[硕士论文精品]远程智能家居控制系统

河北工业大学硕士学位论文I远程智能家居控制系统摘要随着国民经济和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。电信、INTERNET、电视网三种网络的合而为一，是未来网络媒体发展的趋势，是当前竞相开发的热点，而文章就是在这样的背景下，实现了三网中移动网与家庭无线网络的结合，提出了一种采用GPRS技术与蓝牙无线技术来完成对智能家居系统的设计，该系统全部采用无线通信技术来完成，省去了重新布线的问题，而且把GPRS远程通信技术加入到智能家居的系统中，从而使用户在千里之外可以随时了解家中的情况并对家用电器进行控制。文章首先分析了智能家居的国内外发展的现状，并对传统智能家居的特点进行分析，提出了基于短距无线网络的现代智能家居系统是将来的发展趋势。接着对智能家居控制的系统构架以及相关关键技术进行了分析和比较，指出基于蓝牙技术是目前最适合无线家居控制系统的无线标准。分析了GPRS网络的结构以及GPRS的技术优势之后，又从蓝牙协议的体系结构，蓝牙主机控制接口（HCI），蓝牙数据流和控制流，蓝牙技术的应用规范，微微网（PICONET）等方面对蓝牙技术进行了研究。然后提出了本系统的总体设计方案，以及各个功能模块的硬件选型方案。再之后根据系统软件环境的需求，构建了嵌入式LINUX系统软件平台。最后从系统和应用的角度来研究智能家居控制网络，设计了一个基于近距离无线技术的智能家居控制系统，主要采用GPRS无线通信模块与新一代无线网络通信技术蓝牙相结合，实现了通过手机短信对家庭电器进行控制。关键词GPRS，蓝牙，智能家居，嵌入式系统远程智能家居控制系统IITHEREMOTECONTROLSYSTEMOFSMARTHOMEABSTRACTALONGWITHTHEENHANCEMENTOFNATIONALECONOMYANDTHESCIENCEANDTECHNOLOGYLEVEL,SPECIALLYTHECOMPUTERTECHNOLOGY,THECOMMUNICATION,THENETWORKTECHNOLOGY,THECONTROLTECHNOLOGYSWIFTDEVELOPMENTANDTHEENHANCEMENT,URGEDTHEFAMILYTOREALIZETHELIFEMODERNIZATIONCOMFORTABLY,THEENVIRONMENTSAFELYSMARTHOMEALSOISPRECISELYARISEDINTHISSITUATIONTELECOMMUNICATIONS,INTERNETANDTELEVISIONARECOMBINED，THENETWORKMEDIAISTHEFUTUREDEVELOPMENTTENDENCYINTHISCONTEXT,THEACHIEVEMENTOFTHETELECOMMUNICATIONSNETWORKANDHOMEWIRELESSNETWORKCOMBINEDUSINGGPRSTECHNOLOGYANDBLUETOOTHWIRELESSTECHNOLOGYWASPROPOSEDTOCOMPLETETHESMARTHOMESYSTEMWIRELESSCOMMUNICATIONSTECHNOLOGYISUSEDINTHESYSTEMWHICHTOBECOMPLETED,ELIMINATINGTHEREWIRINGISSUESGPRSTECHNOLOGYISUSEDINSMARTHOMESYSTEM,SOTHATTHEUSERCANCONTROLTHEHOMEAPPARATUSTHOUSANDSOFMILESAWAYFIRSTLY,THISARTICLEANALYZESTHEDEVELOPMENTOFTHESMARTHOMEOFTHESTATUSATHOMEANDABROAD,ANDANALYZESONCHARACTERISTICOFTHESMARTHOME,POINTSOUTTHESMARTHOMESYSTEMBASEDONTHESHORTDISTANCEWIRELESSNETWORKMODERNINTELLIGENCEISDEVELOPMENTTENDENCYINTHEFUTUREAFTERTHEANALYSISOFTHESMARTHOMECONTROLSYSTEMARCHITECTUREANDRELATEDKEYTECHNOLOGIES,ITPOINTSOUTTHATBLUETOOTHTECHNOLOGYISTHEMOSTSUITABLEFORWIRELESSHOMECONTROLSYSTEMAFTERANALYSISOFTHEADVANTAGEOFTHEGPRSNETWORK,ANDTHESTRUCTUREOFTHEGPRSTECHNOLOGYADVANTAGE,ANDSTUDYTHEBLUETOOTHPROTOCOLARCHITECTURE,BLUETOOTHHOSTCONTROLINTERFACEHCI,BLUETOOTHDATAFLOWANDCONTROLFLOW,THEBLUETOOTHTECHNOLOGYSPECIFICATION,PICONETANDSOONTHENITGIVESTHESYSTEMDESIGNPROGRAM,ANDTHEVARIOUSSOLUTIONOFTHEHARDWAREMODULESSELECTIONTHENACCORDINGTOTHENEEDOFTHESYSTEMSOFTWAREENVIRONMENT,CONSTRUCTTHEEMBEDDEDLINUXSYSTEMSOFTWAREPLATFORMTHENSTUDIESONSMARTHOMECONTROLNETWORKFROMTHESYSTEMANDTHEAPPLICATIONASPECT,DESIGNEDTHESMARTHOMECONTROLSYSTEMBASEDONTHESHORTRANGEWIRELESSTECHNOLOGY，MAINLYCOMPLETEDTHEGPRSWIRELESSCONNECTIONMODULEANDNEWGENERATIONOFWIRELESSNETWORKCOMMUNICATIONBLUETOOTHCOMBINED,HASCOMPLETEDTHECONTROLOFTHESWITCHOFELECTRICEQUIPMENTBYSENDINGTEXTMESSAGESKEYWORDSGPRS,BLUETOOTH,SMARTHOME,EMBEDDEDSYSTEM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1第一章绪论11课题研究的背景近年来计算机、自动控制和通信技术的发展，己经深刻地改变了人们的工作方式，极大地提高了企业的生产效率，为社会创造了巨大的财富，相比之下带给个人和家庭生活的好处却十分有限，传统的居家方式并没有因信息时代的到来而产生多大变化。家电产品种类日益增多，分散控制给人们带来了极大的不便，作为社会组成的基本单元家庭几乎成为信息时代的孤岛。在这样的背景下，人们开始关注居住环境，注重家居环境的安全、健康、便捷和舒适，如何有效地在家居环境中组建家庭信息网络，将各种家电产品结合成一个有机整体，并通过它对家电设备进行集中或异地的智能化控制与管理，并且能够与外界进行信息交流，更好地为人们提供家居环境的各类信息，开发网络化、智能化、数字化的新型住宅。从而引发了一个极具吸引力的市场智能家居系统。“智能家居”SMARTHOME，又称智能住宅，它利用先进的计算机技术、嵌入式系统技术、网络通讯技术和传感器技术等，将家中的各种设备照明系统、环境控制系统、安防系统、智能家电等有机的连接到一起。智能家居让用户采用更方便的控制家用设备，根据场景设定设备动作，使多个设备形成联通的手段来管理家庭设备，比如，通过无线遥控器、电话、互联网等。智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行，从而在最大程度上给用户提供高效、便利、舒适与安全的居住环境和工作环境1,2。智能家居是近几年产生并迅速崛起的一种新型家居住宅，而家居的智能化是其最重要最基本的内容，它是建筑艺术、生活理念与信息技术、电子技术等现代技术的完善综合。它不仅已经成为一个国家经济实力和科学技术的综合标志之一，而且也是人类社会住宅发展的必然趋势。但是，当前的智能家居产品大都基于有线通信技术，系统成本高，设计周期长，维护不方便，较难适应当前的发展形式，同时智能家居技术在我国还是刚刚起步，许多技术标准都还不统一，还有很多工作需要做。随着智能家居的发展和人民生活水平的提高，人们对于智能家居系统的要求也不断提高，如何实现家庭设备网络化综合管理是智能家居系统要解决的首要问题，智能家居远程控制系统正是为了实现这一目标。然而目前在智能家居中的远程控制系统在设备的管理以及设备之间的联动上仍存在不少问题。因此加强这方面的研究，如何选取合适的技术，进行合理的方案设计，进而组建一种符合我国国情的、具有自主知识产权的智能家居系统己成为当前智能家居领域中极富挑战的课题。本设计课题就是在这种背景下，经导师悉心指导下选定的。远程智能家居控制系统212智能家居及其控制系统的发展现状121智能家居系统国外发展现状世界上第一幢智能建筑于1984年在美国康涅迪格州出现，当时只是对一座旧式大楼进行了一定程度的改造，采用计算机系统对大楼的空调、电梯、照明等设备进行监测和控制，并提供语音通信、电子邮件、情报资料等方面的信息服务。从那以后，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和地区先后提出了各种智能家居方案。1998年5月，新加坡举办了“亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”，在会上展示了模拟的“未来之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。该系统提供了以下功能三表抄送、安防报警、可视对讲、集中化监控、家电控制、有线电视接入、电话接入、住户信息留言、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入、系统软件配置等。2000年，在新加坡有近30个社区的近5000户家庭采用了这种家庭智能化系统；美国则有近4万户家庭安装了这类系统。资料显示1995年，美国一个家庭要安装家庭自动化设备的平均费用在70009000美元之间，而目前的费用已经大大降低。就目前的发展趋势分析，预计今后两年内将有近1亿的家庭构建家庭网络，根据美国一家权威市场调查机构资料显示，2003年，建设网络化家庭所带来的市场总值高达4500亿美元，其中3700亿美元是智能信息家电硬件产品的价值，其余是软件和技术支持服务的费用。现在，国外的智能家居系统已日趋成熟，预计到2010年，50以上的新房将具有一定的“智能型家居”功能。同时，由于技术的标准化，这些新型家居将比比尔。盖茨耗资6000万美元建造的高科技别墅便宜得多3。在智能家居发展过程中，美国一直处于领先水平。近来，以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国际知名企业，先后挤身于智能家居的研究与开发中，例如微软开发的“梦幻之家”、IBM公司开发的“家庭主任”、摩托罗拉公司开发的“居所之门”等。3COM公司也一直在通过因特网向用户宣传智能家居这一概念，并正在研发家用无线网关等网络产品。此外INTEL公司、日本松下电器公司、新加坡科技电子公司、韩国三星公司等知名企业也正致力于智能家居系统的研发工作。智能家居的市场已经启动，其诱人的前景和巨大的市场潜力吸引了大批厂商争先恐后地涉足这一市场，虽然每家公司的策略各不相同，但它们都坚持同样的信念山那边遍地是金。122智能家居系统国内发展现状目前我国正处于智能家居的萌芽发展期，政府有关部门已经将建设智能化小康示范小区列入重点发展方向，这必然促使智能化从智能大厦建设向智能化住宅小区，乃至向家庭智能化的方向发展。去年8月，由国家经贸委牵头成立了家庭信息网络技术委员会，信息网络技术体系研究及产品开发已经被作为国家技术创新的重点专项计划。据悉，国家将投资15亿元人民币支持该项目的实施。目前，建设部已批准7个普及型网络社区，而北京市已经计划建设30个网络社区，总户数将达3万户。到2010年，我河北工业大学硕士学位论文3国将有70以上的家庭拥有INTERNET入网设备。按照建设部的要求，到2010年，大中城市中50的住宅要实现智能化。由于智能家居系统能够为人们提供更加轻松、有序、高效的现代生活环境，因此已经成为房地产商追逐的热点。在未来，没有智能家居系统的住宅将像今天不能上网的住宅那样不合潮流。就像对任何新生事物一样，人们对智能家居的认识也存在误区，最常见的有以下几种一是认为简单地堆砌监控设施、网络设施，便是实现了家庭信息化和智能化，如安装可视电话、可视门铃等；二是认为智能化深不可测，一打手机热水器便开了，甚至认为冰箱、微波炉等都上网。据调查，在拥有个人电脑的美国家庭中，有37的家庭希望拥有家庭网络，但很少有消费者需要带电子邮件功能的冰箱、微波炉等。国内有关专家认为，在建设智能化住宅时，应从人的需求出发，不应盲目追求大而全。建设一个社区智能网络系统，每建筑平方米将增加造价100元左右，如果再增加一些高档、豪华的设施，所需费用将更多。且不说一些不实用的设施所造成的资金浪费，仅是社区智能网络的维护就需要不少的人力、财力，由此带来的物业费增加也是房地产开发商应该考虑的问题。一项调查显示，在住宅智能化系统中，紧急呼叫系统的需求量最大，有近50的购房者认为这是必备的设施；其次是门铃对讲系统；紧随其后的是计算机网络系统、三表抄送系统以及对家电设施的综合控制系统等4,5。在国外各大企业研发智能家居产品的同时，国内厂商也己开始智能家居产品的研发和生产，特别是一些大型IT企业利用自身在资金与技术方面的优势，在低端产品市场上占据了相当重要的地位。比如清华同方EHOME事业部、南京普天楼宇智能有限公司、中美科龙公司等都正加紧研发智能家居系统的相关产品。虽然在今天，人们理想中的智能家居还是一个梦想，但是它已经不太遥远了。13研究开发的必要性智能家居系统是利用计算机、嵌入式系统和通信网络技术，将各种家用设施如照明、安防、家电等。通过家庭网络连接到一起，从而为人们提供更为便利舒适的生活。传统的智能家居系统一般是通过有线线路布线进行各种控制和通信的，人们难以脱离各种线缆的羁绊，而且系统的可扩展性能也很差。现代近距离无线通信技术的发展，使得人们能够冲破这种束缚，营造更舒适的家居生活。家居网络可以大致分为数据网络和控制网络两大部分，从数据通信功能上来划分，智能家居网络可以分成家庭数据网络和家庭控制网络两种。家庭数据网络完成家居中的以下功能1提供家庭内部共享上网能力；2提供多媒体家电互相通信能力，共享影音、文件。如电脑和电视、VCD、音响、PDA，MP3播放器等；远程智能家居控制系统43实现机器和机器之间大批量、高速率的数据传输。家庭控制网络完成家居中的以下功能L灯光照明控制；2家居环境监测和控制；3家居安防；4家庭应急功能。智能家居控制系统可以归纳成是一个各种家庭设备互连和控制网络，互连是满足人们的数据通信的基础，控制是家居自动化、智能化的根本6,7。传统智能家居控制系统的特点和不足传统的智能家居控制系统一般是有线的方式来组建的，如LONWORKS，X10，RS485，CANBUS，ETHERNET等。其中X10是智能型家庭网络系统中最被广泛采用之技术，主要是因为价格便宜及部分消费者可自行装设DOITYOURSELF；而LONWORKS虽然品质及性能都较X10好，但偏高的售价却造成难以普及，至于LONWORKS目前主要市场还是在工、商业界，而且通常需要专业人员协助装设。RS485，CANBUS用于自动化工业控制场合，技术发展己经比较成熟。ETHERNET适合高速数据传输网络标准，用于家庭自动化控制也受到电缆布线的限制。一些技术发展己经相对比较成熟，而且在行业己经具有一定的标准性和通用性，但普遍还存在以下缺点L基于有线的方案具有明显的缺点布线麻烦，增减设备需要重新布线，而且影响美观；另一方面系统可扩展性差，系统安装和维护成本高，移动性能差。2智能家居内部设备的通信和控制没有一个国际上统一的通信接口标准。3家居设备在家庭内部的编码方式随便混乱。针对以上提出的目前智能家居控制领域存在的不足，我们从技术发展的角度来考查设计中要考虑的要素。与家居数据通信网络的核心目标不一样，家居控制系统需要的是低速率低成本的控制手段。音视频等大数据传输可能需要高速的通信接口来维持，而控制网络在于设备的互连和控制功能，不需要高速率、高QOS的通信技术来支撑。从实用的角度来看，控制系统需要的是能提供更为便利的低成本组网。在家居网络中，我们要考虑以下特点L低成本家庭控制网络中控制的对象主要是大量的家电和传感器终端节点，这种较大规模的网络需要一个低成本的节点组网技术。2标准化需要各个家居组成部件之间互相通信，标准化工作很重要。3跨平台使用环境是一个家居环境，整个系统中有着形形色色的平台。4自组织不能期望用户能够对系统进行复杂的配置和管理，网络环境下各种资源的自组织和协同工作显得十分重要。5可扩展性系统不做改动的情况下，能够自动地进行软件升级和功能扩张。河北工业大学硕士学位论文56嵌入式应用嵌入式技术是指设备通过嵌入式模块，直接接入INTERNET实现信息交互的过程，或者通过移动通信模块GSM/GPRS模块等直接接入移动网络实现远程交互的过程。14智能家居控制系统的发展方向及现实意义网络化的嵌入式无线智能家居控制系统是未来智能家居的发展方向8，它能够提供标准化接口和无线网络互连功能，而且可以通过嵌入式通信协议的实现。各种家庭互连的无线标准不断提出，推动了智能家居控制系统的无线化和接口标准化发展，无线互联为人们提供更好的移动性和更多的便利，而标准化无线接口为不同厂家产品提供互兼容特性；各种无线网络技术迅速发展，从广域网INTERNET，GSMGPRS3G到基于IEEE80211系列的无线局域网WLAN、基于蓝牙的无线个人网WLAN，新网络技术标准不断涌现，给智能家居行业的设计赋予了一种全新的技术理念，“网络控制一切”将会在不久的将来成为生活中的现实；加上嵌入式系统的发展，人们可以以更低的成本来开发家居主控制器，并且家居设备和主控制器都能够以低功耗方式来运行，降低了运作的成本。文章正是适合于智能家居控制系统的发展方向，提出一种基于GPRS和蓝牙技术的智能家居解决方案的设计。该设计将GPRS移动通信与新一代无线网络通信技术蓝牙相结合，实现了通过手机短信对家庭电器进行控制。GPRS是通用分组无线服务GENERALPACKETRADIOSERVICE的缩写，是在GSM基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式，在嵌入式系统中应用非常广泛。由于GPRS通信网络的普及且其实现了联网和漫游，这样利用网络传输数据不须再组建专用通信网络，因此采用短信方式传输数据的系统应用将越来越广泛，这使得以短信方式传输控制家庭命令成为可能。同时蓝牙是最近发展起来的一种短距离无线通信技术，由于蓝牙具有近距离,功耗低,低数据率,低成本等功能，使其适合于家庭控制。GPRS网不但具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点，且其本身就是一个分组型数据网，支持TCP/IP协议，无需经过PSIN等网络的转接，可直接与INTERNET网互通。因此GPRS业务在无线上网、环境监测、交通监控、移动办公等行业中具有无可比拟的性价比优势。GPRS无线数据传输系统具有广阔的市场前景912。综上所述，随着无线通信的发展，GPRS技术和蓝牙短距离无线通信技术将在智能小区的建设和工控系统中有广泛的发展前景。因此，基于GPRS和蓝牙技术的智能家居解决方案是实现家居智能化的一种建设性的提议，具有一定的现实意义且有较强的研究价值。远程智能家居控制系统615课题主要研究内容论文文章在分析智能家居的发展方向，研究的必要性及意义后，把外部网络移动网和家庭内部控制网络相结合，完成了智能家居控制系统的设计。智能家居系统设计的目的只需要手机发送短信，就可以实现控制家里的家用电器。基于GPRS和蓝牙技术的智能家居解决方案采用以单户家庭为单元的通信控制模式，在每一个家庭中都安装一个主控中心负责用户控制信号及家电反馈信息的接收和转发及若干个与家电设备相连的分控终端控制该家庭的所有电器。主控和分控装置由家庭内部网络相连，家庭内部网络采用蓝牙无线通信方式。此装置便于家庭独自管理，安全性、可靠性高。研究的内容主要包括1分析了智能家居系统提出了基于短距离无线网络的现代智能家居系统是将来的发展趋势。2分析了GPRS和蓝牙通信的协议体系结构和组网方式，指出了通过GPRS和蓝牙来设计远程控制系统是比较科学的。3嵌入式软件平台的搭建，包括BOOTLOADER的移植，内核的裁剪和移植，文件系统的制作。4系统的总体结构，以及各个模块的硬件选型。5整个系统的软件设计并给出部分程序流程图。本论文各个章节安排如下第一章研究了智能家居的现状、研究的必要性和现实意义。第二章介绍了嵌入式系统以及系统中用到的相关技术GPRS，蓝牙的特点及各层协议。第三章智能家居控制系统的总体设计和选型方案。第四章介绍主控中心的嵌入式硬件平台并详细介绍嵌入式软件平台的搭建。第五章系统软件设计分别介绍了手机与MC35I之间的通信协议，蓝牙模块与上位机之间的通信协议，主控中心及分控中心部分的软件开发。第六章总结与展望,对文章所作的工作进行总结并对该领域需进一步研究的工作进行展望。河北工业大学硕士学位论文7第二章GPRS和蓝牙通信技术介绍21GPRS网络技术传统家庭智能远程控制的实现主要有以下两种方法1通过电话网络实现对家庭智能控制终端的控制用户外出时，拨打家庭电话，控制终端通过检测振铃信号，对振铃次数进行计数，若振铃超过一定次数，控制终端实现模拟摘机，播放语音提示音，用户根据提示音进行操作实现监控。2通过以太网实现将控制终端通过PC机接入以太网或者直接在控制终端的微控器外部扩展完整的网络设备，通过网线接入以太网。用户只需访问家庭主页即可实现对家庭系统的监控。以上两种方式都具有操作简单且成本较低的优点，但是通过电话网络的方式，需要占用电话设备，当外人拨通家中电话时，也有可能进入控制模式，即使设置了密码，也容易出现一些误操作。而且电话网络和以太网都属于有线的方式，随着网络技术的发展，将逐渐被无线网络所取代。文章根据GPRSGENERALPACKETRADIOSERVICE通用分组无线服务技术永远在线，速度快，接入范围广等特点，将GPRS技术与嵌入式系统相结合，设计家庭智能控制器，通过手机短信和互联网等方式解决了用户在异地对家庭智能系统的远程查询，控制等问题。GPRSGENERALPACKETRADIOSERVICE是通用分组无线业务的简称，构建在GSM网络基础之上，对原有的GSM网络子系统和无线系统的设备及功能进行了升级和增强，被称为25G系统。GPRS采用了与GSM同样的无线调制标准、同样的带宽、同样的跳频规则和同样的TDMA帧结构，因此现有的GSM网络可以很容易地提供GPRS业务。它支持TCP/IP协议，是一个分组型数据网，无需经过PSTN等网络的转接，就可直接将数据以数据包的形式与INTERNET互传。因此GPRS业务在无线上网、环境监测、交通监控、移动办公等行业中具有无可比拟的性价比优势。211GPRS的网络结构GPRS网络是对GSM的平滑升级，通过在GSM系统的无线侧新增PCUPACKETCONTROLUNIT作为分组接入和控制单元，在网络侧新增SGSNSERVINGGPRSSUPPORTNODE和GGSNGATEWAYGPRSSUPPORTNODE实施用户管理和分组支撑，将电路交换系统和数据交换系统合二为一，从而实现系统资源的有效利用，拓展系统功能13。GPRS服务支持节点SGSNSERVINGGPRSSUPPORTINGNODE的主要功能是对移动终端进行鉴权和移动性管理，建立移动终端到GGSN的传输通道，接收从BSS传送来的移动终端分组数据，通过GPRS远程智能家居控制系统8骨干网传送给GGSN或者将分组发送到同一服务区内的移动终端。SGSN还可以集成计费网关、边缘网关负责实现GPRS网络之间的互连和防火墙的功能。GPRS网关支持节点GGSNGATEWAYGPRSSUPPORTNODE是连接GPRS网络与外部数据网络的节点。对于外部数据网络来说，它就是一个路由器，负责存储己经激活的GFRS用户的路由信息。GGSN接收移动终端发送来的数据，转发至相应的外部网络，或接收来自外部数据网络的数据，通过隧道技术，传送给相应的SGSN。另外GGSN还可具有地址分配、计费、防火墙功能。SGSN和GGSN两节点可分可合，即它们的功能既可以由一个物理节点全部实现，也可以由不同的物理节点来实现。每个GGSN和SGSN都至少拥有一个网内固定IP地址，它们都应有IP路由功能，并能与IP路由器互连。GPRS骨干网络是IP的网络，提供GPRS内部和GPRS之间的通信。对外部数据网络来说，GPRS系统中的GGSN就是一个路由器，实现GPRS骨干网和外部数据网络X25网、帧中继网或ATM网之间的路由寻址功能。因为采用相同的协议，GPRS可以看作是INTERNET的子网，能够使用GPRS的移动终端可以视为移动主机。每一个GPRS终端都有一个自己的IP地址，并可以依据此寻址。PCU分组控制单元与BSCBASESTATIONCONTROLLER协同作用，提供无线数据的处理功能，如逻辑链路与物理链路的映射，数据包的拆封和确认，无线数据信道的分配等。PCU可作为模块单元插入BSC，或者作为独立于BSC的单元存在。212GPRS的技术优势GPRS通讯技术具有如下的优点L价格合理，资源利用率高。GPRS引入了分组交换的传输模式，使得用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。GPRS通讯采取按流量计费的方式，体现了“得到多少、支付多少”的原则。2传输速率高。GPRS的数据传输速度理论最高可达到170KBPS，是常用有线MODEM理想速率的两倍，是当前GSM网络中电路数据交换业务速度的十几倍。3接入时间短。分组交换接入时间少于1秒，能提供快速及时的连接，可大幅度提高一些事务如信用卡核对、远程监控等的效率，并可使己有的INTERNET应用如EMAIL、网页浏览等操作更加便捷、流畅。4基于IP协议，可提供强大的INTERNET接入能力。5永远在线，可靠性高，抗干扰能力强。通过以上客观分析可以看出，无论从建设周期、建设费用和运行费用，还是系统的可靠性、稳定性和技术的先进性等用户比较关心的角度而言，GPRS技术在远程的分散数据采集应用领域具有很大的优越性。因此，在分布范围较广，数据采集点多，实时性要求较高的场合，GPRS通讯技术比较合适，同时它也符合远程测控领域的发展趋势，那就是测控网络和信息网络的融合。河北工业大学硕士学位论文922蓝牙技术221蓝牙协议体系结构蓝牙BLUETOOTH技术规范由蓝牙特别兴趣小组SIG制订，在使用通用无线传输模块和数据通信协议的基础上，开发交互式服务和应用，多用于便携式通信设备。蓝牙技术规范的目的是使符合该规范的各种应用之间能够互通，本地设备与远端设备需要使用相同的协议，不同的应用需要不同的协议，但是，所有的应用都要使用蓝牙技术规范中的数据链路层和物理层。完整的蓝牙协议层如图21所示，不是任何应用都必须使用全部协议。图21显示了数据经过无线传输时，所有协议之间的相互关系，但在某些应用中这种关系是有变化的，如需控制连接管理器时，可使用逻辑链路控制应用协议L2CAP、二元电话控制规范TCSBINARY或连接管理协议LMP1415。完整的协议包括蓝牙专利协议LMP和L2CAP和非专利协议如对象交换协议OBEX和用户数据报协议UDP。设计协议和协议栈的主要原则是尽可能利用现有的各种高层协议，保证现有协议与蓝牙技术的融合以及种应用之间的互通性，充分利用兼容蓝牙技术规范的软硬件系统。蓝牙技术规范的开放性保证了设备制造商可自由地选用其专利协议或常用的公共议，在蓝牙技术规范基础上开发新的应用下面就蓝牙协议栈中各个协议的具体功能进行一下简要的介绍。1核心协议核心协议都是SIG为蓝牙专门开发的。它们应用于蓝牙应用的每个规范。蓝牙核心协议的主要功能是完成对物理传输媒介的监测与控制，发现设备，可靠数据链路的建立与维持，高层数据包的适配，不同协议数据的复用与流量控制。1基带协议。基带协议提供两种不同的物理链路同步面向连接链路和异步无连接链路。基带协议在微微网的两个或者多个单元之间建立链路连接，同时它还同步微微网内蓝牙设备的跳频频点和时钟。基带协议还为在蓝牙链路中传输的数据和语音提供差错纠正。2链路管理协议LMP。链路管理协议负责两个或多个设备之间的链路设置和控制。链路管理协议包括很多安全方面的控制。另外，它还负责蓝牙无线收发器的功率模式等。3逻辑链路控制和适配协议L2CAP。逻辑链路控制和适配协议属于高层控制协议，它与链路管理协议并行工作，共同传送往来基带层的数据。特别注意的是，物理链路有两种SCO和ACL。但是L2CAP只支持ACL链路。4服务发现协议SDP。服务发现协议可以使得一个蓝牙设备发现另一个蓝牙设备的设备信息，并与之建立连接。5电缆替代协议RFCOMM。RFCCOMM是蓝牙SIG在TS0710协议子集的基础上开发的。RFCOMM像SDP一样位于L2CAP之上，作为一个电缆替代协议，它通过在蓝牙基带协议上仿真RS232远程智能家居控制系统10控制和数据信号，为那些将串行线用作传输机制的高级业务如对象交换协议OBEX提供传输能力。6电话控制协议TCS。电话控制协议包括二进制电话控制协议TCSBIN和一套电话控制命令ATCOMMAND。电话控制协议的设计支持电话功能，包括呼叫控制和分组管理，这些操作通常与语音呼叫有关，呼叫的参数就是使用TCS建立的，一旦呼叫建立成功，蓝牙音频信道就能运载呼叫的语音内容。TCS同样可以用来建立数据呼叫，以拨号上网的应用模板为例，呼叫的内容在L2CAP上以标准数据包形式运载。7二进制电话控制协议。它是定义蓝牙设备之间建立语音和数据呼叫的控制信令。它还定义处理蓝牙设备组的移动管理过程。8AT命令。蓝牙的AT命令是一套可在多使用模式下用于控制移动电话和调制解调器的命令。它用于应用规范中确定蓝牙设备在连接有线或蜂窝电话网络时是作为电话还是调制解调器。图21蓝牙协议堆栈结构图FIG21THECHARTOFBLUETOOTHPROTOCOLSTACK基带与链路控制（BASEBANDLINKCONTROLLER）链路管理器协议（LMP）蓝牙无线射频（RF）AT指令集对象交换协议（OBE网际协议电话控制TCS服务发现协议点对点协议音频视频控制传输协议音频视频分发传输协议逻辑链路控制与适配协议（L2CAP）串口仿真网络封装协议TCP/UDP音频AUDIO主机控制器接口（HCI）河北工业大学硕士学位论文112选用的协议这里的协议不是蓝牙技术独有的协议，蓝牙规范对高层的不同目标重复使用许多现存的协议，这样便保证蓝牙技术能够与现有协议的融合以及各种应用之间的互通性，充分利用了嵌入蓝牙技术的软硬件系统资源。蓝牙选用协议包括点对点协议PPP、传输控制协议/用户数据报协议/互联网协议TCP/UDP/IP、对象交换协议OBEX和无线应用协议WAP等。1点到点协议。是由因特网工程任务组开发的，该协议主要用于拨号因特网连接，它定义了串行点到点链路如何传输因特网协议数据。点到点协议主要由3个部分组成封装、链路控制协议LCP、网络控制协议NCPS。2TCP/IP、UDP。这3种协议定义了大部分基于因特网和网络相关的通信以及其他类型计算设备和外围设备之间的通信。3对象交换协议。这里的对象指的是网络中传输的数据，对象交换协议主要是用来实现不同设备间的数据对象的交换。4无线应用协议。在数字蜂窝电话和其他小型无线设备上实现因特网业务1416。223蓝牙主机控制器接口蓝牙主机控制器接口HCI，HOSTCONTROLLERINTERFACE是蓝牙主机主机控制器应用模式中蓝牙模块和主机间的软硬件接口，它提供了控制基带与链路控制器、链路管理器、状态寄存器等硬件功能的指令分组格式包括响应事件分组格式以及进行数据通信的数据分组格式。蓝牙技术集成到各种数字设备中的方式有两种第一种是单微控制器方式，即所有蓝牙底层传输协议包括蓝牙射频、基带与链路控制器、链路管理器与高层传输协议包括逻辑链路控制与适配协议、服务发现协议、串口仿真协议、网络封装协议等以及用户应用程序都集成到一个模块中，整个处理过程由一个微处理器来完成；第二种是双微处理器方式，即蓝牙协议与用户应用程序分别由主机和主控制器来实现底层传输协议一般通过蓝牙硬件模块实现，模块内部嵌入式的微处理器称为主机控制器，高层传输协议和用户应用程序在写入的个人计算机或嵌入的单片机、DSP等上运行，称为主机，主机和主机控制器之间通过标准的物理总线接口如通用串行总线USB、串行端口RS232来连接。在我们的蓝牙软硬件开发平台中将采用第二种方式17。在蓝牙的主机主机控制器连接模型当中，HCI作为蓝牙软件协议堆栈中软硬件之间的接口，它提供了一个控制基带与链路控制器、链路管理器、状态寄存器等的统一接口。当主机和主机控制器通信时，HCI层以上的协议在主机上运行，而HCI层以下的协议由蓝牙主机控制器硬件来完成，它们通过HCI传输层进行通信。主机和主机控制器中都有HCI，它们具有相同的接口标准。主机控制器中的HCI解释来自主机的信息并将信息发向相应的硬件模块单元，同时还将模块中的信息包括数据和硬件/固件信息根据需要向上转发给主机18,19。远程智能家居控制系统12224蓝牙数据流和控制流在上述协议中，数据的传输和控制信令的传递分别构成了数据流和控制流。数据流将高层应用的数据发送给硬件，或从硬件将数据上传给高层应用；控制流进行信道控制。蓝牙可以传输同步和异步数据。同步数据一般直接由硬件接出如输出给耳机,异步数据流则要通过软件层。蓝牙协议栈为高层应用提供透明信道，完成与远端高层应用的透明数据交换。蓝牙异步数据的分层走向为发送数据APPCOMMCAPHCI硬件；接收数据硬件HCIL2CAPRFCOMMAPP。协议栈的每一层都接受上一层的命令，并向下一层发送命令，接收下一层提交的事件，先上一层报告事件。APP通过打开、关闭、读和写等命令操作仿真串口仿真串口命令RFCOMM与远端建立DLC拆除DLC以及读写等。L2CAP层基于逻辑信道LC，LOGICCHANNEL进行的包传输，每个信道的每个端点都可以用一个信道标识符CID，CHMALELIDNETIFIER来表示。每个逻辑信道上接收到的L2CAP包都会传输到相应的上层协议。L2CAP接到上层协议SDP、TCS或RFCOMM的建链请求后，通过HCI向远端进行建链请求，参数协商等LC建链操作。通过HCI传出的信息也包括命令、事件。命令由主机端发给硬件，事件由硬件提交给主机。由主机发给设备的命令按执行方式可分为同步命令和异步命令。同步命令主要用于本地查询和设置参数，完成后立即返回类似于COMMAND_COMPETLE_EVENT的命令完成事件；异步命令一般涉及到双方的通信，比如建立连接等，HCI固件接收到命令后，先返回一个命令状态事件COMMANAD_STATUS_EVENT，表示命令参数的正确与否，完成后再返回一个命令完成事件。225蓝牙技术的应用规范蓝牙技术的协议部分定义了蓝牙设备之间通信的规范，我们也可以理解为通信语言，但如何避免协议规定的堆砌从而实现设备之间的互操作性，是应用蓝牙技术的一个关键环节。其中，最简便有效的解决办法就是规定每一种应用模型的通信语言，即每一种应用模型应采用的协议、程序以及组合顺序，这就是蓝牙SIG定义蓝牙应用规范的目的。蓝牙SIG标识了不同的应用模型，同时为不同的蓝牙应用模型定义了很多具体的应用规范，这些应用规范定义了如何采用蓝牙协议提供应用模型中所描述的功能之间的互操作性，它代表了具体应用模型的默认解决方案，是蓝牙协议栈的垂直切片组合，是保证互操作性和标识语要求的基础，是保证互操作性的主要手段。这里指的互操作性涉及了怎样使蓝牙设备工作、如何与蓝牙设备交互、如何发现其他蓝牙设备、如何初始化蓝牙设备进行通信、如何使蓝牙设备相互通信等问题。蓝牙应用规范通过以下三种措施来保证互操作性1减少协议选择和缩小协议中的参数范围；2规定程序组合的顺序；河北工业大学硕士学位论文133定义统一的用户应用交互过程。当一种应用模式直接或间接采用了另一种应用模式的部分或全部功能时，则称该应用模式依赖于另一应用模式。蓝牙SIG定义了文件传输、因特网网桥、域网接入、同步、三合一电话、终级耳机等几种基本的应用模型，同时定义了13种蓝牙应用规范，其相互关系如图22所示20。蓝牙应用规范按照应用情况一般又可分为通用访问应用规范、电话控制应用规范、串行和对象交换应用规范和网络应用规范四大类，各类的具体应用为1通用访问应用规范包括通用访问应用和服务发现应用；2电话应用规范包括无绳电话应用、对讲机应用和耳机应用；3串行和对象交换应用规范包括串口应用、通用对象交换应用、文件传输应用和数据同步应用；4网络应用规范包括拨号网络应用、局域网接入应用和传真应用。图22蓝牙应用规范及其相应关系FIG22APPLICATIONOFBLUETOOTHSPECIFICATIONANDTHECORRESPONDINGRELATIONS其中，通用访问应用、服务发现应用、串口应用和通用对象交换应用构成了其它应用模式的基础。而通用访问应用模式则是一切应用模式的基础。226微微网PICONET蓝牙技术是一种支持点对点和点对多点的通信技术。通过蓝牙技术连接在一起的所有设备可认为是一个PICONET微微网，一个PICONET可以是两台相连的设备，也可以是八台连在一起的设备。在一个PICONET中，所有设备都是级别相同的单元，具有相同的权限，只有在PICONET初建时，其中一个单元被通用访问应用服务发现应用电话控制应用无绳电话应用对讲机应用拨号网络应用传真应用耳机应用局域网接入应用通用对象交换应用同步应用文件传输应用远程智能家居控制系统14定义为MASTER,其它单元被定义为SLAVE。几个PICONET可以被连接在一起，靠跳频顺序识别每个PICONET，同一PICONET内的所有设备都与这个跳频顺序同步。几个独立且不同步的PICONET组成一个SCATTERNET分布式网络21。其拓扑结构如图23和图24所示。图23微微网拓扑结构FIG23THETOPOLOGYCONSTRUCTIONOFPICONET图24分布式网络拓扑结构FIG24THETOPOLOGYCONSTRUCTIONOFDISTRIBUTEDNETWORK在微微网（PICONET内的连接被建立之前，所有的设备都处STANDBY待令状态。在这种模式下，未MASTERSLAVE2SLAVE3SLAVE1SLAVE7SLAVE4SLAVE6SLAVE5MASTER1MASTER2SLAVE1SLAVE1SLAVE2SLAVE2SLAVE3SLAVE3河北工业大学硕士学位论文15连接单元每隔128秒周期性地“监听”信息。每当一个设备被激活，它就监听规划给该单元的32个跳频频点跳频频点的数目因地理区域不同而异。作为MASTER的设备首先初始化连接程序，如果地址已知，则通过寻呼PAGE消息建立连接；如果地址未知，则通过一个后接PAGE消息的INQUIRY查询消息建立连接。在最初的寻呼状态，MASTER单元将在分配给被寻呼单元的16个跳频频点上发送一串16个相同的PAGE消息。如果没有应答，MASTER则按照激活次序在剩余16个频点上继续寻呼。SLAVE收到从MASTER发来消息的最大延迟时间为激活周期的2倍256秒，平均延迟时间是激活周期的一半06秒。INQUIRY消息主要用来寻找蓝牙设备，INQUIRY消息和PAGE消息很相象，但是INQUIRY消息需要一个额外的数据串周期来收集所有的响应。如果PICONET中已经处于连接的设备在较长一段时间内没有数据传输，蓝牙还支持节能工作模式。MASTER可以把SLAVE置为HOLD保持模式，在这种模式下，只有一个内部计数器在工作，SLAVE也可以主动要求被置为HOLD模式。一旦处于HOLD模式的单元被激活，则数据传递也立即重新开始。除HOLD模式外，蓝牙还支持另外两种节能工作模式SNIFF呼吸模式和PARK暂停模式，在SNIFF模式下，SLAVE降低了从PICONET“收听”消息的速率，“呼吸”间隔可以依应用要求做适当调整；在PARK模式下，设备依然与PICONET同步但没有数据传送，工作在该模式下的设备放弃了MAC地址，偶尔收听MASTE的消息并恢复同步、检查广播消息。这三种工作模式如果按照节能效率以升序排队，那么依次是呼吸模式、保持模式和暂停模式21。23本章小结本章主要从GPRS网络和蓝牙网络的特点，技术优势，协议体系结构以及组网的方式等方面进行了详细的介绍。从以上内容可以发现，GPRS网络可以比较方便的为我们实现远程的通信，而蓝牙网络则为可以方便的为我们实现家庭内部的各个模块之间的通信。远程智能家居控制系统16第三章系统的总体设计31智能家居系统的设计原则智能家居的基本目标是为人们提供一个舒适、安全、方便和高效率的生活环境。智能家居系统的硬件和软件应具有先进性，避免短期内因技术陈旧造成整个系统性能不高和过早淘汰。同时，应立足于用户对整个系统的具体需求，具有实用性。无论是系统设备、软件还是网络拓扑结构，都应具有良好的开放性。另外就是应该考虑到操作的方便性，让用户可以随时随地的操控自己的家居，让生活更加的智能化，更加舒适。随着社会的不断发展和进步，用户对管理智能化系统的规模、自动化程度会不断扩大和提高，用户的需求会不断变化。因此，系统的硬件和软件应充分考虑未来可升级性。家居智能化系统建成后，应操作方便，适应不同层次住户的素质，同时系统应具有很高的可靠性和安全性。32系统总体设计本智能家居控制系统的总体结构图如图31所示从图31中可以看出，智能家居整体系统主要由用户手机、家庭主控中心