（计算机应用技术专业论文）远程智能家居管理系统的研究与设计.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 远程智能家居管理系统的研究与设计 专业：计算机应用技术 硕士生：苗硕 指导老师：马光思教授 摘要 将住宅中各种通信设备，家用电器和家庭保安装锭通过内部刚络连接到一个智能 控制系统上进行集中或异地监视、控制和事务管理的智能家居( s m a r th o m e ) 系统， 已成为近年来的一个热门研究课题。 论文简要介绍了远程智能家居管理系统的课题背景，分析了智能家居的国内外研 究现状和未来发展趋势和应用前景。重点分析了系统涉及的硬件配置、组网方式和软 件需求，给出了系统的总体设计方案。 系统对家庭中各种功能单元实现的状态检测、参数记录、状态判别、状态控制等， 达到了课题提出的预期目标；并能够根据已有信息对系统中的设备进行调整，为用户 提供主动服务。 论文研究了系统的通信状态和通信协议设计的基本原理，设计了通信协议帧的基 本格式，阻及系统使用的部分协议的具体帧格式。在分析了智能控制技术的基础上， 运用模糊神经网络技术构建了智能家居控制器，对其特点、原理和运行方式进行了讨 论。特别采用基于遗传算法优化的模糊神经控制器技术，构造了室内温度智能控制系 统，进行了实验和验证，获得了有效的结论。 论文最后总结了课题研究的实际意义和创新点，说明了本人所做的工作，提出了 进一步的研究方向。 关键字：智能家居，通信防议，远程控制，智能控制，模糊神经控制器 西安建筑科技大学硕：l 二论文 r e s e a r c ha n dd e s i g no ft h er e m o t es m a r t h o m e m a n a g e m e n ts y s t e m m a j o r ： c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y n a m e ：m i a os h u o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rm ag u a n g s i a b s t r a c t s m a r th o m es y s t e mu s i n gn e t w o r ki n t e r n a lh o m ec o n n e c t sa l lk i n d so fc o m m u n i c a t i o n e q u i p m e n t ，d o m e s t i ce l e c t r o n i ca p p l i a n c ea n df a m i l ys e c u r i t ye q u i p m e n tt oi n t e l l i g e n t c o n t r o ls y s t e mw h i c hp e r f o r m e dr e m o t eo rc o n c e n t r a t e dh o u s em a n a g e m e n ta n dm o n i t o r t h er e s e a r c ho ns m a r th o m es y s t e mb e c o m eah o tf i e l di nr e c e n ty e a r s t h ep a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n do fr e m o t es m a r th o m em a n a g e m e n t s y s t e mb r i e f l y i td e s c r i b e st h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c ho ns m a r th o m es y s t e m a n dt e n d e n c yo fs m a r th o m e m o r e o v e r , b a s e do na n a l y s eo nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e s y s t e ma n di n t e r n a lh o m en e t w o r ki nt h es y s t e m ，t h i sp a p e rd e s i g n st h ef r a m e w o r ko ft h e w h o l es y s t e m a i ma tt h eg o a lo ft h er e s e a r c h ，t h es y s t e mi m p l e m e n t st h ef u n c t i o n so fd e v i c es t a t e d e t e c t i o n ，p a r a m e t e rr e c o r d ，s t a t u sd i s t i n g u i s h i n g ，a u t o m a t i cc o n t r o la n ds oo n t h es y s t e mc a n 删u s tt h es t a t u so f d e v i c e sb a s e do nt h ei n f o r m a t i o na c q u i r e da n dp r o v i d ea c t i v es e r v ef o ru s e r s t h ep a p e rr e s e a r c h e so nt h ec o m m u n i c a t i o ns t a t u sa n dt h ed e s i g np r i n c i p l e so f c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l so ft h es y s t e m i td e s i g n sap a r to ft h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s b a s e do nd e s i g np r i n c i p l e s b a s e do nt h er e s e a r c ho fs e v e r a li n t e l l i g e n tc o n t r o lm e t h o d s ，i t u s e st h et e c h n o l o g yo ff u z z yn e u r a ln e t w o r kt ob u i l dt h ei n t e l l i g e n th o m em a n a g e m e n t c o n t r o l l e r a tt h es a f f l et i m e ，i td i s c u s s e st h ec h a r a c t e ra n dp r i n c i p l e so ft h es y s t e m t h e p a p e re s p e c i a l l y u s e st h et e c h n o l o g yo ff u z z yn e u r a ln e t w o r ko p t i m i z e db yg e n e t i c a l g o r i t h mt os e tu pt h ei n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r ei n t e m a lh o m ec o n t r o ls y s t e m ，a n da c h i e v e s e f f e c t i v er e s u l tf r o mt h ec o r r e l a t i v ee x p e r i m e n t f i n a l l y , t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ep r a c t i c a lv a l u ea n di n n o v a t i v ep o i n t so ft h er e s e a r c h w o r ka n dt h ew o r k so fa u t h o r i ta l s ob r i n g st h ef u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o nf o r w a r d k e y w o r d s ：s m a r th o m e ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，r e m o t ec o n t r o l ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ， f u z z yn e u r a ln e t w o r k c o n t r o l l e r i i 。) ) 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 髟砜吼矽口哗s 婷 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：茜硬导师签名2 兰谚日期：如蜂歹对 注：请将此夏附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士论文 1 绪论 本章介绍了远程智能家居管理系统研究的课题背景，国内外研究现状和未来发展 趋势，说明了本文的主要研究内容和意义。最后，说明了本文的组织与结构。 1 1 课题背景 智能家居系统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。 11 1 智能家居概述 随着计算机技术、移动计算技术和网络技术的不断发展，人们已经不满足于各种 家用电器设备带来的便利，而是希望将家居逐步融入信息社会中，因此，智能家居 ( s m a r th o m e ) 概念应运而生。智能家居是i t 技术向传统建筑产业渗透发展的必然结 果。由社会背景之层面来看，近年来信息化的高度发展，通信的自由化与高层次化， 业务量的急速增加与人类生活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；在科学技术方面，由于计算机控制技术的发展与电子 信息通信技术的成长，也促成了智能家居的诞生。 智能家居是具有适应性、预测性的智能系统。智能家居的实现e t 标是将家庭中 各种与信息有关的通讯设备、家用电器和家庭保安装置通过家庭内部网络连接到一个 家庭智能化系统上，实现集中或异地的监控，进行家庭事务管理，并保持这些家庭设 施与家居环境的和谐与协调。智能家居不仅具有传统家居的各项功能，而且使家庭与 外部保持信息交流畅通，合理地控制能源，增强了家居生活的安全性、舒适性、节能性。 智能家居是家居信息化未来发展的方向，智能家居网络的普及将大大提高国民的生活 水平和质量1 2 j 。图1 1 显示了一个典型的智能家居系统的结构。 图11典型的智能家居系统的结构 西安建筑科技大学硕= i 二论文 11 2 智能家居系统的一般功能 智能家居是一个多功能的技术系统，随着人类应用需求和家居智能化的不断发 展，智能家居系统将拥有更加丰富的内容，系统配置也越来越复杂1 3 1 4 】。智能家居随 住户的个性不同会有所差异，但一般应具备以下基本功能： f 1 1照明度控制功能 包括照明灯具及家庭背景音乐就地控制、场景朋颐序控制、远程控制及自动控制； 安全模式控制：度假模式控制；百叶窗窗帘的开、关和调整。在较大的户型( 如别墅、 错层、跃层) 中安装背景音响系统及灯光集中控制系统，可以营造家庭气氛。 ( 2 1安防控制功能 包括侵入报警( 门禁系统) 、火灾自动报警、煤气泄漏报警、漏电报警、漏水报警。 例如： a ) 家庭防盗报警系统：防盗探头一般有红外线探头、磁性探头、微波探头等。 目前应用于家庭的有被动式室内单( 双) 鉴红外线( 微波) 探头，安装在客 厅、过道和楼梯的墙面或吊顶处，只要有人走动就能探测到；还有主动式单 ( 多) 光束红外线探头，警戒距离为1 5 m 2 5 0 m 。还可收、发两探头配对为 一组，室内应用于门窗等处，室外应用于围墙上、阳台外、窗外等处，如有 人非法侵入就会探测到。门磁、窗磁探头安装于门、窗闭合处，一旦门、窗 被打开，就会探测到，并即时报警。另外，作为完善的防盗系统，还可选用 高速照相机或摄像机，一旦发生报警，将自动对现场照相或录像。 b 1 家庭防灾报警系统：防灾探头有煤气泄漏探头，感温、感烟探头。当发生可 燃性气体泄漏时，就会发出报警信号，并将该信号传到信息接入箱主机上， 同时开启屋内排气扇排除有害气体。当所探测范围内温度升高或烟雾弥漫， 火灾探测器就会探测到并即时报警( 声光报警或通信报警) 。如有消防喷淋系 统，则会自动进行喷淋。 c ) 可视对讲系统：在门厅、书房等处安装可视对讲门铃。来访客人必须经住户 同意，由住户遥控开启单元防盗门方可进入。单元门1 5 1 主机也可以通过网络 与管理中心主机相连，将来访者输入的信号同时传到管理主机上，便于值班 人员掌握客人来访情况。 f 3 1能源控制功能 包括控制热水的温度与水量、家用i ：包器控制、在用电高峰时可自动切断次要设备， 以免超过额定负荷、计量和显示各科咱源消耗。 ( 4 1三表( 四表) 远程抄收系统 将带电子采集器的煤气表、电表、水表、暖气表等从户内布线通过家庭信息接入 西安建筑科技大学硕二i 二论文 箱引到户外的系统采集总线，与小区的物业管理中心连接，在管理中心主机上可随时 用人工或自动的方式抄录三表的读数。输入当地水、电、气的价格，就可自动计算费 用，并打印出读数、计费的情况。 f 5 )健康与医疗功能 包括健康设备监控、远程检诊、老人病人异常监视。例如：家庭闭路监控系统： 家庭监控主要用于家中有老人、小孩等生活不能自理、需要照顾的情况。在上述这些 人员所在的环境安装摄像头，可通过网络远程观察需照顾人的状况。 ( 6 )通信功能 包括电话、网络、远程控制报警。 ( 7 )网络信息家用电器控制系统 智能化家居最实用的功能之一便是电话远程控制家用电器。今后的家用电器都会 有数据接口，可以通过数据网络实现远程遥控。可以在需要网络远程遥控的家用电器 ( 如微波炉、电饭煲、热水器、空调器、洗衣机等) 的电源插座旁，设置数据信息插 座。随着信息家电的兴起，更使远程控制家用电器成为可能。信息家电应该是一种操 作简便、实用性强、带有p c 主要功能的家电产品。信息家电把p c 的某些功能分解 出来，设计成应用性更强、更家电化的产品，信息家电的出现将推动家庭网络市场的兴 起，同时家庭网络市场的发展又反过来推动信息家电的普及和深人应用。 ( 8 )环境控制功能 包括房问温度、湿度、光线、二氧化碳浓度等对居室环境的控制。 1 2 国内外研究现状 智能家居最早是在上世纪7 0 年代起于美欧和日本，9 0 年代进入我国。目前，国 内外的许多公司和研究机构对此类课题展开了广泛的研究。 12 1 智能家居在国外的发展情况 自从2 0 世纪7 0 年代中期智能家居技术在美国诞生以来，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方案。1 9 8 4 年世界 上第一个智能建筑在美国康倪迪格州出现口】。德国弗劳恩霍研究会与1 1 家公司联手合 作，建成世界上第一座智能家居样板房，向人们展示了未来住宅的发展前景。 在日本，网络家电开发已取得了重大进展。日本的主要家电厂家制定了网络家电 的发展战略，希望依靠网络家电建立起一个新的家电王国。 2 0 0 3 年，微软、索尼等数家技术巨头宣布了一项名为“数字家庭组织”( d i g i t a l 西安建筑科技大学硕二 论文 h o m ew o r k i n gg r o u p ) 的结盟计划f 6 】o 该计划将使计算机、d v d 、移动电话在家庭网络 中可以彼此通讯。i n t e l ，h p 和n o k i a 也加入了该组织，并为将来的产品选择网络技术。 1 2 2 智能家居在我国的发展情况 在我国 2 0 0 0 年小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案中【7 】，将建设智能 化小康示范小区列入国家重点发展方向。这必然促使智能化从智能大厦建设向智能化 住宅小区，乃至向家居智能化方向发展。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”。到2 0 1 0 年，我国超过7 0 的家庭将有互联网入网设备，5 0 以上家庭会有多台上网设备。 1 9 9 9 年，我国经贸委牵头，成立了家庭信息网络技术委员会。该委员会制订了关 于将家庭信息网络技术的体系研究和产品开发方面的国家技术创新专项计划【8 】。 进入二十一世纪后，中国加快了网络家庭发展的步伐，许多厂商纷纷推出了数字 家庭的样板间设想。自从2 0 0 0 年l g 电子推出了世界上第一台通过互联网相连的“互 联网冰箱”后，国内电子厂家纷纷跟进，推进了网络家电的进程，已成为行业内关注 的焦点 9 1 。 123 智能家居未来发展趋势 人类在追求高度物质文明的同时，更加追求环境绿色化、生活信息化，安全、舒 适、方便、现代的家居环境已成为2 1 世纪居家生活的象征。进入2 1 世纪，a 新月异 的现代科技的力量，打破了传统的时空界限，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深刻地影响着人类的思维模式 和生存状态。 住宅作为人类生存的物质基础，必将受到信息技术的冲击和影响，传统住宅己不 能满足现代社会对其使用功能及其所能提供的环境的更高要求，未来住宅应是高科技 与传统技术的有机融合体：不仅功能齐全、居住舒适、使用方便、而且安全节能，有 益人类健康和自然生态环境。 智能家居是家居技术创新的必然趋势。2 0 世纪8 0 年代，信息技术飞速发展，特 别是计算机互联v 目( i n t e r n e t ) 技术、计算机集成制造技术( c l m s ) 更是得到了惊人的 发展，人类从此开始进入知识经济时代。从智能家居的发展进程看，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【l o i 。 智能家居建设是我国可持续发展战略的组成部分。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符合知 西安建筑科技大学硕士论文 识经济时代的要求。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，实 现住宅产业可持续发展。智能家居酋先着眼于人居环境的所有社会功能，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，建设智能家居具有时代的前瞻性，顺应了当今信息社会的潮流，对进一步 提高居民生活水平和生活质量具有非常重要的意义。可见，智能家居具有非常广阔的 发展前景。 1 3 课题主要研究内容及意义 如前所述，智能家居本身是一个内涵很广泛的概念，涉及“人工智能”，“网络通 信技术”，“综合布线技术”，“嵌入式系统”，“无线网络”等学科内容。本课题将主要 专注于智能家居的总体设计以及系统中部分软件的设计与实现。 远程智能家居管理系统是由智能便携设备、外部网络、服务器、家庭内部网络以 及家用设备所构成的一套完整的家庭智能化控制系统。它以家居系统中的服务器为核 心，将智能终端远程控制和本地集中控制集成为一体，实现了家电、三表、安防的本 地及远程控制，以此来改善用户的生活质量，创造舒适、安全、便利的生活空间。本 课题的主要研究内容是： ( 1 ) 根据“智能家居”的概念，针对实验环境，定义“远程智能家居管理系统” 的具体概念和功能； ( 2 1根据定义，设计整个系统的硬件部署，软件体系结构； ( 3 )研究设计针对实现“远程智能家居管理系统”所需的通信协议： ( 4 )进行了家居智能管理模块的结构设计，对其中的室内温度控制功能模块设 计了基于遗传算法优化的模糊神经网络控制器，并进行了仿真实验。 f 5 )根据系统的软件体系结构，设计、实现了客户端软件。 1 4 论文的组织与结构 论文分为六章，各章具体内容为： 第一章介绍了论文的课题背景，国内外研究现状和未来发展趋势，说明了论文的 主要研究内容和意义 第二章确立了远程智能家居管理系统的设计原则和设计要求以及系统所应具有 的功能，在此基础上提出了针对远程智能家居管理系统的总体设计方案， 西安建筑科技大学硕士论文 第三章讨论了远程智能家居管理系统通信协议设计的总体目标和设计中所应遵 循的基本原则。然后根据这些目标和原则设计了通信协议帧的基本格式，并在此基础 上设汁了系统所使用的部分协议的具体帧格式。最后，使用p e t r i 网描述了系统的通 信状态。 第四章描述了家居智能控制模块的结构和功能，对于智能控制的几种常用方法进 行了分析。然后分析了家居环境下的三种类型的智能控制问题，并且对室内环境智能 控制问题进行了更为深入的讨论。最后，针对室内环境中的温度控制问题提出了一种 基于遗传算法的模糊神经控制策略，并给出了相应的仿真实验结果。 第五章说明了客户端软件以及服务器软件的运行环境和开发环境、客户端软件结 构设计和实现，服务器端软件结构设计和实现。然后，给出了相应的软件静态结构图 和运行效果图。 第六章是本文的结论部分，对课题的研究成果和意义进行了总结，本人在课题中 所作的工作在第六章中得到体现。 本文在两个方面具有创新性：使用手机作为媒介对家居系统实现远程控制，增强 了系统的实用性；提出了运用基于遗传算法的模糊神经网络的技术设计智能家居管理 模块的方法，并给出了有效的验证分析。 西安建筑科技大学硕士论文 2 远程家居智能管理系统总体设计 远程智能家居管理系统总体设计方案综合考虑了系统设计的要求和不同家居设 备的特点，提出了系统设计的原则和系统所具备的功能，设计了系统的总体结构。确 定了系统中家庭内部网络的组网方式。 2 1 远程家居智能管理系统设计要求 远程智能家居管理系统的设计必须考虑系统的实用性与复杂性，提出一套具体可 行的设计方案。 2 1 1 远程家居智能管理系统设计原则 ( 2 ) ( 3 ) 安全性和可靠性安全和可靠是对远程家居智能管理系统的基本要求，也是 最重要的要求，是设计智能家居管理系统的主要目标。 满足用户需求远程家居智能管理系统设计将从用户需求分析着手，并以满 足用户的需求为目标。 合理性和经济性在保证先进性的同时，充分考虑系统的合理性、实用性和 经济性。 结构化和可扩充性远程家居智能管理系统的总体结构将是结构化和模块 化的，具有很好的兼容性和可扩充性，既可使不同的设备产品综合在一个 系统中，又可使系统能在日后需要时能够得以方便地加以扩展，扩充另外 的设备产品【l l 】【1 2 】。 2 12 远程家居智能管理系统的功能 我们对远程智能家居管理系统的用户需求进行了分析，并且研究了现有的智能家 居的系统功能，提出了远程智能家居管理系统应具备的功能。 ( 1 1用户身份认证：远程家居智能管理系统首先应该鉴别用户身份是否合法， 只允许合法用户登陆服务器，对家居状态进行查询或管理。 ( 2 )家庭安防：安全是居民对智能家居的首要要求，因此家庭安防由是智能家 居的最重要的组成部分。家庭安防报警、门窗磁报警、紧急求助报警、燃 气泄漏报警、火灾报警等。当家庭智能安防端处于布防状态时，红外探头 西安建筑科技大学硕二e 论文 探测到家中有人走动，或者燃气泄漏，出现火灾等就会自动报警，通过蜂 鸣器和语音实现本地报警；同时，系统自动向主人的手机传送报警信息。 ( 3 )家电控制：家电控制是智能家居集成系统的重要组成部分，代表着智能家 居的发展方向。通过有线或无线的联网接口，将家电、灯光与家庭智能终 端相连，组成网络家电系统，实现家用电器的远程控制。 ( 4 )远程抄表：水、电、气表的远程自动抄收计费是智能家居管理的一个基本 内容。它的实现解决了入户抄表的低效率、干扰性和不安全因素。 2 2 远程家居智能管理系统的总体设计方案 远程家居智能管理系统t 3 1 9 t 客户端、服务器和受控设备以及家居内部网络和外部 网络等构成，如图2 1 所示。 电 图2 1远程家居智能管理系统的构成 f 1 )客户端 用户通过使用客户端登陆设在家中的服务器，查询家用受控设备的当前状态， 并且根据这些信息对受控设备进行状态调整1 1 3 】。客户端给用户提供了访问界面，通 过使用交互界面，用户与整个系统进行交互操作：一方面，用户通过客户端输入数 据，将数据包装成特定的消息格式，通过s o c k e t 连接，将数据发送给服务器；另一 方面，服务器通过无线网络连接接受消息，并将其显示在客户端上，使用户了解系 统的当前状态。 ( 2 ) 服务器 家居内部服务器是家庭网络的核心设备，为家庭内部网络环境和外部网络环 西安建筑科技大学硕二匕论文 境提供连接，提供路由选择、内外部子网之间的协议转换等服务。而且家届内部 服务器中的智能管理模块可以通过对用户的生活习惯进行学习雨1 分析，结合家居 系统当前的状态，自主做出选择，对受控设备进行调整，使系统处于最佳状态。 ( 3 )家庭内部网络 家庭内部网络使用以太网实现，它连接了服务器与受控设备。 ( 4 )家庭内部网络适配器 家庭内部网络适配器是服务器与没有自带网络接口的受控家电、传感器、仪表 之问的接口。它是服务器与其它被控对象间的桥梁，负责服务器控制协议与受控设 备之间的相互转换，并根据转换过的协议对被控设备进行驱动。信息家电是未来发 展的趋势，将来的家电都会自带网络接口，家庭内部网络接口适配器只是针对目前 的非信息家电和家用设备的网络接入问题提出的一种解决方案。 ( 5 )智能家电和各类传感器和仪表 智能家电和各类传感器和仪表是指远程家居智能管理系统中的各种受控家电， 如电视机、电冰箱、热水器、空调等；在一个智能家居系统中，为保证完善的控制， 需要测量的物理量是多种多样的( 例如流量、电量、温度、湿度、微量气体含量等) ， 所以系统中需要各类相应的传感器和仪表。 2 3 远程家居智能管理系统的网络逻辑结构 图2 2 远程家居智能管理系统的网络逻辑结构图 9 西安建筑科技大学硕二e 论文 远程家居智能管理系统的网络逻辑结构如图2 2 所示，是以服务器为中心的星形 拓扑结构，所有受控设备如家用电器、网络摄像头、各类传感器和仪表都直接与服务 器相连接【”i 。这样的逻辑结构相对简单，易于实现，同时也便于维护和管理。该系统 正常工作时，客户端的远程控制设备通过服务器对家居系统中的各类受控设备进行查 询和控制，系统服务器通过本地以太网实现与受控设备之问的通讯、控制命令传输乘i 信息反馈，受控设备的状态信息通过服务器传送到客户端【l “。这里需要说明的是，系 统中每个设备都是可接入网络中的设备。但目前许多家用设备和家电产品并不具备这 种功能，所以我们加入适配器作为桥梁使不带网络接口的家用设备也可以接入网络。 因此在该网络结构中，我们不把适配器作为独立的个体看待，而是将非信息家电、设 备和与其相对应的适配器视为一个整体。 2 4 远程家居智能管理系统的硬件构成 远程家居智能管理系统的硬件设备主要由智能便携移动设备( 如手机、p d a 等) 、 双核服务器、家庭内部网络、各类受控设备构成1 6 1 ，如图2 3 所示： 图2 3 远程家居智能管理系统的硬件结构 241 智能便携移动设备 远程家居智能管理系统中所使用的客户端设备要求是能接入g p r s 网络或者是高 性能手持设备，拥有较高分辨率的显示屏，并支持用户输入，有程序下载接口。目前 的多数高档手机和p d a 的性能都可以满足要求。本文使用m o t o r o l a a 7 6 0 手机作为客 户端硬件进行开发。a 7 6 0 使用g p r s 网络接入互联网，拥有分辨率为2 4 0 x3 2 0 的 6 5 5 3 6 色t f t 触摸屏，c p u 主频为2 0 0 m h z ，内存为3 2 m b 。这些配置已能够满足客 户端程序的需求。 o 西安建筑科技大学硕士论文 2 42 双核服务器 远程家居智能管理系统目前使用i b m 台式机进行开发。使用以太网口接入网络。 采用p e n t i u m ( r ) 43 2 0 g h z ，1 g 内存。 2 43 远程家居智能管理系统的内部网络 远程智能家居管理系统中存在很多要求被监控的家用设备，这些受控设备通常分 散在不同的房间，即使在一个房间也不会集中在一起，所以必须组建一个网络对这些 设备进行统一管理，这就是家居组网【 】。我们需要根据系统需要选择合适的组网方式。 2 4 3 1 远程家居智能管理系统的内部网络选择 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。有线方案主要包括电话线连接、电力线连接、以太网和总线等； 无线方案主要采用红外、无线方式等。以下我们分别对这几种方案进行比较： ( 1 ) 有线方案 a 1 电力线 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。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 ，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1 2 0 1 。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 1 0 ，c e b u s 等。 b ) 电话线 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l 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【2 1 l 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 。利用家里墙上预留的电话插座，可以避免重新布线的麻烦，但是家庭中 不可能随处都安装有电话插座，当买来新家电时还是面临重新布线的烦恼。目前，大 多数电话均通过双音频信号进行按键信息的传送。在发送端，电话机对按键信息进行 双音频编码；在接收端，通过解码获得相应的按键信息，从而实现按键信息在电话线 西安建筑科技大学硕士论文 上的传递。利用电话按键可实现简单、方便、廉价的远程控制。其缺点是因为电话 机只有数字键，所以对设备的控制必须依赖编码，而且使用通过电话进行控制，这种 方式费用不菲。 c ) 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 f f 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【2 2 】。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。以太网本身的实现成本并不高，但需要专门布线。 m 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 足抗干扰能力强，技术成熟；缺点是需要重新铺设线路。 ( 2 ) 无线方案 a 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 n 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【2 3 1 。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。 b 1 无线方式 采用普通的无线传输方式，在业余频段( 如3 1 5 m ，4 3 3 m h z ) 上构建智能家居网络， 传输控制命令和数据，且不会影响其它的无线广播和调频电视节目。这种方式的优点 是形式灵活多样，可满足不同住户的要求2 4 】；缺点是抗干扰能力不如有线方式，而且 采用电池供电的单片机系统必须考虑到能耗问题。目前关于该技术有很多产品和标 准，如b u t t e r f l y , d i a m o n d 等公司的产品。b l u e t o o t h 的优势在于全球的标准统一，具 有互操作性、以及方便的实现快速、灵活、安全、低功耗的数据和语音通信。但由于 成本问题b l u e t o o t h 还没有真正走入家庭。 ( 3 ) g g 合型家庭局域网 目前实现混合型家庭局域网的物理层接口主要可以分为四类：高速局域主干网、控 制子网现场总线、视频线、电话线”1 。高速局域网主要包含i e e e 8 0 2 3 以太网协议、 i e e e 8 0 2 1 lb 无线局域网技术和b l u e t o o t h 技术，能实现p c 、便携设备、信息娱乐设 西安建筑科技大学硕二f = 论文 备等高端设备之间的互连和信息共享。控制子网现场总线主要指以r s 4 8 5 ，c a n ， l o n w o r k s 等简单智能协议为代表的现场总线技术，能实现信息家电、智能传感器和 控制器等设备的连接和控制。电话线主要用于高端设备和电信设备直接接入i n t e r n e t 。 而视频电缆方式则实现有线电视、v o d 服务等。在服务供应商的支持下还可以提供 另外的高速接入i n t e m e t 的途径。混合型家庭局域网充分综合了各类网络的优点， 但是其组网方式过于复杂，不易实现。 2 4 3 2 使用以太网方式组建智能家居系统 上文的分析说明得知，不同联网技术各有其优点和缺点，分别适用于应用在不同 的场合。目前国内智能家居系统的组网方式以有线形式居多，它具有抗干扰能力强的 优点。 本课题采用以太网方式组建智能家居系统。以太网的优势是技术上简单、可靠 而且传输速率也符合当前系统的需求。 目前，家用设备自带网络接口已经成为一种趋势，自带网络接口的受控设备可以 直接接入智能家居系统内部的以太网。但是，现有的家居设备也有不带网络接口的， 对于这种情况，我们采取的解决方案是使用设备内部网络适配器来将不带网络接口的 设备接入以太网。 2 44 家居内部网络适配器 家庭内部网络接口适配器的主要功能是作为服务器与没有自带网络接口的受控家 电、传感器、仪表之间的接口。它是服务器与其它被控对象问的桥梁，负责服务器控 制协议与受控设备之间的相互转换，并根据转换过的协议对被控设备进行驱动。由于 信息家电是未来公认的趋势，将来的家电都会自带网络接1 3 ，家庭内部网络接口适配 器只是针对目前依然存在的非信息家电和家用设备的网络接入问题提出的一种解决 方案。我们可以把使用了家庭内部网络接口适配器的非信息家电和家用设备看作自带 网络接口的信息家用设备，可以直接接入以太网。 2 4 5 受控家用设备 远程家居智能管理系统中主要的受控设备有信息家电、传感器和仪表。 ( 1 ) 信息家电 西安建筑科技大学i o q - j - 论文 信息家电应该是一种价格低廉、操作简便、实用性强、带有p c 主要功能的家电 产品。信息家电包括p c 、机顶盒、h p c 、d v d 、超级v c d 、无线数据通信设备、视 频游戏设备、w e b t v 、i n t e r n e 电话等等，所有能够通过网络系统交互信息的家电 产品，都可以称之为信息家电。目前，音频、视频和通信设备是信息家电的主要组成 部分。另一方面，在目前的传统家电的基础上，将信息技术融人传统的家电当中，使 其功能更加强大，使用更加简单、方便和实用，为家庭创造更高品质的生活环境。 ( 2 1传感器 远程家居智能管理系统中需要的传感器有红外人体探测器、烟雾传感器、温度传 感器、门磁开关、湿度传感器和煤气探测传感器。 ( 3 )仪表 远程家居智能管理系统中需要的仪表主要有电表、水表和天然气表。 2 5 远程家居智能管理系统中的软件结构 服务器软件 服务器用户接口 信息处理 服务器与客服务器与受 户端的网络控设备的网 接口络接口 基二 二二三二二 图2 4 远程家居智能管理系统中的软件体系结构 远程家居智能管理系统中的软件体系结构为软件系统提供了结构、行为和属性的 高级抽象。软件体系结构不仅指定了系统的组织结构和拓扑结构，并且显示了系统需 求和构成系统的元素之间的对应关系，提供了一些设计决策的基本原理，是构建于软 件系统之上的系统级复用。远程家居智能管理系统中的软件主要d i 四部分组成，如图 2 4 所示，分别是客户端软件、服务器软件、适配器软件和网络设备软件。 西安建筑科技大学硕士论文 2 5 1客户端软件 客户端软件是运行在客户端的软件，它包括了客，o 端的用户接口模块、信息处理 模块和客户端与服务器的网络接口模块。用户接口模块为用户提供了与系统交互的界 面，一方而，用户通过这些界面登陆服务器，向服务器查询家居系统中各种设备的状 态，并通过这些界面对这些设备进行控制；另一方面，也可以根据处理的指令向用户 反馈信息、做出提示，或发出警示信号。信息处理模块负责对用户的命令和网络来的 命令进行处理，然后再发给相应的用户接口模块或网络接口模块。网络接口模块负责 发送服务器向客户端发出的信息以及向服务器发送客户端发出的命令。 2 52 服务器软件 服务器软件包括服务器与客户端之间的网络接口模块、服务器与受控设备之间的 网络接口模块、信息处理模块以及服务器用户模块四部分。其中，服务器与客户端之 问的网络接口模块、服务器与受控设备之间的网络接口模块这两部分分别负责服务器 与客户端和服务器与受控设备问的信息交互。服务器与客户端之间的网络接口模块向 客户端发送信息，并接收客户端传来的命令；服务器与受控设备之间的网络接口模块 向受控没备发送命令，并接收受控设备传来的命令。信息处理模块负责处理服务器的 命令以及客户端和受控设备通过网络传来的信息。服务器用户接口模块接收系统管理 员发出的命令，这些命令经过信息处理模块的处理，分别发送给相应的客户端或受控 设备；同时，服务器用户接口模块还要接受信息处理模块传来的客户端和受控设备的 信息。 2 53 适配器软件 适配器软件包括适配器与非网络家用设备的接口模块、信息处理模块和适配器与 网络的接口模块三部分组成。信息处理模块分别处理网络和受控设备发送来的信息， 然后将处理过的信息再发送给相应的模块。适配器与非网络家用设备的接1 3 模块负责 接收非网络家用设备传来的信息并向信息处理模块传送这些信息，同时接收信息处理 模块发出的命令并传送给受控没备。适配器与网络的接口模块用来接收网络传来的命 令然后向信息处理模块发送这些命令，同时接收信息处理模块传来的受控设备信息， 然后向网络发送受控设备信息。 西安建筑科技大学硕士论文 25 4 网络设备软件 网络设备具备直接接入网络的功能，包含有已经实现了网络通信的软件，可以使 用其网络接口与之通信，不需要另行开发其上的软件。 2 6 小结 本章首先确立了远程智能家居管理系统的设计原则和要求以及系统应具有的功 能，然后在此基础上设计了系统的软硬件整体框架。在系统硬件框架设计中，介绍了 远程智能家居管理系统的网络逻辑结构和系统的硬件构成，在分析系统的硬件构成 中，我们着重讨论了系统中家庭内部网络的组网方式，对现有的几种可实现的组网方 式进行对比后，决定采用以太网进行组网。最后，对系统的软件结构进行了讨论。 西安建筑科技大学硕士论文 3 系统通信协议 本章分析了远程智能家居管理系统通信协议设计的总体目标与基本原则，据此没 计了本系统使用的部分通信协议帧的具体格式，然后说明了系统的通信状态。 3 1 总体目标与基本原则 3 1 1 总体目标 在获得受控设备的名称、类型、i p 地址后，用户可以通过客户端选择具体的功能 进行使用，即在物理上与受控设备进行连接。根据第二章的系统结构，整个系统从实 现角度来说，实际上是一个客户端通过服务器与多个受控设备进行连接，并且对各个 受控设备进行控制。客户端与服务端通过消息传递与应答机制进行信息交换，传递用 户命令、系统反馈等信息。本节就服务交互协议设计问题展开讨论。 在远程智能家居管理系统中，存在着许多不同类型的受控设备，而且对这些设备 所发出的控制命令彼此之间异构程度很高。另一方面，受控设备的硬件条件差别可能 也很大，计算能力、处理能力，以及接口速度可能有很大差距，要设计一套统一的交 互协议并不容易。 基于以上考虑，本文是在网络连接的基础上，采用简单字节码的交互协议满足系 统的实时性要求，并根据所传输的信息类型设计协议格式，这样服务的提供者能将更 多的计算资源用在服务逻辑的处理和信息传输上。 为实现此系统的需求，客户端软件与服务器软件之间需要制定一套通信和数据传 输协议。此协议是基于下层的网络连接和协议的一套应用层协议，主要用于传送设备 状态、控制命令等信息。7 。 3 1 2 基本原则 远程智能家居管理系统通信协议设计的基本原则是： ( 1 )简单高效：考虑到手机的计算能力及现有无线移动通信网络带宽的限制， 设计的这套协议应该用简单的信令实现高效的传输； ( 2 )设备无关性：实