（理论物理专业论文）智能家居控制系统的设计与实现研究.pdf

磺士学位论吏 m a s t e r st h e s i s 摘要 随着现代科学技术的发展和人民生活水平的提高，居民对住宅的功能、质量提 出了更高的要求，智能化住宅以其安全舒适、信息通畅、服务完善而深受住户的喜 爱，智能住宅成为现代化住宅的发展趋势。因此研究并开发出适合人们要求的智能 亿产品具有很重要的意义。 在对国内外已有的智能家居控制系统分析后，结合国内智能化住宅的实际要 求，提出了套多功能的智能家居控制系统设计方案，并实现了智能家居控制的设 计。 本文设计的智能家居控制系统能通过远程控制和本地控制实现以下功能： 1 、实现人在异地通过电话网络对家中的用电设备进行远程控制。 2 、实现在近距离通过系统键盘控制家用电器设备的工作状态。 3 、实现安全防盗报警。 4 、实现三表( 电表、水表、气表) 的数据采集。 5 、实现实时时钟显示。 智能家居控制系统以c 8 0 5 1 f 0 2 0 增强型单片机为核心，进行智能控制。远程控 制功能的实现是利用已有的电话网络进行信号传输，达到控制目的；本地控制是通 过系统设置的键盘，进行人机交互，实现本地控制目的。系统通过主控c p u 检测 各种异常情况，进行报警。 论文总结了本课题研究的智能家居控制系统的特点。通过实例，介绍了智能家 居控制系统的应用方法。最后提出了系统功能的完善方向。 关键词：单片机；智能家居控制系统；远程控制：本地控制；安防报警 m a s t e r s t h e 螂 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h er a i s i n go f p e o p l e s l i v i n gs t a n d a r d ，r e s i d e n t sp u tf o r w a r dt h eh i g h e rd e m a n do nt h eh o u s e f u n c t i o na n d q u a l i t y s m a r th o m ea r ep o p u l a rb e c a u s eo ft h e i rs a f e t y , c o m f o r t , e x p e d i t ei n f o r m a t i o n a n dp e r f e c ts e r v i c e i nc o n s e q u e n c e ，t h e ya r el i k e l yt os t a n df o rt h et r e n do fm o d e m h o u s i n g s oi t sv e r yi m p o r t a n tt os t u d ya n dd e v e l o pi n t e l l i g e n c ep r o d u c t sw h i c hc a n m e e tt h er e q u e s to f p e o p l e b a s e do nt h ea n a l y s i so fs m a r th o m eb o t ha th o m ea n da b r o a da n dt h ec o n s i d e r a t i o n o fp r a c t i c a ld e m a n do ns m a r th o m ei nc h i n a , ad e s i g no fm u l t i - f u n c t i o ns m a r th o m e c o n t r o ls y s t e mi sp u tf o r w a r d t h r o u g hr c m o t ec o n t r o la n dl o c a lc o n t r o l ，t h ed e s i g nc a np e r f o r mt h ef o l l o w i n g f u n c t i o n s ： 1 r e m o t ec o n t r o lo v e re l e c t r i ce q u i p m e n tt h r o u g ht e l e p h o n en e t w o r k 2 l o c a lc o n t r o lo v e re l e c t r i ce q u i p m e n tt h r o u g hk e yb o a r d 3 s a f e t ya l a r m i n g 4 d a t ec o l l e c t i o no fm e t e r so f e l e c t r i c i t y , w a t e ra n dg a s 5 m f o r m a t i o no ft i m e a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n ，i n t e n s i f i e ds i n g l ec h i pc 8 0 5 1 f 0 2 0i st h ec o r eo ft h es m a r t h o m ec o n t r o ls y s t e m r e m o t ec o n t r o li sr e a l i z e dt h r o u 曲s i g n a lt r a n s m i s s i o no v e r t e l e p h o n en e t w o r k l o c a lc o n t r o l i sr e a l i z e dt h r o u g hm a n m a c h i n ec o m m u n i c a t i o n c o n t r o l l e db ys y s t e mk e y b o a r d t h em a i nc p uw i l la l a r mw h e nt h e r ei ss o m e u n e x p e c t e d i n t e r r u p t t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs m a r th o m ec o n t r o ls y s t e ma n da l s o e x e m p l i f i e si t sa p p l i c a t i o n a n df u r t h e r m o r e ，i th a sp u tf o r w a r ds o m ei d e a so nh o w t o i m p r o v et h es y s t e m k e yw o r d s ：s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r ；s m a r th o m ec o n t r o ls y s t e m ； r e m o t ec o n t r o l ；n a t i v ec o n t r o l ；s a f e t ya l a r m i n g 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s y1 0 1 2 7 5 9 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得 的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：王嘲讯日期：御6 年f 钥日 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，即：学校有权保留并向国 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。本人授权华中师 范大学可以将本学位论文的全部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。 作者签名：互唱歌 日期：w 彬辞f 湖f 日 导师签名： 矗j 零 日期：御g 年f 2 月2 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。围重逾塞埕銮厦滥蜃! 旦坐生；旦二生；旦三生筮叠! 作者签名：天嗣- 辛火 日期：渺g 年j 2 月f 日 导师签名 别磐 日期：挪年1 2 月2 - 日 硕士学位论文 m a s t e r s t h e s i s 第1 章绪论 1 1 国内外研究现状及发展趋势 智能家居是指利用先进的计算机技术、网络通信技术、综合布线技术，将与家 居生活有关的各种子系统有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、 安全、有效。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、 高品位且宜人的家庭生活空间；还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工 具，提供全方位的信息交互功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生 活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性、舒适性，甚至合理控制各 种能源的使用m 。 不同国家，先后提出智能家居的方案不同。如早期新加坡的模式的家庭智能化 系统包括三表抄送、安防报警、可视对讲、监控、家电控制、有线电视接入、智能 布线箱、宽带网络接入等。而现在今天的智能家居控制系统将拥有更加丰富的内容， 系统配置也越来越复杂，智能家居包括网络接入、防盗报警系统、消防报警系统、 电视对讲、远程报警、紧急求助、室内电器自控管理、网上购物、视频点播、网上 教育等等。 1 1 1 国外发展现状 在国外，智能家居常被称为“s m a r th o m e ”。目前，世界上许多计算机、通信、 家电行业的巨人都认识到它的巨大市场潜力，纷纷进入这个领域。c i s c o 、i n t e l 、 n o r t e l 、m o t o r o l a 、l u c e n t 、3 c o m 、i b m 、e r i c s s o n 和松下等公司都已开始建立智 能信息家电和智能家居公司。 目前已出现在市场上的智能信息家电和智能家居类的产品主要有： ( 1 ) 美国的) 【一1 0 系统，该系统是通过电力线作为网络平台，采取集中控制 方式实现多种功能，目前在国内应用极少，这套系统的功能较为强大，但它暂时不 具备在国内市场推广的条件。首先，它是基于美国的电力环境设计的，很难适应国 内恶劣的电力线环境；其次，它的功能虽然强大，但是针对西方消费的习惯设计的， 难以满足国内消费者的要求；最后，也是最为重要的因素，它的价格也是国内的房 地产品和普通消费难以接受的。 ( 2 ) 德国的e i b 系统，该系统采用的是预埋总线及中央控制方式实现各种控 制功能，目前在国内应用极少。究其原因，一个是其工程要求较为复杂、严格；另 一方面，由于它需要进行线路预埋，因此主要客户对象是新建小区的开发商，但它 较高的价格是这些开发商所难以承受的，所以一直无法打开国内市场。 ( 3 ) 新加坡8 x 系统，该系统采用预埋总线和集中控制方式实现各种功能，同 时，利用的产品可对系统进行扩展。目前该系统在国内有少量应用。应该说8 x 系 统最大优势在于系统较为成熟，是比较适合中国国情的系统，在国内及东南亚市场 有成功应用的范例，但在系统架构、灵活性、价格等方面还难以满足要求。首先， 8 x 采用的预埋总线方式决定了它的切入点只能是新建小区，对于旧房改造这一潜在 的巨大市场它无能为力；其8 x 集中控制的方式降低了用户的可选择性，前期投入 成本较高，而这正是房地产商最为关心的问题“3 。 1 1 2 国内发展现状 智能住宅的概念起源于美国，美国的智能住宅发展是最猛的。继美国之后，欧洲、 日本、新加坡等国家住宅智能化也得到了飞速发展n 一。例如欧洲个叫i n t e g e r 的组 织于1 9 9 8 年建造了一座智能建筑，它包括环保、节能、智能控制等许多特色。德国费 劳恩霍夫研究会与1 l 家公司联手合作，建成世界首座样板智能住宅，其内部完全实现 了电子化和网络化m 。在我国智能住宅这一概念推广较晚，但其发展的速度也很快， 全国已建立了一些具有一定智能化功能的住宅小区。 所谓的智能住宅是将家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接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、控 制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。这些功能都 是通过家居服务器来实现的，家居服务器具有家庭总线系统，通过家庭总线系统提 供各种服务功雒，并能和住宅以外部世界相连接。所以说家居服务器是智能住宅的 核心，在智能住宅中的重要地位。 2 0 世纪9 0 年代中后期，国内的智能小区逐步兴起。我国的智能化住宅和智能化 小区建设，最初始于广州、深圳和上海等沿海开放城市，逐步向内地扩展。智能 住宅在我国的初次出现是在1 9 9 7 年。在建设部“9 7 跨世纪住宅小区案竞赛活动” 中，上海中皇广场被建设部科技委员会列为全国首家“智能住宅示范工程”开了全 国智能住宅小区之先河。1 9 9 9 年，建设部勘察设计司、建设部住宅产业化办公室联 合组织实施全国住宅小区智能化技术示范工程。示范工程的目标是，在合理控制造 价和执行国家建设标准的基础上，采用现代信息技术、网络集成技术，通过精心设 计、择优集成、精密施工，达到提高住宅使用功能、推进住宅质量换代、促进住宅 产业现代化的目标。同时通过示范，摸索出套适合各地建设，并各具特色的住宅 2 顾士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 小区智能化技术示范工程建设的设计、集成、施工等方面的经验，以点带面，在全 国计划地全面推广。该示范工程的正式启动，标志着我国智能化住宅小区的建设进 入了新的发展阶段”“。 人们对智能小区的热情空前高涨，时问全国上下许多大中城市的房地产商都 将自己开发兴建的住宅小区标以“智能小区”，甚至提出“a ”型智能小区“5 a 型智 能小区”等，智能小区成了房地产商开发销售的热点和卖点。但由于智能化小区缺 乏统一的技术标准，智能化相关产品不成熟，房地产开发商贪大求全，盲目追求智能 化以及专业知识欠缺导致的鉴别能力不足等原因，造成部分建成的小区智能化系统 运行不正常，系统性价比低下，所使用的系统与设备不符合标准化及开放性的要求。 为此，建设部住宅产业化促进中心先后颁布了全国住宅小区智能化系统示范工程 建设要点与技术导则等对智能小区的建设加以指导，上海市智能建筑试点工作领 导小组也适时颁发了上海市智能住宅小区功能配置大纲，并在2 0 0 2 年修订版中 5 5 1 条提出“通过智能家庭控制主机，实现对家庭内部部分供电回路、照明、空调等 的统一开关控制和调节”，提出了智能家居的雏形“1 。 国内对智能家居控制器的定义不同，单一的开关控制、单一的安防报警都认为 是智能家居控制器。目前也有功能复杂的智能家居控制器产品，操作麻烦。 近几年，房地产市场在高速发展之后逐步趋于理性，房地产开发商对智能化有 了比较深入的理解，智能化相关技术及产品逐步成熟，从而大大促进了智能化行业 的发展，小区智能化行业正逐步向着理性与务实的方向发展，部分高端房产项目开 始引入智能家居概念。 1 9 9 9 年底建设部住宅产业中心颁布了全国智能化住宅小区系统示范工程建设 要点与技术导则( 试行稿) ，导则规范了智能化住宅小区建设中的目标与原则，拟 自2 0 0 0 年起，用五年左右的时间，组织实施全国智能化住宅小区系统示范工程， 以此带动和促进我国智能化住宅小区建设。其总体目标是：通过采用现代信息传输 技术、网络技术和信息集成技术，进行精密设计，优化集成，精心建设和工程示范 提高住宅高、新技术的含量和居住环境水平，以适应2 1 世纪现代居住生活的需要。 进入2 0 0 0 年后，上半年颁布了由信息产业部负责编制的建筑与建筑群综合 布线系统工程设计规范g b t 5 0 3 1 l - - 2 0 0 0 及建筑与建筑群综合布线系统工程验 收规范g b t 5 0 3 1 2 - - 2 0 0 0 ，f 半年，由建设部负责编制的智能建筑设计标准 g b t 5 0 3 1 4 2 0 0 0 ，结束了多年来智能建筑设计处于无章可循，无标准可依的情况， 这无疑为我国智能建筑健康有序地发展奠定了基础。在2 0 0 0 年8 月建设部颁发了 建筑物防雷设计规范g 8 5 0 0 5 7 - - 9 4 的局部修改条文，重点就是解决在建筑中大 3 硕士学位论文 m a s t e r s t h e s i s 量电子产品的防雷和防止浪涌对设备的破坏问题。这为智能建筑各种电子设备的安 全提出了安全的措施。 2 0 0 1 年底，建设部住宅产业中心又在着手修改全国智能化住宅小区系统示范 工程建设要点与技术导则，已面世。 法规性文件的制定与修订，为智能建筑及智能化住宅小区的建设和发展给出了 依据和保障，随着技术的进步，许多新技术将应用到其中来“。 到2 0 1 0 年我国超过7 0 9 6 家庭将有i n t e r n e t 入网设备，有5 0 以上会有多台设 备，从而产生共享访问i n t e r n e t 的需求。建设部要求“到2 0 1 0 年，大中城市中6 0 的住宅要实现智能化”“。 建设部科技委许溶烈主任，十分精辟的描述了我国近三十年来在家庭住宅方面 的产业发展过程：“七十年代是解决有无的问题；八十年代是解决大小的问题；九 十年代是追求环境优美；2 l 世纪是智能化的时代”。 我国的智能家居相对于国外起步较晚，尚未形成一定的国家标准，主要采用国 外的技术和产品，但也有一些企业推出了自己的产品，其中主要有： 1 清华同方的e h o m e 数字家园 清华同方智能家居控制系统是专门针对中国家庭设计的家庭自动化系统，遵循 国际技术标准，采用嵌入式软、硬件技术，提供网络、网络节点及末端设备等全系 列家庭自动化产品。其智能家居控制系统主要有下面三个部分： a 系列：遵循e 1 b 协议的家庭控制产品，使用于中高档住宅； b 系列：遵循x - 1 0 协议的家庭控制产品，无需布线，使用于中档住宅； 易家三代：配电箱集中安装式家庭控制产品； 系统可以提供的功能有：智能调光、家电管理、远程控制、家政保安、环境设 置和窗帘控制等功能。清华同方的e - h o m e 数字家园主要是在智能大厦、智能小区 的建设中，提供完整的系统解决方案，产品以功能模块开发为主，采用国外成熟的 智能家居标准之上。 2 海尔的“e 家庭” 2 0 0 0 年9 月海尔提出“e 家庭”概念，并计划陆续推出以下的“e 家庭”产品： 家庭无线网络、整体智能厨房、整体卫浴、智能上网设备、e b o o k 、掌上智能设备、 指纹瞳孑l 识别系统、t a b l e tp c 等产品。 海尔的，“e 家庭”以海尔电脑作为控制中心，各种网络家电作为终端设备，以 海尔移动电话作为移动数字控制中心。在技术方面，海尔与微软合作，利用微软的 w i n d o w sm e 技术和海尔的网络家电技术，使“e 家庭”已具雏形，海尔己推出了网 4 m a s t e r 住 s 敞t h e 啷 络洗衣机、网络冰箱、网络空调、网络热水器、网络微波炉等一系列信息家电的产 品。 3 科隆的“现代家居信息服务集散控制系统” 科隆集团推出的“现代家居信息服务集散控制系统”，有效地集成了家电智能 控制、家电远程故障诊断及维护、远程互联网控制和家庭娱乐诸项功能。 以上三种具有代表性的我国智能家居系统，是不同企业和科研单位从不同角度 和立场理解智能家居的结果：清华同方的智能家居控制系统主要是应用在智能建筑 方面，以综合布线为基础，而且采用欧美的技术标准，在系统结构和功能上具有局 限性：海尔则是从家电生产厂商的角度推出了系列化的家电产品，系统完全是建立 在所生产产品的基础上，难以成为具有通用性的标准；科隆的“现代家居信息服务 集散控制系统”提供完整的系统解决方案，但集散式的体系结构和高集成度使系统 在可扩展性和开放性方面受到很大限制。从局部的观点出发对家居系统的研究都难 免存在一定的局限性，传统的智能家居己难以满足现代家庭中信息急剧增长的要 求。各大企业厂商在推出概念性产品的同时，也在寻求更为合理的家居系统解决方 案。一个具有良好应用前景的家居系统必须具有开放性和可扩展性，以及使用和维 护的简单方便，这是由普通家庭的实际情况所决定的。 由于智能家居系统现在还缺乏统一明确的国际标准，因此很多公司开发出的产 品使用的是自己组网技术和信息交换协议，有的核心技术没有对外公开，技术复杂， 不易掌握，有很多产品是针对特定的组网环境开发的产品，因此，限制了其使用的 范围，而且由于是少数几家公司约定的技术，相关第三方产品缺乏，各个接入设备 之间不能兼容，互操作性差，用户扩充系统很不方便，限制了其进一步的发展。还 有的系统成本太高，普通用户难以承受，所以也没能广泛推产使用。 因此设计一个符合国情、符合国家规范的集远程控制和本地控制为一体的智能 家属控制系统具有非常重要的现实意义和深远的历史意义。 1 1 3 发展趋势 人类己进入2 l 世纪，在高度物质文明的今天，追求环境绿色化、生活信息化 已开成时尚，安全、舒适、方便、现代成为2 l 世纪居家生活的象征。f 1 益更新的 现代科技的力量，打破了传统的时空界线，借助计算机网络和层出不穷的信息技术， 改变了人类的生产、生活方式，科技正以超乎想象的速度更深刻地影响到人类的思 维模式和生存状态“。 智能住宅是我国住宅技术创新的必然趋势。2 0 世纪8 0 年代，信息技术飞速发 5 展，特别是计算机互联网( i n t e r n e t ) 技术、计算机集成制造技术( c i m s ) 更是发 展惊人，人类从此开始进入知识经济时代。从智能建筑的发展进程看，它经历了单 一专用系统、多功能系统、部分集成系统、一体化的集成管理系统等几个阶段，每 个阶段都是技术创新的成果。 智能住宅建设是我国可持续发展的需要。我国人口众多，地大而物不博，以快 速竭尽自然资源和恶化生态环境为代价的粗放型产业经济发展模式已不能满足知 识经济时代的要求。我国于1 9 9 4 年发表了中国2 1 世纪议程，提出了我国人居 环境可持续发展的总方向。在保持住宅产业高速增长的前提下，实现资源的综合利 用和环境质量的不断改善，就是实现住宅产业可持续发展。建成后的智能住宅能满 足以下系列要求：人居环境的所有社会功以首先着眼于现实与未来的平衡，在可持 续发展方面起先导和示范作用；节约能源，节省建材和配套器材等消耗型资源，以 人为本，创造人与环境的和谐空间“”。 总之，建设智能化住宅具有时代的前瞻性，顺应了当今信息社会的潮流，对进 一步提高居民水平和生活质量具有非常重要的意义“。可见，智能化住宅具有非常 广阔的发展前景。 作为智能住宅的核心系统智能家居控制器，它的设计功能完善将推动住宅 的发展。系统功能的集成化、客户使用的傻瓜化和市场的平民化将是未来智能家居 控制器发展的趋势。系统的发展方向是绿色化。智能家居控制器的最终目标是囊括 家务杂事。 1 2 课题的目的和意义 现代社会，商品经济竞争日益激烈，工作节奏不断加快。对于全身心投入竞争 的人们，家务工作方面必然力不从心，家务管理因此就显得尤为重要。 智能家居控制器可以提供智能控制方案，使家庭主人在处理家务方面，即快捷 又省力。还提供舒适健康的环境，可以监视室内的温度、湿度，进而控制空调机的 运行，达到人工模拟大自然的气息。使人们将来足不出户就能体验和享受到身临大 自然的美好境地。加大了处理紧急情况的力度、增强了住户无人在家时的安全感， 使人们能够全身心地投入工作，从而提高生活质量。一切发明和创造都是为了 人类的生活更加方便和舒适。 住宅智能化控制的开发与建设是2 l 世纪发展的必然趋势。由于信息技术的大 力普及和应用，极大推动住宅小区智能化建设的进程，更为住宅小区智能化提供了 可靠的技术保障，实施起来更加容易和简捷。智能信息家电及智能家居系统具有安 6 碰士学住论文 m a s t er s t h e s i $ 全、方便、高效、快捷、智能化、个性化的独特魅力，它对于改善现代人类的生活 质量，创造舒适、安全、便利的生活空间有着非常重要的意义。 1 3 国家智能家居建设纲要对于智能家居系统的要求 国家智能家居建设纲要对于智能家居系统的要求“”如下： 1 3 1 系统的功能要求 住宅小区智能化系统示范工程功能要求，按不同标准，应分别做到以下功能： 一星级 1 安全防范予系统 ( 1 ) 出入口管理及周界防越报警 ( 2 ) 闭路电视监控 ( 3 ) 对讲与防盗门控 ( 4 ) 住户报警 ( 5 ) 巡更管理 2 信息管理子系统 ( 1 ) 对安全防范系统实行监控 ( 2 ) 远程抄收与管理或i c 卡 ( 3 ) 车辆出入与停车管理 ( 4 ) 供电设备、公共照明、电梯、供水等主要设备监控管理 ( 5 ) 紧急广播与背景音乐系统 ( 6 ) 物业管理计算机系统 3 信息网络子系统 ( 1 ) 为实现上述功能科学合理布线 ( 2 ) 每户不少于两对电话线和两个有线电视插座 ( 3 ) 建立有线电视网 二星级 二星级除应具备一星级的全部功能之外，同时在安全防范子系统和信息管理子 系统的建设方面，其功能及技术水平应有较大提升。信息传输通道应采用高速宽带 数据网作为主干网。物业管理计算机系统应配置局部网络，并可供住户联网使用。 三星级 三星级应具备二星级的全部功能。其中信息传输通道应采用宽带光纤用户接入 7 硕士学住论文 m a $ t e r st h e s l s 网作为主干网，实现交互式数字视频业务。三星级住宅小区智能化系统建设在可能 条件下，应实施现代集成建造系统( h 工一c i m s ) 技术，并把物业管理智能化系统建 设纳入整个住宅小区建设中，作为h i c i m s 工程中的一个子系统。同时，h i c i m s 系统要考虑物业公司对其智能化系统管理的运行模式，使其实现先进性、可扩展性 和科学管理。 1 3 2 系统硬件要求 1 小区物业管理智能化系统的硬件有信息网络、计算机、公用设备、计量仪 表和电子器材等。系统硬件应具有先进性，避免短期内因技术陈旧造成整个系统性 能不高和过早淘汰。 2 在充分考虑先进性的同时，硬件系统应立足于用户对整个系统的具体需求。 应优先选择先进、适用、技术成熟，最大限度地发挥投资效益。 3 无论是系统设备还是网络拓扑结构，都应具有良好的开放性。网络化的目 的是实现设备资源和信息资源的共享。因此，计算机网络本身应具有开放性，并应 提供标准接口。用户可根据需求，对系统进行拓展或升级。 4 计算机网络选择和相关产品的选择要以先进性和适用性为基础，同时考虑 兼容性。系统设备应优先选择根据己有国际标准设计、生产的标准化设备，避免因 兼容性差造成系统难以升级或拓展。 5 随着社会的不断发展和进步，住宅小区物业管理智能化系统的规模、自动 化程度会不断扩大和提高，用户的需求会不断变化。因此，系统的硬件应充分考虑 未来可升级性。 1 3 3 系统软件要求 系统软件是小区物业管理智能化系统的核心，它的功能好坏直接关系到整个系 统的水平。系统软件包括：计算机及网络操作系统、应用软件及实时监控软件等。 1 系统软件应具有很高的可靠性和安全性。 2 系统软件操作方便，采用中文图形界面，采用多媒体技术，使系统具有处 理声音及图像的能力。用户操作界面要适应不同层次住户及物业公司人员的索质。 3 系统软件应符合国家、行业标准以及国际标准，便于多次升级和支持新硬 件产品。 4 系统软件应具有功能上的可扩充性。 项士学位论文 m a s t e r s t h e s i s 1 4 智能家居系统的通讯媒体技术 家庭网络的通讯主要是以物理媒体层的实际电磁信号为主要传输载体，所以物 理媒体层传输介质是整个家居网络的物质基础。因而家庭网络的通讯媒体的选用是 很重要的。目前，家庭网络的通讯媒体主要有以太网( 双绞线) 、电话线、电力线、 无线射频、红外线、电缆和光纤等几种，但当前主要以双绞线、电话线和电力线为 主，家庭无线网络主要采用红外、无线方式等，将以其灵活方便和可移动计算的特 点而成为未来发展的方向。 根据接入设备的类型及实际需要，家庭局域网可以用有线或无线方式实现，也 可以用混合型网络实现。以下我们分别对这几种方案进行比较： 1 4 1 有线通讯技术 有线通讯方式主要利用家庭中的电话线、有线电视线、交流电力线等己经存在 的配线进行通讯。 ( 1 ) 电话线网络 计算机厂商与消费电子厂商成立了一个名为h o m e p n a ( 家庭电话线网络联盟) 的 组织来推广利用电话线建立家庭网络。它是通过在电话线加载高频载波信号来实现 信息的传递，可以同时满足x d s l ，电话业务、家庭内部数据传输，互相不干扰。可 以达到1m b i t s 的传输速率。该方案采用8 0 2 3 标准，支持q o s 机制，h o m e p n a 在 m a c 层制订了八种优先级，改进了冲突解决技术，保证音频类实时数据延迟控制在 1 0 2 0 m s 。 电话线网络利用住宅内现有电话线路的家庭网络具有较好的发展前景，因为电 话应用已经普及，施工和安装比较方便，通过频分多用技术可以使一根电话线利用 不同频率同时传输数据、i n t e r n e t 信息和声音。相对其它技术而言，基于电话线 路的连网产品价格较低，数据传输不容易受到干扰。利用电话按键可实现简单、方 便、廉价的远程控制。 ( 2 ) 电力线网络 采用电力线作为传输介质一般使用窄带通讯方式和扩频通讯方式，在家庭网络 中适合采用扩频通讯方式。使用电力线的最大优点在于不用改动家庭布线，利用现 有的插座就可以实现家用电器的方便联网，因此施工和安装更为方便。但对于家庭 中所使用的手持移动设备来说无法采用电力线连入家庭网络。它的缺点在于传输速 率只有3 0 0 k b p s ，躁声和干扰比较大，不能满足数字视频和音频信号的传输，保密 性较差，而且没有统一的标准。此外由于信号与家用电器在同一对线上传输，对所 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 使用的元件的耐压要求比较高，在安全问题上有一定的隐患。目前国际上采用电力 线作为联网介质推出的解决方案有x - i o ，c e b u s 等。 ( 3 ) 以太网 采用专门铺设的线缆布网，数据传输速率相当高，可达到1 0 m b i t s 或l o o m b i t s ， 能够传输电话、数据、视频和家电控制信息，主要用于基于个人电脑的有线局域网 和高速因特网。它的优势在于技术已经十分成熟，以太网的组网设备在市场上可以 很方便地买到。其缺点是以太网组网成本较高，对维护者的技术水平要求也较高。 需要专门布线。 ( 4 ) 总线 通过采用专用总线的形式来组建智能家居系统，如l o n w o r k s 总线。它的优点 是抗干扰能力强，技术成熟；缺点是需要重新铺设线路。 1 4 2 无线通讯技术 家庭网络无线通讯方式主要集中于红外线和无线射频两种技术的应用。 ( 1 ) 红外技术 红外技术是由红外线数据标准协会i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 提出并 推行的。这种通信方式使用8 5 0 r i m 的红外光来传输数据和语音。采用该技术的设备 无需专门申请特定频率的使用执照，体积小、功率低，耗电量很低。红外技术的传 输速率可达1 6 m b s ，特别适合于传输容量较大的数据文件和多媒体信息流。红外技 术只能实现点到点的连接，这虽然会使数据传输所受到的干扰较少，但却无法灵活 的构成网络。另外，红外技术必须在视线可达的范围内定向传输，中间不能有任何 阻挡，并容易受到光线干扰，同时要求通信设备的位置相对固定，无法用于移动设 备。红外遥控的主要问题是红外线无法穿透墙壁，应用受到空间的限割，因此只适 合作为家庭网络的辅助通讯媒体。 ( 2 ) 无线射频 无线射频技术的成熟性在很多应用领域已经得到了验证。与其它方式的家庭网 络系统相比，无线系统的费用较为昂贵，一方面，是因为要有专门的较大功率的收 发器；另一方面，是要用数字信号处理芯片过滤来自其它设备的干扰。当前无线局 域网有多种技术标准，因不同厂家产品不能互操作而给其市场拓展带来限制。三个 最有潜力的无线技术是：i e e e 8 0 2 11 协议、共享无线接入协议( s w a p ) 和蓝牙技术。 有线方式数据传输的速率高，可靠性强，但灵活性差，布线复杂：无线方式便于移 动设备的连接，非常灵活，但速率相对较低，抗干扰性和安全性也是需要解决的问 1 0 硕士学位论文 m a s t e r + st h e s i s 题。有线和无线技术，既是相互竞争的也是相互补充的，既有各自的优点也有各自 的缺点，目前是多种技术的混合和共存的局面。但随着无线技术的发展成熟，无线 技术必将取代优先技术，成为最终的发展趋势。 1 5 方案论证及系统实现的功能目标 1 5 1 远程家居智能管理系统设计原则 优秀的家庭自动化产品应该具有以下设计原则： 标准化：家庭自动化产品应当依照国际上流行的相关协议进行设计，充分保证 各厂家产品问的兼容性和相互操作能力。 开放性：目前，在智能住宅、家庭自动化、家电网络领域尚处于一家一户自行 开发的局面，而实际上用户不可能全部使用同一厂家生产的产品，这将极大阻碍互 联互通和长远发展。因此，家庭自动化系统应该具有开放的协议、统一的接口。 模块化：采用模块化的设计可以适应各种场合的需要，保障用户的利益并允许 系统的逐步到位。模块之间遵循一定的协议，可以相互通讯和协调。 实用性：人们购买家庭自动化产品是为了享有更加便利舒适的生活，绝非追逐 潮流的概念。 普及化：家庭自动化系统应该面向低成本、高性能的目标设计，住户对价格较 为敏感，所以智能住宅采用的技术要较为经济。同时，家庭自动化系统应该能最大 程度兼容用户原有电器设备，保护用户投资。 简洁易用：高科技带来的应该是一种享受而绝不是一种负担。好的家庭自动 化产品应该简便易用、用户界面友好，并且不需要使用者花上太多的精力就能掌握。 1 5 2 方案论证 新技术、新方案是理想的模型，一般实施起来起来非常困难，不易实现。参照 国家智能家居建设纲要对于智能家居系统的要求，在认真分析智能家居系统的通讯 媒体技术的优、缺点和分析国内智能家居控制系统产品的特点及发展趋势的基础 上，确立了本课题“智能家居控制系统”的设计方案，用成熟的技术实现前瞻的课 题。智能家居控制系统方案：远程控制采用电话网络通信技术，家庭内部网络采用 电力线网络。系统能实现基于电话网的远程控制功能、安防报警功能、电能表的数 据采集等功能。要实现上述功能，需要有多种控制，因此需要单片机提供很多i 0 口。按系统设计要求，有许多存储信息，因此要求单片机的存储空间大，综合考虑 决定系统采用c 8 0 5 1 f 0 2 0 。”3 “”1 芯片，c 8 0 5 1 f 0 2 0 有6 4 个i o 口，6 4 k 的程序存储 1 1 硕士学位论文 m a s t e r s t h e s i s 器，不用扩展内存，系统还采用标准的p s 2 键盘，减少了外部硬件电路，系统具 有低成本、大众化、模块化、模块化和易使用的特点。 。 按系统设计的功能要求，确定系统硬件总体设计框架图如图1 1 所示。系统由 l 远程控制 弓 单片机 c 8 0 5 1 j r 0 2 0 | 本地集中控制f = 图】1 系统硬件总体设计框架图 主控c p u 、远程控制控制部分、本地集中控制部分、l c d 显示部分组成。远程 控制控制部分包括远程控制家电和报警，本地集中控制部分包括本地按键控制、三 表数采集、实时时钟显示、本地语音报警。 系统软件实现用c 语言编写实现的，具有可读性。 1 5 3 系统实现的功能目标 智能家居控制系统是由基于电话网络的远程控制和本地集中控制两大部分组 成。具体功能目标是： l 、远程控制实现人在异地能通过电话网络对家中的电器设备进行控制的功能。 2 、本地囊串控制实现在近距离通过键盘控制家用电器设备的工作状态。 3 、安全防盗报警。 4 、三表( 电表、水表、气表) 的数据采集。 5 、实时时钟显示的功能。 1 6 本课题的组织安排 通过智能家居控制相关技术的研究，同时结合目前的发展情况和国内外同类产 品的特点，本文的主要工作是给出智能家居控制系统的一种构架方案以及其软硬件 具体的实现方法。 我在本课题中主要设计完成了智能家居控制系统的远程控制部分和本地集 1 2 硕士举住论文 m a s t e r st h e s i s 中控制部分的硬件及软件设计，基本实现了智能家居控制系统的远程控制功能和集 中控制功能。 全文组织安排如下： ( 1 ) 第一章介绍了智能家居控制系统的概念、功能及特点，并同时分析智能家 居控制系统的发展现状和未来发展趋势。并进行了了方案论证。 ( 2 ) 第二章给出了系统的总体方案包括基于电话网络的远程控制方案和本地集 中控制方案，分析了系统的合理性。 ( 3 ) 第三章具体给出基于电话网络的远程控制设计思想，硬件电路及原理。实 现基于电话的远程控制功能借助于电话线路的普及性和信号传输的可靠性，通过电 话线实现远程控制。此方法目前是一种方便、有效、经济使用的实现手段。 ( 4 ) 第四章给出单片机控制系统设计，详述了微处理器c 8 0 5 1 f 0 2 0 的性能特点 及接口电路工作原理。 ( 5 ) 第五章主要介绍了系统中软件的重要子程序设计及实验调试时遇到的问题 及处理办法。 ( 6 ) 第六章论文的最后，作者先对全文进行总结，分析了该系统的特点，然后指出系统的 不足之处，指出了完善现有智能家居控制系统功能的几个方面。 1 7 本章小结 本章首先介绍了国内外智能家居控制研究现状及发展趋势，其次阐述了研究本 课题的目的和意义，说明了系统方案的可行性，最后说明了本课题的主要研究内容 及组织安排。 1 3 硕士学位论文 m a s t e r s t h e s i $ 2 1 系统的总体方案 第2 章系统的总体方案 家居智能的基本目标是，将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家 庭安防装置通过家庭总线技术( h b s ) 连接到一个家庭智能化系统上进行集中或者 异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的协调。智 能家居控制系统的开发设计方案是参照国内外相关技术的发展状况，根据我国住宅 的实际情况以主人们的需要来确定的。 本课题研究的智能家居控制系统主要实现基于电话网络的远程控制和本地集 中控制的功能。其系统示意图如图2 1 所示。远程控制功能的实现：是基于现有的 电话网络，根据用户的指令来控制家电设备，接收报警信号并向用户报告。使人们 身在外地就可了解家中的各种状态。其主要电路是由电话 铃检测电路、模拟摘挂机电路及d t m f ( d t m f = d u a lt o n em u l t i p l ef r e q u e n c y ) ”1 编解码电路来完成。 本地集中控制功能主要包括家电的近距离控制、三表数据( 主要是电能表) 的 采集、存储及显示并为向上位机传送数据作准备、本地报警等。其主要电路是通过 家电控制模块、数据采集模块和报警模块来完成。 髌艟聱鏖煳雾报警器 图2 1 系统示意图 1 4 也请 矗螭 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 2 远程控制方案 智能家居控制系统，实现用户在外地的远程控制方案主要有三种：一种是通过 i n t e r e t 网进行控制，一种是通过电力线进行控制，一种是通过电话网进行控制。 2 2 1 基于in t e r n e t 的远程控制方案 基于i n t e r n e t 的智能家居远程控制作为智能家庭网络的一种实现方案“”，正是 随着网络技术的飞速发展才提上研究日程的。从广义上讲，基于i n t e r n e t 的智能 家居远程监控系统是指充分挖掘i n t e r n e t 技术在住宅小区中的使用潜力，为住户 提供远程教育、网上购物、电子货币网上结算、住宅安全状况的网上查询、家用电 器设备的网上实时控制等方便、快捷的网络服务。从狭义上讲，基于i n t e r n e t 的 智能住宅远程监控主要是指当用户远离住宅时，可以通过i n t e r n e t 对住宅内部的 家电设备进行远程控制和对住宅内部近期发生的警情进行查询。 基于i n t e r n e t 的智能住宅远程监涉及的技术领域是电路设计技术、计算机软 件技术、网络技术、数据库技术等多个新兴学科相互交叉渗透的新型技术研究领域。 1 电路设计技术。为了实现对智能住宅的i n t e r n e t 监控，需要自主开发智能 监控终端，信号转接器，智能插座等装置，为该系统搭建一个硬件平台。电路设计 等硬件开发知识是必需的。 2 计算机软件技术。基于i n t e r n e t 的智能住宅远程监控系统需要一个复杂的 软件环境的支持，包括计算机与信号转接器的通信，w e b 服务器端组件、动态w e b 页面等的开发，这些功能的开发需要有比较全面的计算机软件知识。 3 计算机网络技术。网络技术是基于i n t e r n e t 的智能住宅远程监控系统的动 力源泉，网络环境下的数据传输需要符合相关的传输协议。网络环境下服务器端的 软件设计对提高该系统的可用性和实用性具有重要的意义。 4 计算机数据库技术。基于i n t e r n e t 的智能住宅远程监控系统主要采用b s 结构的动态w e b 的应用方式，动态w e b 的实现是和数据库技术分不开的，数据库技 术是该系统正常运行的可靠保障。 当用户远离住宅时，用户可以通过浏览器访问发布在i n t e r n e t 上的远程监控 网站，提交家电设备控制或室