基于TCPIP的家居环境检测和家电控制系统王照.doc

河南机电高等专科学校 毕业设计 论文 基于 TCP IP 的家居环境检测和家电控制系 统 系 部 自动控制系 专 业 计算机控制技术 班 级 计控 121 班 姓 名 王 照 学 号 121413134 指导老师 王 琦 编编 号号 I 49 二零一五年五月 摘摘 要要 家居生活是人们日常生活中很重要的一部分 近几年 智能家居的出现颠覆 了传统的住房概念 给人们带来了与众不同的家居体验 通过智能家居人们可以 方便地控制家电 同时又能获得安全 它是由计算机技术 通信技术和自动化控 制技术综合运用的结果 它的目的是致力于改善传统的生活方式 为人们提供一 种现代化 舒适 便捷 智能化的生活环境 在此之前已经存在了一些不同类型 的家居控制系统 它们一般都没有提供接入网络的功能 无法通过网络提供远程 控制的功能 有些系统虽然提供了远程控制的能力 但它们大多是通过电话或手 机等设备经由电话网或者移动网来实现的 这样往往面临着带宽不足的问题 导 致系统的业务拓展受到限制 考虑到近些年互联网的迅猛发展 已经成为全球应 用范围最广 使用用户最多的广域网 并且网络的稳定性 安全性和网络带宽都 有了长足的发展 由互联网提供的各种服务已经深入到人们生活的方方面面 因 此将智能家居系统同互联网结合起来 为用户提供远程控制服务 延伸智能家居 系统的使用空间 已经成为智能家居系统发展的一种趋势 因此在本课题中提出了一种新的智能家居系统的解决方案 在该方案中 智 能家居系统实现了数据采集模块 家电控制模块 安防报警模块以及三表抄送模 块的功能 各个功能模块通过组网的方式连接起来接入中央控制系统 实现系统 的集中化控制 系统的各个功能模块之间能够相互通信 完成模块间的协同工作 提供有效的 智能化的控制服务 在设计系统结构时 采用 B S Browser Server 的系统结构 通过在高性能的微处理器上实现 Web 服务器 并采用 Linux 操作系统自带的 TCP IP 协议栈实现对上层协议的支持 采用支持 以太网协议的网卡芯片经 RJ 45 接口接入以太网 最后再同互联网相连 实现智 能家居系统接入互联网的功能 在此基础上 利用 CGI 通用网关接口 标准开发 CGI 程序实现动态网页 并采用 HTTP 超文本传输协议 协议完成客户端同服 务器之间应用层的数据交互 以此实现智能家居系统的远程控制功能 这样客户 仅仅使用一台联网的个人计算机 通过 Web 浏览器登录到嵌入式 Web 服务器上 完成对家居设备的监控和控制 关键词 智能家居 TCP IP 远程控制 环境监测 ABSTRACT Home life plays an important part of daily life In recent years smart home subverts the traditional housing concept and brings a different household experience to people People can easily control appliances and get a sense of security at the same time through smart home it is by the computer technology communication technology and the automation control technology result of the integrated use It is purpose is to improve the traditional way of life providing people with a modern comfortable convenient intelligent household life Just like before this is a different type of home control system they usually do not have to provide access to network not through the network to provide remote control function some systems while providing the ability of remote control but they are mostly through the phone or cell phone via telephone network equipment or mobile network implemented to such often faced with the problem of shortage of bandwidth cause the system of business development limited Considering the rapid development of Internet in recent years it has become the the world s most extensive network of application the stability of the internet and network bandwidth had great development the Internet provide all kinds of service of all aspects of people s lives so intelligent household system combined with the Internet to provide remote control service extend the intelligent household system use the space it has become a development trending of intelligent household system So in this topic we put forward a kind of new intelligent household system solutions In this scheme intelligent household system achieves data acquisition module home appliances control module security alarm module and a copy of the function of the three table modules each function module access the central control system through the network connecting it realize the centralization of the control system each function module of the system can communication between each other It makes function module between each othercan work together and provides effective and intelligent control services The system design scheme adopts the B S Browser Server system structure the realization of the web server by high performance of the microprocessor to complete and uses the Linux operating system comes with the tcp ip protocol stack to realize the support of the upper agreement the Ethernet network card chip access to Ethernet through the RJ 45 interface and finally connected with the Internet so the intelligent household system can access to the Internet On this basis development CGI program achieve dynamic web pages through the CGI standards Web server uses HTTP hypertext transfer protocol complete data communication between the client and server application layer to realize remote control function of intelligent household system So customers use only a personal computer to log on to embedded Web server through the Web browser it can complete detection and control of house equipment Keywords Smart home TCP IP The remote control Environment detection 目目 录录 第 1 章 绪论 1 1 1 智能家居系统研究的目的和意义 1 1 2 智能家居的发展现状和趋势 2 1 2 1 国内外研究现状 2 1 2 2 目前存在的问题 3 1 2 3 未来的发展趋势 5 1 3 主要内容及实现目标 5 1 3 1 研究内容 5 1 3 2 实现目标 6 第 2 章 系统的总体设计 7 2 1 系统设计目标和原则 7 2 2 总体设计 7 2 2 1 远程控制接口 8 2 2 2 室内控制接口 9 2 3 自动化系统的设计方案 9 2 4 通信协议 10 2 4 1TCP IP 协议栈 10 2 4 2 传输控制协议 TCP 10 2 4 3 IP 协议 14 2 4 4 UDP 协议 15 2 4 5 UIP 协议 15 第 3 章 硬件设计 17 3 1 主控制器的设计 17 3 1 1 芯片的选择 17 3 1 2 主要电路的介绍 18 第 4 章 软件设计 25 4 1 软件介绍 25 4 1 1 STM32 编程工具 25 4 1 2 VC 编程工具 25 4 1 3 Altium Desinger 软件 25 4 2 程序设计 26 4 2 1 主控制器程序设计 26 4 2 2 VC 程序设计 28 4 2 3 Altium Designer 电路板设计 29 第 5 章 总结和展望 30 参考文献 31 致 谢 32 附录 A ENC28J60 功能实现程序 33 附录 B LWIP 协议移植部分程序 36 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 智能家居系统研究的目的和意义智能家居系统研究的目的和意义 随着信息时代的到来及高速发展 电子产品在日常生活中的应用给人们带来 的便利与快捷是有目共睹的 为人类开发更加舒适便捷 安全高效的产品成为信 息社会发展的强有力动力 在公共场所和工作环境的不断改善下 家庭居住环境 也慢慢加入了生活品质的名单 如今人们的追求不再停留在单纯的物质上 对精 神世界的寻求也日益增加 对于住宅 人们除了关注房屋的大小 外观 安全性 还希望得到更高层次的体验和享受 例如 在看书时不用起身就可以在光线渐弱 的时候打开电灯等智能化控制 在日常生活中 偶尔也会发生出门前忘记关闭电 器的事情 有时甚至发生电器自燃进而引发火灾的突发状况 不仅造成物质上的 损失 更产生了心灵上的阴影和伤害 那么如何通过不断发展的网络设备和通讯 设施来实现家居智能化 便成了当今科技领域努力的方向 智能家居 拥有家庭 安全 舒适 信息交互与通信的能力 这些依赖于家居智能管理系统 通过网络 技术的不断发展 多功能 智能化的家电成了人们梦想拥有的物品之一 随后 便出现了智能冰箱 智能洗衣机 虽然各大电器生产商也推出了相应的产品 但 在实际应用中的效果差强人意 这类智能家电看起来功能丰富 却相互分离开来 并没有实现人们预想的目标 反而给人一种累赘的感觉 怎么样才能使独立的电 器联系起来成为一个网络呢 令人欣喜的是 物联网的出现为解决这一问题提供 了有效途径 物联网是一个巨大智能网络 这个网络通过接入网与互联网将各种 信息传感设备和系统结合起来 其中的信息系统可以是一维 二维条形码设备 也可以是射频识别系统等 物联网的概念最早出现于 1991 年 是由麻省理工学 院的一位教授提出 在这之后 该学院提出将 所有事物都可以通过网络互相联 系 作为物联网的基本含义 简单来说 设备以中介的作用联系了物与物 人与 物从而实现物联网 在这个概念的基础上 将物联网应用于家居设备中 就可以 通过网络设施将用户和这些无法表达的物体联系起来 通过物联网实现对家居环 境的设置 具有安全性高 操作方便 准确高效的优点 智能家居在这样的背景 下寻到突破口 不仅掀起社会的研究热潮 还逐步出现在人们的生活中 智能家 居 Smart Home 可以称为智能住宅 从字面上看 自然而然令人联想到家庭生 活 那么 智能 到底要如何体现呢 当用户通过终端 电脑或手机 可以随 时随地地控制家用电器或监控家庭环境 从而体验到安全放心 舒适美好的家居 生活便是对 智能 的最佳诠释 首先需要将控制因素 如各类电器组成一个内 部网络 再通过 外部网络 有线或者无线与终端进行通信 从而构成一个完整的系统 智能家 居的出现 改变人们的传统居住概念 上班一族可以在工作的时候时时监控家里 不必担心住所遭遇非法入侵 回家之前可以提前设置好室内环境 到家后就迅速 感受舒适的生活 冬天的时候 再也不用为哪个房间的灯没有关而悔恨不已 智 能家居不仅给人们带来方便快捷的家居体验 还大大节约家庭资源 与现今积极 提倡的节能低碳社会遥相呼应 总而言之 智能家居的现实意义有以下几点 1 方便快捷的家居体验 2 安全的保障系统 3 节约资源 低碳生活 虽然 现在智能家居的发展脚步并不如人们事先预想的那样迅速 但眼下互 联网 物联网正在迅猛发展 智能家居的发展也是指日可待 在不久的将来 普 通住宅里也可以拥有如此智能化的家庭生活 1 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 1 2 1 国内外研究现状国内外研究现状 外国对智能家居的研究比较早 从上个世纪 80 年代开始 至今已有 30 年 历史 近几年 这一领域发展迅猛 各大国际公司都争相提出相关方案或者设计 出具体产品 德国易能森有限公司 EnOcean 成立于 2001 年 由西门子无线 无源部门剥离出来 也就是这个公司开发出为客户提供完成的即插即用系统 成 为无线能量采集技术的开创者 这个系统通过采集机械能 光能 温度差等能量 并最终转化为电能为无线模块供电 内部包括了无线信号发送器 能量管理器 软件及其开发工具 原始设备商通过 ISO IEC14543 3 10 易能森国际无线通信 标准 可以迅速方便地实现定制化的无线无源智能控制系统 目前 通过使用易 能森技术 已经拥有超过 1000 种无线能量采集技术产品 它们之间能够互相兼 容 且成功地应用于形形色色的建筑中 如今易能森联盟 EnOcean Alliance 在 全球已经吸引了超过 300 家的智能楼宇知名企业 Whitbread 是英国最大的酒店 连锁 正在开创一系列新的经济型城市酒店 并将其命名为总理酒店 Premier Inn 将在 2014 年的伦敦科芬园正式开启 总理酒店作为智能化旅店的代名词 将为客人提供个性化服务 内部配备免费的 WiFi 40 英寸智能电视等智能化设 备 客人可以使用智能手机来选择预订和入住 并可在进入房间之前调节好房间 的温度 灯光等 同时可以进行餐饮类的预览和预订 该公司预计 3 年内在英国 开设 5 家智能酒店 并在 2018 年扩展到 40 个地区 提到智能家居 不得不提 的是 Honeywell 霍尼韦尔 称它为智能家居技术的领导者也当之无愧 全球有 超过一亿个家庭正在使用它的住宅产品 五百多万栋大型建筑在使用它的楼宇 HRIS 1000 系列是该公司近日发布的单户型智能家居产品 进一步推动了智能家 居的技术发展和科技创新 这个系列产品主要针对单户型 突破了智能家居只应 用于大中型房子的格局 业主可以通过手机 互联网 WiFi 等设备设置和控制 电动窗帘 空调等家电 并提供电子日历和不同场景 令人瞩目的是 该智能家 居系统可以通过节能探测器有效减少损失节约能源 在一定地点的一定时间内 如果没有人在 系统根据设置的阈值来调整或关闭对应电器 具体阈值是业主根 据自己的习惯和需要来设定的 当然 霍尼韦尔在这一领域有所建树是合情合 理的 但以汽车制造闻名世界的日本本田公司也开始研究智能家居就足够让人们 大吃一惊了 目前 本田正在美国加州大学建设第一个零能耗概念的智能家居 该项目正在紧锣密鼓地进行着 多采用环保技术 如以太阳能及再生电池等可再 生能源作为部分家用电器的电源 与传统的家庭消耗来比较 新的环保科技技术 将为大众节约近一半的资源 大大提高了能源的利用率 这所房子在采暖 通风 和空调方面将采用高效率的 HVAC 而由加州大学戴维斯分校将完成照明系统设 计 本田公司已与松下 西门子等公司成为合作伙伴 致力于建设下一代的绿色 节能家庭 并在 2020 年实现零能耗状态的目标 除此之外 全球最大的搜索引 擎公司谷歌 Google 以及引领创新的苹果 Apple 公司也先后开始有关智能家 居的计划 同样在国内 智能家居的发展也风生水起 自从国家十二五规划中对 物联网重点发展领域的出台 公告中明确提出了智能家居作为 9 个重点物联网 领域之一后 这一趋势更是势不可挡 但主要还是集中在发展较好的城市 现如 今 研究制作智能家居的大大小小公司数不胜数 就连刚在国内手机市场获取一 定关注的小米也在 2013 的夏天 高调推出智能家居控制中心项目 在微博中引 起一阵轰动 而其中资历老 产品丰富的就要算海尔了 2013 年 7 月的中国国 际消费电子博览会上 海尔凭借人性化的服务 超前的设计理念斩获创新奖 海 尔 U home 是海尔集团推出了将有线和无线网络结合起来的智能家居方案 通过 传感设备把所有设备连接成一个网络 实现物与物之间的相连 该产品实现了物 联网 3G 产品 安防监控 数字信息共享的家居系统 目前 该产品已经应用于 青岛市黄岛开发区的 山 海 湾 小区 反应良好 除了海尔 国内还有一些 优秀的智能家居公司 如北京的中讯威易 1 2 2 目前存在的问题目前存在的问题 综上 不难得知智能家居这个行业的发展时间已经不短 单单在国内的发展 已经有十几年 这对日新月异的信息社会来说 足够进行几次的技术革命 但回 3 49 头看看 智能家居的发展并不如人们的预期那样迅速和完善 原因在于现如今的 智能家居行业的发展存在依然存在不少问题 1 价格 这个问题是自智能家居发展以来人们最关心也最贴近生活的一个 因素 即使这样 价格问题依然没有得到彻底解决 来自欧美国家的高端产品 在功能上完全能够满足大众的要求 产品质量也有保证 唯独价格让人望而却步 当然 相对于一开始的天文数字 如今的价格似乎越来越贴近民心 特别是一些 刚刚兴起的国内品牌 先不论这些产品的功能如何 就单从 价格优势 上来说 也只能相对而言 比如一个简单的智能插座大概上百元 看起来确实不贵 但对 于一个三室一厅的房子来说 至少需要四五个 再加上其他一些设备 很容易就 变成上千元 这对于普通的工薪家庭来说 大大小小也是一笔费用 更何况后期 还需要进行维护 更新等工作 也需要一定的费用 2 标准 各行各业都会有大大小小的标准 它不仅给生产厂家提供准则 也为消费者准备了一把量尺 对于智能家居这个行业 它不是没有标准 而是没 有统一标准 国际上 现场总线标准有 CAN X10 LonWorks 等数百种标准 无线通信技术有 802 11b 802 11g 802 11n 等标准 在国内 有海尔公司的 e 家佳联盟 中国通信标准化协会发布的 基于共用电信网的宽带用户网络 技术总体要求 国家建设部制定的 建筑及居住区数字化技术应用 系列标准 等 光是这些绕口的名字就足以让业外人士眼花缭乱 智能家居不仅使用到网络 通信知识 还涉及到自动控制 综合布线 安全防范等多个领域 它必须采用不 同领域的标准 现在市面上的智能家居产品也是五花八门 即使是同一公司的同 一系列产品 有时也很难做到绝对的兼容 3 性能 房子一直是国内人民的一个追求 近几年房地产的发展 使得智 能家居企业如雨后春笋般涌现出来 产品更是丰富多样 国内的不少企业也是下 足了血本将产品宣传地天花乱坠 但真正到了消费者的手中 却是天上地下 首 先 出于企业的责任 应该以最真诚的态度面对消费者 其次 企业应该从市场 需求来设计适合一定人群的产品 这样才不至于失去大众对这个新兴产业的兴趣 和信心 特别对于一个价格不低的产品 如果得到的功能不如预期将会打击人们 的购买欲 同时 国内的企业也可以多借鉴一些国际品牌 学习他们人性化的设 计理念和缜密的设计思维 4 服务 智能家居也算是一种特殊的行业 它不像食物 生活用品等 可 以直接使用 在前期 需要工作人员进行安装 有些产品还需要对房子进行重新 布线 在后期 需要进行产品维护 这就要求这个产业需要形成完善的售前 销售 售后服务链 从目前的市场来看 人们在产品出了问题的时候 总是不知道或者 找到可以处理的人 很多人在最后选择放弃这样高端的 科技产品 1 2 3 未来的发展趋势未来的发展趋势 智能家居这个行业依然存在一些问题需要解决 但在科学技术高速发展的大 环境下 智能家居也会朝着越来越好的方向发展 主要的发展趋势有以下几个方 面 1 低成本 智能家居还做不到普及 最大的原因就是成本问题 随着电子 元器件的不断更新 改进 未来的低成本产品也是必然的趋势 2 标准化 无规矩不成方圆 没有一个统一业内标准的支持 智能家居的 发展终究会受到阻碍 建立统一的标准 有利于新产品在旧版本的基础上进行下 一步改进 形成良性的发展过程 3 稳定化 稳不稳定是客户使用产品最直观的感受 如果一个产品花费大 把时间安装完成 但在使用的第二天就出现奇奇怪怪的问题 这样的体验是任何 人都不想要的 人们安装智能家居的目的就是期望能够享受到舒适安逸的家庭生 活 稳定的系统也会成为这个行业努力发展的目标 4 低碳化 环境保护已经成为当今最热门的国际话题 全球性的气候变化 也让人们开始反思发展与环境这道选择题 低碳环保的产品是未来的主旋律 包 括智能家居这个新的领域 5 服务完善化 要想智能家居行业能够持续稳定地发展 就必须建立完善 的服务体系为客户提供强有力的技术支持 智能家居一方面是追求高品质生活 的期望 另一方面是人们对智能生活向往的具体提现 这种愿望将会促使智能家 居往更安全 更舒适 更便利的方向发展 未来的智能家居能够完美地把安全防 范 环境监测 娱乐措施这些点点滴滴融入到家庭生活中 让人们的居家生活得 到根本地改善 1 3 主要内容及实现目标主要内容及实现目标 1 3 1 研究内容研究内容 一个完整的智能家居控制系统的解决方案 需要研究和解决的内容主要包含 以下几个方面 1 如何实现控制系统的功能 包括系统的初始化 对子系统的调度和管理 用户管理 数据的接受发送及处理 2 如何实现自动化系统的功能 包括对非法入侵的报警 对温度湿度等物 理量的采集 对空调 灯光等家电设备的控制 对煤气泄漏的探测 以及三表抄 送功能的实现 5 49 3 如何实现智能家居系统接入互联网 包括采用什么样的方式接入网络 该方式的实现方法 需要支持哪些网络协议 协议的工作原理等问题 4 如何实现客户终端对远程系统设备的访问和控制功能 包括系统参数的 设置 控制传感器进行温度湿度的采集 打开或关闭空调灯光等电器 读取水电 气表的数据 5 客户终端的设计 由于系统内嵌 Web 服务器 所以采用网页浏览器来 作为系统的客户端 不用单独的开发客户端的应用程序 1 3 2 实现目标实现目标 智能家居控制系统能够接入网络 对控制系统进行远程访问 并且可以通过 对图形界面参数的配置 实现对家电设备的实时监控和控制 1 安防系统 红外探测器能够检测到非法入侵 启动报警器发出报警信号 煤气探测器可以探测到煤气泄漏的异常 进而启动报警器 2 三表抄送系统 能够定制时间采集三表的数据 也可以采用事件触发的 方式随时对三表数据进行采集 并且具有存储的功能 方便查询 3 家电控制系统 完成温度湿度数据采集 根据室内环境的变化自动调整 空调 照明灯具和电动窗帘的状态 4 智能家居系统能够接入互联网络 客户可以在任何一台联网的计算机上 通过网络浏览器访问系统 设置室内温度湿度 查看空调电灯等电器的工作状态 并进行控制 浏览系统日志 查询有无报警信息 对系统实现远程控制的功能 第第 2 章章 系统的总体设计系统的总体设计 本论文主要是根据国内市场需要 设计一套廉价实用的智能家居控制系统 因 此在开发设计之前 必须明确系统设计的目标和原则 需要釆用哪些成熟的技术 以 及这些技术各自的特点 只有这样才能良好顺利的完成系统应用设计 2 1 系统设计目标和原则系统设计目标和原则 在进行系统设计前 需要对整体的设计流程有合理科学的规划才能起到事倍工 半的效果 通过分析对国内外市场上已有的智能家居系统的服务对象 功能对比 寻找市场的空白 本课题的设计目的是设计完成一套适合普通收入居民生活所需 的智能家居系统 因此在设计的时候需要遵守以下的规则 1 简单方便 由于现在市面上大多数的智能家居系统主要定位于高收入者 公司高层管理 人员者的住宅控制系统 方便金领的生活和工作 所以对于目前大多数普通家庭日 常生活而言很多功能并不实用 操作的界面也过于花哨 并不方便普通家庭的生活 需求 因此简单方便实用是本系统的主要原则 2 价格便宜 智能化居家产品发展了 10 多年 在我国使用率并不高 其中很重要的原因是价 格过于昂贵 并不是普通家庭所能够消费的起 要做到价格实惠 必须在满足普通 家庭生活所需的功能外 去掉多余的功能 减少研发成本 在器件选择上选用便宜 技术成熟 方便开发的模块 选择高性价比芯片和开源的软件 3 维护方便 维护方便就是要求用户在使用过程中不用太多的维护 可扩展性强 在用户需 要新的功能时 方便进行日后的优化升级 所以在设计系统的时候设计的功能模块 尽量进行模块化设计 在系统部件故障需要维修时 方便维护 4 可靠性强 一个成熟优秀的系统必须具有良好的可靠性 本论文所设计的系统也必须满足 这个客观规律 开发系统时就必须结构合理 稳定可靠软硬件资源 各个环节使用 成熟的技术 2 2 总体设计总体设计 本系统是以基于 Cortex M3 为内核的 STM32 微处理器为嵌入式控制器的核 心 CPU 通信协议选择 TCP IP 协议族中的 uip 协议 上位机采用 VC 实行监控 以 此组建本论文家居控制系统的控制中心 向外部的设备模块收发信号来控制实际的 外围设备 从而实现家电控制和对室内环境的监测 系统的结构原理图如下 7 49 家家居居安安防防系系统统 照照明明控控制制系系统统 水水电电控控制制系系统统 互互联联网网远远程程控控制制系系统统 环环境境控控制制系系统统 电电器器控控制制系系统统 LIN 总总 线线 接接 口口 电电视视音音响响控控制制系系统统 服服 务务 器器 外外接接网网口口 图 2 1 智能家居系统结构框图 本系统采用基于 CMOS 摄像头的异常监测模块对室内重点的环境进行监控 将拍摄到的图片通过图像的压缩模块和存储模块 将图片以 JPEG 的格式通过串口 一传送到 STM32F103 处理器 处理器可以通过串口二直接将图片通过 GPRS 模 块传送给远程控制端的手机或者 PDA 同时 处理器也可以对 CMOS 摄像头所传 送的图片进行运算分析后 使用环境异常监测算法对所监测的室内环境范围进行识 别判断 如果发生异常环境入侵情况 处理器立即向用户发送 MMS 报警信息 在用 户查看图片授权确认后 处理器根据用户的设置 进行操作 如 联网报警 储存可疑 人员图像 系统复位 更新系统背景图片等 而且本系统通过其他的家居感应器 如 对煤气 烟雾等危险因素进行监控 发生可疑情况时 系统通过 SMS 短息向用户 报警 用户能够任意场地时间通过 SMS 短息向系统查询监测情况 也可以远程使 用 SMS 短息控制家居灯光控制模块开启想要开启的灯 电风扇等设备 2 2 1 远程控制接口远程控制接口 随着网络技术的不断发展 网络应用的不断普及 使得互联网已经深入到人 们生活的每个角落 智能家居系统提供远程控制能力 已经成为家居系统必须具 备的功能 目前主要有两种远程控制的方式 基于浏览器的 PC 访问和电话线的 远端控制 前者其实现是通过以太网控制芯片提供 RJ 45 网络接口 经由双绞线 接入网络 以太网控制芯片同 ARM 处理器一起可以提供 10 100M 的网络通道 然后在此硬件基础上安装 Linux 操作系统 在其上实现 Web 服务器的功能 并利 用操作系统支持的 TCP IP 协议 对系统的设备进行控制 后者是在中央控制系 统中嵌入语音控制芯片 以此来实现电话语音控制功能 对系统的设备进行远程 控制 2 2 2 室内控制接口室内控制接口 为了给用户提供方便 快捷的近距离控制方式 中控系统需要支持多种通用 的室内控制接口 其中有 LCD 显示接口 触摸屏的输入接口以及红外遥控接入 接口 其中 LCD 接口是比较常见的用于图形界面显示的接口 并且在现行的微 处理器上 都集成了该接口 简化了硬件电路的设计 为系统的开发带来了便利 触摸屏作为输入设备已经成为嵌入式设备应用的焦点 考虑到家居系统中控制按 钮的种类繁多 按钮的形式和要求各不相同 因此在 LCD 液晶显示器 上根据 不同的场景 提供不同的触摸屏按键输入是符合智能家居系统实际应用需要的 对于红外遥控控制方式的支持主要是基于当前家居设备应用现状的考虑 因为传 统的家电设备一般不提供控制接口 即便有些新型家电提供了相关的控制接口 但是这些接口类型差异性也很大 无法做到控制接口类型的归一化 因此在一个 平台上对多种不同类型接口的信息家电进行控制是很困难的 尽管如此 常用的 家电设备一般都会提供红外控制接口 实现对家电设备的近距离控制 为智能家 居系统提供统一的控制接口提供了一个很好的解决途径 2 3 自动化系统的设计方案自动化系统的设计方案 自动化系统实现智能家居系统的具体功能 主要实现温度湿度的采集 非法 入侵报警 煤气泄漏检测 多表抄送 空调 照明灯具和电动窗帘等家用设备的 控制 该系统包含四个子系统 安防子系统 三表抄送系统 数据采集系统 家 电控制系统 其中安防系统是通过在出入口安装红外探测器 当有人非法入侵时 可以发送报警信号触发声光报警器 提示用户有异常情况发生 采用煤气探测器 来检测煤气浓度 判断煤气是否发生泄漏 若有异常则发出报警 控制系统则采 取必要措施消除隐患 数据采集系统主要实现对模拟量和开关量进行采集 在该 系统中采用温度湿度传感器对室内的温度湿度进行采集 在此选择了检测元件为 铂电阻的温度传感器和测量元件为有阻性输送聚合物的湿度传感器 传感器通过 模拟输入接口接入控制系统 实现模拟数据的采集和传输 开关量通过开关量输 入 输出接入控制系统 实现控制系统对空调 照明灯具和电动窗帘等家电设备开 关状态的监控和控制 家电控制系统由空调 照明灯具和电动窗帘等家用装置组 成 来执行最后的功能 改变室内的温度湿度 改变灯光的强度 窗帘的状态 9 49 三表抄送系统通过串口同中央控制系统相连 根据控制指令读取数字水电气表的 数据 并将数据传送到显示终端 实现自动化抄表的功能 安防系统 三表抄送 系统和家电控制系统中的各种类型的设备分别采用不同的接口接入中央控制系统 由中央控制系统进行统一管理和调度 2 4 通信协议通信协议 2 4 1TCP IP 协议栈协议栈 TCP IP 协议栈是一个实现网络上通信的协议族 这组协议使得不同平台架 构网络之间的互联成为可能 它是一个真正开放系统 最早起源于一个关于分组 交换网络研究的项目 后来发展成为 Internet 事实上的通信标准 TCP IP 协议采 用分层的结构形式 总共分成四层 是对 OSI 结构的简化 包含应用层 传输层 网络层 链路层 它们每一层都实现了不同的功能模块和通信协议 并且每一层 都为上一层提供支持 其结构如下图所示 HTTP协议 FTP协议 ARP协议 IEEE802 2 以太网协 议 ICMP协议 IP协议 TCP协议 UDP协议 应用层 传输层 网络层 链路层 图 2 2 TCP IP 协议四层结构模型 其中链路层主要实现了底层同物理介质相关的数据通信 它们采用数据帧的 形式 完成物理介质间的数据传输 网络层主要实现了分组数据在网络上的数据 传输 是 TCP IP 协议的核心 该层的协议主要有 IP 协议 ICMP 协议 能够对 传输错误的数据进行简单的丢弃处理 并且产生一个错误信息反馈到发送端 传 输层实现了两台主机之间端到端的数据通信 该层的协议主要有 TCP 协议和 UDP 协议 应用层负责处理特定的应用程序细节 应用层的协议一般有 HTTP 超文本传输协议 Telnet 远程登录协议 FTP 文件传输协议 SMTP 简 单邮件传送协议 SNMP 简单网络管理协议 等上层的应用 完成上层数据通信 的需要 2 4 2 传输控制协议 传输控制协议 TCP TCP 传输控制协议是传输层的协议 对应于 OSI 第四层 它采用 IP 协议提 供了一种面向连接 可靠的字节流传输服务 实现了在主机之间建立面向连接的 数据传输 TCP 协议不但提供了流量控制和错误重传机制 还可以对无序的数据 进行重排 由于 TCP 协议是面向连接的通信协议 所以在主机间进行数据传送时 必须先建立连接 才可以提供数据传输服务 而数据传输的可靠性则由以下措施 来保障 TCP 发送端将要发送的数据分成多个合适大小的数据块 然后把数据块 传递给 IP 对数据进行封装 一般将 TCP 发送给 IP 的信息单元称为报文段 当 TCP 发送端发出一个报文段后 会激活一个定时器 如果在一定的时间内没有收 到 TCP 接收端收到该报文段的确认 TCP 发送端将会把该报文段重新发送一次 当 TCP 接受端接受到发送端发送的报文段后 会发送一个确认信息 一般这个确 认信息将会延迟几分之一秒后才发送 发送的报文段中包含它首部和数据的校验 和 用来验证数据在传送过程中是否发生异常 如果 TCP 接收端计算得出的数据 校验和与报文段中的校验和不符 TCP 接受端将会丢弃该报文段并且不发送接受 确认信息 让 TCP 发送端重发该数据 由于 TCP 报文段是封装在 IP 数据包中传 输的 这就有可能导致 TCP 报文段不会顺序到达 TCP 接收端需要对收到的数据 进行重新排序 也有可能接受到重复的报文段 因此需要把多余的报文段丢弃 然后将正确的报文段提交给应用层 经过上面的操作 TCP 发送端和 TCP 接收端完成了数据的正确可靠的传输 除了以上的操作外 TCP 协议还支持数据传输的流量控制 其实现原理是接收端 和发送端都有固定大小的缓冲空间 TCP 接收端只能接受其缓冲区允许大小的数 据 发送端每次发送数据时 都要根据接收端反馈的信息来调整发送数据的大小 通过这种策略来防止数据传输阻塞和数据丢失现象的发生 另外 TCP 对数据的 传输是透明的 不会对数据内容进行解释 对字节流的解释工作完全交由应用层 来完成 11 49 TCP 协议首部 TCP 首部的格式如下图所示 16 位的源端口号16 位的目的端口号 32 位的序号 32 位的确认序号 4 位 首 部 长 度 保留 6 位 U R G A C K P S T S Y N S T N 16 位的窗口大小 16 位校验和16 位的紧急指针 可选项 封装的数据 图 2 3 TCP 首部的格式 从图中可知 TCP 首部最少 20 个字节 主要包括以下各域 16 位的源端口号和目标端口号 该域是用来指定发送方和接受方的端口号 TCP 协议同 UDP 协议是不同的 在此 TCP 的源端口号必须指定 因为 TCP 协议 是面向连接的 一个 TCP 连接的建立必须由发送和接收两方的 IP 地址和端口号 组成 这是由于一个端口号可以被多个不同的连接所重用 因此两个端口号都要 设置 才能确认该数据段所属的 TCP 连接 否则无法确定处理数据的是哪个应用 程序 32 位的序列号 该域用来表示在某个报文段中的第一个字节 TCP 协议采用 序号对每个字节进行计数 这样接收端就可以使用这个序列号 补偿传输中数据 传输的不一致 将分段的报文重组成发送时的报文段 以确保数据在传送过程中 没有丢失数据 失序或者重复 32 位的确认号字段 该域不仅仅用来向数据发送方确认它已经收到的数据 也用来标识下一个希望收到报文的第一个字节 收到 ACK 报文的源主机会知道 特定的段已经被收到 4 位的首部长度 该域指定了首部的大小 如果没有可选项 它的长度为 20 字节 6 位标志域 该域中的每位标志都可以打开一个对应的控制功能 比如 URG 用来设置紧急指针是否有效 ACK 该位用来标识确认序号是否有效 SYN 该位 用来发起一个数据连接 FIN 表明发送端完成发送任务 16 位的窗口大小 该域的值是由发送端和接受端声明的窗口大小来决定的 该值表示接受端可以接受的字节数 起始于确认序号字段指明的值 16 位的校验和是一个强制性的字段 其值经发送端计算并存储 最后由接受 端来验证 紧急指针只有在 URG 置位时才有效 用来标识紧急数据 这时 TCP 的紧急方式将被启动 要求网络中的设备必须优先处理标识为紧急的数据 假如 URG 未被置位 则该域将作为填充 选项域 该域标识那个选项有效 如果没有选项 该域就清零 一般在通信 的第一个报文段中确定该域的值 选项域的值可以为以下几种情况 0 说明选项 域的结束 1 表示无需再有操作 2 表示下四个字节包括源机器的最大段长度 数据域并不是 TCP 首部的一部分 TCP 报文段中的数据部分是可选的 因为有时 允许发送不带任何数据的报文段 TCP 连接的建立 TCP 连接的建立过程 1 发送端发送一个 SYN 段指定接收端的端口 以及初始序号 ISN 2 接收端发回一个包含该报文段初始序号的 SYN 报文段作它为对发送端 的响应 标识 SYN 给发送端 询问它是否可以进行数据通信 并将确认序号设 置设置成发送端的 ISN 加 l 来对发送端的 SYN 报文段进行确认 3 发送端必须回应一个 ACK 报文段以对接收端的 SYN 报文段进行确认 TCP 连接的终止 TCP 连接是一个全双工的数据传输方式 在这两个方向上的数据传输需要单 独的进行关闭 当一方数据发送完成后 需要向对方发送一个 FIN 信息 结束这 个方向的连接 当一方收到一个 FIN 发送结束符 时 就说明在这个方向上已 经没有数据流动 就必须告知应用层连接已断开 因此结束一个 TCP 连接需要四 次握手 TCP 连接的终止过程 1 发送端首先发送第一个 FIN 用来关闭这条数据连接上的数据传送 2 接收端收到这个 FIN 就会返回一个 ACK 信息 确认标识符 确认 序号为收到的序号加 1 3 接收端传送一个文件结束符 关闭发送端的连接 使得接收端发送一 个 FIN 发送结束符 给发送端 4 发送端必须发回一个 ACK 确认标识符 报文确认 并将确认序号设 置为收到序号加 1 TCP 的超时和重传机制 13 49 在 TCP 协议中 超时重传机制是对数据传输可靠性的重要保障 当接收端接 受数据时 所得到的数据有可能会丢失 为了避免这种情况发生 就在发送端发 送数据时启动一个定时器 如果定时器溢出时仍未收到接受端的确认信息 发送 端就重新发送该数据 以确保数据的传输成功 2 4 3 IP 协议协议 IP 是不可靠的无连接协议 负责源点到终点的交付 在 IP 层的分组叫做数 据报 数据链路层有自己的帧格式 在这个格式中有一个字段是 数据字段最大长 度 当数据报封装成帧时 数据报的总长度必须小于这个数据字段最大长度 MTU 对数据报进行分割 叫做分片 源站通常不对 IP 分组进行分片 运输层会进 行分片工作 把数据划分成 IP 和在使用的数据链路层都可能接纳的大小 数据报 在到达终点之前可以经过多次分片 可以被源主机或在其路径上任何路由器进行 分片 然而数据报的重组却只能在目的主机上进行 在 IP 分组中的检验和只在首部而不在数据部分心进行 因为 首先所有将数 据封装在 IP 数据报中的高层协议 都有覆盖整个分组的检验和 其次 每经过一 个路由器 IP 数据报的首部就要改变一次 但数据部分不变 因此检验和只对发 生变化的部分进行检验 普通的 IP 首部长为 20 个字节 除非含有选项字段 IP 数据报的格式如图 2 4 所示 4 位版本4 位首部长度8 位服务类型 16 位总长度 字节数 16 位标识3 位标志13 位片偏移 8 位生存时间8 位协议16 位首部校验和 32 位源 IP 地址 32 位目的 IP 地址 选项 如果需要 图 2 4 IP 数据报格式及首部中的字段 IP 协议确保 IP 数据报在网络上采用最优的路径来传送 它是通过一套 IP 路 由算法来实现的 其原理是如果目的主机同源主机是直接相连或者在同一个局域 网内 IP 数据报可以直接传送过去 否则就把该数据报发往一个默认的路由上 然后通过路由器来转发该数据报 实现数据报的传送服务 路由器转发数据报的 工作原理是在内存中的 IP 层保存了一个路由表 每当它接收到一个来自网络的数 据报时 就去查找一下路由表 来确定其下一个转发数据的最佳路径 并把数据 报转发到下一个节点 对于主机而言 每当收到一个数据报 IP 协议就去核对数 据报头的目的 IP 地址是否为该主机的 IP 地址 如果 IP 地址相符 就将数据报发 送到指定的协议模块进行处理 否则就丢弃该数据报 2 4 4 UDP 协议协议 UDP 协议是 TCP IP 协议栈中的一个主机到主机的协议 它提供了一种基本 的 低延时的 简单的面向数据报的数据传输机制 它没有计时机制 流量控制 机制 也没有错误应答 紧急