路層。

①應用層

網(wǎng)絡(luò )應用層要有一個(gè)定義清晰的會(huì )話(huà)過(guò)程，如通常所說(shuō)的Http、Ftp、Telnet等。我們用單片機系統傳遞來(lái)自Ethernet和數據終端的數據，應用層只對大的數據報作打包拆報處理。

②傳輸層

傳輸層讓網(wǎng)絡(luò )程序通過(guò)明確定義的通道及某些特性獲取數據，如定義網(wǎng)絡(luò )連接的端口號等，實(shí)現該層協(xié)議的傳輸控制協(xié)議TCP和用戶(hù)數據協(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 )上的任一主機上，IP協(xié)議就是該層中傳送數據的機制。同時(shí)建立網(wǎng)絡(luò )間的互連，應提供ARP地址解析協(xié)議，實(shí)現從IP地址到數據鏈路物理地址的映像。

④鏈路層

由控制同一物理網(wǎng)絡(luò )上的不同機器間數據傳送的底層協(xié)議組成，實(shí)現這一層協(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(shí)現。

1. 控制核心PIC32根據web默認配置將采集的傳感器信息分析并進(jìn)行自動(dòng)控制，用戶(hù)又可通過(guò)手機、電腦的瀏覽器來(lái)遠程訪(fǎng)問(wèn)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ENC28J60芯片獲取的數據包，將廣播報文和目標地址為本機地址的數據包接收進(jìn)行下一步的處理。由于本項目實(shí)現的是TCP/IP通信，而建立起TCP連接最主要的用途是實(shí)現HTTP通信。PIC32接收到的待處理數據會(huì )經(jīng)過(guò)數據處理函數，若檢測到有TCP連接建立的請求，則進(jìn)行相應處理。當建立了TCP連接后，就可以通過(guò)TCP連接發(fā)送和接收HTTP通信數據。

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(jìn)行相應處理，返回用戶(hù)需要的網(wǎng)頁(yè)，這樣就實(shí)現了一個(gè)簡(jiǎn)單的web server應用。

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想方案，具體能否實(shí)現仍需實(shí)際測試。