（控制理论与控制工程专业论文）基于以太网智能家居控制器的研究及实现.pdf

论文题目：基于以太网智能家居控制器的研究及实现 专业：控制理论与 - t n 工程 硕士生：孙静( 签名) 药! 蛰 指导教师：王再英 ( 签名) 多彳奢墨l 摘要 随着现代4 c 技术( 计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术) 的迅速发 展以及人们生活水平的不断提高，智能家居已成为智能建筑的一个重要分支。智能家居 ( s m a r t h o m e ) 是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系 统、结构、服务、管理于一体的高效、舒适、安全、便利的居住环境。 本课题旨在设计一种成本低廉、面向普通家庭的、集本地控制和远程控制于一体的 智能家居控制器，主要用于控制电视机、电冰箱、空调等家用电器的运行状态。智能家 居控制器采用8 位单片机w 7 8 e 5 8 b 作为核心处理单元。本地端以红外通信技术为基础， 发射端采用n b 9 4 8 红外编码模块，接收端采用s 儿8 3 8 进行接收解调。解调后的信号 送至w 7 8 e 5 8 b ，利用外部中断和定时器对信号进行识别，进而控制家居中各种设备执 行相应的操作。远程控制的硬件平台由w 7 8 e 5 8 b 和以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s 等器件 组成，软件主要以精简t c p i p 协议栈为核心，两者共同组建了嵌入式智能家居w e b 服 务器。精简t c p i p 协议栈包括了以太网控制器驱动程序、a r p 协议模块、i p 协议模块、 i c m p 协议模块、t c p 协议模块和h t t p 协议模块。在h t t p 协议的基础上，通过公共 网关接口c g i 实现浏览器与智能家居w e b 服务器的动态交互。用户可以使用任意的浏 览器对家居中的设备和环境进行监测和控制。 最后，本文在以太网中对智能家居控制器进行了测试。结果表明，该系统操作灵活、 性能稳定，具备良好的开发与应用前景。整个课题取得了预期的效果。 关键词：智能家居；红外遥控；以太网：t c p i p ；w e b 服务器 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fs m a r th o m ec o n t r o l l e r b a s e do ne t h e r n e t s p e c i a l t y ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g n a m e ：s u nj i n g i n s t r u c t o r ：w a n gz a i y i n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ，坳乎匆叼 w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f4 ct e c h n o l o g y ( i n c l u d ec o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o n t r o l t e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，c r tt e c h n o l o g y ) a n dt h ec o n s t a n ti m p r o v e m e n to f l i v i n gs t a n d a r d ，s m a r th o m eh a sb e e no n eo ft h em o s ti m p o r t a n tb r a n c h e si ni n t e l l i g e n t b u i l d i n g s m a r th o m ec o m b i n e sw i t ha r c h i t e c t u r e ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，i n f o r m a t i o n a p p l i a n c ea n da u t o m a t i o nd e v i c e b a s e do nt h eh o u s ep l a t f o r m ，i ti si n t e g r a t e dw i t hs y s t e m ， s t r u c t u r e ，s e r v i c ea n dm a n a g e m e n t i tp r o v i d e sah i g h e f f i c i e n c y , c o m f o f l a b l e ，s a f e t ya n d c o n v e n i e n tl i v i n ge n v i r o n m e n t t h i sp a p e ra i m st od e s i g nac h e a ps m a r th o m ec o n t r o l l e rf o rc o m m o nf a m i l y , i n c l u d i n g l o c a lc o n t r o la n dr e m o t ec o n t r 0 1 i ti su s e df o rc o n t r o l l i n gt h e o p e r a t i o ns t a t u so fh o u s e a p p l i a n c e s ，s u c ha st e l e v i s i o n ，r e f r i g e r a t o r , a i rc o n d i t i o n ，e t c t h ec o r e p r o c e s s i n gu n i to f s m a r th o m ec o n t r o l l e ri sa n8 b i tw 7 8 e 5 8 bm i c r o c o n t r o l l e r b a s e do ni n f r a r e dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , t h ei n f r a r e dc o d i n gm o d u l en b 9 1 4 8i su s e di nt h et r a n s m i t t e ro fl o c a lc o n t r o l l e r t h er e c e i v i n gt e r m i n a ls j l 8 3 8i su s e dt od e c o d et h ei n f r a r e dt i m es e r i e s e x t e r n a li n t e r r u p t a n dt i m e ri nw 7 8 e 5 8 br e c o g n i z et h ed e c o d e ds i g n a l s t h e nd i f f e r e n t a p p l i a n c e sc a nb e c o n t r o l l e di nt h eh o u s et h eh a r d w a r eo f r e m o t ec o n t r o l l e ri sc o m p o s e do f w 7 8 e 5 8 b ，e t h e m e t c o n t r o l l e rr t l 8 0 19 a sa n ds o m eo t h e rc h i p s t h es o f t w a r ei sm a d eu po fs i m p l i f i e dt c p i p s t a c k t h e s et w op a r t sa r ec o m p o s e dt h ee m b e d d e dw e bs e r v e ri ns m a r th o m e t h es i m p l i f i e d t c p f i ps t a c ki n c l u d e sd e v i c ed r i v e rp r o g r a mo fr t l 8 0 1 9 a s ，t h ep r o g r a mm o d u l e so fa r p p r o t o c o l ，i pp r o t o c o l ，i c m pp r o t o c o l ，t c pp r o t o c o la n dh r r pp r o t o c 0 1 t h ee m b e d d e dw e b s e r v e ro fs m a r th o m ec a r li n t e r a c tw i t hc g i ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ) d y n a m i c a l l yb a s e d o nh 兀pp r o t o c 0 1 s op e o p l ec a r lm o n i t o ra n dc o n t r o lt h eh o u s ea p p l i a n c e sb yb r o w s e r s e v e r y w h e r e a tl a s t ，t h es m a r th o m ec o n t r o l l e ri st e s t e di ne t h e m e t t h et e s t i n gr e s u l ts h o w st h i s s y s t e mo p e r a t e se a s i l y ，s t e a d l ya n dh a sab r i g h tf u t u r ei nb o t hd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n t h i ss u b j e c th a sg o tt h ee x p e c t e de f f e c tf i n a l l y k e yw o r d s ：s m a r th o m ei n f r a r e dr e m o t ec o n t r o le t h e m e tt c p i pw e bs e r v e r t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技丈学 y 9 2 3 0 5 8 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 j 学位论文作者签名：蕊祷日期：声棚龋，口 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 确酱 指导教师签名 砀亥 力f 年矽月彤日 l 绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景和意义 1 1 1 课题研究的背景 随着计算机技术、现代通信技术和自动控制技术的迅速发展，建筑的智能化和信息 化在发达国家应运而生。1 9 8 4 年1 月，世界上第一座智能化大楼c i t yp l a c e 诞生在美国 康涅狄格州哈特福特市，它标志着智能建筑的形成。智能建筑( i b ，i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ) 将现代4 c 技术( 即c o m p u t e r 计算机技术、c o n t r o l 控制技术、c o m m u n i c a t i o n 通信技术、 c r t 图形显示技术) 成功地综合应用于建筑物之中，使建筑物具有通信、办公、建筑设 备自动化和智能化的特点，并为人们提供了一个“高效、安全、舒适、经济、便捷”的 工作、学习和生活环境。 随着时代的前进、技术的发展、人们生活水平的提高，智能化也正逐步迈进现代家 庭生活中，促使住宅智能化、信息化、数字化及网络化成为了现实。智能化住宅提供了 一个由家居智能化系统构成的高度安全、生活舒适、通信快捷的信息化与自动化融合的 居住空间，这样可以满足当今社会人们快节奏的生活方式以及安全、开放的生活需求。 美国称这种智能化住宅为“智慧屋”，欧洲叫“时髦家居”，在中国则称“智能家居”。 智能家居的英文是s m a r th o m e ，又可称为智能住宅、数码家庭、数码家居，或网 络家庭等。它是指在小区内部宽带网络己经普及的基础上利用小区内部的网络环境搭建 的以家庭为单位的控制系统，并为住户提供以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息 家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理于一体的高效、舒适、安全、便利的居 住环境。相对于智能建筑而言，智能家居除了提供个性化的家庭设备自动监控以外，还 需要提供方便的用户操作界面和多种信息的输入、输出手段，让用户能够随时了解家庭 内部的情况。智能家居的发展不仅成为一个国家经济实例的体现，同时也是一个国家科 学技术水平的综合标志之一。它是建筑艺术、生活理念与信息技术、电子技术等现代高 科技手段完美结合的产物，它的出现满足了人们对住宅高性能、智能化的要求【l 】【2 】【3 】。 1 1 2 课题研究的意义 智能家居是现代4 c 技术与传统家居系统相结合的产物，是家居信息化未来发展的 方向，是人类社会住宅建设发展的必然趋势，更是智能建筑的一个重要的组成部分。智 能家居的设计目标是【4 】：“将家庭中各种与信息相关的通信设备，家用电器和家庭保安装 置通过家庭总线系统技术( f i b s ，h o m eb u ss y s t e m ) 连接到一个家庭智能化系统上进 西安科技大学项士学位论文 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。” 虽然各国都在努力研制适合于本国国情的智能家居系统，但是由于设计成本过高、 接口与通信协议标准不统一、平台开发个性化不足，要使智能家居真正进入每个家庭， 必须设计出一种经济、实惠、方便操作的系统。 本课题将结合单片机技术、以太网技术和红外通信技术，设计了一款既可以通过本 地红外遥控器对家庭内部的各种没备进行控制，又可以通过以太网进行远程控制的智能 家居控制器。这种智能家居控制系统成本低廉，具有大众化、通用性强、普及率高等特 点，可以使普通家庭的生活更加轻松、安逸。 1 2 智能家居的现状和发展趋势 5 】 6 】【7 】 1 2 1 国外智能家居研究动态 世界上第一幢智能建筑出现以后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济 比较发达的国家先后提出了各种智能家居设计方案，并有着广泛地应用和发展。 1 9 8 3 年，美国电子工业协会组织专门机构开始制定家庭电气设计标准，并于1 9 8 8 年编制了世界上第一个适用于家庭住宅的电气设计标准，即家庭自动化系统与通信标 准，也称家庭总线系统h b s 标准。1 9 9 5 年，美国一个家庭安装家庭自动化设备的平均 费用在7 0 0 0 9 0 0 0 美元之间。但随着网络技术和数字技术不断融入普通家庭的生活中， 智能家居系统价位有所下降。 1 9 9 2 年，欧洲智能建筑协会为规划智能建筑科技在欧洲的应用与发展，专门组织人 力在欧洲地区进行大量的调查，并由英国伦敦大学和意大利米兰大学共同发表了智能 建筑在欧洲的智能建筑应用与发展纲要。1 9 9 8 年9 月，欧洲建筑智能化组织建造完成 了第一座智能化样板别墅。 而新加坡政府分别在1 9 8 1 年和1 9 8 6 年，针对本国的智能建筑产业提出了“国家信 息化计划”和“国家科技计划”；1 9 9 1 年又提出将新加坡建成“智慧岛”的总体规划和 实施纲要。1 9 9 8 年5 月，新加坡举办的“9 8 亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会” 上，通过在现场模拟“未来之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。 进入2 1 世纪以后，国外智能家居技术的发展达到了高潮。2 0 0 0 年4 月，德国弗劳 恩霍夫研究会与11 家公司联手合作，建成世界首座样板智能住宅，一其内部完全实现了 电子化和网络化。2 0 0 4 年，美国已有近4 万户家庭安装了“家庭智能化系统”，同样在 新加坡也有近3 0 个社区的5 0 0 0 户家庭采用了“家庭智能化系统”。2 0 0 5 年最受关注的 是美国微软公司总裁比尔盖茨花费了6 0 0 亿美金的巨资建筑了一套智能家居，而他之 前位于西雅图的智能住宅也耗资近5 3 亿美元。 由于智能家居的诱人前景和巨大市场，国外企业已经开始在智能家居市场展开激烈 的研发竞争。美国、欧洲、日本、澳大利亚、加拿大等先进地区及国家纷纷提出了e h s 、 e i b 、b a t i b u s 等家居网络的协议，同时将c a n 、d r o f i b u s 、f f 、l o n w o r k s 等现场 总线技术成功应用于家居网络中。特别是国外已经产生了一批大型智能家居供应商，例 如澳大利亚的a u s t r o l o n 公司，加拿大的c a b a 公司、c i r c o n s y s t e m 公司，韩国的h y u n d a i a u t o n e t 公司，德国的n o c l u s 公司，瑞典的t a c 公司，比利时的d t l s a 公司，美国的 a t & t 公司、h o m e y w e l l 公司、c y p r e s s 公司、k n i e p k a m p 公司和s u n 公司等。他们不断 地研制新产品、开发新技术，成为当今智能家居行业的领军人物。 1 2 2 国内智能家居发展现状 上个世纪八十年代末，国外智能家居正蓬勃发展时，我国的智能家居产业才开始起 步，但国外的智能家居技术发展为我国提供了结实的基础。我国政府对智能建筑与智能 家居行业高度重视： 1 9 8 6 年国家科委和国家计委将“智能化办公大楼可行性研究”列为国家“七五”重 点科技攻关项目。 1 9 9 4 年9 月，国家科委、建设部联合8 个部委局共同实施( ( 2 0 0 0 年小康型城乡住 宅科技产业工程的政府工程。作为“九五”科技计划中惟一的“双重项目”，该项目 被列入国家科委社会发展6 大科技专项行动，并提出“以科技为先导，促进住宅科技与 住宅建设的全面结合”的核心理论。 1 9 9 6 年1 月，上海市举办了我国第一届智能建筑研讨会，对我国智能建筑的发展起 到了积极推广的作用。同年2 月，建设部成立建设部科技委智能建筑开发推广中心，以 协助有关部门管理我国的智能建筑市场。 1 9 9 7 年1 月，在上海召开了我国第一届“智能建筑专家研讨会”。同年初，上海华 东建筑设计研究院和大连建筑设计院等全国多所著名设计院开始制定小康住宅电气设 计( 标准) 导则。该导则规定了小康式住宅小区的高度安全、舒适环境、通信便利、 综合信息服务、家庭智能化五项标准。 1 9 9 8 年1 月，建设部住宅产业办召开了“住宅小区智能化论证研讨会”对住宅小区 智能化的技术范畴、分级标准和技术对策等方面进行了研究与讨论。5 月，建设部成立 建筑智能化系统工程设计专家委员会。 1 9 9 9 年4 月，建设部住宅产业办公布了全国住宅小区智能化技术示范工程工作大 纲，对居民小区智能化产品进行了评审，组织专家制定“住宅小区智能化技术导则” 规范市场，为智能化小区的试点打下基础。1 2 月3 0 日，又颁布全国住宅小区智能化 系统示范工程建设要点与技术导则( 试行稿) ，并规范了智能化小区必须具备的三大系 统及具体实施时的要点。 西安科拔k 擘硕士聿 i 论炙 2 0 0 0 年，建设部开始在全国7 个小区进行智能化小区试点建设，标志着我国正式开 始实施智能化试点工作。 2 0 0 4 年8 月，国家经贸委成立了家庭信息网络技术委员会，将信息网络技术体系研 究及产品丌发作为国家技术创新重点专项计划。 2 0 0 5 年6 月，第二届中国国际建筑智能化暨家居数字化展览会在北京胜矛口召开，旨 在促进我国有自主知识产权的智能住宅及数字家居技术水平的提高，推进中国智能家居 技术与产品的产业化进程。 2 0 0 6 年是智能建筑与智能家居学术领域最繁忙的一年。3 月，第二届亚太国际智能 家电暨影音数码电子产品展览会在深圳举行；4 月，宁波承办第四届中国国际家居博览 会：5 月和8 月，在北京将陆续召开第三届中国国际建筑智能化暨数字化家居展览会， 中国国际建筑、家居智能化及社区安防数字化展览会暨研讨会，第六届中国室内设计双 年展暨2 0 0 6 中国国际室内装饰智能化展，2 0 0 6 中国国际建筑、家居智能化及社区安防 数字化展览会；9 月，第六届上海智能家居、家庭自动化技术设备展览会将在上海举行。 目前，中国智能家居消费市场已日趋成熟，整个产业正在进入个性化、实用化阶段。 随着智能家居技术的逐渐成熟，操作复杂的智能家居技术及产品将被更加实用、便捷和 个性化的产品所替代。 1 2 3 智能家居的发展趋势 智能家居作为综合国力和科技水平的具体体现，能够为人们提供安全、舒适、节能 和高效的现代生活方式，市场前景广阔。 从消费者的角度来看，智能家居产品应以人们的生活需求为核心，力求实用、易用、 人性化。随着信息和数字技术的发展，智能家居必须引入红外、w a p 、蓝牙等无线控制 技术，同时做到从以p c 为控制中心向以嵌入式家庭网关为核心的嵌入式系统的转型， 将无线技术与家庭网关技术相结合，实现对家庭网络设备的智能控制。 现代人对于居住环境不仅要求舒适、方便，更重要的是绿色环保。绿色生态住宅是 人类实现可持续发展的基础环节，将成为智能家居的重点发展方向。绿色住宅可以在高 科技控制下实现自我调节，将其内外环境的智能化控制集成为一个有机整体。智能化系 统控制了整个住宅的气温调节、供暖、照明和安防，同时利用太阳能为植物和人们提供 部分能源，最大限度地减少能耗，使之更好地发挥住宅的生态效应，甚至可起到防尘、 灭菌、降噪、改善气候、美化环境的作用。 从商家的角度讲，首先由于网络的迅速增长和家庭网络设备接入的多样化，应该在 住宅内部设置一个家庭信息控制系统，将其联接至小区物业管理系统。其次，现代家庭 内部设备众多，并且至今市场上还没有统一的控制协议标准和接入模块。因此，在未来 发展中商家应先规范整个市场，制定相关标准，继而大力发展相关设施的研发和生产。 1 绪论 随着社会生活的快速发展，智能家居的选配和安装需要家庭用户亲自参与，市场上 可逐步建立起一套智能家居d i y 式的个性化定制方案。由于目前国内智能家居产品还没 有主导品牌，国外产品因种种原因并未真正进入固内市场，所以中国的智能家居市场具 有非常广阔的商业前景，同时很多商家已经着手开设智能家居产品专卖店。 计算机、家电、电信和安防监控等行业在智能家居的整体设计中互相渗透，互相融 合，也将成为小系统集成商和传统装修安装商的新业务。智能家居基于其安全、方便、 高效、快捷、智能化等特点必将成为未来家庭发展的趋势。 1 3 课题的主要研究内容 智能化家居的发展已为智能建筑市场的主流，但由于价位过高，普通家庭只能望而 止步。本课题利用红外通信技术和网络技术，设计了一款物美价廉的智能家居控制器， 既节约了成本，又具有非常好的通用性和实用性。本课题针对作者所设计的智能家居控 制系统进行了分析和研究，主要内容为： ( 1 ) 概述了智能家居系统的发展现状和功能。 ( 2 ) 阐述了智能家居系统的网络构架和与智能家居控制器等相关技术。 ( 3 ) 通过对红外无线通信技术的研究，设计了操作方便的红外智能家居控制器，通 过单片机控制家居内部家电设备的运行状态。 ( 4 ) 组建智能家居w e b 服务器硬件平台，通过嵌入式t c p i p 协议栈用户可以随时 随地通过浏览器对家居中各种设备和环境进行远程监测和控制。 ( 5 ) 通过红外控制器和嵌入式w e b 服务器的组合，实现了集本地控制和远程控制为 一体的智能家居控制器，同时在测试中取得了预期的效果。 ( 6 ) 最后对全文进行了总结，并提出设计中存在的问题和需要改进的方向。 西安科技大学硕士学位论文 2 智能家居控制系统设计方案 2 1 智能家居的特点和功能 智能家居的普及可以让家庭生活更加健康、舒适、方便、安全、环保。随着生活需 求和家居智能化的发展，智能家居系统拥有十分丰富的内容和复杂的系统配置。它提供 的网络控制管理系统可以覆盖整个家庭，主要涉及安全服务、能源管理、数据通信服务、 家庭环境监测和各种智能控制。因此，现代智能化家居具有节省费用、使用方便、安全 性高等特点。 现代智能家居系统具有以下主要功能： ( 1 ) 信息共享和服务功能：通过建立网络接入系统，实现i n t e r n e t 共享访问、计算机 外设共享使用、文件共享等应用；利用数据库技术可使住户了解房间温湿度、各种计量 表读数、被控家电运行状态等，同时还可通过网络查询各种交费信息。 ( 2 ) 家电控制功能：利用计算机、移动电话、p d a 接入i n t e r n e t 的技术，以及红外 等无线通信技术，对电灯、电视机、电冰箱、空调等家用电器和集中供冷热系统进行远 程控制。 ( 3 ) 信息采集功能：远程收集小区住户的四表( 水表、电表、煤气表、热力表) 的 计量数据，提高小区物业管理水平。 ( 4 ) 家居安全防控功能：通过室内的煤气泄露探测、消防报警、防盗报警和高科技 的门禁系统( 例如指纹识别、虹膜识别、静脉识别) 实时采集信息，从而进行防灾、防 火和防盗监控，并及时向小区物业报警处理各种警情。 ( 5 ) 家庭娱乐和办公功能：利用多媒体、电信、网络等技术，实现有线电视、在线 视频点播、无线视频传输系统，可视电话、视频会议、网上商务联系系统，语音、传真 和电子邮件服务系统，远程教育系统，网上购物系统，股票操作系统，以及家庭远程医 疗和监护系统。 ( 6 ) 智能化控制功能：根据周围环境的变化，使用自学习方法对家用电器、照明、 室内温度等设备进行智能化控制，从而建立舒适健康的生活环境。 与传统家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，还提供了舒适安全、高品位 且宜人的家庭生活空间；全方位的信息交换功能，帮助家庭内部与外界保持信息畅通， 提高人们的生活水平，优化人们的生活方式，有效地安排作息时间，增强家居生活的安 全性，以及节约家用能源的开支。 6 2 智能家居控制系统设计方案 2 2 智能家居的基本构架 智能家居系统具有安全、方便、高效、快捷、智能化、个性化的独特魅力，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。 家居网络管理软什 i 家届管理系统】 l 家居信息系统 士、，士 家居控制自动化系统 0 i 通信协议和物理媒介i 士 家庭网关 i 划2 1 智能家居基本构架 智能家居的基本构架如图2 1 所示1 8 ，包含如下的构件： ( 1 ) 家庭网关。住宅要实现智能化，必须建立家庭内部局域网，以网络形式将家庭 内部各种设备联在一起，使其成为一个有机的整体。家庭网关，又叫家居网络网关，它 对家庭内部网络提供网关服务，以便从家庭外部网络( 如i n t e r n e t 、小区物业网) 上监 视和控制家居内部有关设备的运行状态。 ( 2 ) 通信协议和物理媒介。家居内部网络应建立专门的通信协议，这有利于家居内 部网络的信息处理及信息采集。家居网络的物理媒介可以使用光纤、电缆、双绞线、无 线射频、红外线、电力线、蓝牙等媒介进行信息传递。这些媒介物质应具有广泛的适应 性和通用性。 ( 3 ) 家居控制自动化系统。家居控制自动化系统主要用于数据采集和设备控制，可 以实现智能家居的底层功能，是智能家居系统的硬件支撑。它以家居控制器为中心，按 照工业现场总线的方式在住宅中组成家庭局域网。这个系统应包括家居设备的自动控制 系统以及家居安全防卫系统( 简称安防系统) 。家居设备的自动控制系统应有各种控制 功能，将家庭内部各设备在家居控制器的统一管理下进行信息采集、传输、处理、反馈 控制等相关操作，实现智能化家庭管理与控制。其中，安防系统包括家居的防火、防烟、 防盗、危险报警、远程遥控报警和电话广播式报警等功能。 ( 4 ) 家居管理系统。智能家居管理系统是集大型数据库管理、计算机网络通信和调 制解调器等技术为一体的现代化管理系统。智能家居管理系统可以自动完成四表数据采 集、安全防范、信息网络等系统之间的数据交换、信号监测、控制、存储、维护和使用 等功能。它与下层需要监控的设备直接相连，向上与外部网络相连实现数据的传输。 西安科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 家居信息系统。家居信息系统包括计算机信息处理系统及电话、电视综合信息 处理系统。在家居网络中，p c 或嵌入式家居控制器等家居信息系统作为信息沟通的主 要设备，通过家庭网关与家庭外部网络相连，实现与外界信息进行存储和读取。 ( 6 ) 家居网络管理软件。管理软件一方面用于配置、诊断、维护和控制家庭内部网 络中所连接的设备，另一方面用于控制和监视家居信息系统及自动化系统。 随着计算机技术、网络技术、控制技术的迅猛发展，特别是总线协议和集散控制的 发展，智能家居的智能化程度越来越高，必将向着高度的灵活性和操作性的方向发展。 2 3 家庭网络的组成 家居系统内部的各个设备都是一个独立的单元，只有将这些应用单元连接起来，才 能实现家居设备的整体控制。然而这种技术的实现是建立在家庭网络上的。 家庭网络是实现智能家居的信息化平台，可以实现家庭内部多种设备和电器之间的 互连，还可将这些设备连入家庭外部网络进行通信。现代家居具有个性化的特点，因此， 家庭网络的拓扑结构并不固定，是一种动态拓扑结构。 1 以太网i 蓝牙t _ 1 i 二；tt 1 i 话网 i 家庭网关 【 i 婴茎萎兰i 有线电视电缆f 智能家圭控制器jl 总线扩展l 总线技术或无线技术 i 俐掣倒型掣型旧备l i 竺兰! j r 剥n1 蚱 f 翥篇韦 - t 模拟圭控制t - i 烟雾| l 气体 l 湿度| | 温度f j 空调i l 洗衣机l 图2 2 智能家居的网络结构 图2 2 为智能家居的网络结构【8 j 。第一条虚线以上部分是远程控制部分，两条虚线 中间为本地集中控制部分，第二条虚线以下是本地分散控制部分。本地分散控制的主体 是家庭内部的各种设备，如家用电器、安防系统、数据采集系统等，这些设备通过总线 技术或无线技术与智能家居控制器相互传递控制信息。而智能家居控制器又可通过有 2 智能冢居控制系统设计方案 线、无线及专用线技术中任意多种技术组合实现各种网络的物理连接，并与远程终端进 行通信，使用户在任何地方可通过多种通信方式访问本地设备，从而实现智能家居的整 体控制。 2 4 智能家居控制器 智能家居控制器( s m a r th o m ec o n t r o l l o r ) 是家庭网络中的智能节点，是实现家庭 智能化的关键设备，也是智能家居的核心部件。智能家居控制器应具备可视对讲、家电 控制、安防报警、自动抄表、信息交互、网络接口、抗干扰等的特点。 每一个家居控制器互联成网，向上连至小区物业控制中心的综合管理系统，实现远 程数据采集、设备监控。向下它通过家庭总线连接到家庭中各种不同的功能模快，构成 家庭信息控制网，实现家庭中所有相关信息点的数据采集和相关控制点的功能控制，并 通过网络接口与外部信息社会相连接。其系统结构图如图2 3 所示。 氤黎亟p9 蕻：震一 嘲j 窜i 囊麟 蓦餮巽婪翁 蕊直砖世乡 9 西安科技走学硕士学位论文 呼救等模块组成，与家庭内部各种传感器、功能按钮、探测器共同构成家庭的安防体系。 它由设置在家庭中的报警前端和设置在小区物业管理中心的监视终端两部分组成。 通过智能化家居控制方案，人们可以在任何地方，通过网络或电话控制所有家电设 备：处理家务时，家用电器会自动从网上下载并更新最新的操作程序，即快捷又省力： 智能家居提供舒适健康的生活环境，控制器自动监测室内的温度、湿度，通过控制空调 的运行状态，模拟人工大自然的环境：人们甚至在足不出户的情况下，也可以办公、购 物、看病；更重要的是它加快了处理紧急情况的速度，增强了住宅的安全度，使人们能 够全身心地投入工作、学习和生活当中10 1 。 2 5 智能家电概述 智能家居系统中最贴近人们生活的就是家电控制模块。目前，家电产品的发展主要 有三个方面：家电的网络化、家电的信息化和家电的智能化。 网络家电利用数字技术、网络技术，将传统家电互联后组成一个家庭内部网络，也 可以与i n t e r n e t 相连接。信息家电是将计算机、通信、电子技术与传统家电相结合的产 物，可将嵌入式处理器、相关硬件、嵌入式操作系统以及应用层软件移植到家电内部。 而智能家电则是在网络家电和信息家电的基础上，加入人工智能技术，简单模拟人的思 维活动的家用电器。可见智能家电是3 i 技术( 即i n t e m e t 网络技术、i n t e r a c t i v e 互动技 术、i n t e l l i g e n t 智能技术) 融合的产物【1 2 】。 适应市场潮流的智能家电，其设计应以人为主，并具有以下特点： ( 1 ) 网络化：智能家电可以通过家庭网络技术连接到一起，还可通过家庭网关接口 同制造商的服务站点相连，实现控制软件的不断更新。 ( 2 ) 智能化、节能化：智能家电可以根据周围环境的变化自动做出相应的动作或调 整工作状态，无需人为干预。 ( 3 ) 易用性：智能家电控制系统应该使用方便，操作灵活、自如，设计简洁、大方。 ( 4 ) 开放性、兼容性：智能家电生产厂商众多，必须建立一个集开放性和兼容性于 一体的家电控制平台，以便统一控制和管理。 智能家电的控制应从两方面着手。一方面是本地集中控制，用户可以直接通过智能 家居控制器的键盘输入控制信息，控制家电的工作状态；另一方面是远程控制，用户可 以在任何一个地方，通过网络登录家居控制w e b 网页，按照页面中的控制向导，执行 控制操作。用户的控制命令通过网络发送给智能家居控制器，家居控制器再调用相应的 家电控制模块软件，使家电执行相关的操作。 2 6 智能家居控制器总体设计方案 本论文设计了集本地红外遥控和基于以太网的远程控制于一体的智能家居控制器， 用以控制家电的工作状态。系统总体设计框图见图2 4 所示。 红外光 矿 ，护 图2 4 系统总体设计框图 下面将通过本地端和远程端分别介绍智能家居控制器的设计过程。 西安科技大学硕士学位论文 3 红外智能家居遥控器的设计 3 1 红外通信技术原理 3 1 1 红外技术 1 6 7 2 年，科学家发现使用分光棱镜可以把太阳光( 即白光) 分解为红、橙、黄、绿、 青、蓝、紫等各种单色光，并得出白光是由各种单色光复合而成的结论。1 8 0 0 年，英国 物理学家fw 赫胥尔观察各种单色光的热量时，把暗室惟一的窗户用暗板堵住，并在 板上开了一个矩形孔，孔内装有一个分光棱镜。当太阳光通过棱镜时，被分解为彩色光 带。他用温度计测量光带中不同颜色所含的热量，无意问发现放在光带红光外的一支温 度计，比室内其他温度的指示数值高，并且这个高温区总位于光带最边缘的红光之外。 于是，赫胥尔宣布发现了红外线【”1 。 红外线i l ，又称为红外辐射或红外光，是位于可见光中红色光外的光线，人眼看不 见。红外线也是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射。任何物体在常规环境下都会 产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出红外能量，分子和原子的运动愈 剧烈，辐射的能量愈大；反之，辐射的能量就愈小。温度在绝对零度以上的物体，都会 因自身的分子运动而辐射出红外线。 红外线的波长比红色光波长( 7 6 0 n m ) 还长，其频率高于微波而低于可见光。通常， 将电磁波波谱中范围为7 6 0 r a n l m m 的波谱段称为红外光谱区。在红外技术中针对红 外光波长的不同，又将红外线分为四个区域：近红外，波长为7 6 0n m 3um ：中红外， 波长为3 6 u m ：中远红外，波长为6 2 0 u m ；远红外，波长为2 0 “m 1 m m 。 红外线与可见光、无线电波一样，都以波的形式在空间内直线传播，在真空中以光 速进行传播( 3 0 1 0 1 0 c m s ) 。 基于以上特性，红外技术被广泛应用于生产、科研和生活当中。 3 1 2i r d a 协议简介 ( 1 ) i r d a 的发展 1 9 9 3 年6 月2 8 日，h p 、c o m p a q 、i n t e l 等二十多家公司为建立一个统一的红外 数据通信标准，成立了一个非营利性的国际组织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 ，红外 数据协会) 。i r d a 的宗旨是制订以合理且较小的代价实现的标准和协议，以促进红外通 信技术的发展。它专门为短距离红外无线数据通信制定红外数据互连标准，支持点对点 的工作模式。 3 红外智能幂居遥控器的设计 1 9 9 4 年，i r d a 发布了第一个的红外数据通信标准i r d a l 0 。i r d a l 0 是一种基于 h p s i r 开发出来的异步、半双_ - l 2 b 红外通信方式，故又称为s i r ( s e r i a li n f r a r e d ，串行 红外协议) 。s i r 利用系统的异步通信收发器( u n i v e r s a la s 5 一n c h r o n o u sr e c e i 、- e r t r a n s m i t t e r s ，简称u a r t ) ，通过对串行数据脉冲的波形压缩和对所接收光信号电脉冲 的波形扩展这一编码解码过程，即3 1 6e n d e c 编解码机制，来实现红外数据传输。由于 受到u a r t 通信速率的限制，s i r 的最高通信速率只有l l5 2 k b i t s 。 1 9 9 6 年，i r d a 发布了i r d a l 1 标准一f i r ( f a s ti n f r a r e d ，快速红外协议) 。与s i r 相比，f i r 不再依托u a r t ，其最高通信速率可达到4 m b i t s 。f i r 采用了全新的4 p p m 编解码机制，即通过分析脉冲的相位来辨另4 所传输的数据信息。但由于f i r 在1 1 52 k b i t s 以下的速率仍采用与s i r 相同的编解码过程，所以它可以与支持s i r 的低速设备进行通 信。但只有在通信双方都支持f i r 时，通信速率才能提升到更高水平。 之后，i r d a 又推出了更高通信速率的v f i r 协议( v e r yf a s ti n f r a r e d ，特速红外协 议) ，并将它作为补充纳入i r d a l 1 标准之中。v f i r 通信速率为1 6 m b i f f s ，可使红外通 信在传输大数据量时不再依靠连接线；同时接收角度也由传统的3 0 度扩展到1 2 0 度。 为保证不同厂家生产的红外产品能够获得最佳的通信效果，i r d a 将红外数据通信 的光波波长范围限定在8 5 0 r i m 至9 0 0 n m 之内。 ( 2 ) i r d a 协议栈州 i r d a 是利用红外线进行点对点通信的技术，它无需专门申请特定频率的使用执照， 因此，大大降低了设计费用：它还具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点。 但是红外通信必须遵循i r d a 协议来传输信号。 i r d a 通信标准包括基本协议和特定应用领域协议两类，是一个分层结构，每一层 都是为上一层提供特定的服务。其结构形成一个栈，如图3 1 所示。 局域网通讯协议 对象交换通讯协议通讯端口协议 信息访问服务 ( 1 r l a n ) ( i r o b e x )( i r c o m m ) 协议( i a s ) 传输通讯协议( t i n yt p ) 连接管理协议层( i r l m p ) 连接接入协议层( k l a p ) 物理层协议( i r p h y ) 图3 1i r d a 协议栈示意图 i r d a 协议栈最下边的三层是物理层协议、连接接入协议和连接管理协议。它们是 i r d a 通信标准的基本协议，也是三个强制性规范，其功能描述如下： i r p h y ：p h y s i c a ll a y e rs p e c i f i c a t i o n ，物理层协议。制定了红外通信硬件设计上的目 标和要求，包括红外的光特性、数据编码、各种波特率下帧格式等。为达到兼容，硬件 西安科技大学硕士学位论天 平台以及硬件接口设计必须符合红外协议制定的规范。 i r l a p ：l i n k a c c e s sp r o t o c o l ，连接接入协议。制定了底层连接建立的过程规范，描 述了建立一个基本可靠连接的过程和要求。它支持连接的初始化操作、泌别设备地址、 冲突检测，还指定了红外通信的帧结构、字节结构和错误检验方式。 i r l m p ：l i n km a n a g e m e n tp r o t o c o l ，连接管理协议。制定了i r l a p 连接在设备和服 务中的应用规范，实时管理通信中的各种参数，并检测其传送实行的j 下确性。 在l r l m p 协议层之上的应用协议都属于特定应用领域的规范和协议，负责对连接