基于Android平台的智能家居控制系统设计.pdf

分类号 u d c 密 级 金亚 学校代码 q 垒窆2 武多萎理歹犬穿 学位论文 英文 题目 t h ed e s i g no fs m a r th o m ec o n t r o ls y s t e m b a s e do na n d r i o dp 1 a t f o r m 研究生姓名 杨旭 教握一学位 指导教师单位名称盎墨墨三苤堂 邮编 申请学位级别 4 3 0 0 7 0 论文提交e l 期 q 生 旦论文答辩日期 q 生 旦 学位授予单位盛墨堡三盘鲎学位授予日期 答辩委员会主席 猫羔卜评阅人 盆二义丝l l 一 沙i 年f 月 j 独创性声明 本人声明 所呈交的论文是本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 也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 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作了明确的说 明并表示了谢意 签名 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留 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 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文 同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文 并向社会公众提供信息 服务 保密的论文在解密后应遵守此规定 黜雠 枷翩雠卜 瞒别忒u 摘要 随着生活水平的提高 现代普通家居的构成已经不能满足人们日益增长的 生活需求 家居的智能化是将来社会发展的必然趋势 智能家居是利用先进的 计算机 网络通信等技术将与家居生活有关的各个子系统有机的结合在一起 通过网络化综合智能控制和管理 实现家电设备智能化的目的 虽然智能家居 系统已有了成型的产品 但目前还存在诸多问题 具体表现在缺乏统一的行业 标准 产品设计缺乏人性化 功能华而不实 而且成本高 针对目前智能家居 系统存在的问题 设计一套具有解决以上问题能力的智能家居控制系统 本文首先研究了控制系统的架构及组成 根据系统架构以及要实现的功能 分别对目前市场流行的主控芯片 操作系统以及短距离无线通信方式作了分析 对比 并确定a r m l l 微处理器 a n d r o i d 操作系统以及z i g b e e 无线通信技术的 选型 选择三星公司的 3 c 6 4 1 0 芯片为主控制器 并根据系统需求设计扩展了 底层板 开发了底层接口如串口的驱动程序 选择c c 2 5 3 0 这款芯片来实现本控 制系统的控制终端与底层家电设备之间的z i g b e e 无线通信 本文阐述了a n d r o i d 操作系统在 3 c 6 4 1 0 硬件平台上移植的全过程 并以 a n d r o i d 系统为软件平台 开发了环境采集 智能照明 智能家电 智能遥控 智能娱乐和智能安防六个功能模块的上位机界面应用程序以及基于z i g b e e 技术 的控制终端应用程序 并完成了程序的编译和调试 针对系统要实现的功能 设计了底层家电设备的控制电路 包含环境采集电路 开关控制电路 p w m 调光 电路以及红外报警电路 并分别对这些电路的执行控制器进行了程序设计 用 来响应控制终端的命令 该系统还设计了g s m 通信电路 用于实现控制终端与 用户手机之间的短信通信功能 本文成功搭建了控制系统硬件平台 开发了基于a n d r o i d 平台的智能家居 控制系统u i 界面应用程序 并完成了z i g b e e 终端节点控制器程序设计 实现 了控制终端与节点控制器的通信 系统设计的六大模块涵盖了大部分家电设备 可以初步解决目前智能家居系统存在的主要问题 基本上实现了对家电设备的 控制和管理功能 关键词 智能家居 s 3 c 6 4 1 0 芯片 a n d r o i d 操作系统 z i g b e e 技术 a b s t r a c t a sl i v i n gs t a n d a r d si m p r o v e t h em o d e mo r d i n a r yh o u s e h o l dc o m p o s i t i o nh a s b e e nu n a b l et om e e tt h eg r o w i n gn e e d so fl i f ea n ds m a r th o m ei st h ei n e v i t a b l et r e n d o ft h es o c i e t yi nt h ef u t u r e s m a r th o m ei st h eu s eo fa d v a n c e dc o m p u t e ra n dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw i l lw o r kw i t hh o m el i f ef o rt h ev a r i o u ss u b s y s t e m s t o g e t h e ro r g a n i c a l l y t h r o u g ht h en e t w o r ko ft h ei n t e g r a t e di n t e l l i g e n tc o n t r o la n d m a n a g e m e n t t o a c h i e v et h ep u r p o s eo fi n t e l l i g e n ta p p l i a n c e s a l t h o u g ht h es m a r t h o m es y s t e mh a sam o l d e dp r o d u c t b u tt h e r ea r es t i l lm a n yp r o b l e m ss p e c i f i c a l l yi n t h el a c ko fu n i f o r mi n d u s t r ys t a n d a r d s f o re x a m p l e p r o d u c td e s i g n i n gi sl a c ko f h u m a n i t y f e a t u r e sf l a s h ya n dw i t hh i g hc o s t t os o l v es h e s ep r o b l e m s w es h o u l d d e s i g nas m a r th o m ec o n t r o ls y s t e r mw i t c hh a s t h ea b i l i t yt os o l v es h e s ep r o b l e m s a tf i r s t t h i sp a p e rd e s i g n st h ea r c h i t e c t u r ea n dc o m p o s i t i o no ft h ec o n t r o l s y s t e m o nt h eb a s eo ft h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dt h ef u n c t i o n sw h i c h a r et or e a l i z e i ta n a l y z e st h ep o p u l a rm a s t e rc o n t r o lc h i pi nm a r k e t t h eo p e r a t i n gs y s t e m a n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d eo fs h o r td i s t a n c e a tt h es a m et i m e t h ea r m 11 m i c r o p r o c e s s o r t h ea n d r o i do p e r a t i n gs y s t e ma n dt h es e l e c t i o no fz i g b e ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya r es e l e c t e dt ob ea p p l i e di n t ot h es y s t e m s p e c i f i c a l l y t h ec h i p 3 c 6 410f r o ms a m s u n gi se m p l o y e da st h em a s t e rc o n t r o l l e rt oe x p a n dt h e b o t t o mp l a t ea c c o r d i n gt os y s t e mr e q u i r e m e n ta n dd e v e l o pt h ed r i v i n gp r o g r a mo f l o w e rl a y e ri n t e r f a c e e g s e r i a lp o r t i na d d i t i o n t h ec h i pc c 2 5 3 0i se m p l o y e dt o i m p l e m e n tt h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec o n t r o lt e r m i n a lo fs y s t e m a n dl o wl a y e rh o m ea p p l i a n c ee q u i p m e n t s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et r a n s p l a n t a t i o np r o c e s so fa n d r o i do p e r a t i n gs y s t e mi n 3 c 6 4 1 0h a r d w a r ep l a t f o r m m o r e o v e r o nt h ea n d r o i ds y s t e ms o f t w a r ep l a t f o r m s i x u p p e ri n t e r f a c ea p p l i c a t i o n sa r ed e v e l o p e d f o ri n s t a n c e t h ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n i n t e l l i g e n tl i g h t i n g i n t e l l i g e n t h o m ea p p l i a n c e s i n t e l l i g e n tr e m o t ec o n t r o la n d i n t e l l i g e n ts e c u r i t y i n t e l l i g e n t e n t e r t a i n m e n t a n dt e r m i n a lc o n t r o la p p l i c a t i o n p r o g r a mb a s e do nz i g b e et e c h n o l o g yi sd e v e l o p e d c o m p i l e da n dd e b u g g e da sw e l l a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n sw h i c ha r et ob er e a l i z e d t h ec o n t r o lc i r c u i to fl o wl a y e r u h o u s e h o l de q u i p m e n t si sd e s i g n e d i n c l u d i n gi n f o r m a t i o na c q u i s i t i o nc i r c u i t s w i t c h c o n t r o lc i r c u i t p w md i m m i n gc i r c u i ta n dt h ei n f r a r e da l a r mc i r c u i t a tt h es a m et i m e a l lt h ep r o g r a mo ft h o s ec i r c u i t s e x e c u t i o nc o n t r o l l e r sa r ed e s i g n e dt or e s p o n s et ot h e c o m m a n df r o mc o n t r o lt e r m i n a l b e s i d e s i nt h i sp a p e r b yt h es i m p l er e s e a r c ho nt h e g s mm o d u l e t h es y s t e mi m p l e m e n t st h es m sc o m m u n i c a t i o n sf u n c t i o n sb e t w e e n c o n t r o lt e r m i n a lo fc o n t r o ls y s t e ma n du s e r s p h o n e s w h i c hc a nn o t i c et h eh o u s e h o l d t h ef i r s tt i m ew h e na b n o r m a ls i t u a t i o nh a p p e n s t h i sa r t i c l es u c c e s s f u l l yb u i l tt h ec o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r m d e v e l o p e d t h eb a s e da n d r i o i d p l a t f o r m f o rs m a r th o m ec o n t r o l s y s t e m u ii n t e r f a c e a p p l i c a t i o n a n dc o m p l e t e dt h ez i g b e et e r m i n a ln o d ec o n t r o l l e rp r o g r a md e s i g na n d a c h i e v ei m p l e m e n t a t i o na n dc o n t r o lt e r m i n a ln o d ec o n t r o l l e rc o m m u n i c a t i o n s s y s t e m d e s i g n ss i xm o d u l e sc o v e r i n gm o s th o u s e h o l de l e c t r i c a le q u i p m e n t t h i sc a ni n i t i a l l y r e s o l v et h ec u r r e n ts m a r th o m es y s t e mo ft h em a i np r o b l e m sa n db a s i c a l l yr e a l i z e d t h ea p p l i a n c e sc o n t r o la n dm a n a g e m e n tf u n c t i o n s k e y w o r d s s m a r th o m e 3 c 6 4 10c h i p a n d r o i do p e r a i o ns y s t e m z i g b e e t e c h n o l o g y i i i 目录 第1 章绪论 1 1 1 智能家居概述 1 1 2 研究背景及意义 2 1 2 1 研究背景 2 1 2 2 研究意义 3 1 3 国内外研究现状与发展趋势 3 1 3 1 国内外研究现状 4 1 3 2 发展趋势 5 1 4 主要研究内容 6 第2 章智能家居控制系统架构及方案设计 7 2 1 智能家居控制系统需求分析 7 2 1 1 功能需求 7 2 1 2 性能需求 8 2 2 智能家居控制系统方案设计 8 2 2 1 智能家居控制系统整体架构 8 2 2 2 智能家居控制系统方案选型 一9 2 3 智能家居控制终端架构 1 2 2 3 1 中央控制器 1 3 3 3 2g s m 模块电路 1 4 2 3 3 音频模块电路 1 5 2 3 4c c 2 5 3 0 通信电路 16 2 4 智能家居节点控制电路设计 1 7 2 4 1 开关控制电路 l8 2 4 2p w m 调光电路 1 9 2 4 3 环境检测电路 2 0 2 4 4 红外报警电路 2 0 2 4 本章小结 2 1 第3 章a n d r o i d 操作系统移植 2 2 3 1a n d r o i d 系统概述 一2 2 i v 3 1 1a n d r o i d 操作平台 2 2 3 1 2a n d r o i d 应用开发架构 2 2 3 1 3a n d r o i d 开发环境搭建 2 4 3 2a n d r o i d 操作系统移植 2 4 3 2 1b o o t l o a d e r 的移植 o0 qq 2 4 3 2 2a n d r o i d 内核的移植 2 7 3 2 3a n d r o i d 文件系统的构建 2 8 3 3 本章小结 一2 9 第4 章智能家居控制系统软件设计及测试结果 3 0 4 1 控制终端程序设计 3 0 4 1 1 基于z i g b e e 协议的应用程序设计 3 0 4 1 2 控制终端串口通信程序设计 3 5 4 1 3 娱乐应用软件程序设计 3 6 4 1 4 远程控制及报警模块程序设计 3 9 4 2 节点控制器程序设计 4 1 4 2 1 开关控制程序设计 4 l 4 2 2p w m 调光程序设计 4 2 4 2 3 环境检测程序设计 4 3 4 2 4 红外监控程序设计 4 5 4 3 实验测试结果 4 6 4 4 本章小结 4 7 第5 章总结及展望 5 0 5 1 总结 5 0 5 2 展望 5 0 致谢 5 2 参考文献 5 3 附录智能家居控制系统实物图 5 5 v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章首先介绍智能家居的概念 主要从研究背景 研究意义以及国内外发 展现状等方面了解智能家居系统 针对目前智能家居系统存在的问题以及今后 的发展趋势 设计了一套基于a n d r o i d 平台的智能家居控制系统 本章还简单介 绍了系统要完成的任务以及本文的组织结构 1 1 智能家居概述 智能家居 s m a r th o m e 又称智慧家居或智能住宅 l 它是以用户住宅为 平台 利用先进的计算机技术 通信技术和控制技术等 将与人们生活密切相 关的子系统如照明系统 家电控制系统 安防系统 娱乐功能等相结合 再通 过网络化 智能化的管理与控制 建立一个由住宅安全 网络信息服务和家庭 设备自动化系统组成的安全 便利 舒适的家庭综合管理与服务系统 使得用 户的生活发生 质 的改变 实现科技和便民的全面协调发展 智能家居与普通家居相比 除了具有传统的居住功能以外 2 还可以为人们 提供舒适 便利 安全的生活空间 它将被动 静止的家电设备转变成具有能 动性的智能家电 使其具有开放性 可靠性 实用性和可扩展性 另外 智能 家居系统还可更好地与外界保持畅通的信息通道 智能家居系统要实现的基本 目标是将各种家电设备和装置 通过某种方式连接到一起 以实现异地 实时 的监控 保持家电设施与家庭环境的协调 其特点有 传输速度快 能实现小 区多通道功能 传输路线简单以及组网方便等 智能家居的研究已经历一段时间了 传统的智能家居系统一般由家庭主机 手持终端 家庭智能网关及家用设备构成的内部网络组成 3 其结构如图1 1 所 示 本文以传统的智能家居系统结构图作为参考 引出本智能家居系统中控制 终端的概念 并讨论节点控制器的执行过程以及控制终端与节点控制器之间的 通信问题 武汉理工大学硕士学位论文 图1 一l 传统智能家居系统结构图 控制终端是指能够控制一套设备或者几套设备的终端控制器 4 遥控器曾作 为一项重要发明 给人们的生活带来便捷 但每一种家电设备都有自己专用的 遥控器 随着家电设备逐渐增多以及人们对家居生活要求的逐步提高 遥控器 的管理和使用出现了越来越多的不便 为了解决这些不便 本系统设计了一个 控制和管理底层家电设备的控制终端 通过控制终端 可以发送命令控制家电 设备的运行 查询系统中的任一设备运行状态 这样来实现对智能家居中所有 家电设备全面化的管理与控制 可见 控制终端是智能家居系统中不可或缺的 一部分 1 2 研究背景及意义 1 2 1 研究背景 随着生活水平的逐步提高 人们不仅对物质水平有更高的要求 而且对精 神层面的追求也日益提高 人们对现代家庭的理解和要求已经远远超过了当今 的家庭模式标准 智能住宅的理念已经成了人们追求高档生活的重要组成部分 在快速发展的当今社会中 计算机 网络 信息等先进的科学技术已经应用到 了人们生活的每一个角落 以前只在科幻小说中出现的仅仅只需一个遥控器就 武汉理 大学硕士学位论文 可以基本控制所有家电设备的情景已经不再是人们的幻想 人类正在利用自己 的聪明才智努力去实现这种高科技 高水平的生活模式 而这种生活模式也正 刺激着人们的欲望 更激励着科技工作者提高技术水平 更好的推动科技的进 步和发展 目前智能家居正朝着具备无线远程和近程控制相结合 多媒体与游戏娱乐 功能于一身 快速便利的家电控制等功能的方向发展 其核心技术为扩展性强 的智能家居控制器和满足信息传输快而准需要的家庭信息网络 5 1 现代普通家居 的构成已经不能满足人们日益增长的生活需求 同时 住宅的空间大小 装修 的豪华程度也不再是人们所追求的唯一标准 相反 舒适 便利 智能 安全 已然成为了人类生活追求的新标准 这无疑将推动智能家居的发展达到一个新 的高潮 1 2 2 研究意义 在全球步入智能化发展大趋势的今天 我国各大城市也紧随世界大潮 相 继启动智慧城市建设的规划 一直以来 我国注重节能减排和绿色建筑的建设 和发展 而由于绿色建筑在住宅智能化的合理规划 最大限度节约能源等方面 的显著优势 必然将在我国得到进一步的推广 所以铺设智能化系统所需新设 备的市场需求就非常大 这将使我国 智能家居系统 必在 智能化住宅 的 框架的基础上形成一个新型i t 产业 而这一切必将深远的影响着未来几年 甚 至几十年我国房地产的健康有序发展 6 作为智能家居系统的核心 智能家居控制系统功能的完善性必将推动住宅 智能化的快速发展 而功能集成化 使用便捷化 市场平民化将成为智能家居 控制系统的发展趋势 绿色化也将逐步成为系统发展的一个重要方向 最终 所有家事杂物都将囊括到智能家居控制系统中来 达到让人们能真正享受舒适 便捷 温馨家庭生活的目的 综上所述 设计一个符合国情和行业规范的集远 程控制和本地控制于一体的智能家居控制系统是非常具有现实价值和意义的 1 3 国内外研究现状与发展趋势 智能家居的概念和构想起源很早 但一直没有具体成熟的案例出现 直到 武汉理 大学硕士学位论文 1 9 8 4 年美国出现世界上第一个智能家居的建筑案例以后 智能家居才逐步步入 实用阶段 随后 又传播到了欧洲 日本等国 并从此揭开了智能家居建造的 序幕 1 3 1 国内外研究现状 国外对智能家居系统的研究较早 在一些发达的国家中发展较快 面对智 能家居系统的巨大市场前景和发展潜力 许多知名企业也都跃跃欲试 跻身到 这个市场中来 并推出了属于自己品牌的智能家居系统 7 1 a m x 公司 其智能 家居系统方案已被美国白宫 国家安全和太空总署接纳使用 它具有较强的可 靠性和美观性 几乎可以满足任何家庭的需要 世界领先的自动化系统制造厂 商c r e s t r o n 不仅提供视频和音频的控制方案 还提供了电脑和环境的解决办法 常常被应用于教室 会议室 礼堂等公共场所 美国海益 h a l 在1 9 8 5 年提 高了家庭自动化的标准 同时逐步成为业内领军人物和创新者 之后 h a i 公 司就专注这方面的研发 生产出了第一个英特网通路和家庭控制产品 日本松 下公司提出了主要用于养老院的 数码家园 概念 将配备的测量仪器 摄像 机等安装到养老院的每一个房间 并将其接入局域网 每位老人的各项生理指 标都可以通过远程医疗监测设备进行监测 我国对智能家居的研究起步相对较晚 智能家居的概念是随着 物联网 概念的提出而提出来的 引 目前 我国已有的家庭信息处理平台可大致分为三类 第一类基于机顶盒技术 第二类是家庭网关 第三类是拥有自主知识产权的软 组合家庭信息平台 以软组合方式与家用电器 音像设备 照明装置 上网装 置 卫星接收装置 安防装置以及扩展接口等结为一体 它具有机顶盒或电脑 接口 若与机顶盒连接就兼有第一类平台的功能 若与电脑相连就兼有第二类 平台的功能 在国家的大力支持和各大公司的积极努力下 智能家居行业逐渐 形成 在市场上已经打出了自己的智能家居系统产品品牌 1 e 家庭 海尔 该系列产品分别以海尔电脑 各种网络家电和海尔移 动电话作为控制中心 终端设备和移动数字控制中心 海尔公司在技术上与微 软进行合作 将微软的w i n d o w sm e 技术与本公司的网络家电相结合 已经推出 了一系列网络家电 使 e 家庭 初具雏形 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 数字家园 清华同方 该智能家居按照国际技术标准 专门为中国 家庭设计 采用嵌入式的硬件 软件技术 该产品在国外已经成熟的智能家居 标准的基础上 主要开发功能模块 1 3 2 发展趋势 虽然智能家居在国内外的发展迅速 并且都有着各自的代表品牌和成型产 品 但透过这种繁荣的现象 我们仔细分析其本质 可以发现智能家居的发展 仍然存在着诸多问题 9 目前国内智能家居的厂商规模不一 产品质量参差不齐 严重影响了用户对智能家居行业的信任 由于行业缺乏统一标准 导致各厂商 的产品相互不兼容 与其他住宅设备互通性差 通信协议不统一 产品设计缺 乏人性化 功能华而不实 操作大多较为复杂 且功能和性能还不完善 使得 潜在客户顾虑重重 目前智能家居相比普通家用设备价格普遍偏高 这严重影 响了智能家居的普及 目前智能家居的发展方向是远近程控制相结合 多种功能集一身 信息传 递快而准 智能家居发展趋势将体现在以下几个方面 标准化 虽然智能家居 不可能完全统一标准 但只有走标准化之路 才能打破当前行业混乱的局面 促进行业规范有序发展 节能和便利性 为响应当前社会要求 智能家居必须 注重节能环保 给用户带来方便和实惠 重视系统安全 智能家居的一大优势 是让家电设备互联 实现由控制终端的统一控制 增强便利性 提升兼容性 智能家居系统的设计必须考虑本系统与其他产品的兼容性 能够识别和管理其 他设备 同时能实现更新和升级 本智能家居控制系统是针对上述问题设计的 提出基于a n d r o i d 平台的智能 家居控制系统设计思想以及应用z i g b e e 无线通信技术来达到产品的统一化标 准 由于a n d r o i d 操作系统具有良好的u i 交互界面 l0 1 并且使用a n d r o i d 构建 的系统免去了专用操作系统的授权费 大大降低了开发成本 随着a n d r o i d 系统 的通信设备不断的占有市场 几乎达到垄断之势 基于a n d r o i d 平台的智能家居 控制系统一旦上市 必将会引领智能家居设备迈向 智慧化 的阶段 这势必 会促使控制终端实现快速发展 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 主要研究内容 本文的核心工作是设计一个基于a n d r o i d 平台的智能家居控制系统 主要完 成以下工作 1 搭建基于a r m 微处理器的控制终端平台 实现a n d r o i d 操作系统在 a r m 硬件平台上的移植 2 完成基于a n d r o i d 平台的智能家居控制终端界面应用程序开发 3 完成基于z i g b e e 协议的程序设计 应用z i g b e e 技术实现控制终端与 节点控制器的无线通信 4 设计节点控制电路 完成节点控制器的程序编写 实现对家居设备的 智能化控制 本文章节安排如下 第1 章 论文的绪论部分 主要介绍智能家居系统及其研究背景 国内外 现状与发展趋势以及本文的主要工作和组织结构 第2 章 根据系统的特点 分析系统功能和性能需求 设计出控制系统的 架构 提出并选择合适的智能家居控制系统的总体设计方案 第3 章 对a n d r o i d 操作平台及其运行环境进行研究 重点完成a n d r o i d 平 台的移植工作 第4 章 设计智能家居控制终端界面 完成a n d r o i d 应用程序的开发及节 点控制器的软件编程 并进行结果展示 第5 章 对本文进行认真总结 归纳本文的创新点 并对本智能家居控制 系统未来的改进进行展望 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章智能家居控制系统架构及方案设计 本章围绕智能家居这个物联网应用实例 设计了一套合理的智能家居控制 系统方案 通过对智能家居系统控制终端的需求分析和性能分析 结合目前智 能家居的发展现状及发展趋势 确定了控制系统的最终构架 对设计方案进行 分析 列举目前控制终端中所用芯片及系统 通过对比最终确定了系统中硬件 主控芯片选型 软件操作系统选型以及无线通信方式的选型 还设计了节点控 制电路 用以实时响应控制终端发出的命令 2 1 智能家居控制系统需求分析 2 1 1 功能需求 该智能家居控制系统是集查询控制 信号传输 人机交互等多功能于一体 的控制系统 它主要具备如下功能 1 信息采集系统 信息采集系统可以实时的采集住宅里面各种环境参数 并显示在控制终端界面上 2 智能照明系统 用户可通过操作控制终端对整间房的灯光进行智能控 制 实现照明系统的开关及亮度调节功能 3 智能家电系统 采用弱电控制强电的方式 对在家里家电设备等进行 管理 确保各种家电设备的智能安全使用 4 智能安防系统 用户可以根据自己的需求 设定报警装置 在外出 家里没人的情况下打开报警系统 当主人在家时 解除警报 防止报警装置误 报 5 智能娱乐系统 1 2 用户通过控制终端来控制住宅中的音响设备 达到 智能娱乐的目的 6 智能遥控系统 用户通过控制终端的遥控界面控制家电设备 用户可 武汉理工大学硕士学位论文 以用一个控制终端实现多台家电设备的控制 2 1 2 性能需求 针对目前智能家居在发展中存在缺乏统一行业标准 产品设计缺乏人性化 功能华而不实以及成本高等问题 需设计出一个能解决以上问题的智能家居控 制系统 它应具备以下特点 1 可靠性 可靠性是一个系统最基本的要求 由于本控制系统是智能家 居系统的核心 而且是由弱电控制强电 1 3 所以对可靠性要求较高 必须在运 行过程中考虑到可能发生的各种故障 且一旦发生故障后 它应具有良好的故 障报警能力和及时的故障排除能力 2 可动态配置 各个家庭住宅的面积和装饰情况不尽相同 并且对智能 家居设备的数量 功能要求等方面都会有所差异 因此在设计控制终端时要考 虑到每个家庭的差异性 其功能和界面配置要可实现动态配置 针对不同的家 居环境生成不同的控制界面 3 易操作 智能家居控制系统设计的出发点就是以用户为中心 作为该 系统中人机交互部分 控制界面必须具有清晰的结构 简单容易上手的操作方 法 并且还要简单 直观 使用户容易接受 4 可扩展性 控制终端必须具备可扩展的能力 随着社会的进步 技术 的发展 用户对功能的需求会不断提高 所以控制终端应具有可扩展性 不断 升级使其不会被淘汰 l 4 1 5 低成本 智能家居能否普及到每家每户关键的因素就是成本问题 如 果智能家居产品的成本低 在用户能接受的范围内 那么就更容易得到普及 从而加快智能家居的发展 使其朝着更加智能化 成本更加低廉的方向发展 2 2 智能家居控制系统方案设计 2 2 1 智能家居控制系统整体架构 本智能家居控制系统是结合了传统智能家居控制系统的特点 将传统的手 武汉理工大学硕士学位论文 持终端与智能家居网关相结合 所设计出的一款多功能智能家居控制终端 具 有多种控制方式 能实现家电设备的全方位控制 其智能家居控制系统整体 架构图如图2 1 所示 图2 1 智能家居控制系统整体架构图 该智能家居控制系统由如下几部分组成 信息采集系统 智能照明系统 智能家电系统 智能遥控系统 智能安防系统 智能娱乐系统 该智能家居控 制系统设计了两种控制底层家电设备的方法 即直接通过t f t 液晶触摸屏进行 u i 交互实现控制 通过手机和控制终端进行远程通信 1 6 1 实现对节点控制器的 远程控制 其中智能娱乐系统不是通过z i g b e e 无线通信技术实现的 而是采取 综合布线技术来实现其控制功能的 本智能家居控制系统以第一种控制方式为 主来阐述该控制系统的组成以及控制的方法 2 2 2 智能家居控制系统方案选型 1 主控芯片选型 目前在嵌入式领域 a r m 微处理器是现在嵌入式系统中应用最广泛并且性 价比最高的处理器芯片 1 7 无疑已成为主流选择 根据本智能家居控制系统的 可靠性和可扩展性需求以及当前a r m 微处理器应用的广泛程度 本文选择 9 武汉理工大学硕士学位论文 a r m l l 微处理器作为硬件平台的中央处理器 其常见几种a r m 微处理器性能 比较表见表2 1 表2 1 常见几种a r m 微处理器性能比较表 基于以上比较 可以看出a r m l l 处理器在代码的执行效率 数据处理能力 以及安全性能上都具有很大优势 a r m1 l 系列微处理器是新一代的r i s c 处理 器 是新型a r m 指令架构a r m v 6 的第一次实现 它的架构选择是最新的 增 强的c a c h e 结构 具有八级流水线 与其它的处理器相比有很大的提高 其次 它具有更低的损耗 更快的时钟速率 这两项参数都是明显优于其他处理器的 同时这也是研究设计者需要考虑的非常重要的参数依据 再者 它的主流模块 很多 选择性好 同时模块的适应性强 工作性能高 2 软件平台选型 随着人们对智能家居系统需求的不断提高 控制终端的图形用户界面是否 方便逼真 对用户能否接受它有很直接的影响 因此其图形界面的设计在满足 可靠性的同时还必须具备易操作 低成本等特点 所以必须为该控制系统选择 一个良好的软件平台 1 8 嵌入式操作系统是软件平台的重要组成部分 目前开 发出的嵌入式操作系统产品种类繁多 以下介绍几种常用的嵌入式操作系统并 分析其优缺点 常见嵌入式操作系统比较表见表2 2 武汉理工大学硕士学位论文 w i n d o w sc e v x w o r k s 嵌入式l i n u x 可以兼容w i n d o w s 系列3 2 位系 统 多线程并且多任务 采用了 模块化的设计 用c 语言编写 良好的可靠性 卓越的实时性 可裁减性 广泛地应用在通信 军事 航空 航天等高精尖技术 及实时性要求极高的领域中 免费的源码开放操作系统 内核 简单 性能高 稳定 具有实时 性 可裁剪性 支持多体系结构 源码不开放 内核较大 占 用的系统内存多 设备的驱 动提供的还远远不够 该操作系统是专有的 价格 很高 需要专门的人员对其 进行维护 每个应用都需要 收税 保密性不强 不能用于机密 场合 通过上表的优缺点比较 本文选定嵌入式l i n u x 操作系统作为软件系统 嵌 入式l i n u x 的优点在于其内核简单 性能高 稳定 同时具有实时性和可裁剪性 价格便宜 结构灵活可在不同的c p u 上进行使用 并且支持很多体系结构 而 a n d r o i d 操作系统是l i n u x 操作系统最受欢迎的一个版本 它的源码完全开放 给开发者节省了大量工作 并且a n d r o i d 系统从诞生到现在经历了一个非常迅猛 的发展 在目前的手机市场 a n d r o i d 系统占领了相当大的市场份额 目前 国内智能家居行业还处于起步的初级阶段 在软件系统的使用上面还没有一个 统一的标准 如果把a n d r o i d 操作系统应用在智能家居的控制终端上 必将实现 国际标准的统一 1 9 综上所述 a n d r o i d 操作系统是本智能家居控制系统软件的 最佳选择 3 无线通信方案选型设计 由于控制终端和节点控制器的距离比较近 因此它们之间的通信可以选择 一种短距离的无线通信技术作为通信桥梁 2 0 1 从而实现通信达到控制的目的 当下来看 短距离无线通信技术主要有五种 它们分别是超宽带通信技术 u w b 近场通信技术 n f c 无线局域网w i f i 技术 蓝牙技术以及红外通信和 z i g b e e 技术 而常用的几种短距离无线通信技术为w i f i 技术 蓝牙技术以及 z i g b e e 技术 常用短距离无线通信技术对比表如表2 3 所示 武汉理工大学硕士学位论文 由上表可知z i g b e e 技术 1 3 蓝牙技术以及w i f i 技术他们有着共同的特点 即传输的距离比较短 所以都只适合短距离传输 但z i g b e e 技术相对与蓝牙技 术与w i f i 技术而言 其优势是非常明显的 其传输距离更远 使用寿命更长 不仅如此 z i g b e e 技术成本低 功耗低 可以即插即用还具备组网功能 z i g b e e 是一个低功耗个域网协议 是一种短距离的无线通信技术 它的协 议符合i e e e 8 0 2 1 5 4 标准 2 一般可工作在全国流行的2 4 g h z 欧洲流行的 8 6 8 m h z 和美国流行的9 1 5 m h z 三个频段上 其最高速率分别为2 5 0 k b i t s 2 0 k b i t s 和4 0 k b i t s 其传输距离一般在1 0 7 5 m 之间 作为远程控制领域和自动 控制领域的无线通信领先者 z i g b e e 具有低功耗 低成本 延时短 网络容量 大以及安全可靠等特性 2 3 智能家居控制终端架构 本智能家居控制终端主要作为一个人机交互接口 2 2 1 能实现以下功能 实 时采集住宅里面的环境参数 控制家电设备的开关 对住宅的安全进行监控以 及提供高品质的生活娱乐 智能家居控制终端连接图如图2 2 所示 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 智能家居控制终端连接图 本智能家居控制终端实现控制的方式如下 用户通过u i 界面点击界面控件 后台服务程序将此 行为 通过解析 将相应的命令传给协调器 协调器将传 过来的代码进行解析 然后传给指定节点 节点控制器接收到命令后对家电设 备执行相关动作 从而实现对家电设备的控制 该连接图中 音响与控制终端 直接连接 主要用于系统的娱乐功能上 而手机也通过g s m 间接连接到控制终 端 当安防系统监测到异常时 可以通过控制终端直接发送短信给户主 起到 安全防护的作用 2 3 1 中央控制器 基于系统的可靠性及今后控制系统的可扩展性考虑 本控制终端选取了 a r m l l 系列微处理器中较为常用的 3 c 6 4 1 0 处理器芯片 其主频可以达到 5 0 0 m h z 以上 控制终端中央控制器硬件结构图如图2 3 所示 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 控制终端中央控制器硬件结构图 由上图可知 本控制器采用的控制核心为三星公司的 3 c 6 4 1 0 芯片 在外 部扩展了n a n df l a s h d d rr a m j t a g 按键等基本的功能外设和调试工具 另外 针对本系统需要实现的功能 控制器还扩展了触摸屏 音频模块 g s m 模块 u a r t 等设备或相应接口 便于扩展连接相应的功能模块来实现系统所需 的功能 以上各模块共同组建了一个基于a r m l l 的a n d r o i d 系统可运行的终端 控制器核心硬件系统 3 3 2g s m 模块电路 本控制终端为了满足在安防系统异常时能及时通知户主 达到智能安防的 目的 设计了g s m 通信模块电路 g s m 属于第二代蜂窝通信技术 它支持语 音 短信息以及网络通信功能 是现在应用极为广泛的一种通信制式 很多公 司推出了专用g s m 模块 此模块具备g s m 通信的各种功能 并且提供通用通 信接口 方便开发 本系统采用了西门子公司生产的t c 3 5 模块 1 9 t c 3 5 模块 主要由供电模块 闪存 g s m 基带处理器 g s m 射频模块 z i f 连接器 天线 接e l 六部分组成 作为t c 3 5 的核心 处理器主要处理g s m 终端内的语音 数 据信号 在不需要额外硬件电路的前提下 可支持f r h r 和e f r 语音信道编 码 由于在本系统的应用中 g s m 模块的功能是通过手机短信的方式对智能家 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 居控制终端中央控制器进行访问操作 而不需要使用语音和其他功能 因此此 模块的连接也相对简单 中央处理器通过串口对t c 3 5 模块进行操作 t c 3 5 模 块功能框图如图2 4 所示 2 3 3 音频模块电路 图2 4t c 3 5 模块功能框图 本系统的中央控制器具有音频处理的功能 在设计中选用芬兰v l s i 公司生 产的单芯片m p 3 w m a 音频解码芯片v s l 0 0 3 b 该芯片具有一个高性能低功耗 的d s p 处理器核 v s l 0 0 3 是一款专用的音频处理芯片 可以对m p 3 w m a 音 频解码播放 同时也可以录音通过控制器存储 使用此款音频芯片能大大减小 处理器在音频软解码上的占用 提高系统整体的工作效率 音频处理电路如图 2 5 所示 武汉理 大学硕士学位论文 2 3 4c c 2 5 3 0 通信电路 图2 5 音频处理电路 作为智能家居控制终端与节点进行通信