毕业设计（论文）-智能wifi在智能家居的应用.doc

毕 业 设 计题目 智能wifi在智能家居的应用 姓 名 学 号 系（院） 班 级 指导教师_职 称 年 月 日淄博职业学院毕业设计摘 要智能wifi目前应用于各行各业，方便、快捷的智能wifi在企业和家庭中已经入住。本文的主要工作集中在：1. wifi技术在智能家居中的运用。2. 基于安卓系统手机wifi的家用智能遥控器开发 3. 智能电网中的wifi无线智能家庭系统。本文就是基于智能wifi，分析智能wifi分别在商用领域和家用领域的应用。第1章介绍了什么是智能wifi和智能wifi的特点。第2章介绍智能wifi的工作方式和它的优势。第3章介绍以家庭网关为核心的家庭网络结构和wifi技术在家庭无线网络中的实现。第4章介绍基于安卓系统手机wifi的家用智能遥控器开发。第5章主要介绍智能电网中的wifi无线智能家庭系统。第6章设计心得总结了开发过程中的经验与不足之处，在以后的应用过程中不断提高和完善。关键词：智能插座，智能电网，智能家居,智能遥控器目 录第1章 绪论11.1 什么是智能wifi11.2 智能wifi和普通wifi的区别1第2章 智能wifi在智能家居中的应用22.1 wifi技术22.2 wifi的工作方式及其优势22.2.1 wifi的工作方式22.2.2 wifi的优势3第3章 家庭无线网络中的wifi的实现43.1 以家庭网关为核心的家庭网络结构43.2 wifi技术在家庭无线网络中的实现4第4章 基于安卓系统手机wifi的家用智能遥控器开发74.1 意义74.2 系统的结构74.2.1 家用智能遥控器客户端的构成74.2.2 wifi转红外模块84.3 实验测试9第5章 智能电网中的wifi无线智能家庭系统115.1 系统构成与概述115.2 家电控制125.3 智能安防与三表集抄125.4 家庭智能终端125.5 结论13第6章 设计心得14致谢15参考文献16第1章 绪论1.1 什么是智能wifi1、wifi行为管理宽带控制-自由操控上网用户带宽和时长上网行为控制-小包优先策略2、wifi认证老顾客自动登录-避免繁琐的输入密码自定义面认证登录3 、wifi营销自动品牌展示，个性化广告可直达用户眼前智能客户管理，自动采集和分析顾客信息100%精准广告投放1.2 智能wifi和普通wifi的区别顾客在等待、休息的间隙，经常会需要刷微博、用微信、看新闻，也会用手机查一下附近美食、娱乐等，如果有wi-fi，客户会觉得非常方便。但真正令客户满意的无线(wifi)服务，绝不仅仅是对无线(wifi)信号的简单覆盖， 还涉及“统一服务、无线信号、上网速度、无缝连接、差异化体验、网上门户”等多个方面的综合服务。移动互联网的到来更是需要各个行业的wifi服务进一步升级，在潮流品牌、优质货品和贴心服务之外通过手机终端牢牢锁定客户。智能wifi,最终目的是给商家做一个自己的营销平台，用户在使用商家的免费wifi上网的同时，商家也能和用户发生强关联。而这种关联具体表现在：用户进入商家wifi覆盖区后，加入wifi会自动弹出商家页面，输入手机号后获得验证码，确定登陆后再次转向到商家的制定网页。除了手机号，还会提供qq号、微博、微信等验证方式。最终的结果就是商家和用户可以实现双赢。商家可以在后台管理有哪些用户接入其wifi了，同时可以指定用户接入过程中是弹出某个网页，或是转向到某个应用，这就是所谓的精准营销。而用户所获得的是更方便地使用公共wifi，而不用再口头询问店员密码。0第2章 智能wifi在智能家居中的应用2.1 wifi技术wifi( wireless fidelity，无线保真技术)即ieee802.11协议，是无线局域网(wlan)技术ieee 802.11系列标准（ieee 802.11系列标准主要包括ieee 802.11a/b/g 3种）的商用名称。也是一种可以将个人电脑、手持设备（如pda、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。它是由一个名为“无线以太网相容联盟”(wireless ethernetcompatibility alliance,weca)的组织所发布的业界术语，中文译为“无线相容认证”。 目的是改善基于ieee 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。它是一种短程无线传输技术，能够在数百英尺范围内支持互联网接入的无线电信号。随着技术的发展，以及ieee 802.11a 及ieee 802.11g等标准的出现，现在ieee 802.11 这个标准已被统称作wi-fi。从应用层面来说，要使用wi-fi,用户首先要有wi-fi 兼容的用户端装置。wi-fi可以帮助用户访问电子邮件、web和流式媒体的互联网技术。它为用户提供了无线的宽带互联网访问。同时，它也是在家里、办公室或在旅途中上网的快速、便捷的途径。能够访问wi-fi 网络的地方被称为热点。wi-fi或802.11g在2.4ghz频段工作，所支持的速度最高达54mbps(802.11n工作在2.4ghz或者5.0ghz,最高速度600mbps)。另外还有两种802.11空间的协议，包括(a)和(b)。它们也是公开使用的，但802.11g/n在世界上最为常用。2.2 wifi的工作方式及其优势2.2.1 wifi的工作方式wifi定义了两种类型的设备。一种是无线站。通常通过一台pc机加上一块无线网卡构成。另一种称为无线接入点(ac-cess point，ap)，它的作用是提供无线和有线网络之间的桥接。一个无线接入点通常由一个无线输出口和一个有线的网络接口（802.3接口）构成，桥接软件符合802.ld桥接协议。接入点就像是无线网络的一个无线基站，将多个无线的接入站聚合到有线的网络上。wifi定义了两种模式：infrastructure模式和ad hoc模式。m-frastructure模式，即无线网络至少有一个和有线网络连接的无线接入点，还包括一系列无线的终端站。由于很多用户需要访问有线网络上的设备或服务，所以基本上都会采用这种模式。ad hoc模式，也称为点对点模式（pear to pear模式）或ibss(in-dependent basic service set).2.2.2 wifi的优势1)无线电波的覆盖范围广。蓝牙的电波覆盖范围很小，半径大约只有15米左右，而wifi的半径可达100米。甚至可以覆盖整栋大楼。2) wifi的传输速度很快，最高可达54mbps，符合个人和社会信息化的需求。在网络覆盖范围内，允许用户在任何时间、任何地点访问网络，随时随地享受诸如网上证券、视频点播(vod)、远程教育、远程医疗、视频会议、网络游戏等一系列宽带信息增值服务，并实现移动办公。3)无须布线，可以不受现实地理条件的限制，因此非常适合移动办公用户的需要。只要在需要的地方设置“热点”，并通过高速线路将因特网接入。这样，在“热点”所发射出的电波的覆盖范围内，用户只要将支持无线lan的笔记本电脑或pda拿到该区域内，即可高速接入因特网。 4)健康安全。ieee802. 11规定的发射功率不可超过100毫瓦，实际发射功率约60毫瓦-70毫瓦，而手机的发射功率约200毫瓦-l瓦间，手持式对讲机高达5瓦。与后者相比，wifi产品的辐射更小。5)wifi应用现在已经非常普遍。支持wifi的电子产品越来越多，像手机、mp4、电脑等，基本上已经成为了主流标准配置。而且由于wifi网络能够很好地实现家庭范围内的网络覆盖，适合充当家庭中的主导网络，家里的其他具备wifi功能的设备，如电视机、影碟机、数字音响、数码相框、照相机等，都可以通过wifi建立通信连接，实现整个家庭的数字化与无线化，使人们的生活变得更加方便与丰富。随着计算机网络技术的发展，网络已经慢慢融入到人们生活的方方面面，无论是在学校、公司还是家中，我们可以通过各种网络终端随时随地的接入互联网，进行信息的查阅、传输及下载。在生活中，我们已经养成了上网查询资料、购物消费、娱乐聊天的习惯，现在人们的日常生活已经越来越离不开网络。为了满足人们随时随地的上网的需求，无线上网技术应运而生。其中wifi技术尤其令人关注。与此同时电子技术不断发展，越来越多的电子产品如手机、笔记本电脑等都开始支持wifi，并受到广大消费者的欢迎，采用wifi技术在电子产品行业已经成为一种趋势。而以wifi作为标准的无线组网形式也已经开始普及。另外，人们现在已经开始将wifi技术应用到家庭生活当中。运用wifi技术将家中的各种家用电器以及电子产品还有就是各种手持终端连接成一个无线网络，用户可以通过无线网络对各设备进行统一的管理与控制。当然，通过将家庭无线网络与互联网进行连接，人们还可以在家居以外的地方对家中各种设备进行远程控制与管理，使家居生活实现智能化，从而使人们的日常生活更加方便，舒适。第3章 家庭无线网络中的wifi的实现3.1 以家庭网关为核心的家庭网络结构为了实现家庭内部网络与外部intemet相连互通，在家庭内网和外部internet之间需要一个家庭网关。该网关是整个家庭无线网络系统的核心部分，它一方面完成家庭无线网络中各种不同通信协议之间的转换和信息共享，并且同外部网络进行数据交换，另一方面还负责对家庭中网络终端进行管理和控制。家庭中的网络终端也通过这个网关与外部网络连通。实现交互和信息共享。同时，该网关还应有防火墙能力，能够避免外界网络对家庭内部网络终端设备的非法访问与攻击，其结构如图3-1所示。图3-1 家庭网络总体结构图3.2 wifi技术在家庭无线网络中的实现在家庭网络中，wifi主要应用在各种信息家电和家庭网关上。我们可以使用个人电脑、手持网络终端或者遥控器与家庭网关进行连接，并通过家庭网关对各种信息家电实施有效的管理和控制。因此，可以采用客户一服务器体系结构。网关充当服务器的角色，控制设备对各种信息家电的控制也通过网关完成。这样有利于实现胖服务器瘦客户端的结构。（1） 家庭网关模块家庭网关是我们整个网络的核心部件。所有的信息家电以及控制设备都要连接到这个网关上。同时，网关还要与外部intemet互连。那么网关需要实现wifi，并提供如tcp/ip、htip、webserver等高层应用和图形用户界面。完成此功能的协议结构如图3-2所示。其应用层采用统一设备管理协议( universaldevice control protocol，udcp)，用来进行整个网络中设备的添加、删除、状态查询、参数配置等管理和控制。udpc采用客户一服务器结构，服务器端位各信息家电和控制设备，客户为家庭网关。图3-2 利用家庭网关控制家电协议结构家庭网关基于嵌入式linux进行架构。由嵌入式linux系统实现wifi功能，并提供图形用户界面和tcp/ip、http、web-server高层应用。用户可以通过身份鉴别后登录家庭网关，并使用系统提供的图形控制界面对信息家电进行控制和管理。家庭网关同时支持嵌入式web服务器。当我们合法登录后，就可以使用该服务器提供的web页面对网络中的各种信息家电进行管理和控制。嵌入式的web服务器可选用boa，它是嵌入式linux下应用最为广泛的http服务器程序，功能全面。并且能够很好的支持cgi技术进行服务器端的扩展。而且boa支持大家广泛熟悉的c语言来实现cci程序。家庭网关启动后，完成系统的初始化，并加载相关的服务。将接收到的用户的控制或查询命令进行处理，cci程序将命令转换成为udcp报文，通过wifi模块发送给网络中的信息家电或控制设备。同时，家庭网关还通过wifi来接收信息家电的当前状态信息，通过处理后将其反馈给控制设备，以便用户使用。（2） 信息家电模块信息家电上的wifi功能有两种实现模式。一种是信息家电自身带有wifi功能。这是理想的状态。现在已经有很多家用电器比如电视机、dvd等都已经具备了此功能。第二种是对原本不带wifi功能的家用电器进行wifi扩展。可选用rabbit公司的wifi核心模块和其相应的开发包进行相关扩展。由于信息家电的高端功能都由家庭网关来完成，所以可以不用实现wifi的上层协议，只实现对其的控制。信息家电将自身采集到的各种状态信息传递给其自身的或者是扩展的微控制器，微控制器接收到这些数据后将其转换成udcp报文，并通过wifi模块将其发送给家庭网关。同时，信息家电还通过wifi模块接受来自家庭网关的信息，处理后转换成对家电的控制或查询，并将其随后的状态信息由wifi模块反馈给家庭网关。图3-3结构图第4章 基于安卓系统手机wifi的家用智能遥控器开发4.1 意义由于红外遥控器价格低廉、技术成熟等优点，许多智能家电设备仍普遍采用红外遥控器进行控制，包括电视、空调、dvd机、电视机顶盒等。然而，随着家庭中智能家电设备的增多，红外遥控器的数量也在增加，一个家庭使用的红外遥控器数量少则数个，多则十几个，这会带来三大问题：（1） 数量众多的遥控器给使用者带来使用和管理上的不便。（2） 红外遥控器使用的一次性碱性电池，废弃后给环境带来极大的危害。（3） 遥控器意外损坏后，很难找到匹配的遥控器。基于安卓手机wifi的家用智能遥控器，可以控制多个不同品牌不同型号的家用电器，取代传统的实物遥控器，实现“一个家庭只需要一个遥控器即可控制所有红外遥控的家电设备”的目标，极大减少遥控器数量和一次性电池的使用量，为人们创造便捷舒适、环保节能的居家环境。4.2 系统的结构整个系统主要包括客户端软件、wifi转红外模块，如图4-1所示。客户端软件通过wifi，将已编码的数据通过wifi传送至wifi转红外模块，然后wifi转红外模块根据编码规则，传递指令至内部红外发射模块，实现红外数据的发送。图4-1 系统框图4.2.1 家用智能遥控器客户端的构成1.键码数据包的采集与设计(1) 键码数据包的采集红外遥控器的编码格式通常有nec。nec格式的特征：使用38khz载波频率，引导码间隔是9ms+4.5ms，使用16位客户代码，使用8位数据代码和8位取反的数据代码。随着家庭电器种类、型号的不断增多，相对应的遥控器也随之增加，为了便于管理、存取与更新家电遥控器的红外代码，需要为繁多冗杂的代码建立一个数据包。(2)遥控器按键数据包的设计由于红外协议各不相同，并且又相互不兼容，所以直接发送红外数据会导致wifi转红外模块处理十分繁琐。因此，收集多种红外协议数据，按照自定义编码规则，将多种协议编码化，并保存于后台数据库。为了实现按键界面与遥控器数据包的匹配，定义数据包格式如下：文件起始标志位4位。键码属性128位：设备的信息，访问中文字库编码、ascii码。载波频率4位：35-42khz；分辨率0.5khz，以适应不同载波的遥控器。键码编码：对遥控器界面软件的所有按键进行编码，键码位数根据实际红外协议确定。2.遥控器界面软件的设计(1)数据库设计安卓操作系统采用标准sqlite数据库，提供管理数据库相关的api。利用sqliteopen helper类中的oncreate()call back方法以及onupdate()call back方法创建与打开各种遥控器红外代码表table，存进数据库中，方便数据的及时更新。(2) 按键与数据包匹配在手机界面中，每个按键都与其相对应的红外代码相匹配，即按键功能与数据库中各种遥控器数据相连接。通过调用getreadable database()方法当用户按下按键时，软件会查找数据包，将与该按键相连的数据包数据，即相对应的控制家电的红外代码以wifi的形式发送至wifi转红外模块。4.2.2 wifi转红外模块本模块负责数据接收、红外发射。包含wifi数据接收与传送、串口数据解析、红外电平发射。采用wifi芯片usr-wifi232，提供wifi信号及获得客户端所发送数据，再将数据通过串口传送至中控cpu。本模块内部采用单片机作为中控cpu，处理编码化数据与红外协议的转化。由于单片机价格低廉，资源足够，功能满足中控cpu的需求，因此，采用单片机作为中控cpu。在单片机程序中设置多个红外协议入口点，当编码化的数据传送至单片机后，按照自定义的编码规则，寻找对应的红外协议入口，从而发射对应的红外电平。中控cpu功能硬件电路由单片机最小系统及红外发射电路成。在中控cpu程序中，包含定时器功能、串口数据读取功能、红外电平控制功能。中控cpu的程序流程图如图4-2。定时器功能主要是用于产生载波，并与红外信号叠加，从而提高红外信号在空气中传播的抗干扰能力。串口数据读取，将wifi芯片传递的数据加以分析，按照自定义的编码规则，进入不同的红外协议功能函数。红外电平控制功能，实现具体的红外协议函数，通过串口读取功能提供的数据，发射出匹配的红外信号。图4-2 中控cpu流程图4.3 实验测试本次试验采用专用的红外测试仪器，可以监测到红外信号并将其波形显示出来。采用安装客户端的安卓手机及wifi转红外模块，对比于实物遥控器。将实物遥控器、wifi转红外模块都对准红外测试仪器。按下实物遥控器的某个按键之后，观察红外测试仪器显示的波形，如图4-3所示；接着按下安卓手机上对应的遥控器按键后，观察红外测试仪器上的波形，如图4-4所示。图4-3 实物遥控器按键的红外波形图4-4 智能遥控器按键的红外波形由图4-3、图4-4可以看得出，安装客户端的安卓手机及wifi转红外模块可以实现实物遥控器的功能。第5章 智能电网中的wifi无线智能家庭系统5.1 系统构成与概述智能家庭作为智能用电展示的一个基本单元，和电力用户的关系最为密切，所以设计智能家庭系统要综合考虑很多因素，包括节能用电，家庭安全，便利，舒适等，图5-1所示为一个典型的智能家庭构成，其中各种家用电器通过智能化改造，加入wifi无线通信功能，每个电器具有一个ip地址，这样就可以通过无线网络给电器发出控制指令，比如启动空调，调节温度等；同时也可以实时读取电器的用电参数，如电压，电流，频率，功率，功率因数等，这样家庭智能终端和移动终端就可以实时读取各个电器的用电信息，并通过互联网发送到电网企业，同时，可以从电网获取实时的电价信息，达到“避峰趋谷”的负荷调节。智能安防系统也通过网络连接到家庭智能终端，可以实时获取报警信息；三表集抄系统也通过无线方式连接到智能终端，给抄表提供了便利。这样，用户可以在家中实现对所有电器的无线控制，更聪明合理的使用电力，并可以据此制定自己的用电计划。图5-1智能家庭系统构成整个系统包括如下几个主要部分:家庭智能终端、家电控制系统、智能安防、三表集抄、移动终端等。5.2 家电控制家电自动控制目前在国内面临的问题是，大部分的家用电器没有控制接口，不能连接网络，少数具备网络接口的电器也只能与同一品牌的部分电器实现互联，并且通信接口是不开放的，只能选用同一个品牌厂商提供的控制终端，整个系统的功能是固定的，无法定制化，另外，要实现智能化家庭，很难只选择同一个厂家的家用电器，所以在系统中，我们选用市场上通用流行的各种普通家用电器，再加装wifi无线通信接口，实现了空调，热水器，加湿器，洗衣机等电器的无线网络控制，实现原理框图如图5-2所示，实践下来完全可以通过wifi无线网络实现对电器的控制，具备功耗小，通信接口电路体积小，易于安装，通信实时性好，无需布线等优点，实现了可远程控制家中电器等诸多便利功能，例如，在下班途中，通过手机或平板电脑等移动终端自动开启家中的热水器，电饭煲，设定好空调的温度，既方便了生活，也节约了能源。图5-2家用电器wifi无线通信接口5.3 智能安防与三表集抄智能安防部分主要实现了红外传感器和视频监控，当“离家模式”安防功能开启情况下，有人加入红外感应区域，视频监控启动拍摄，也可设定一直拍摄状态，另外，通过互联网，在办公室可以访问视频监控画面，通过手机或平板电脑也可以随时访问视频画面，实现防盗和照顾家中老人等功能。三表集抄部分可以把家中电能表，水表，燃气表的数据传送到智能终端。其中智能电表通过rs一485方式与主机交互，无线远传水表和燃气表通过无线方式发送数据到主机。5.4 家庭智能终端家庭智能终端是智能家庭的综合控制中心，由一块15”左右的触摸屏构成，后端连接后台服务器，通过家庭智能终端，可以控制智能安防，家电控制，三表集抄等所有分系统，并可以从后台服务器获取实时电价信息，并把家电的用电信息等通过网络上传到电网企业家庭智能终端上运行一套智能家庭软件，实现自动控制，用电信息收集等功能。智能家庭软件基于美国国家仪器公司(ni)图形化编程软件labview开发，借助labview丰富的图形化界面设计，数据曲线显示功能，广泛的硬件连接功能快速开发了一套智能家庭软件实现了家电控制，智能安防，三表集抄等诸多功能，同时，也实现了用电信息收集，可视化用电等功能，软件主界面如图5-3所示。图5-3智能家庭软件主界面5.5 结论结合诸多先进技术构建了一套完整的智能家庭系统，实现了对于普通家电的无线控制，用电信息采集，同时在家庭智能