485总线的智能家居多机通信系统(源码)
本文设计了一个基于485总线的多机通信系统。以智能家居为背景，完成了上位机与多个单片机系统通信的软硬件设计。系统采用主从式结构，以PC机作为主机，以多个8051单片机为主控芯片的系统作为从机。在物理层，采用485总线传输数据，在数字链路层，设计了一个485总线的通信协议。硬件方面，用RS485芯片搭建了485总线，制作了三个从机，实现环境数据的采集和调节环境状态的功能。软件方面，应用本文设计的485总线通信协议，完成各个从机的协议帧收发和解析功能。经过测试，本系统可以正常使用，具有一定的应用价值。关键词 智能家居，多机通信，485总线，通信协议目 录
1 绪论 1
1.1研究的背景与意义 1
1.2国内外发展状况 1
1.3关键技术 2
2 系统总体设计 3
2.1 硬件总体设计 3
2.2 软件总体设计 4
3 通信协议设计 5
4 硬件详细设计 7
4.1通信系统拓扑图 7
4.2 485总线的搭建 8
4.3 温湿度采集节点电路 9
4.4光照信息采集节点电路 10
4.5环境控制节点电路 11
5 软件详细设计 12
5.1 协议帧处理程序 12
5.2上位机软件设计 15
5.3温湿度采集节点程序 20
5.4光照采集节点程序 22
5.5环境控制节点程序 25
6 系统调试 27
6.1 上位机软件调试 27
6.1温湿度采集节点调试 30
6.2光照强度采集节点调试 30
6.4 环境控制节点调试 31
6.5 系统整体调试 32
结 论 35
致 谢 36
参 考 文 献 37
1 绪论
1.1 研究的背景与意义
伴随着经济发展，科学技术特别是信息技术的广泛应用，人们追求高质量的生活品质，对居家环境的安全性，便利性，舒适性等方面有了较高的要求。而网络通信技术，计算机技术与现代控 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
调试 31
6.5 系统整体调试 32
结 论 35
致 谢 36
参 考 文 献 37
1 绪论
1.1 研究的背景与意义
伴随着经济发展，科学技术特别是信息技术的广泛应用，人们追求高质量的生活品质，对居家环境的安全性，便利性，舒适性等方面有了较高的要求。而网络通信技术，计算机技术与现代控制技术已经广泛应用到家居产品中，智能家居正在改变我们的生活。智能家居应用于居家环境，结合了通信、网络、计算机、自动控制等技术，集功能性、服务性、管理性为一体，营造了舒适安全的居住环境[1]，是物联网技术的发展方向之一。
智能家居系统可以让你在任何时间，任何地点查看家中的情况，控制家居产品的工作状态，使居家生活更加安全方便，健康舒适。在此背景下，本设计题目拟定为“基于485总线的智能家居多机通信系统”，以满足智能家居系统的数据通信与控制功能的需要，分别设计通信协议和控制中心及终端的通信程序，实现系统的信号采集和控制输出。通过毕业设计过程，将所学知识学以致用，提高理论水平和动手能力。
1.2 国内外发展状况
80年代末，随着总线应用技术的日趋成熟，出现了监控与管理住宅中各种通信、家电、安防设备的商用系统，即所谓的为“Smart Home”，是现在智能家居的原型[2]。目前，智能家居大致经历了4个发展阶段。第一代使用同轴电缆，双绞线等组成家庭总线网络，可以满足室内环境调节，入侵检测等需求。随着RS-485总线的成熟，以及IP技术的发展，第二代智能家居的通信系统更加智能化，实现视频对讲、安防等功能。第三代实现了集中控制的家庭通信控制系统，产生了控制主机，业务范围有安防、控制、计量等。第四代基于全IP技术，将智能家居节点接入互联网，末端设备基于ZigBee等无线通信技术，“云”技术为智能家居系统提供了强力支持，可以为用户需求“私人订制”[3]。
彭程等（2014）根据物联网理论将物联网基础上的智能家居分为感知、传递和应用三个部分[4]。其中感知部分包括感知外部环境和接受控制的末端设备；传递部分包括智能家居系统中环境信息和控制命令等的传递；应用指的是智能家居系统提供的各种服务。现就智能家居的通信系统进行综述。李俊（2015）归纳了智能家居控制技术的三种主要的通讯网络架构：总线技术、无线技术、电力载波技术[5]。总线技术主要包括LonWorks、Profibus、CAN、RS-485等。现场总线技术从1984年至今以经历了四代发展，已经成熟应用于工业现场的仪器设备通信系统中，具有简单、可靠、经济实用的优点，同时由于各个公司的利益之争，统一的标准尚未完成。无线通信是利用电波信号传输信息，摆脱了物理线路的束缚，组网与通信更加自由方便。无线通信技术主要包以基于802.11协议的Wi-Fi最为普遍，此外还有蓝牙、NFC(RFID)、Zigbee、Z-wave、UWB、IrDA等。其主要特点为无需布线，方便灵活，弥补了有线方式的空间局限性。电力载波技术集成到电器中，利用电力线作为载波通行媒介，可以应用于智能家居的控制系统。
1.3 关键技术
1.3.1 串口通信
51单片机的串行通信需要一根发送线(TXD)，一根接收线(RXD)和接地线(GND)，由两个独立的串行数据缓冲器SBUF，发送控制器，接收控制器等部分组成，适合距离远，速度要求不高的场合。单片机与计算机串口通信最常用的方式是串口方式1。在方式1下，串口一次发送10位数据，包括起始位、停止位和8位数据位。这时，串口的波特率取决于定时器1，通信双方的波特率需要保持一致。
1.3.2 总线标准
目前较为成熟的智能家居总线技术主要有RS-485、X10、LonWorks、CAN等。RS-485总线是一种支持多点通信、平衡发送、差分数据传输的电气规范， RS-485总线具有简易稳定的结构、抗干扰能力强、信号传输稳定、传输距离远、通信速率高、支持多点通信等优点[6]，适合中短距离的多机通信系统。RS-485通信系统大多连接成半双工通信方式，采用了平衡发送和查分接收技术，使得传输距离和准确度与其他串行通信接口相比具有更好的表现[7]。利用RS-485总线构成分布式通信系统具有总线协议简单、设备成本低等特点，在早期的智能家居产品中经常使用。
1.3.3 通信协议
RS-485通信网络主要有两种工作方式：是主从式和总线式。主从式网络中只有一 个主机，由主机采用轮询方式控制通信的过程，无需碰撞检测，简单方便但实时性较差。总线式网络中，设备的地位相同，在通信前需要碰撞检测，实时性较好但较为复杂。目前比较成型的总线标准协议包括LonWorks协议、CE总线协议、Smart House LP的智能屋协议和X-10公司的X-10协议等[8]。吴巍（2007）对CCSA、IGRS和ITopHome 3中标准进行了综述，分析了各协议的联系和区别[9]。目前RS485总线还没有统一的通信协议，总线式通信网络中还需要进行碰撞检测，针对这一问题，冯子陵（2012）提出一种简单高效的冲突处理办法[10] ，设计了一个485网络总线式通信方式下的通信协议。朱小襄(2005)介绍了ModBus协议的通信格式，指出了命令列表及CRC码的生成程序[11]，在基于RS-485总线的主从式分布系统中成功运行。林雪梅(2
1 绪论 1
1.1研究的背景与意义 1
1.2国内外发展状况 1
1.3关键技术 2
2 系统总体设计 3
2.1 硬件总体设计 3
2.2 软件总体设计 4
3 通信协议设计 5
4 硬件详细设计 7
4.1通信系统拓扑图 7
4.2 485总线的搭建 8
4.3 温湿度采集节点电路 9
4.4光照信息采集节点电路 10
4.5环境控制节点电路 11
5 软件详细设计 12
5.1 协议帧处理程序 12
5.2上位机软件设计 15
5.3温湿度采集节点程序 20
5.4光照采集节点程序 22
5.5环境控制节点程序 25
6 系统调试 27
6.1 上位机软件调试 27
6.1温湿度采集节点调试 30
6.2光照强度采集节点调试 30
6.4 环境控制节点调试 31
6.5 系统整体调试 32
结 论 35
致 谢 36
参 考 文 献 37
1 绪论
1.1 研究的背景与意义
伴随着经济发展，科学技术特别是信息技术的广泛应用，人们追求高质量的生活品质，对居家环境的安全性，便利性，舒适性等方面有了较高的要求。而网络通信技术，计算机技术与现代控 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
调试 31
6.5 系统整体调试 32
结 论 35
致 谢 36
参 考 文 献 37
1 绪论
1.1 研究的背景与意义
伴随着经济发展，科学技术特别是信息技术的广泛应用，人们追求高质量的生活品质，对居家环境的安全性，便利性，舒适性等方面有了较高的要求。而网络通信技术，计算机技术与现代控制技术已经广泛应用到家居产品中，智能家居正在改变我们的生活。智能家居应用于居家环境，结合了通信、网络、计算机、自动控制等技术，集功能性、服务性、管理性为一体，营造了舒适安全的居住环境[1]，是物联网技术的发展方向之一。
智能家居系统可以让你在任何时间，任何地点查看家中的情况，控制家居产品的工作状态，使居家生活更加安全方便，健康舒适。在此背景下，本设计题目拟定为“基于485总线的智能家居多机通信系统”，以满足智能家居系统的数据通信与控制功能的需要，分别设计通信协议和控制中心及终端的通信程序，实现系统的信号采集和控制输出。通过毕业设计过程，将所学知识学以致用，提高理论水平和动手能力。
1.2 国内外发展状况
80年代末，随着总线应用技术的日趋成熟，出现了监控与管理住宅中各种通信、家电、安防设备的商用系统，即所谓的为“Smart Home”，是现在智能家居的原型[2]。目前，智能家居大致经历了4个发展阶段。第一代使用同轴电缆，双绞线等组成家庭总线网络，可以满足室内环境调节，入侵检测等需求。随着RS-485总线的成熟，以及IP技术的发展，第二代智能家居的通信系统更加智能化，实现视频对讲、安防等功能。第三代实现了集中控制的家庭通信控制系统，产生了控制主机，业务范围有安防、控制、计量等。第四代基于全IP技术，将智能家居节点接入互联网，末端设备基于ZigBee等无线通信技术，“云”技术为智能家居系统提供了强力支持，可以为用户需求“私人订制”[3]。
彭程等（2014）根据物联网理论将物联网基础上的智能家居分为感知、传递和应用三个部分[4]。其中感知部分包括感知外部环境和接受控制的末端设备；传递部分包括智能家居系统中环境信息和控制命令等的传递；应用指的是智能家居系统提供的各种服务。现就智能家居的通信系统进行综述。李俊（2015）归纳了智能家居控制技术的三种主要的通讯网络架构：总线技术、无线技术、电力载波技术[5]。总线技术主要包括LonWorks、Profibus、CAN、RS-485等。现场总线技术从1984年至今以经历了四代发展，已经成熟应用于工业现场的仪器设备通信系统中，具有简单、可靠、经济实用的优点，同时由于各个公司的利益之争，统一的标准尚未完成。无线通信是利用电波信号传输信息，摆脱了物理线路的束缚，组网与通信更加自由方便。无线通信技术主要包以基于802.11协议的Wi-Fi最为普遍，此外还有蓝牙、NFC(RFID)、Zigbee、Z-wave、UWB、IrDA等。其主要特点为无需布线，方便灵活，弥补了有线方式的空间局限性。电力载波技术集成到电器中，利用电力线作为载波通行媒介，可以应用于智能家居的控制系统。
1.3 关键技术
1.3.1 串口通信
51单片机的串行通信需要一根发送线(TXD)，一根接收线(RXD)和接地线(GND)，由两个独立的串行数据缓冲器SBUF，发送控制器，接收控制器等部分组成，适合距离远，速度要求不高的场合。单片机与计算机串口通信最常用的方式是串口方式1。在方式1下，串口一次发送10位数据，包括起始位、停止位和8位数据位。这时，串口的波特率取决于定时器1，通信双方的波特率需要保持一致。
1.3.2 总线标准
目前较为成熟的智能家居总线技术主要有RS-485、X10、LonWorks、CAN等。RS-485总线是一种支持多点通信、平衡发送、差分数据传输的电气规范， RS-485总线具有简易稳定的结构、抗干扰能力强、信号传输稳定、传输距离远、通信速率高、支持多点通信等优点[6]，适合中短距离的多机通信系统。RS-485通信系统大多连接成半双工通信方式，采用了平衡发送和查分接收技术，使得传输距离和准确度与其他串行通信接口相比具有更好的表现[7]。利用RS-485总线构成分布式通信系统具有总线协议简单、设备成本低等特点，在早期的智能家居产品中经常使用。
1.3.3 通信协议
RS-485通信网络主要有两种工作方式：是主从式和总线式。主从式网络中只有一 个主机，由主机采用轮询方式控制通信的过程，无需碰撞检测，简单方便但实时性较差。总线式网络中，设备的地位相同，在通信前需要碰撞检测，实时性较好但较为复杂。目前比较成型的总线标准协议包括LonWorks协议、CE总线协议、Smart House LP的智能屋协议和X-10公司的X-10协议等[8]。吴巍（2007）对CCSA、IGRS和ITopHome 3中标准进行了综述，分析了各协议的联系和区别[9]。目前RS485总线还没有统一的通信协议，总线式通信网络中还需要进行碰撞检测，针对这一问题，冯子陵（2012）提出一种简单高效的冲突处理办法[10] ，设计了一个485网络总线式通信方式下的通信协议。朱小襄(2005)介绍了ModBus协议的通信格式，指出了命令列表及CRC码的生成程序[11]，在基于RS-485总线的主从式分布系统中成功运行。林雪梅(2
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