基于物联网的智能家居控制系统的设计与实现硕士论文.pdf

分类号 密级 u d c 编号 学位论文 基于物联网的智能家居控制基于物联网的智能家居控制 系统的设计与实现系统的设计与实现 赵国政 指导教师姓名 石陆魁副教授河北工业大学 申请学位级别 硕士学科 专业名称 计算机应用技术 论文提交日期 2011 年 11 月论文答辩日期 2011 年 12 月 学位授予单位 河北工业大学 答辩委员会主席 评阅人 2011 年 11 月 dissertation submitted to hebei university of technology for the master degree of computerapplied technology designdesigndesigndesignandandandand implementimplementimplementimplement ofofofofthethethethe smartsmartsmartsmarthomehomehomehome controlcontrolcontrolcontrol systemsystemsystemsystem basedbasedbasedbased onononon thethethethe internetinternetinternetinternet ofofofofthingsthingsthingsthings by zhao guozheng supervisor vice prof shi lukui november 2011 原创性声明原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 进行研究工作所取得的成 果 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的 已公 开发表或者没有公开发表的作品的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体 均已在文中以明确方式标明 本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担 学位论文作者签名 日期 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 同意如下各项内 容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本 学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务 学校有权按有关规定向国家有关部门或者 机构送交论文的复印件和电子版 在不以赢利为目的的前提下 学校可以适当复制论文的 部分或全部内容用于学术活动 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 日期 导师签名 日期 河北工业大学硕士学位论文 i 基于物联网的智能家居控制系统的设计与实现基于物联网的智能家居控制系统的设计与实现 摘摘要要 近年来 随着嵌入式 物联网 自动化等技术深入人们生活的各个领域 智能家居控 制系统逐渐被人们所认可 而目前智能家居行业还没能得到充分的发展 智能家居系统存 在智能设备不断增多导致难以管理的问题 基于物联网的智能家居 表现为利用信息传感 设备 将与家居有关的子系统结合起来 并于互联网连接 进行监控和管理 实现家居智 能化 本文从应用的角度出发 在研究国内外智能家居控制系统的现状和物联网技术的基础 上 提出了基于物联网的智能家居控制终端的设计和实现方法 包括终端的总体设计方案 关键技术的研究 硬件及软件的设计和产品的实现等内容 总体方案设计部分给出了智能 家居控制系统的需求分析 并对自身的系统结构和各模块进行了划分 关键技术部分介绍 了三种网络技术 包括基于 rs 485 总线的控制技术 以太网远程监控技术和基于 gprs 远程报警技术 硬件设计中分别介绍了系统核心处理器部分的设计和相关网络技术的设 计 软件设计中介绍了系统中使用的具有实时内核的 rtx 系统 通信协议的制定 软件的 设计框架以及程序运行流程 产品的实现主要描述了智能家居控制系统的实现 以及对系 统的调试和测试等 本文完成了系统的硬件设计和软件设计 实现了一款基于物联网的智能家居控制系 统 本系统具有较低的设计成本和较高的使用价值 具备多类型的智能家电设备的互联控 制 多样化的系统远程监控和可靠的系统报警等功能 实验结果表明整个系统具有良好的 通用性和可扩展性 体现了嵌入式系统在成本 功耗 性能上的独特优势 具有广阔的应 用前景 关键词 关键词 物联网 智能家居 arm rs 485 以太网 gprs 基于物联网的智能家居控制系统的设计与实现 ii designdesigndesigndesignandandandand implementimplementimplementimplement ofofofofthethethethe smartsmartsmartsmarthomehomehomehome controlcontrolcontrolcontrolsystemsystemsystemsystem basedbasedbasedbased onononon thethethethe internetinternetinternetinternet ofofofofthingsthingsthingsthings abstractabstractabstractabstract in recent years with the embedded processor the internet of things automation technology in depth people s lives the smart home control system has been gradually recognized at present the smart home industry can not be fully developed so that there is a problem for the smart home system which makes it difficult to manage because of intelligent device growing the smart home system based on internet of things can achieve intelligent home through the use of information sensing device making the subsystem together connecting to the internet monitoring and managing from the perspective of application the paper has researched the present situation of the smart home and the internet of things the design and realization method of the smart home control system based on the internet of things has been proposed including the general scheme design the key technology hardware and software design the realization of the products and so on it describes the smart home control system requirements analysis in the general scheme design while the structure and the various modules in the system are divided three kinds of network technology has been introduced in the key technology part including based on rs 485 bus control technology ethernet remote monitoring technology and gprs remote alarming technology hardware design of the system has been introduced in the core processor part of the design and related network technology design the software design of the system has been introduced in the use of the system with real time kernel communication protocol software design framework and the flow chart of the program then the implementation section describes the product of smart home control system and the system debugging and testing result in this paper a smart home control system based on the internet of things has been completed by hardware design and software design this system has low design cost and higher use value it has many features including multiple types of smart appliances interconnection controlling remote monitoring and reliable system alarm function etc results show that the design is feasible and the whole system has good versatility and scalabilit embodying the advantages of embedded system in cost power consumption and performance and has broad application prospects keywords keywords keywords keywords the internet of things the smart home arm rs 485 ethernet gprs 河北工业大学硕士学位论文 iii 目目 录录 第一章第一章引引言言 1 1 1 物联网与智能家居概述 1 1 2 物联网与智能家居的发展现状和趋势 1 1 2 1 物联网的发展现状和趋势 1 1 2 2 智能家居的发展现状和趋势 3 1 3 课题研究意义 4 1 4 课题研究内容及创新点 4 1 4 1 课题研究的内容 4 1 4 2 课题研究的创新点 5 第二章第二章物联网智能家居系统的总体设计物联网智能家居系统的总体设计 6 2 1 物联网智能家居系统功能需求 6 2 1 1 多类型家居设备互联控制 6 2 1 2 多样化的系统远程监控 7 2 1 3 可靠的系统报警功能 7 2 1 4 和谐的人机交互功能 8 2 2 物联网智能家居系统的网络技术概述 8 2 2 1 基于 rs 485 总线的家居设备物联网络技术 8 2 2 2 基于以太网的远程监控网络技术 9 2 2 3 基于 gprs 的远程报警网络技术 9 2 3 物联网智能家居系统总体框架设计 10 2 3 1 系统的总体结构与模块划分 10 2 3 2 主要硬件的选型 11 2 4 本章小结 16 第三章第三章物联网智能家居系统的软件设计物联网智能家居系统的软件设计 17 3 1 rtx 实时内核概述 17 3 2 物联网智能家居系统软件设计 17 3 3 通信控制协议的设计 18 3 3 1 rs 485 通信控制协议 18 3 3 2 gprs 报警和控制协议设计 20 3 4 主要模块的程序设计 23 基于物联网的智能家居控制系统的设计与实现 iv 3 4 1 rs 485 总线程序设计 23 3 4 2 以太网远程监控程序设计 25 3 4 3 gprs 短信程序设计 27 3 4 4 外部中断 29 3 5 本章小结 29 第四章第四章物联网智能家居系统的实现物联网智能家居系统的实现 30 4 1 开发工具 30 4 2 功能的调试与实现 30 4 2 1 rs 485 物联控制模块 30 4 2 2 以太网通信模块 31 4 2 3 gprs 短信模块 31 4 3 产品展示 32 4 4 本章小结 33 第五章第五章总结与展望总结与展望 34 5 1 总结 34 5 2 展望 34 参考文献参考文献 35 致致谢谢 37 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章引引言言 1 11 1 物联网与智能家居概述物联网与智能家居概述 物联网的定义已经得到世界各国和 it 专业人士的共同认可 其定义就是通过 rfid 技术和无线通 信技术 创建一个物和物连接起来的网络 对于物与物之间可以互相认知和信息共享 这些物可以 是 rfid 装置 各种传感器 电子设备等等 它们通过与互联网结合 实现了物体之间的远程识别和控制 这样演变成一个更智能的物联体系 有专业的机构预测未来几年之内 物联网的应用可以大范围地推广 物联网涉及到的领域非常广泛 包括农业 工业和商业等 智能家居可以说是一种平台 主要对象是个人住宅 它是利用多种先进的科学技术 组合与住宅生 活相联系的各式各样的用电设备 从而形成一种环保 智能的管理体系 使人们能享受到更安全 更舒 适便利的居住环境 本文的研究目的就是设计一款集成物联网 互联网 全球移动通信网络的智能家居控制系统 并能 通过互联网络和移动通信网络实现对智能家居的实时监控 1 1 2 2 物联网与智能家居的发展现状和趋势物联网与智能家居的发展现状和趋势 1 2 11 2 1 物联网的发展现状和趋势物联网的发展现状和趋势 1 物联网的发展历史 如今 互联网已经家喻户晓 互联网的出现不仅仅是一次人类在科学探究历史上的一次重要飞跃 而且它促进了人们的生产效率 丰富了大众的生活 随着互联网的出现 又一新的理念也随之而来 物联网 物联网 the internet of things 是新一代信息技术的重要组成部分 1 知其名 知其意 物联网就 是物物相连的互联网 物联网这一理念和定义最先由美国提出来 美国提出普适计算和感知 传送 交 互这三层结构 这就是它的雏形 物联网将具有智能信息的设备与相应的物体联系起来 再加上智能信 息的管理 从而达到智能化识别管理的目的 而欧盟委员会制定的 欧盟物联网行动计划 也在构建物 联网的框架过程中提出了新的思想 物联网 随处可见 大到楼市房宇 小到电子标签或红外传感器 能通过 internet 网络相互进行通信 这就是它的体现 再加上各种先进科学技术 rfid 技术 嵌入式 技术 自动化控制技术等 已经将其扩展到不同的行业领域 09 年的 8 月份 我国总理视察传感行业 的发展时 确切的指出要将该行业与物联网的发展联系起来 做好未来的规划 提早攻破未知领域 要 尽快的组建具有中国特色的物联网传感中心 在 十二五 期间 国家要着重建设物联网在智能电网 交通 物流等十大领域的发展 基于物联网的智能家居控制系统的设计与实现 2 2 物联网发展现状 1 发达国家物联网发展现状 对于刚刚提出的物联网 许多发达国家对它的开发与应用还初出茅庐 为了在新一轮的信息产业中 占领先机 发达国家和地区已经开始抓住机遇 指定了多种政策进行长远的部署计划 这其中包括 美 国的 智能电网 智能地球 计划 日本和韩国的基于 u 社会 战略计划 欧洲的 物联网行动计 划 此外澳大利亚 新加坡等国家也正在加快他们各自的物联网发展计划 这都是为了加快推进下一 代网络基础设施的前进步伐 2 2 我国物联网发展现状 物联网作为新型网络构想 在我国已经被列入国家战略性新兴产业规划 其中无锡是国家重点培养 的物联网产业研究与示范中心 3 我国多家企业包括 中国移动 cmcc 中国联通 china unicom 中国电信 china telecommunications corporation 广电 国家电网以及产业链多家公司也针对当前局 势指定了相应的物联网发展计划 目前 我国国内物联网主要行业应用中 智能家居 电力 交通三大 行业位居前位 其他包括网络视频监控领域 医疗 手机支付 物流等也是重要的应用行业 在这些领 域的共同带动下 物联网应用已经开始逐渐渗透到其他各行业和经济领域 4 3 物联网发展趋势 根据欧洲 eposs 研究机构在 internetofthingsin2020 报告中分析预测 未来物联网的发展将经历 四个阶段 欧洲 eposs 对物联网发展阶段的划分如表 1 1 所示 表 1 1 欧洲 eposs 对物联网发展阶段的划分 table 1 1 the division of development for the internet of things 2010 年之前2010 2015 年2015 2020 年2020 年之后 技术 物体间的连接 局部物联网络 物联网络扩大 可见的物联网络 网络中的物智能化物联网全智能化 标准 rfid 安全及标准 无线频带使用 分布式控制处理协议 针对特定产业的标准 交互式协议和频率 电源和容量协议 网络交互标准 智能器件系统 智能行为标准 健康安全 器件 更廉价的标签 传感器 高频标签 小型化 嵌入式终端 高信息容量 感知能力 提高传输速度 超高速传输 具有执行能力标签 智能标签 自主标签 更廉价材料 新物理效应 可生物降解器件 纳米功率组件 功耗 低功耗芯片组 降低能源消耗 超薄电池 电源优化系统 改善能量管理 提高电池性能 超低能耗芯片组 可再生能源 能量捕获 生物电磁效应 无线电力传输 能量循环利用 能量捕获 美国权威咨询机构 forrester 预测 物联网业务将会成为下一个万亿元级别的通信业务 到 2020 年 全世界的物联网运营业务将是互联网的 30 倍 我国中关村物联网产业联盟 长城战略咨询联合发布的 物联网产业发展研究 2010 报告预测 在将来的 10 年 中国物联网产业将经历三个阶段 应用创 河北工业大学硕士学位论文 3 新 技术创新 服务创新 逐步形成系统化的公共管理和服务 企业应用 个人和家庭应用的三大市场 中国物联网产业发展年度蓝皮书 2010 显示 在 2007 年到现在物联网应用的年增长均在 10 以 上 5 同时预测 未来 5 年物联网产业领域的市场规模将以每年年均约 25 的速度增长 在不远的未来 物联网的应用也将蔓延到零售 物流 药品 食品 智能建筑 智能电网 智能医疗 智能交通 智能 家居等行业 1 2 21 2 2 智能家居的发展现状和趋势智能家居的发展现状和趋势 智能家居可以被认为是一个管理平台 利用多种技术将家庭日常生活相关的各种设备 完美有效地 组合在一起 通过相互集中和管理 使得我们的日常生活变得更轻松 安全 便捷 1 智能家居的发展过程 从 90 年代开始 欧美各国的家居智能化已经有了较快的发展 与此同时在中国也出现智能家居的 概念 并引起人们的关注 有相当一部分居民逐渐接受了智能家居 在住宅设计阶段也有部分开发商开 始考虑具备智能化的功能设施 像海尔提出的 家居集成 理论 清华同方倡导的 数字家园 e home 等 2003 到 2004 的两年里 住宅方面的网络化基础设施逐渐建立 中国业内智能家居创造水平明显提 升 网络家电也已经具备了相当的基础 政府制定多项优惠政策及法律法规 与此同时业内标准的形成 和各种企业联盟相继建立 他们共同作用使智能家居行业稳定的朝着科学化和标准化的方向前进 随后 几年 智能家居逐渐出现了功能逐步完善和初具规模的例子 此时的智能家居系统的设计不只是局限于 部分子系统 而是将多种功能的子系统集成化处理 07 年 7 月的时候 由深圳科宝 博洛尼 深圳自动 化学会在深圳一起推出了智能家居生活体验馆 08 年 上海智能建筑博览会的开幕 承办了以 共享 分享 影响 为主题的 08 年智能建筑及家居智能化华东论坛 这将中国家居智能化行业推向一个高潮 09 年青岛海尔智能家电科技公司提出 让您的家与世界同步 的新生活理念 不仅仅为用户提供个性 化产品 还面向未来提供多套智能家居解决方案及增值服务 10 年上海世博会的成功举办 为智能家 居做了很好的宣传 无形中为全民做了大扫盲的活动 全力普及家居智能化的知识 掀起了一场 智能 装修 革命 我国移动通信行业也将逐渐推进智能家居行业的发展 特别是 3g 推出之后 3g 时代的 来临促进了服务行业的发展 已经在该行业呈现出崭新的一面 2 智能家居的发展趋势 智能家居行业在中国乃至全世界都有广阔的前景 它是一个朝阳的行业 6 智能家居商品在不久的 将来会在细分的不同市场占据一席之地 这是未来几年智能家居行业的一个重要特征 就智能家居行业 的现状来说家居的智能化应用是现在家居产品的主要应用 而目前智能家居行业这种根据不同细分市场 而制造的商品还是凤毛麟角 因此 未来智能家居产品的竞争不单单表现在家宅方面 而更多是会表现 在不同细分市场上 与此同时智能家居产品的另一个必然发展方向就是整体的智能家居系统化 智能家 居控制系统需要一个整体的构造 具备一个统一的标准 可以将不同子功能的系统组合到一起 实现各 模块在功能上的相互联系和统一 并能相互协调工作 如果多个控制系统没有统一的技术和协议标准 它们组合在一起形成不同的控制终端 这样必然会带来一个严重的问题 那就是用户使用不方便 操作 不自由 所以 一个控制终端 必然是智能家居系统的发展方向 是未来真正完善的控制系统 其次 更具人性化的家居服务和更加低廉的价格 也是该行业的重要趋势 价格太昂贵 使得广大的消费者对 基于物联网的智能家居控制系统的设计与实现 4 家居智能化遥不可及 随着物联网的发展以及我国 三网融合 的大力发展 智能家居行业将会迅速蓬 勃的发展 1 1 1 1 3 3 3 3 课题研究意义课题研究意义 物联网能加快智能家居的广泛推广 物联网被广泛应用于农业 工业 商业多种领域 促使智能家 居的应用会以非常快的速度蔓延开来 目前 在国内已经有一些城市正在加快建设物联网工程 而各地 的运营商也逐渐销售相应的智能家居产品 物联网的加快建设将大大促进智能家居产业化 节能环保和成本低廉是目前智能家居服务的发展趋势 也是完美的智能家居服务的重要体现 世界 各国已经将 低碳经济 作为发展目标 地毯竞争力 也将作为世界各国的互相竞争的目标 这将是 全球应对全球气候问题的一项重要战略 而且我国政府已经承诺到 2020 年将二氧化碳的排量降低 45 左右 所以在智能家居快速发展的今天 实现智能家居控制系统节能环保和低成本的开发具有非常重要 的意义 具有低廉价格和方便使用的智能家居系统 才能得到广大消费者的青睐 为消费者带来享受现 代家居智能化的乐趣 同时也能够为广大消费者提供家居智能化的需求 提高人民的生活质量 最终也 将促进了智能家居行业的发展 1 1 1 1 4 4 4 4 课题研究内容及创新点课题研究内容及创新点 1 4 11 4 1 课题研究的内容课题研究的内容 本文分析了智能家居的现状和发展趋势 在这个基础上拟完成一款具有嵌入式实时内核的智能家居 控制系统 主要研究其硬件和软件的设计 最终目标是实现一款具备基本功能并价格低廉和实用的智能 家居控制系统 同时 在本课题的研究和设计过程中 也能提高自身的学习能力 加强自己在实践过程 中发现和解决问题的能力 全文分为五章 第一章为绪论 对物联网和智能家居进行了概述 分析了他们之间的联系和发展优势 同时阐述了 物联网和智能家居目前的发展状况和趋势 以及本课题的研究意义 最后描述了本课题的研究内容和创 新点 第二章为物联网智能家居控制系统的总体设计 为符合广大人民群众对家居智能化的需求 实现智 能家居的广泛推广 首先应该了解智能家居控制系统应该具备什么样的需求 这里本课题进行了相应的 阐述 根据系统的功能需求 本章提出了本课题的总体设计框架 并介绍了智能家居系统在实现过程中 用到的三种网络技术 并对系统用到的硬件资源进行选型 第三章为本课题的系统软件设计 系统采用基于 rtx 实时内核系统来进行软件开发的 这一章主 要对 rtx 实时内核和总体软件框架的设计进行了相应的描述 同时也阐述了软件开发过程中制定的通 信控制协议 主要功能模块的设计以及软件执行的流程等 河北工业大学硕士学位论文 5 第四章为物联网智能家居控制系统的实现 介绍了本课题使用到的开发和调试工具 编程环境 以 及在实现过程中出现的问题 并将调试的结果和最终产品进行了展示 第五章为总结与展望 是对本课题已完成的研究工作和未完成的工作做了总结 并对后期工作做了 展望 1 4 21 4 2 课题研究的创新点课题研究的创新点 本文设计的物联网智能家居控制系统使用了物联网技术 并融合了 rs 485 网络技术 以太网网络 技术和基于 gprs 的远程网络技术 使系统的构建和终端的移动更加灵活 系统实现了多种接口的家居 电器设备连接 并按照物联网 id 分配方式对其进行编码 最终实现本地及远程的统一控制和管理 基于物联网的智能家居控制系统的设计与实现 6 第二章第二章物联网智能家居系统的总体设计物联网智能家居系统的总体设计 2 2 1 1 物联网物联网智能家居系统功能需求智能家居系统功能需求 信息化和自动化技术的不断发展 使得人们对生活质量的要求不断提高 智能住宅是人们提高生活 质量的重要需求 7 目前市场上的智能家居控制系统已经具备了比较齐全的功能 而且类型多种多样 依据消费者对智能家居的需求 主要的功能应包括家庭设备控制 智能灯具控制 安全防盗 门禁控制 红外监测 远程服务等 随着智能家居行业的发展 更多的新鲜事物会逐渐成为智能家居控制系统的重 要组成部分 例如 家庭医疗 远程教育 家庭事务处理 电磁防辐射报警等 智能家居控制系统已经 驱使人们的生活方式发生了巨大变化 使人们享受到了更加充满新奇 乐趣 时尚的生活 从人们对智 能家居的认识 到慢慢地接受和需要 人们的生活已经离不开家居的智能化 基于物联网的智能家居控 制系统将住宅中各式各样的智能设备通过多样化的总线技术结合在一起 足以构建成一个功能齐全 安 全可靠 极度智能化的现代智能系统 它能调动人们的主观能动性 协调人们和居住环境之间的联系 使得人们更加向往能随心所欲地控制居住环境 消费者对智能家居控制系统的需求 总结如下 1 多 类型的家居设备互联控制 2 多样化的系统远程监控 3 可靠的系统报警功能 4 和谐的人机交互 功能 2 1 12 1 1 多类型家居设备互联控制多类型家居设备互联控制 家居智能设备互联控制是智能家居控制系统的一项基本功能 就目前家居智能化的发展来看 对于 家中电器 计算机 灯源控制 internet 网络等电子智能设备的控制往往采用分散控制 分散管理的方 式 其缺点在于各种电器不能联网 对于用户不能统一进行控制 在这种情况下 开发具有多电器接口 能够将家中所有电气化设备统一联网 实现设备集中控制具有重要的意义 通过使用智能的控制终端 在家里或者外地能自如的控制家里的各种用电设备 不会因为设备的种类多种多样而难以控制 即使家 用电器的控制参数多余繁多 也有一些共同的特性 例如 所有设备都具有开关的控制 这样可以使用 二进制 0 和 1 来表示这两种状态 对于一些设备有档位控制 某些灯具的亮度调节 空调的温度调节等 这些设备 本文通过增加控制参数来对这些设备进行控制 也就是在控制命令中增加一个控制字段 因 此 对于家用智能电器的互联控制 需要重点考虑控制参数的问题 其设计部分会详细的描述 完善的多类型智能家居设备应集成以下各部分设备 1 常用家电部分 智能家居终端为家中电气化设备提供多个接口 并能自动为接入的设备分配唯 一的 id 使之成为物联网的一部分 能够实现电器的集中控制 具体可实现设备开启与关闭 设备功 能设定 设备状态查看等具体控制 2 安防部分 家居安防监控设备与智能家居终端相连 如 红外探测器 湿度报警 门禁 烟感 监控等报警设备 报警信息通过智能家居控制终端反映到用户 用户也可随时通过智能家居终端查看家 中的安防状态 河北工业大学硕士学位论文 7 3 家庭医疗部分 智能家居控制终端应具有家庭医疗设备的接口 如远程诊病 视频监控等 完善的多类型家居互联应从家庭信息化 舒适化和安全化多方位考虑 从综合布线着手考虑 为 方便智能住宅中的多类型的智能化家电的集中管理 应将连接这些电器的信号线进行分类 并按照不同 的类别进行统一集中布线 这样可以进一步对这些电器进行集中的管理 这里最关键的是要对信号线进 行分类 配置和管理 2 2 1 1 2 2 多样化的系统远程监控多样化的系统远程监控 系统监控是目前智能家居控制系统的重要需求 多种监控方式可提高用户对系统的需求和满意度 借助于多样化的系统远程监控 使得家庭中的信息网和控制网有效的结合在一起 实现对家中电器运行 情况的随时掌握和控制 实现家居智能化 1 手持遥控监控方式 在家中用户控制灯具开关就像使用遥控器来点播电视节目一样 不用走来 走去 为了关上某个灯具而上下楼 2 internet 监控方式 使用任何能联网的终端 通过 internet 网络可以查看家电设备的运行状态 使用户更方便 更轻松的控制家中所有的用电设备 3 gprs 远程监控方式 如果用户出门在外 而忘了关灯 那么只需通过编辑一条短信 就能轻 松的实现对家中用电设备进行控制 2 2 1 31 3 可靠的系统报警功能可靠的系统报警功能 在智能家居系统里 一个安全的预报警告系统是十分重要的 它可以通过室内或者室外的预先放置 的传感器来探查许多异样的状况 这些传感器包括门磁 紧急按钮 红外探测等 当异样的状况发生时 预警系统分析状况后给用户放出对应的预警信号 等待用户对系统做出合适的处理 同时用户须关闭此 次的预警信号 如果用户没有及时处理 系统会连续发出预警信号 传感器根据功能不同分为红外线位 置传感器 燃气泄漏传感器 烟雾传感器等 这些传感器可由用户根据自身需要开启使用或者停用 并 观察传感器的运行情况 1 户外防护 1 红外检测 在住宅的周围配置一对红外检测装置 在系统启动的条件下 只要有任何非法物体从中经过 红外 装置都能检测到 并启动报警系统发出警报 这种红外检测装置 需要使用特殊的设计 满足人性化的 需求 可接收任意角度的扫描信号 并配置可靠的防破坏 防短路 防宠物等特性 这样可以很大程度 上提高监测系统的误报能力 最重要的是红外检测发射信号需要全方位的扫描 才能使得系统不会遗漏 任何非法入侵 为用户的安全做到全方位的服务 2 视频监控 无论住宅的室内或者室外 都配备了视频监控仪器 这样 在互联网的协助下 主人可随时随地监 视到住宅的一切活动 例如 主人长期在外时 视频可以对住宅内一个月全程不间断的进行监控并记录 以便主人回到住宅后可以浏览所记录的视频 另外 视频监控还有按照主人的需求给主人的发送相应的 图片或者 e mail 的功能 如果住宅内部有异常情况发生 视频监控能够自行进行报警 基于物联网的智能家居控制系统的设计与实现 8 2 户内防护 1 防火 室内容易接触火源的功能区如厨房和餐厅等配备烟雾及煤气感应装置 可以检测到烟雾及煤气的存 在 这时感应装置作出反应传递信号到系统 系统随即自动报警 此时如果主人没有进行处理 超过设 置的报警时间后 系统会进行电话报警 有的煤气供应系统预先配备了可以自动关闭煤气开关的装置 当煤气外溢时 此开关可关闭 2 门窗非法入侵安全防范 室内门窗遭到非法入侵时 感应装置作出反应传递信号到系统 系统随即自动报警 此时如果主人 没有进行处理 超过设置的报警时间后 系统会进行电话报警 2 1 42 1 4 和谐的人机交互功能和谐的人机交互功能 随着科技的发展 家居生活也大踏步地向智能化迈进 并成为普通老百姓可以体验的生活方式 智 能家居终端系统提供一系列接口用于系统参数的设置 如系统的时间 系统的显示模式 声音 网络 存储等参数的设置 例如 一个带触摸的液晶屏 事先将每个需要被控制的物件在面板上进行了设定 当按下一个键 就能快速对门 窗 灯 电器进行控制 实现家庭电器的一键控制 省去繁琐的操作步 骤 同时 智能家居不仅能实现单个键的控制 还要能实现多个键的控制 用户可以在面板进行模式设 定 比如用户在睡觉的时候 将家里所有的门窗 灯 电器关闭 就可以设定一个 睡觉 模式 睡 觉 模式下 这些家用电气都处于 关闭 状态 设定之后 睡觉前只需点击 睡觉 模式下的所有 被控制物便统统关闭 智能家居控制终端应具备人机接口 包括 1 液晶屏显示 控制终端具有本机显示屏幕 可显示 目前的连接设备以及当前检测的设备状态 并提供家用电器的功能设定以及开关机等功能 2 本机室 内遥控 与本机按键功能类似 可进行遥控操作 3 语音提示 提供背景音乐系统 使用户享受轻 松的生活 2 2 2 2 物联网物联网智能家居系统的网络技术概述智能家居系统的网络技术概述 智能家居控制系统主要用到了三种网络技术 包括 rs 485 总线技术 以太网监控网络技术和 gsm 远程报警网络技术 下面分别介绍这三种网络技术 2 2 12 2 1 基于基于rs 485rs 485总线的家居设备物联网络技术总线的家居设备物联网络技术 rs 485 串行总线标准 可使家居设备的通信距离变为几十米到上千米 这完全符合家居设备互联 的要求 有线的 rs 485 总线通信方式 它具有结构简单 价格比较低廉 数据的传输速率和通信距离 适当的特性 使用基于 rs 485 总线技术实现家居设备互联应具备家居设备的即插即用功能 在整个家居系统中 嵌入式系统担任了中继器的作用 它负责本家庭中终端接入模块的管理 通过 串口与 rs 485 总线互连 本系统采用的 rs 485 家居设备互联网络为主从网络 嵌入式 arm 处理器为 河北工业大学硕士学位论文 9 总线的主控设备 通过轮询的方式检查各个接入家居设备的状态信息 无论何时仅仅存在一对主机和从 机之间的通信 即接收数据或发送数据 而家居设备作为总线的从机设备 包括单片机控制器 接入检 测电路和信号调节电路 其中接入检测电路是满足智能家居终端对家居设备的移除和新的家居设备接入 的检测 实现对家庭中各个家居设备的即插即用功能 2 2 22 2 2 基于以太网的远程监控网络技术基于以太网的远程监控网络技术 以太网 ethernet 是一种基带局域网规范 使用 csma cd 载波监听多路访问及冲突检测技术 技术 是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准 8 以太网的数据传输的确定性和性能是不容否 认的 它的应用可靠性也越来越高 家庭网关是以太网远程监控技术的核心 他的主要任务就是完成家庭中内部网络关于不同通信协议 之间的信息转换和共享 通过使用家庭网关 用户可以很方便的使用 internet 对家庭各电器的远程监控 和管理 基于以太网的智能家居远程监控网络 融合了控制网络和智能信息网络为一体 实现家居信息设备 通信设备 常用电器 安防设备和家庭医疗设备等设备互联和管理 随着微电子技术的进步 也使许多 嵌入式控制芯片集成了以太网控制器 基于以太网的智能家居监控的开发 有着很大的灵活性 选择性 和较高的性能价格比 2 2 2 2 3 3 基于基于gprsgprs的远程报警网络的远程报警网络技术技术 gprs 是通用分组无线服务技术 general packet radio service 的简称 经常被描述成 2 5g 也就是说这项技术位于第二代和第三代移动通讯技术之间 9 它是 gsm 移动电话用户可用的一种移动 数据业务 与 gsm 的数据业务相比 有以下优点 1 通信费用低廉 gprs 和过去在信道传输的方式不同 是一个包传输方式 在单位信息传输的成本核算上 不是针 对整个信道 为此这种方式是较为核算的 2 传输速率高 连接容易 gprs 通过利用 gsm 网络中未使用的 tdma 信道 传输速率得到了提升 可至 56 甚至 114kbps gsm 网络使用电路交换数据方式 在通信对端建造物理通路 一直维持到双方通信结束 而 gprs 通 过将数据划分若干个分组来进行传送 获得更高的用户数据速率 这样的投资并不是很庞大 此外 无 线通信不需要额外的中介设备 它们之间的连接和传输变得更便利 3 资源利用率高 gprs 采用分组交换的通信方式 在通信中 数据被分成一定长度的带有分组头的数据包 分组头 里面含有地址信息 指明该包发往的目的地址 当数据包到达时 根据此地址信息 临时寻找一种可用 信道资源来发送数据 不必预先分配信道 在这种传送方式中 数据的发送方和接收方不占用固 定的信道 所有的用户共享使用信道资源 使信道资源的利用率得到了提高 基于gprs短信息功能可以做成传输各种检测 监控数据信号和控制命令的数据通信系统 应用于 智能家居控制系统实现智能电器的远程监控和报警 具有低成本 高可靠性的价值 基于物联网的智能家居控制系统的设计与实现 10 2 2 3 3 物联网物联网智能家居系统总体框架设计智能家居系统总体框架设计 2 3 12 3 1 系统的总体结构与模块划分系统的总体结构与模块划分 对于家中电器 计算机 灯源控制 internet 网络等电子设备的控制往往采用分散控制 分散管理 的方式 其缺点在于各种电器不能联网 对于用户不能统一进行控制 10 在这种情况下 本文提出了 具有多电器接口 能够将家中所有电气化设备统一联网 并集中控制的思想 而实现这一思想的方式是 采用智能控制终端 智能家居控制终端可集成以下几部分设备 1 常用家电部分 控制终端为家中电 气化设备提供多个接口 并能自动为接入的设备分配唯一的 id 使之成为物联网的一部分 实现家用 电器的即插即用 能够实现电器的集中控制 具体可实现设备开启与关闭 设备功能设定 设备状态查 看和设定等具体控制 2 安防部分 智能控制终端与家居安防监控设备相连 如 红外探测器 温度 报警 门禁 烟感 监控等报警设备 报警信息通过控制终端反映到用户 用户也可随时通过控制终端 查看家中的安防状态 3 家庭医疗部分 控制终端具有家庭医疗设备的接口 如远程诊病 视频监控 等 并为这一类设备提供统一的外部接口 物联网智能家居终端的结构框图如图 2 1 所示 遥 控 部 分 本 机 遥 控 显 示 部 分 l c d液 晶 显 示 按 键 处 理 语 音 模 块 灯 语 音 提 示 部 分 s p k 驱 动 电 路 时 钟 部 分 串行时钟电路 晶 振电 池 智能家居控制终端 设备接口部分 热 水 器 空 调 电 视 报 警 信 号 传 感 器远 程 诊 病 视 频 采 集 远程数据通信部分 internet网 络g prs通 信 电压监视与可复 位 电 路 常 用 电 器 接 口 家 庭 医 疗 接 口 安 防 设 备 接 口 远 程 控 制 sm s通 信 图 2 1 智能家居控制终端结构框图 fig 2 1 the block diagram of the control terminal in smart home 设备接口部分 家庭中各常用电器 安防设备和家庭医疗设备通过 rs 485 总线实现多种电气设备 的互联 并通过 rs 485 总线的设计使接入电器设备实现即插即用功能 实现设备的集中控制 每个接 入电器设备分配独有的 id 号 远程监控部分 用户可通过 internet 网络和 gprs 网络实现远程的监控 其中家庭中各种报警信息 可由 gprs 网络以短信或彩信的形式发送给用户 使用户及时了解家中用电设备的运行状况 以减少用 户的财产损失 河北工业大学硕士学位论文 11 人机交互部分包括遥控部分 显示部分 语音提示部分和时钟部分 通过和谐的人机交互部分设计 可以使用户充分地体验到现代家居智能化的进步 2 3 22 3 2 主要硬件的选型主要硬件的选型 1 系统核心处理器 智能家居控制系统设计是建立于硬件的资源分配上进行的 对于本文设计的智能家居控制系统 需 要多个 uart 接口 a d 转换器 以太网接口和大量的 io 接口 因此 飞利浦公司生产的 arm 处理 器 lpc2378 是一个合适的选择 lpc2378 性价比高 接口丰富非常适合网络协议转换 多设备接口的 应用环境 它是一个基于支持实时仿真的 32 位 arm7tdmi s 内核结构 并带有 512kb 嵌入的高速 flash 存储器和 58kb sram 具备在系统编程 isp 以及在应用程序编程 iap 的能力 芯片具有 4 个 uart 3 个 i2c 3 个 spi ssp 等多种串行接口 而且带 dma 的 10 100m 的以太网 mac 接口 多于 104 个通 用 io 接口 lpc2378 所带外设的汇总如图 2 2 所示 图 2 2 lpc2378 及其外设 fig 2 2 lpc2378 and its external device 2 基于rs 485总线的物联通信 rs 485 总线是一种多点差分数据传输的电气规范 这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行 多点双向通信 它具有噪声抑制能力 数据传输速率高以及传输数据可靠性等特性 它的最大特点就是 它的硬件接口比较简单 而且在总线上的各个家居设备同时只能有一个是在发送状态 其他设备处于接 受状态 在由多个单片机组合的串行通讯网络中 使用主从式体系结构 从机应该被动地发送命令或数 据 需要主动发送数据和命令时 需要由主机来控制 基于物联网的智能家居控制系统的设计与实现 12 本文设计的 rs 485 总线接口部分 是直接与嵌入式处理器串口 0 连接 它所进行的通信 是通过 接收 rxd 和发送 txd 两个引脚以及电平转换器来进行的 在平行的传输模式下 需要在这个 rs 485 传输线上连接终结电阻 采用两种不同的接线方式可以实现不同的功能 当使用两条线的接线方式时 才能达到实际意义上的多点的双向沟通 当采用四条线的接线方法时 只能适用于一对多的数据通信 例如 一个主机设备 剩下的都是从机设备 本文中的主设备就是嵌入式处理器 从设备为各个接入家 居设备 每个要接入 rs 485 网络的家居设备 需要通过单片机控制器 电流调理电路和接