智能家居系统论文.doc

1 绪论21世纪是信息化的时代，物联网新技术推动了人类文明的进步。随着人们生活水平的提高以及科技的高速发展，智能化家居已成为一种必然趋势而深入千家万户。智能化家居是利用电力自动化、计算机、网络通信、信息、结构化布线、无线等技术将多种设备应用和综合功能组成一个强大的完善的系统1。它以住房为平台，同时兼备网络家电、家电设备自动化、建筑、通信、远程医疗、家庭办公、娱乐等功能，集结构、服务、系统、管理为一体的舒适、节能、安全、便利、高效、娱乐、环保的居住环境1。本文介绍的智能化家居控制系统可以使得人们通过手机在任何时候、任意地点对家中的任意电器（例如：热水器、空调、电饭煲、灯光等）进行远程控制。你可以在下班途中，预先将家中的空调打开、电饭煲煮好香喷喷的米饭、让热水器提前烧好热水，而这一切的实现都仅仅是靠一条短信完成。本系统采用cortexA8作为主控器件，远程控制是基于GSM网络短消息通信方式，AT指令作为系统控制命令，cortexA8通过对收到的信息进行解码来识别控制信号，用户只需向TC35模块发送相应指令即可实现远程控制操作。温度传感器完成现场信息的采集，cortexA8对数据进行及时的处理，实现实时测控；短消息发送部分采用基于GSM模块TC35和IT公司的电平转换芯片MAX232等器件构成的移动终端的硬件电路，完成短消息收发功能。1.1 智能家居概述进入21世纪，科学技术与生产力加速了社会的发展创造能力，随之而来的也是人类对于物质水平的大力需求，而居住的环境要求也成为了人们关注的领域，所以“智能化”这一概念也促使科技工作者们将其引入智能家居民应用方面的小区住宅以及小区建筑技术之中。由于计算机控制系统发展迅速，以及电子信息行业的发展成长快速，也大力促进了智能家居控制系统的产生。因为固定电话和互联网技术基本上是传统智能家居控制系统的技术核心，所以安装固定电话以及互联网成为了达到家庭用户传统智能家居控制系统的产生的根本硬件技术、以及硬件要求。但是随着电子技术、智能通信技术以及网络技术发展日新月异的今天，基于GSM网络通讯体统的低成本无限制智能家居控制系统成为广大居民以及中国居民享受新一代智能家居控制系统的变革捷径。智能家居系统成为一种新兴的综合技术学科。智能家居系统也可被定义为一个控制过程，或者控制系统，利用现在被大多数科技人员已掌握的计算机技术、网络布线技术、网络通信系统将其糅合，使之成为融合在家居控制中的多个子系统，并使其智能的结合在一起。目前相比较其他时分多址技术手段而言，更加完美、成熟、应用更广泛的一种普及率很高的系统是GSM(Global System for Mobile communication)系统。在我国，已建成的基本覆盖全国的GSM数字蜂窝移动技术信息网，早已成为我国公众移动生活密不可分的一种技术之一。在GSM短信服务的基础上，智能家居控制系统是在移动网络通讯技术的短信应用功能的技术运用。由于GSM网络通讯系统在全国范围实现了联网以及漫游能力，所以它的网络功能很强大，用户无需另外搭建网络，因此，在GSM网络覆盖率达到全国范围的情况下，为客户省下了昂贵的网络搭建费用以及维护网络费用。同时，它对用户数量的限制也十分少，也为客户克服了一般智能家居控制系统中系统成本高、维护艰难、并且网络覆盖范围小以及用户组数量少的缺点。相比传统网络智能家居控制系统在网络通信覆盖率上具有较大的优势，加之GSM本身就具有数据的输送功能，这也促成了GSM应用在广大生活中得到迅速普及。基于GSM的无线通讯智能系统还具有双线传送数据的功能、性能稳定。为客户在远程操控以及用户控制设备提供了强大技术平台。远程操控系统应用广泛，遍及中国经济生活发展的各大领域。而且目前人们正在使用中的操控系统从成本、性能、稳定性、便捷性以及维护的难易方面基本都不能使人们最大程度的满意。所以，GSM网络通信技术的提出大大的提升了智能家居控制系统的完善程度。1.2 智能家居网络构成1.2.1 家居网络控制平台智能家居主控制平台是智能家居控制系统的“心脏”部分，等效的可以说是智能家居的核心。对方可以通过手机短信的方式接受用户命令并实时操作，或者对对用户手机发送控制电器运转情况，对家庭总线和各个网络子系统实施连接，完成智能家居控制系统平台的链接构成。1.2.2 智能家居子系统智能家居系统的连接一般均为家电网络中的耗电类型的家电电器。例如冰箱、空调、电磁炉、热水器、电饭煲、电灯等家用电器。这些消耗电类型的家庭电器可以在现场立即布线互联构成智能家居系统，与主控家居智能平台相连接，再进行现场网络综合布线连接智能家居子系统，就可以由用户利用协议中的操作指令短信操作家庭中电器设备了。1.3 智能家居网络的信号传输介质智能家居网络通讯形式多彩多样，可以采用不同的传输介质传输网络通讯信号，大体上有电力线、电话线、双绞线、无线方式。1.3.1 电力线基于电力线为传输介质的通信网络可以说是最方便的，因为现在家庭基本都已铺设供电源的电源线而且家中的电源线已经延伸到家庭生活的每个角落。而且，现在大部分家用电器设备都离不开电源。所以利用家中的电力线完成智能家居控制系统网络方案方便而且经济便宜。在国际上，首个实现家庭电器智能化的方案便是通过电力线作为信息传输载体的而达成的。1.3.2 电话线利用电话线作为网络信息传输载体起步虽然相较于电力线稍微晚一些，但是因为它具有布局简单、使用方便、安全性能好和易于大规模推广等优点，而且近期电话线的传输速率也完成了大幅度提升，所以它的应用和发展非常快，在美国已有成熟的产品。其中包括：3COM、Advanced MicroDevices、AT&T、Compaq、HewlettPackard、Intel、IBM和Lucent Technologies等发起成立了“电话线家居网络协会”，至今己有100多个成员。1.3.3 双绞线同轴电缆目前最通用的传输介质是用双绞线同轴电缆。可是在基于双绞线同轴电缆实际操作中最大的困难是需要另外铺设24根专用的传输线。但是它拥有通信可靠性和总线接口相对简单等优点，其仍然可以受到广泛用户的大批量应用。1.3.4 无线方式无线方式通过射频载波或者红外线等形式传输用户信息，“蓝牙技术”是最近发展最火热的无线通信方式。音频和视频信号、计算机网络信号、控制信号均可以利用蓝牙技术传输家庭用户信号。而且用无线方式传输信息时无需架设任何线路且实现极其方便灵活，非常适合在家庭网络中应用。由于无线方式简单方便，易于架设，所以本论文便是使用的GSM无线技术平台操作的智能家居平台系统。1.4 远程控制技术概括本论文研究立于一个对于家居电器进行远程控制，以便于实现家居智能化的系统。远程控制指的是远端的家居控制者通过通信系统对现场的家居电器系统进行控制，其目的在于解除地域和环境对控制的限制，实现高集中的远程控制，最终实现生产资料和社会资源与通讯资源的优化配置。现代远程控制技术是计算机技术、通信技术、网络技术的集合，也是信息技术和控制技术的结合。从用户角度来讲，需要的是一种方便、安全、可靠的一种传输方式。可以利用公共数据网或者通过架设专线来实现有线传输，然而在大多数情况下，传输距离、架线环境等条件限制了有线传输2。无线传输也有很多途径，如架设微波线路、(超)短波电台等都是通过自建的无线发射接收系统。然而无线传输架设成本高、频率资源的限制、容易受到地形地貌的影响、系统的架设和维护工作繁重，在业务量小、用户数量大、位置分散等应用场合中也受到很大限制。目前，经过三代发展的移动通信，移动通信体制中的时分多址技术中最完善、最成熟、应用最广的一种移动通信系统就是GSM系统2。在数据采集、远距离监控、GPS定位、缴费通知、无线报警等领域GMS都有着广泛的应用。在全国范围内GSM网络实现了联网和漫游，用户无需另外组网，GMS具有很强的网络能力，网络覆盖范围广阔，用户不必再花费节昂贵的建网费用和维护费用2。比传统的集群系统在无线网络覆盖上具有无法比拟的优势，加上GSM的SMS本身具备的数据传送功能，都使得这些应用得到迅速的普及2。GSM短信息系统性能稳定还可进行双向数据传输，为监控设备和远程数据传送通信提供了一个可靠、安全的支持平台。短消息发送一般采用其专用控制信道(DCCH)来发送，短信息的服务端可以实时的了解到对方是否接收到短信息，一旦信息传送失败，短信中心实时得知被叫用户没有回复信息，网络管理端则会继续发送消息，以保证被叫方能收到短信息。所以，在GSM网络的一些主要的电信业务当中，此类短消息业务的信息传递是实时安全的2。每个短消息的信息量都是140个八位组(7比特编码，160个字符)不会超过140个字节，绝对可以满足单方面监测用户指标的信息量。综上所述，智能家居控制系统选用GSM的短消息控制方式，来实现智能家居设备的远程控制是可行的。2 系统需求分析及方案物联网智能家居要将各成体系、互不相连的子系统协调起来，就必须有一个兼容性强的中央家居处理平台，接受并处理控制设施发出的信息，然后传送信号给你希望控制的家电或者其他家居子系统。2.1 应用程序功能需求分析本设计采用模块化设计，整个系统由通信模块、视频采集模块、传感器模块、Lcd模块组成。cortexA8通过对传感器模块传送来的信息进行判断，如果信息异常，则利用蜂鸣器以及LED实现报警，并通过GSM模块向用户发送报警信息。同时用户也可以根据需要，发送短信给GSM模块来控制相应的家电。实现对现场图像实时监控及工作位置实时控制。2.2 开发环境需求分析2.2.1 硬件环境(1)硬件配置原则具有可靠性，可用性和安全性，在满足软件需求的条件下，具有完善的技术支持，能够满足个人学习和设计需要。(2)运行本软件所需的硬件资源CPU： 800M及以上；内存容量： 内存达128M以上。本系统采用cortexA8为中央处理平台。 2.2.2 软件环境(1)系统软件配置规则 能够在指定的运行环境下，满足该软件的可靠性、安全性和可用性的要求。(2)系统软件的配置方案配置有持续工作能力、高稳定性、高度可集成的开放式标准的操作系统，如Windows NT 、Windows2000、UNIX，Linux等。熟悉C+高级程序设计语言。3 硬件模块及其驱动设计实现3.1 主控模块本系统采用cortexA8为控制核心，cortexA8不断监测有没有异常信息，当发现异常信息时，则进入相应中断，利用cortexA8通过UART串口向GSM模块发送一系列AT指令并启动GSM模块发送报警短信给用户。再根据用户发送回来的指令打开相应的继电器来控制家用电器，完成现场控制和监测任务。3.2 通信模块3.2.1 TC35模块简介TC35是西门子公司推出的一种完整的无线GSM模块，主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块（ASIC）、闪存、ZIF连接器、天线接口、SIM卡支架七部分组成。它可以快速、安全可靠地实现系统方案中的数据传输、短消息服务（Short Message Service）。模块的工作电压为3.34.8V。该模块有AT指令集接口，支持文本和PDU模式的短消息第三组的二类传真等。此外，TC35还拥有多方通话、电话簿功能、漫游检测等功能。TC35具有TALK、IDLE、省电模式三种常用工作模式。通过它的40管脚的ZIF连接器实现指令、数据、语音信号、控制信号的双向传输以及电源连接。TC35的核心是基带处理器，主要处理GSM终端内的语音、数据信号，蜂窝射频设备中所有的模拟和数字功能它也拥有。可支持EFR、FR和语音编码而不需要额外硬件电路。3.2.2 TC35模块与cortexA8连接方式TC35模块主要通过串口与cortexA8进行连接，从而cortexA8实现对TC35模块的控制。考虑到系统设计接口的简单性并且与cortexA8的UART进行连接，所以只采用TC35的串口提供了的两线（TXD、RXD）控制线连接。系统采用软件对TC35模块通信模块进行控制非常灵活，过多硬件信号的检测也很好地避免了。对于TC35的其它管脚在不使用的时候，如果该管脚为输出时，一般将该管脚悬空；如果该管脚为输入管脚，则需要将该管脚通过10的电阻上拉。另外需要将IGT管脚上拉因为IGT管脚是控制TC35模块工作的管脚。并且cortexA8与该管脚进行连接，因此我们可以利用cortexA8来控制TC35模块的工作模式。由于TC35模块功能健全，TC35模块的电源管脚是并连在一起的，因此这里不需要做任何的射频处理和信号处理。此外，IGT管脚是TC35模快的启动脚，与cortexA8的ALE管脚相连接。系统加电后为使TC35i进入工作状态,必须在ALE管脚加一个大于100ms的低脉冲,电平下降持续时间不可超过1ms。以下为TC35模块的接口设计。3.5 lcd模块本论文是基于嵌入式Linux为基础的包括lcd部分。Linux是一款运行速度快、开源、高效而且免费的操作系统。近年来，基于开源组织的嵌入式Linux系统的操作系统不断升级更新。Linux操作系统是不属于微内核型的操作系统，但是Linux操作系统模块化的结构可以让用户对它进行合理的剪裁，剪除我们不需要的功能以缩减系统的大小，甚至可以做到几千几百k大小。所以综合考虑系统的性能、可兼容性以及系统的运行速度，本论文采用嵌入式Linux2.6.35版本。在S5PC100的硬件平台上安装经过剪裁后的Linux操作系统后，为了使LCD能正常显示，还需要在系统中安装相应的LCD的驱动程序。缓存(Framebuffer)技术是Linux内核中的一种常用的驱动程序设计的模式，帧缓存为LCD设备提供了控制器的抽象描述。它就是人们常说的显存，应用程序使用系统实现好的接口可以直接访问LCD底层设备，而不需要知道底层具体是如何实现的。本系统利用帧缓冲技术开发LCD驱动程序。LCD设备使用特殊的设备节点，是一个字符设备，其主设备号是29，次设备号为自己需要的帧缓冲个数。其实，帧缓冲设备和Linux中其它的设备一样。4 系统软件部分4.1 主程序及大致流程本项目实现对现场图像实时监控、利用蜂鸣器以及LED报警和发送短信给用户。大致流程如图4.1：图4.1 系统流程 4.1.3 报警流程传送异常信息报警方式一：（提醒异常）1、 打开pwm字符设备2、 报警鸣响3、 关闭设备报警方式二：（查看温度高低）1、 打开led字符设备2、 报警（过高：高两位灯亮， 过低：第两位灯亮）3、 关闭设备图4.4 系统显示效果5 测试及结论系统测试是为了增加系统的稳定性和调试程序中的BUG，通过对该系统进行测试后找出了需要改进的地方，修改了人脸识别算法以及整个系统的稳定性有了提高，增加了识别率，提高了视频帧的采集及处理速度，界面设计清晰美观。5.1 测试原则(1)根据该系统的功能需求进行测试。(2)测试需要清晰明了的书写测试文档和输出结果。(3)程序员需要根据测试文档对自己的系统进行改进和说明。(4)在进行对整个系统进行综合的测试时，应当提出合理的测试条件和合理的输入条件，支出该系统需要改进的功能等。(5)测试员要注意测试中的群集现象，测试后程序残存的错误数目与该程序中以发现的错误数量成正比，应该对该系统容易出现的问题进行反复的测试及验证。(6)严格的根据测试要求来执行测试计划，排除测试中的随意性，测试要求应该包括：