【智能家居论文】小区智能家居终端系统的设计研究与应用.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 随着我国居民居住条件的日益改善，住宅小区的智能化正同益受到人们的重 视。住宅小区智能化也得到了迅速的发展，住宅小区智能化是住宅小区发展的必 然趋势。为了达N 4 , 区智能家居终端系统高效智能化的目的，本文设计和开发出 适应当前发展方向的多功能家庭智能家居终端系统，该系统能在实际应用中提高 家庭设备管理智能化水平。 本文对家庭智能家居终端系统的开发、小区软件开发和系统集成均进行了研 究。把智能家居终端系统的功能按模块来实现，首先以单片机的集散控制系统为 基础，对系统软件采用嵌入式实时多任务方式进行了研究开发，其次对系统的软 件也进行了总体设计，提出了监控任务的设计思路。再次对底层控制通信网络， 系统选择了R S 4 8 5 总线，从而使系统保持高效稳定的运行。 通过小区软件的开发，本系统实现了报警功能、抄表功能、楼道控制功能、 巡查功能、周界控制功能，使得小区智能家居终端系统的功能更加齐全。 综上所述，基于单片机集散控制系统原理，采用嵌入式实时多任务系统方式 进行的没计，极大的提高了系统稳定性；小区智能工作站与各上位机系统形成客 户机t t l 曼务器结构，采用T C P I P 方式进行通讯，最终构成了基于数据库的智能小 区集中管理数据平台，为各子系统的沟通和数据共享提供了基础；采用R S 4 8 5 传统总线，小区智能工作站能实时巡检家庭智能家居终端，实现了与家庭智能家 居终端间的实时可靠通信；基于自主通信协议的防范方式，通过提高数据通信协 议的抗干扰性，最终提高了智能小区通讯网络系统的实时性和高可靠性。 关键词：小区智能化智能家居终端嵌入式 江苏大学工程硕士学位论文 A b s t r a c t W i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep e o p l e S l i v i n g c o n d i t i o ni no u rc o u n t r y , t h e r e s i d e n t i a la r e ai n t e l l i g e n t i z e ds y s t e mh a sb e e np a i dm u c ha t t e n t i o n I tw i l lb et h e i n e v i t a b l et r e n do ft h ed e v e l o p m e n to fr e s i d e n t i a la l e a T h i st h e s i si sf o c u s e do n B C 2 一D1O Ds e r i e sH o m eI n t e l l i g e n tT e r m i n a ls y s t e ma n dd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n t o fT h es y s t e m T h ea i mo ft h i sp r o j e c ti st od e s i g na nu p d a t e dm u l t i f u n c t i o nH o m e I n t e l l i g e n tT e r m i n a ls y s t e m w h i c hw i l li m p r o v et h el e v e lo fH o m ei n t e l l i g e n t i z a t i o n i np r a c t i c e T h i s p a p e rr e s e a r c h e st h ed e v e l o p m e n to fh o m ei n t e l l i g e n tt e r m i n a ls y s t e m ， d e v e l o p m e n ta n ds y s t e mi n t e g r a t i o no ft h es o f t w a r e T h ep a p e rd e s i g n st h el e v e lo f H o m ei n t e l l i g e n t i z a t i o nc o m p l e t e l y A n dr e s e a r c h st h es y s t e mi n t e g r a t e do fH o m e i n t e l l i g e n t i z a t i o n t h eo u t c o m ea sf o l l o w s ： T h ed e s i g nb a s eo nc o l l e c t i n ga n dd i s t r i b u t i n gc o n t r o ls y s t e m i no r d e rt or e d u c e b u r d e n so fs y s t e m ，b r i n ga b o u tt h es y s t e mf u n c t i o nb ym o d u l e ，r a i s e i n gt h er e l i a b i l i t y o fs y s t e m E m b e d d e dS y s t e mS o f t w a r ei St h eh o m eo fi n t e l l i g e n tn e t w o r kt e r m i n a ld e v e l o p e d b yt h ec o r e I nt h i sp a p e r r e a l t i m em u l t i t a s ke m b e d d e ds y s t e m sr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t ，t h e nt h es y s t e m s o f t w a r e d e v e l o p e r s t o d e s i g n ，p u tf o r w a r da m o n i t o r i n gm i s s i o no ft h ed e s i g ni d e a s O ft h eu n d e r l y i n gc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kc o n t r o ls y s t e mr e s e a r c ha n dd e s i g n a n a l y s i s o ft h e u n d e r l y i n g c o n t r o lo fs m a r tr e s i d e n t i a lc o m m u n i t yt ob u i l d c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s i n c l u d i n gt h ec h o i c e o fn e t w o r k sa n dt h e i ra s s o c i a t e d c o n t r o le q u i p m e n tt od oas y s t e m a t i cs t u d yi no r d e rt oa c h i e v ee f f i c i e n tc o o r d i n a t i o n o ft h ee n t i r es y s t e mo p e r a t i o n T h r o u g ht h ed e v e l o p m e n to fr e s i d e n t i a ls o f t w a r e t h i ss y s t e mw i l lr e a l i z et h e f u n c t i o n so fa l a r m ，m e t e rr e a d i n g ，c o r r i d o rc o n t r o l l i n g ，p a t r o l l i n ga n ds u r r o u n d i n g c o n t r o l l i n g ，w h i c hm a k e st h ef u n c t i o n so ft e r m i n a ls y s t e mm o r ec o m p l e t e T h e s y s t e mi Sb a s e do nD C Si d e a ，a n di ti n t r o d u c eR T O Sw h i c hg r e a t l yi m p r o v et h e s t a b i l i t yo ft h es y s t e m T h eI n t e l l i g e n tW o r k s t a t i o nr e a l i z et h er e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n w i t ht h et e r m i n a l sb yc h e c k i n gt h e m S o f l w a r es y s t e mi Sb a s e do nt h eC l i e n t S e r v e r s t r u c t u r e ，i nw h i c ht h ew o r k s t a t i o nc o m m u n i c a t e sw i t he a c hh o s tc o m p u t e ru s i n g T C P I Pp r o t o c o l ，t h u st h em a n a g e m e n td a t ai n t e g r a t i o np l a t f o r mo fi n t e l l i g e n t i z e d r e s i d e n t i a la r e ai sc o n s t r u c t e d w h i c hp r o v i d e st h eb a s i so fs u b s y s t e mc o m m u n i c a t i o n s a n dd a t as h a r i n g U s i n gt r a d i t i o n a lg e n e r al i n eo fR S 一4 8 5 ，c o m m u n i t yi n t e l l i g e n tw o r k s t a t i o nc a n i n s p e c th o m ei n t e l l i g e n tt e r m i n a lr e a lt i m e l ya n dr e a l i z et h er e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n w i t hh o m ei n t e l l i g e n tt e r m i n a l B a s e do ns e l f - c o m m u n i c a t i o na n dt h r o u g ht h e i m p r o v e m e n to fA n t i - J a m m i n go fd a t ac o m m u n i c a t i o n i tw i l li m p r o v et h er e l i a b i l i t y o ft h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks y s t e mo fi n t e l l i g e n tc o m m u n i t y K e y w o r d s ：t h eI n t e l l i g e n c eo fQ u a r t e r st h eH o m eN E T E m b e d d e d s y s t e m I l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密m 答字醐：1 年肌日 织 咖 势刁 名 期 签 日 币 师 字 导 签 、 名 片签者 作文 匕沦位学 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：乙 醐一引一 江苏大学工程硕士学位论文 1 1 小区楼宇智能化介绍 第一章绪论 住宅小区智能化就是指以现代电子、通讯技术为基础，依靠先进的设备和科 学的管理，利用4 c 技术( 即计算机、自动控制、通信与信息处理、C R T 图形化) ， 通过有效的传输网络，将多元信息服务、小区管理、安防、住宅智能化系统进行 集成，为住宅小区的信息服务向小区提供高技术的智能化手段，从而实现快捷高 效的超值服务，提供一流安全舒适的家居环境。 智能化的小区作为近年来产生并迅速崛起的一种新型住宅区，它是建筑艺 术、生活理念、信息技术、电子技术等现代高科技的完美结合，小区智能化为住 户提供了一种更加安全、舒适、方便、快捷和开放的智能化、信息化生活空间， 同时，它依靠高科技，实现了回归自然的环境氛围，促进了优秀的人文环境发展， 并依托光进的科学技术，实现小区管理的高效化、节能化和环保化。它不仅己经 成为一个国家经济实力和科学技术水平的综合标志之一，而且也是人们社会住宅 发展的必然趋势。随着技术的发展，智能小区所采用的智能设备也处于不断的发 展和更新之中，现在的住宅小区智能设备可以分为以下几类： 安防报警控制设备：在家中安防报警探测设备包括住宅内的各种报警探测 头如：烟雾探测探头、煤气泄漏探头、玻璃破碎探头、红外双幕帘方向识别探测 器等：在小区内有：巡更探测器、周界防越报警器等。 远程抄表设备：远程抄表设备主要包括脉冲表、采集器、中央处理器。 可视对讲设备：可视对讲设备主要是由( 可视) 对讲室外机和( 可视) 对讲室内 分机以及管理中心三部分设备组成。根据目前对讲系统的市场功能需求，分为别 墅型( 可视) 对讲系统、直按式( 可视) 对讲系统、编码型( 可视) 对讲系统、户户通 ( 可视) 对讲系统以及智能联网型( 可视) 对讲系统等不同的产品系列。 家庭智能信息设备：家庭智能信息设备主要包括抄表器、可视对讲设备、 报警报修紧急设备、家电控制设备、撤设防遥控器等。 除上述主要设备之外，一个功能完善的智能小区还应具有闭路电视监控系 统，它包括有黑白( 彩色) 摄像机、半球、高速球、镜头、矩阵切换器、画面分割 器、D V R 等设备以及云台、防护罩、支架等周边设备。 智能小区是一项系统工程。合理的建筑结构设计、优良的施工质量以及完善 的基础设施是智能小区建设的基本前提和基础；智能化的设备和良好的系统集成 是实现智能小区的手段和途径，是住宅小区智能化程度的集中体现，也是衡量住 江苏大学工程硕士学位论文 宅小区智能化程度的关键。 1 2 国内外楼宇智能的现状、发展与趋势 家庭智能家居终端系统是实现家庭设备管理智能化的核心设备。通常其应该 具有家庭安全防范系统、家庭设备管理智能化的大部分功能。而更为先进的家庭 设备管理智能终端则在此基础上，还包含家庭通讯以及家庭文化的功能，这从根 本上提升了家庭设备管理智能化的水平。 1 2 1国外现状、发展与趋势 智能家居概念的起源甚早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1 9 8 4 年美 国联合科技公司( U n i t e dT e c h n o l o g i e sB u i l d i n gS y s t e m ) 将建筑设备信息化、 整合化概念应用于美国康乃迪克州哈特佛市的C i t y P l a c e B u i l d i n g 时，才出现了 首栋“智能型建筑 ，从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。 最著名的智能家居要算比尔盖茨的豪宅。比尔盖茨在他的“未来之路 一书中以很大篇幅描绘他正在华盛顿湖建造的私人豪宅。他描绘他的住宅是“由 硅片和软件建成的并且要“采纳不断变化的尖端技术 。经过7 年的建设，1 9 9 7 年，比尔盖茨的豪宅终于建成。他的这个豪宅完全按照智能家居的概念建造， 不仅具备高速上网的专线，所有的门窗、灯具、电器都能够通过计算机控制，而 且有一个高性能的服务器作为管理整个系统的后台。 现在随着信息化技术的发展，智能化技术开始走向居民小区，并走入家庭。 进而形成了智能家居的概念。其目标是“将家庭中各种与信息相关的通讯设备、 家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术连到一个家庭设备管理智能化系统 上进行集中的或异地的监视、控制和管理，以达到安全、便利、舒适以及多元化 信息服务的目的。国际上的众多I T 企业均已涉足智能化住宅。目前在一些先进地 区，很多智能化居民住宅已成为信息高速公路的节点，成为电子商务的基站，这 一应用又为当地工厂企业的发展提供了大量机会。 智能家居是I T 技术( 特别是计算机技术) 、网络技术、控制技术向传统家电 产业渗透发展的必然结果。由社会背景之层面来看，近年来随着信息化的高度进 展，通讯的自由化与高层次化、业务量的急速增加与人们对工作环境的安全性、 舒适性、效率性要求的提高，造成家居智能化的需求大为增加；此外在科学技术 方面，计算机控制技术的发展与电子通讯技术的成长，也促成了智能家居的诞生。 趋势是：由模拟技术向全数字技术的过渡；由专有网络向I P 网络转变；系统 集成度更高；功能更强大；外观更加美观；操作更加简便；使用更人性化。 2 江苏大学工程硕士学位论文 1 2 2 国内现状、发展与趋势 我国在智能建筑技术方面的研究起步虽然比较晚，但住宅小区智能化的整体 解决能力也进入了一个正常发展的阶段，相关技术的研究和产品开发能力与国外 的差距正在缩小，智能家居及其小区的建设在我国各地发展较快，据统计资料表 明，目前，我国建筑智能化的投资，约占工程建设项目总投资的5 一8 ，有的达 到了1 0 ，平均约在6 0 元平方米。因此智能化投入在我国城镇每年住宅开发总量 5 亿多平方米的建设总量中占有很大的比重，并且住宅小区智能化的系统也由刚 开始时的单一的安防系统发展到了三表远传抄收系统、家庭设备管理智能化系 统、通信与计算机网络系统、小区管理系统、V O D 交互式视频点播服务系统等多 方面发展。其中家庭设备管理智能化是大众住宅的又一场新的革命。 现代家庭正在以家庭设备管理智能化带来的多元化信息、安全、舒适、便利 的生活环境，作为一个理想的目标来追求。国家也在( 2 0 0 6 年小康型城乡住宅科 技产业工程项目实施方案中，将建设智能化小康示范小区列入国家重点发展方 向。因此必然促使智能化从智能大厦建设向智能小区，乃至向家庭设备管理智能 化的方向发展。由国家经贸委牵头成立了家庭信息网络技术委员会，信息网络技 术体系研究及产品开发己作为国家技术创新重点专项计划，国家将投巨资支持该 项目的实施。 智能家居( S m a r tH o m e ) 频繁出现在各大媒体上，成了人们耳熟能详的词汇。 目前关于智能家居的称谓多种多样，诸如：电子家庭( E l e c t r o n i cH o m e ) 、e H o m e 、 数字家园( D i g i t a lf a m i l y ) 、家庭自动化( H o m eA u t o m a t i o n ) 、家庭网络( H o m e n e t N e t w o r k sf o rH o m e ) 、网络家居( N e t w o r kH o m e ) 、智能化家庭( I n t e l l i g e n t h o m e ) 等等几十种，尽管名称是五花八门，但它们的含义和所要完成的功能大体 是相同的。 目前通常把智能家居被定义为利用电脑、网络和综合布线技术，通过家庭信 息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合的一个系统。也就是说， 首先，它们都要在一个家居中建立一个通讯网络，为家庭信息提供必要的通路， 在家庭网络的操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有家庭 网络上的家电和设备的控制和监测。其次，它们都要通过一定的媒介平台，构成 与外界的通讯通道，以实现与家庭以外的世界沟信息，满足远程控$ I 监测和交 换信息的需求。它们的最终目的都是为满足人们对安全、舒适、方便和符合绿色 环境保护的需求。 1 3 家庭智能家居终端系统的简介 江苏大学工程硕士学位论文 随着智能化技术的不断发展，小区智能家居终端功能也有很大的发展。 智能家居终端如果要细分可以分成以下子系统： 1 无线遥控子系统：通过无线遥控，对全家设备进行遥控。 2 集中控制子系统：集中控制家中任何的照明灯具及需要控制的电器； 3 远程控制子系统：通过电话、手机，甚至短信，随时随地控制家中设备； 4 网络开关子系统：使用墙上的网络开关，进行网络化控制，如全开全关、 场景设置； 5 定时控制子系统：对家中的固定事件进行编程，例如，定时开关窗帘， 定时开关热水器等等； 6 感应控制子系统：在卫生间、壁橱装感应开关、有人灯开、无人灯灭； 7 语音控制子系统：通过语音，对全家设备进行控制； 8 计算机控制子系统：通过计算机，对全家设备进行控制； 9 智能照明子系统：提供灯光的调光、场景控制； 1 0 环境控制子系统：对窗帘、通风设备、采暖设备、空凋器等进行统一管 理： 1 1 全宅音响子系统：将传统的音响延伸到家中的每个房间及每一个角落； 1 2 互联网远程监控：经由网页浏览器，就可以远程控制家庭设备； 1 3 智能电器控制子系统：包括红外家电控制、连接网络家电等功能； 1 4 智能安防子系统：通过各种传感器与安防模式，实现防盗、防灾与求助； 1 5 网络视频监控：通过浏览器，在办公室就可以看到家中的情景； 1 6 智能化协同工作：设备之间可以设计联动操作，实现协同效果； 1 7 电力线信号保障 更进一步，智能家居还可理解成包含以下子系统的整合体： 家庭信息网络：包括局域网( 以太网) 、无线局域网( 8 0 2 1 1 ) ，可实现资 源共享( 包括文件、应用程序、打印机等) ，分布式宽带互联网接入等功能，满 足在家办公、网络购物、娱乐的需求。家庭多媒体网络：通过综合布线，把音视 频分布到家中多个房间。例如，一台D V D 播放机播出的高质量节目可在客厅和卧 室的电视机上观看，还能支持视频点播、网络游戏等等丰富应用； 与智能小区关联：家庭三表( 煤气表、水表、电表) 的自动抄表、小区信息 通告、小区安防联网、可视对讲、智能卡门禁系统、远程教育、远程医疗、V O D 点播等。 但是随着智能化住宅产业逐步形成以及人们对信息集成和功能集成要求的 不断提高，其核心设备家庭智能家居终端也暴露出了它的一些缺陷和局限： 1 、开放性、互操作性差。各生产厂家产品内部通信采用的都是各自私有、 4 江苏走擘工程硕士学位论文 争用的数据通路，没有统一标准。直接的结果是系统的被集成性差。 2 、管理成本高。由于系统可集成性差，信息资源不能在管理部门之问共享， 造成信息获取和信息利用的低效，结果会导致人员成奉的增加。 3 、维护成本高。由于系统的封闭性，不同厂家的产品没有任何互操作性， 用户完全依赖于特定的公司或J 家，维护成本无法预测和控制，用户投资得不到 有效保护，更谈不P 从技术进步中受益。 4 、集成度差。现有产品只能满足家庭智能的一项或几项功能。 5 、传输网络单。产品只有一种传输阿络。 1 4 论文研究内容 沧文以B C 2 一D I O D 家庭智能家居终端( 见图卜1 ) 为核心，对该系列家庭网 络终端系统的丌发和系统集成进行了研究。I q 的足设计和丌发出适应当前发展水 平的新一代多功能家庭智能家居终端系统，使其在实际应用巾能提高家庭设备管 理智能化水平。 图卜1 B C 2D 1 0 D 家庭智能家居终端 本文做的上作如下： I 以B C 2D l O D 家庭智能家居终端为背景，对家庭智能家居终端进行了总体 设计。设计基于单片机的集散控制系统思想，把系统的功能按模块来实现以减 少主机的负担，提高了系统整体的可靠性。系统的功能基本上涵盖了家庭安全防 范、家庭醴祷管理智能化的全部功能，且部分涉及了家庭通讯以及家庭文化的功 能。 2 对系统软件进行了开发设计。嵌入式系统软件是整个B C 2D 1 0 D 家庭智能 家居终端开发的核心。本文对嵌入式实时多任务系统进行了研究开发，然后对 B C 2D I O D 智能家眉系统的软件丌发进行总体设计，提 i 了监控任务的设计思路。 3 对底层控制通信网络系统进行了设计研究构建锗能小匣底层控制通信网 江苏大学工程硕士学位论支 结，包括选择何种网络及其相关的各种控制设备做了系统的研究，以达到整个系 统协调高效的运作。本文对R S 一4 8 5 总线控制网络以及智能小区中通常采用的其 他网络集成方式进行分析，并在此基础上提出自土通信协议，以此提高智能小区 通讯网络系统的实时性和可靠性。 如图卜2 系统拓扑图所示，通过对家庭智能家居终端进行系统的研究，完成 系统的优化设计，以达到实片j 的目的。 图卜2B C 2 一D 1 0 D 系统拓扑图 江苏大学工程硕士学位论文 第二章家庭智能家居终端的系统设计 2 1 家居智能网络的功能分析 改善人居条件是提高生活质量的一个重要方面，住宅小区的智能化、信息化 一直是人们努力追求的一个目标，它可以分为以下几个阶段：即：电子化、自动 化、网络化和智能化。目前发达国家和地区早已经走过了电子化、自动化和网络 化阶段达到了智能化。在国内经济发达地区的家庭，也已经基本完成了电子化和 自动化、网络化，J 下在向全面智能化迈进。本文设计的家庭智能家居终端正是为 了推进国内全面智能化发展而开发的新一代多功能家庭智能家居终端。 总的说来，可以认为家庭设备管理智能化就是在计算机技术、网络技术、通 信技术以及多媒体技术的支持下，综合家庭安全防范系统、家庭设备管理智能化 系统、家庭通讯系统和家庭文化系统的各项功能，通过家庭总线系统将家庭设备 管理智能化各子系统连接起来，为家庭住户提供安全、舒适、便捷和信息交流通 畅的生活环境，其功能如图2 1 所示。 图2 1 家庭设备管理智能化功能模块 如图2 - 1 可见，家庭设备管理智能化系统主要包括以下四个子系统： 1 、 家庭安全防范子系统： 该系统包括防盗及报警，由家庭报警主机和各种前端探测器组成。前端探测 器如门磁、窗磁、煤气探测器、烟感探测器、红外探头、紧急按钮、对射电子护 栏等。当有人非法入侵时将会触发相应的探测器，家庭报警主机会立即将报警信 号传送至小区管理中心或用户指定的电话上，以便保安人员迅速处警；同时小区 管理中心的报警主机将会纪录下这些信息，已备查阅。 防盗系统应有一定的控制能力、预设能力和防破坏能力。 2 、家庭设备自动管理系统： 江苏大学工程硕士学位论文 该系统能完成三表数据的自动抄表( 例如水表、电表、天然气表) ；能对家 庭灯光场景进行控制，能对主要家电设备进行红外线遥控( 例如遥控空调、家庭 背景音乐等) ；针对主要家电设备的远程遥控功能；主要家电设备定时开关机控 制功能； 3 、家庭通讯系统，其包括以下功能： 利用数据线进行语音和数据信号的传递；针对比较大的户型( 如别墅) 能组 成家庭电话小总机，能完成家庭计算机数据的共享； 4 、家庭文化，其包括以下功能： 网上教育，如网上大学，这样消除了时间空间对教育的限制，使更多人有享 受教育的权利；网上娱乐；家庭主页与个人主页；网上信息；网上邮局；网上医 疗；网上商店； 2 2 家庭智能家居终端系统设计 2 2 1 设计思想和方法 随着建筑智能化技术的不断发展，现在生产家庭智能家居终端的企业较多， 但大多数厂家都采用嵌入单片机的单任务控制软件。运用这种单任务控制软件开 发出的智能家居终端功能单一，只能针对家庭设备管理智能化的某一具体方面的 需求进行设计。随着对智能化要求的不断提高，这种单一的功能设计越来越显现 出缺陷，很难满足各方面同时达到智能控制的需要。如果需要家庭设备管理智能 化的大部分功能，家中就要安装多台这样终端，这就带来成本高、使用不便等问 题。同时由于这些网络终端人性化不够，操作也很复杂，在使用方面也带来了很 大的不便。 因此，在进行家庭智能家居终端的设计时，需求分析和功能定位非常重要。 本章基于以上的分析，对B C 2 - D I O D 智能家居终端系统的开发采用单片机的集 散控制系统思想，引入嵌入式实时多任务系统技术以及人性化的图形界面技术， 开发出符合中国特色的新一代家庭智能终端系统产品。通过对智能小区的总体需 求分析和功能分析，重新设计了系统智能设备的种类和功能；通过对目前智能家 居终端系统底层通讯网络的分析，设计了该系统的底层通讯网络。系统智能设备 总体框架的确定，为以后的软硬件设计工作提供了明确目标。 2 2 2 系统的功能 8 江苏大学工程硕士学位论文 本文设计的B C 2 - D I O 家庭智能家居终端除了包含家庭安全防范与三表远程 抄收及阀门控制等基本功能以外，还有特色功能：全数字可视对讲( 无需中间联 网设备) 、家庭无线智能控制、基于T C P I P 防盗报警、报警联动( 抓拍报警图片) 、 信息浏览、社区服务、网上购物家电、灯光远程控制网络浏览；家电灯光控制、 场景控制、定时控制、温度控制、多路家庭监控、多路远程视频监控主人访客 录影、留言、户户可视通话、扩展W I F I 上网、数码像册、M P 3 、M P 4 播放。 2 2 3 系统的结构设计 由于系统采用单片机的集散控制系统思路，因此可把系统的功能按模块来实 现，这样就减少了主机的负担，提高了系统整体的可靠性。具体系统结构如图 2 2 所示。 图2 2B C 2 一D I O D 家庭智能家居终端系统结构 由上图可以看出B C 2 - D I O D 智能家居终端系统由B C 2 一D I O D 智能家居终端、红 外接收模块、总线报警模块、总线抄表模块、家电控制器、家庭灯光控制器、无 线控制器以及P D A 控制器等组成。 根据上图可以把智能设备分为三部分： 1 、上层设备：包括小区智能管理工作站和各类管理软件。智能管理工作站实 时可靠地采集中层设备上传的数据，并对采集的数据进行相应分析处理，通知相 应的管理软件。管理软件采集分析智能工作站传送来的数据并在人机交互界面上 做相应显示，小区管理人员根据其反应信息进行处理，管理软件包括小区管理软 9 江苏大学工程硕士学位论文 件、周界管珊软件、巡更管理软件、一寝管王甲软件、报警管理软件等等 2 、中层设备：( 见图23 ) 羁蚕霜露 目2 一神层设备 各类控制器。比如楼道单元控制器、P D A 控制器等。楼道单元控制器是智能工 作站的中转站。它向下对家庭智能终端巡榆，向上向I 作站电脑报告家庭智能终 端的情况，并转发工作站对家庭智能终端的命令。P D A 控制器，对士机进行外出 设防、在家设防、撤防、紧急求救、防劫等操作；用户自编程没置：定刚或输入 输出联动。采用1 2 8 6 4 图形点阵【。c I ) 模块与按键操作界面i 采用与无线遥控器和 无线探头不同的无线协议，与智能士机进行通讯；能学习其它家用红外遥拄器的 某些功能( 如空调、彩电、音响等) ，通过无线、i 外兼容等方式与B C 2D I O D 智 能家居终端通讯。控制器足B C 2 一1 8 A 智能家居终端系统r 层设备与下层设备通信 的巾间环节。实现工作站I U 脑与底层网络设备的匹配和信号转换，并且实时显示 工作站电脑的工作状况。 3 、终端设备：各种终端设备( 见陶24 ) ：匕 图2 4 终端设备 比如红外接收模块、总线报警模块、总线抄表模块、全球眼网络摄像机等。 终端设备直接面向住户，红外接收模块，接收P D A 控制器的红外控制命令，转发 家庭总线命令井传送给主机，由主机处理这些命令：总线报警模块可查询报警探 头信号，针对探头性质的，卜同，比如报警脉冲短：相反炯感探头的脉冲时间较长， 采用不同的处理方法，降低误报警的可能性，同时对探头的状态进行检测，通过 江苏大学工程硕士学位论文 家庭总线上传主机；总线抄表模块，对家庭的表具进行准确计量，判断表具状态， 上传主机。终端设备将家庭安全报警、家庭三表计量抄收、家庭设备管理自动化、 小区管理信息化和多媒体娱乐等功能集成为一体；它将家庭信息和外部( 小区) 信息通过小区联网专线、电话线、I P 宽带网络、双向H F C 网络等进行交换；它将 家庭中各种设备通过家庭总线联结起来。 上层设备向下分析各部分的通讯结构。 1 ) 各上位机软件( 包括小区管理软件、巡更管理软件、周界管理软件、报警管 理软件及三表管理软件) 只与小区智能管理工作站进行通讯。 昌昌昌昌昌 三表管理软件报警管理软件 巡更管理软件周界管理软件物业管理软件 图2 5 上位机软件通信不意图 如图2 5 所示，它们接收智能工作站传送的通讯信息，同时在软件界面上做 相应显示。例如，智能工作站接收到报警、报修等信息，传送给相应的管理软件： 软件发出声光报警提示，实时地让管理人员了解警情并进行相应处理。 三表软件和物业软件可对智能工作站发送抄表、商品信息下载等通讯信息， 智能工作站则对其进行处理。 2 ) 智能工作站位于中层设备与上层上位机管理软件之间，除了与上位机管理 软件通讯之外，它通过R S 2 3 2 接口与前端控制器相连。 上位机管理软件 智能工作站 图2 - 6 智能工作站通信示意图 如图2 6 所示，智能工作站接收到上位机管理软件的指令，发送相应的控制命 令给前端控制器。前端控制器转发下去：前端控制器接收到楼道单元控制器传送 的信息并转发给智能工作站。智能工作站将信息发送给相应的上位机管理软件。 在智能工作站与智能设备通讯过程中，由于R S 一4 8 5 只是物理层协议，因此 智能工作站中必须包括对R S - - 4 8 5 总线的管理以及对通讯数据的校验判断等处 江苏大学工程硕士学位论文 理。智能工作站获得设备的状态信息的时候，通过T C P I P 方式，将采集到的数据 发给对应的上位机管理软件进行处理。 3 ) 前端控制器主要是一个R S 2 3 2 4 8 5 接口转换工具。它进行智能工作站与 R S 4 8 5 总线网络设备的匹配和信号转换，并且实时显示智能工作站的巡检进程。 夕l 竺兰竺型兰I 凸回圈 智能工作站 厂I 再i 习 如图2 7 所示，前端控制器转发智能工作站的通讯信息给楼道单元控制器并将 回复信息转发给智能工作站。 4 ) 楼道单元单元控制器作为智能工作站与前端设备之间的中转站，除了接收 前端控制器转发的智能工作站的通讯信息外，还与家庭智能家居终端通讯( 如图 固搴I 圈I 嚣虑 工作站 I 前端控制器 转发 智能 终端 图2 8 楼道单元控制器通信不意图 楼道单元控制器对家庭智能终端进行巡检，并记录该终端传送的事件信息。 当智能工作站对楼道单元控制器进行巡检时，将挂接在其下的家庭智能终端的事 件信息回复给智能工作站。当智能工作站直接呼叫楼道单元控制器下的家庭智能 终端时，楼道单元控制器执行数据转发功能。它将智能工作站的命令转发给家庭 智能终端，再将家庭智能终端的回复命令转发给智能工作站。 5 ) 家庭智能家居终端是直接面对小区住户的设备，它位于智能小区网络的最 末一级。家庭智能家居终端，采用了分布式控制、集中式管理的思想。通过再次 1 2 江苏大学工程硕士学位论文 扩展R S 一4 8 5 总线，家庭智能终端与报警模块、抄表模块、灯光控制模块以及红外 模块联系起来。从而减轻了家庭智能终端的压力，同时提高了系统的可靠性。 2 3 系统底层通讯网络的选型分析 在智能小区中，设备之间的通信和系统对它们的控制，均是以某种总线方式 或是以某几种总线方式相结合方式来实现的。这种通过一种或多种总线方式，实 现对现场各种设备的通信，并通过总线对现场设备进行必要控制的计算机网络系 统统称为底层控制通信网络系统。单独一个B C 2 一D I O D 家庭智能家居终端只能足一 个信息的孤岛，必须通过智能小区的底层网络与小区的管理中心相连，实现信息 的共享与控制。目前小区底层网络一般都采用R S 一4 8 5 、现场总线以及以太网方式。 通过具体的分析比较，接着选择适合本设计的底层通信网络结构。 L o n w o r k s 现场总线是目前国外( 国内也开始应用) 智能家居使用最多的一种。 作为一种新兴的总线，技术上日趋成熟，使用L o n w o r k s 等现场总线是今后智能小 区开发的一种大趋势，它具有传统总线无法比拟的一些优点。 R S 一- 4 8 5 传统总线经过长期的发展，技术己非常成熟。由于其性能优异、结 构简单、组网容易且建设造价成本低廉，所以在我国智能小区底层控制网络的各 子系统中得到最广泛的应用。其优点也是其他现场总线不可取代的。 L o n w o r k S 总线的优势主要体现在网络的开放性、距离的优势性和传输技术的 领先性上。但同时对传输介质的要求更高、对复杂线路、复杂环境的适应性较差、 建设成本较高、比较不容易维护等缺点，是一种仍在逐步完善的产品：而R S 一4 8 5 总线在灵活性、建设成本低、施工布线容易等方面优于L o n w o r k S 总线：因此，选 择何种总线方式取决于智能小区的市场定位与功能需求。 而且，通过比较我们可以得到。布线方面，R S 4 8 5 总线布线简单，而L o n w o r k s 是一种控制网络技术，布线复杂：成本方面，R S 一4 8 5 总线明显低于L o n w o r k s 总线 的价格。通过上述对L o n w o r k s 现场总线及R S 一4 8 5 总线的优缺点的比较，选择适 合底层通讯网络就比较容易。本文设计的B C 2 一D I O D 终端系统采用R S 一4 8 5 总线方 式作为底层通讯网络更合理。 鉴于R S - 4 8 5 总线只是物理层协议，在开发初期采用主从的方式实现终端的基 本通信功能，今后以原有基于R S 一4 8 5 总线的智能小区底层网络为基础，开发自主 通信协议的智能小区底层网络。 2 4 系统软件、硬件设计分析 江苏大学工程硕士学位论文 从系统结构图可以看出，B C 2 - D I O D 智能家居终端是整个家庭智能家居终端 系统的核心。系统的软硬件设计的主要工作就是围绕B C 2 - D 1 0 D 智能家居终端进 行设计。 B C 2 一D I O D 智能家居终端的硬件按模块可以划分为：主处理器模块、可视对 讲分机模块、无线接收与发送模块、对讲喇叭以及报警警号驱动模块、接口模块 ( 电话、R S 一4 8 5 、家庭总线、以太网) 、实时时钟电路模块、语音提示模块、语 音留言模块、图像留影模块等。这其中可视对讲分机模块、无线接收与发送模块、 对讲喇叭以及报警警号驱动模块和实时时钟电路模块在B C 2 - D I O D 系列中已经有 成功应用，直接移植过来。 主处理器模块协调各模块工作，因此主处理器模块的选型又是整个主机硬件 设计的关键。主处理器模块的选型以够用为基本条件，同时兼顾技术成熟性与经 济性相结合。最终经过选择比较，选用了于S S T 公司的基于5 1 系列单片机架构 的高性能M C U S S T 8 9 E 5 6 4 R D 。该M C O 时钟频率最高可达4 0 M H Z ，片内有1 K R A M 、 两块超级F l a s h ( B C 2 一D 1 0 D 6 4 k + 8 K ) 、三个1 6 位定时器以及看门狗电路。不仅 如此该M C U 还支持高达6 4 k 的外部程序数据空间以及4 个优先级的8 个终端源。 其性能完全能满足B C 2 一D 1 0 D 智能家居终端的需要，且价格低廉，开发技术成熟。 图像留影模块是整个B C 2 一D I O D 智能家居终端的一个亮点和特色。经过分析比 较，我们选择了台湾华绑公司的W 9 9 6 8 2 芯片和3 0 万象素的C M O S 摄像头组成。 W 9 9 6 8 2 是一款高性能、高集成度的数字相机处理芯片，其具有预览、捕获、存 储、压缩以及显示图片或短暂视频的功能。不仅如此，其内部还有与8 0 3 2 兼容 的处理器内核，方便了外部对该芯片的控制。 B C 2 一D I O D 智能家居终端不是简单的单任务系统，其是具有一定实时性要求 的多任务系统。在软件设计中，如果采用传统的前后台系统的开发方法，其性能 与可靠性是难以保证的，基于此在软件设计中，我们引入了嵌入式实时多任务操 作系统( R T O S ) 来对系统进行管理。 在嵌入式实时多任务操作系统的选型上，我们选择了R T X5 1F U L L 。其是专 门针对5 1 系列单片机开发的，支持多优先级的占先式多任务操作系统，性能完 全能满足B C 2 一D I O D 智能家居终端的需要。在此基础上，对系统的功能进行了任 务的划分以及优先级确定。在软件编写时只需编写简单的任务模块，不涉及到任 务的调度管理等内容。当外部触发事件时，由嵌入式实时操作系统，根据任务的 优先级来自动进行任务调度，提高了系统的实时性可靠性。有关B C 2 - D I O D 智能 家居终端软件设计的内容具体可参见论文的第三章。 2 5 小区软件的集成 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 要实现B C 2 一D I O D 智能家居终端系统的功能，必须有相关上游智能小区的软件 支持。智i l d , 区的管理软件是智能小区智能设备功能的体现，是整个系统设计过 程中不可缺少的一部分。针对B C 2 - D I O D 家庭智能家居终端的特点，我们设计了 以智能工作站为核心的智能小区软件，它主要包括：智能工作站软件、住宅报警 求救软件、巡更管理软件、周界防越报警软件、三表管理软件及小区管理软件。 其中智能