基于智慧小区的智能家居的设计与实现

1、基于智慧小区的智能家居的设计与实现I摘要随着计算机网络以及嵌入式技术的发展，以及三网融合的推动作用，智能化系 统已逐步用于住宅小区和家居。智能化住宅是在原有建筑物基础上集成智能化应用。智能化住宅是科技和智慧发展的产物。使得人们家居生活更加安全可靠、高效便利、 舒适健康。智能住宅系统作为智能小区的组成细胞，是智能化系统的重要组成部分。 随着智能住宅技术在实现成本上大幅度降低，以及人们对智能化和舒适化的生活永 不停步的追求。可以预见，不远的将来智能住宅市场必将迎来它的繁荣发展阶段。 同时，智能住宅技术在我国还有很大的发展空间，还有很多工作要做。从这点出发， 提出了基于智慧小区的智能家居系统的设计与

2、开发。系统通过嵌入式 ARM 作为智能住宅主控制平台以及单片机模拟家居设备，在嵌 入式平台上实现了相应的主控模块。主控模块实现了家居家电智能控制，家居安全 监控以及安全报警信号的接收与控制。外部通信方面，对于远程通信，采用在嵌入 式平台上搭建 Web 服务器来实现网页对家居设备的远程控制，以及家居环境的监控， 并可在网页上查看异常报警情况；对于近距离通信，采用 Windows Mobile 手机蓝牙 控制器。在手机方面，通过 Windows Mobile 6.5 模拟器开发蓝牙遥控控制家居设备 的应用程序，该程序可以无条件的移植到实体的 Windows Mobile 手机上；在嵌入式 平台方面

3、，通过蓝牙模块开发相应的接收控制命令应用程序，以及命令响应程序来调用主控模块对家居设备进行控制和监控。通过对智能住宅的远程和近距离通信的实现，给人们提供了高效、便捷的居家 环境。关键词：智能住宅嵌入式 Web 服务器蓝牙技术Windows Mobile 模拟器IIAbstractWith the development of computer network and embedded technology, as well as the promoting of three nets fusion, the intelligent system has been gradually used

4、in residential area and home. Smart home makes home life more safety and reliable, efficient and convenient, comfortable and healthy. Intelligent residential technology in the realization cost greatly reduced, at the same time, people will never stop pursuit of the life of intelligent and comfortabl

5、e change. Can be expected, the near future it will usher in the smart home market prosperity and development stage. At the same time, smart home technology in our country there is still much room for development, there are a lot of work to do.This system through the embedded ARM as intelligent resid

6、ential master control platform and single-chip microcomputer simulate household equipment, Master control module implements household electrical appliances intelligent control, household safety monitoring and security alarm signal receiving and control. External communications, for the remote commun

7、ication, use in embedded platform building Web server to realize the pages of household equipments of remote control, and live in environmental monitoring, and on the page view abnormal alarm condition; For close communication, using Windows Mobile phone Bluetooth controller. In the Mobile phone, th

8、rough the Windows Mobile 6.5 simulator development Bluetooth control application, the program can unconditional transplants to the physical Windows Mobile phone. In embedded platform, through the Bluetooth module and the Bluetooth phone connection. Push the mobile phone buttons and produce the contr

9、ol command. Bluetooth module change data with embedded platform. Embedded platform control module play the corresponding response.Through to the intelligence of the residence of the remote and short distance communication realizes, provides people with efficient and convenient environment that occup

10、y the home.Key words: Smart homeBoa webserverBluetooth Technology Windows Mobile emulator PAGE 4目录摘要IAbstractII1绪 论1.1研究背景(1)1.2国内外研究现状(2)1.3本文主要研究工作(3)2相关技术2.1嵌入式技术 (4)2.2嵌入式 Web 服务器技术(5)2.3蓝牙技术(7)2.4Windows Mobile 技术(9)2.5本章小结(10)3系统需求分析与设计3.1系统需求分析 (11)3.2系统设计(14)3.3家居功能设计(15)3.4主控制器设计(16)3.5安全设计

11、(25)3.6本章小结(26)4系统实现4.1系统构建(27)4.2系统实现(32)4.3系统测试与分析(44)4.4本章小结(45)5总结与展望5.1全文总结(47)5.2课题展望(48)致谢 (49)参考文献 (50) PAGE 541绪 论1.1研究背景随着智能化小区的逐渐兴起，智能建筑。尤其是智能化住宅小区的应用也越来 越普遍。由于产品的技术含量要求高。以及涉及到房地产开发商、工程设计以及实 施方等多方面的因素。这些因素很大程度上影响了智能小区在我国的发展1。但另一 方面，科技发展，人们生活水平质量提高要求也在不断增加。日益要求能够在安全 可靠、高效便利、舒适健康并且具有能够适应信息社

12、会发展的居住和办公环境里生 活和工作。智能化建筑因此应运而生2。智能小区是智能化技术与现代居住小区相结合而衍生出来的。智能化住宅小区 是指通过利用现代通信网络技术，计算机技术、自动控制技术、IC 卡技术，通过有 效的传输网络，建立一个由住宅小区综合物业管理中心与安防系统、信息服务系统、 物业管理系统以及住宅智能化组成的“三位一体”住宅小区服务和管理集成系统， 使小区与每个家庭能达到安全、舒适、温馨和便利的生活环境3。自 2010 年以来，中国智能住宅市场发生了很大的变化，国家关于物联网与三网 合一政策的大力支持，各 IT、家电、通讯、安防等行业开始全面涉足智能住宅行业， 无形中对中国智能住宅行

13、业的发展起到了推动作用。三网融合实现了数据、声音、 图像这三种业务用一个网络、一种平台进行服务，开启了数字生活的新时代，三网 融合对于智能住宅而言，意味着一种内容的融合，传输方式、设备的融合，服务的 融合，从用户需求出发，将家庭网络、传输网、服务网等进行融合4，为家庭带来更 好的服务，这将对智能住宅产业的发展有很大的推动作用，也会促进智能住宅产业 的升级。随着信息技术的飞速发展，智能住宅技术在实现成本上大幅度降低，同时人们 永不停步的追求生活的智能化和舒适化。可以预见，不远的将来智能住宅市场必将 迎来它的繁荣发展阶段。同时，智能住宅技术在我国还有很大的发展空间，还有很 多工作要做。如何选取合适

14、的技术，进行合理的方案设计，构建成熟的智能住宅系统也是极富挑战的课题。1.2国内外研究现状智能住宅概念的起源甚早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到 1984 年美国 联合科技公司(United Techno1ogies Building System)将建筑设备信息化、整合化概念 应用于美国康乃迪克州(Conneticut)哈特佛市(Hartford)的 CityPlaceBuilding 时，才出 现了首栋的智能型建筑5，从此也揭开了全世界争相建造智能住宅的序幕。如何建立一个高效率、低成本的智能系统，已成为当今世界的一个热点问题。 今年来，国际上许多大公司提出了相应的解决方案，但一些标准尚

15、未成熟。国外的 许多大公司也看到了智能住宅系统巨大的市场潜力，Itran、IBM、Motorola、LG 等国外大型 IT 同时纷纷参与智能住宅系统的研发6。国外智能住宅比较代表性的有7-9：（1）Control4 智能住宅产品：采用 ZigBee 无线技术，无线施工，无线扩展，将 灯光、空调、窗帘、音乐、影音等系统集成为一体。便于操作，Control4 的控制主机 同时提供了具备控制与整合的两项功能。系统整合可以满足用户灵活的需求。（2）Honeywell 智能住宅，用户可以按照自己的意愿配置智能住宅功能，可以 通过互联网、手机以及 wifi 无线终端随时随地进行设置和控制。（3）NEYWE

16、LL 的智能家电系列：通过家庭内部的中央控制平台、PSTN 网络 或者联网的 PC 来监控家里的智能家电、照明系统。相对于国外的发展情况而言，智能住宅在我国只能算是刚刚开始发展起来，目 前国内的豪华和高档的智能化住宅都以国外成熟产品为主，随着技术的不断发展， 智能住宅将不断的渗透到普通住宅用户中，特别是随着三网融合和物联网的发展， 智能住宅未来的市场潜力巨大。但我国智能住宅起步比较晚，尚未制定一定的国家 标准，国内一些知名企业也推出了不错的相关智能住宅产品10-12。（1）Haier U-Home 家电，它以 U- home 系统为平台，采用有线与无线网络相结 合的方式，把所有设备通过信息传感

17、设备与网络连接，从而实现了物物互联。使得 用户可以通过打电话、发短信、上网等方式与家电设备互动。（2）安居宝智能住宅，它以住宅为平台，利用先进计算机技术、网络通讯技术及现代控制技术，将与住宅生活相关的灯光、电器、窗帘等设备有机结合起来，并 对其进行单独或者集中控制和管理。（3）上海索博智能住宅系统主要采用电力线通信总线技术(荷兰 PLC-BUS 技术) 来实现住宅智能化控制，PLC-BUS 系统由发射器、接收器和系统配套设备组成。它 将能控制的家电设备以一定的结构有机的组合起来，通过管理系统，用户可以实现 对家电的集中无线遥控、定时开关控制及远程控制，从而达到了智能电器系统的节 能、环保。舒适

18、、方便的功能。1.3本文主要研究工作本论文针对智能住宅日益发展的需求和存在问题，将设计与实现智能住宅中家 居家电的智能控制，家居安全的监控以及家庭报警信号的接收与发送等模块。利用 Internet13作为传输介质，ARM 作为智能住宅主控制平台以及单片机模拟家居设备， 运用嵌入式 Web 服务器技术，使得通过网页能够访问和控制家用电器设备，也可以 接收各种异常事件如煤气泄漏、火灾、异常入侵等的报警信息的反馈；同时构建了 相关蓝牙技术的硬件和软件平台，使得通过智能手机蓝牙模块实现对智能住宅内家 电和设备的控制，为家庭用户提供更加快捷、方便、舒心的服务。本论文进行了比 较深入的研究开发，并对一些关

19、键技术进行了突破与探索。设计要完成的工作如下：（1）结合 CGI 技术和 HTML 技术，建立了嵌入式 Web 服务器系统，详细设计 了智能住宅系统的远程登录与家电控制界面。设计了后台的 CGI 程序，使得通过网 页可以视频监视到住宅里的异常状态，并可以接收相应传感器报警信息。（2）对于嵌入式蓝牙通讯课题相关的嵌入式技术、蓝牙技术进行了深入的研究， 给出了在设计中选择蓝牙技术作为智能住宅近距离控制方案的原因。（3）在对蓝牙通讯的功能需求进行了详细分析的基础上，设计了嵌入式蓝牙的 硬件与软件的整体架构。（4）在系统软硬件基础上建立了底层的蓝牙通信连接。设计了蓝牙手机控制住 宅系统的方案，以及方案

20、的实现。2相关技术本章简单阐述系统开发中所用到的关键技术，包括嵌入式技术、嵌入式 Web 服 务器技术、蓝牙技术以及 Windows Mobile 技术等。2.1嵌入式技术随着信息技术的飞速发展，嵌入式技术已经成为炙手可热的一门技术。嵌入式 系统是为特定功能和领域设计的软硬件可裁剪的系统 14。2.1.1嵌入式处理器技术嵌入式系统核心部件是各类嵌入式处理器，随着嵌入式系统的发展，处理器也 在不断发展。根据其现状，嵌入式处理器分类如下 15：（1）嵌入式微处理器，按照 特定的功能保留相关部分，去除冗余。具有体积小，可靠性高优点。具有代表的 Power PC 、ARM 系列等；（2）嵌入式微控制器

21、，常用的是单片机，具有体积小、功耗低 等特点，广泛应用于工业领域。如 8051、MCS-251 等；（3）嵌入式 DSP 处理器，用 于信号处理，具有较高的运算效率和处理速度。代表的有 TMS320C2000/C5000 系列、MCS-296 等；（4）SoC 片上系统，直接在处理器中内嵌代码，提高生产效率和体积， 如 TriCore、M-Core、ARM 系列旗舰等。2.1.2嵌入式操作系统随着嵌入式系统功能的提升，嵌入式操作系统越来越重要。目前应用较广泛 的 嵌 入 式 操 作系 统 有 Linux， 微 软的 Windows CE， 以及 WindRiver 公 司的 VxWorks16

22、。1）Windows CEWinCE 是由微软公司推出的 32 位嵌入式系统，Windows CE 是基于 Win32 API 开发的新型信息设备平台。具有模块化、结构化和基于 Win32 应用程序接口以及与 处理器无关等特点。其应用开发简单通信功能强大，支持多种 CPU，被应用到工业 控制器、通信集线器等企业设备以及一些电话和家用娱乐器材之类的消费产品。2）VxWorksVxWorks 是一种实时嵌入式操作系统，具有较好实时性，被广泛应用于军事， 航空等实时性要求比较高的领域。它是目前在嵌入式系统中使用最广泛、市场占有 率最高的系统。支持多种处理器，如 ARM、X86、MIPS、Power

23、PC 等。3）LinuxLinux 是 Unix 操作系统的克隆，是一个自由的操作系统，是目前最为流行的一 款开放源代码的操作系统。嵌入式 Linux 操作系统具有以下主要特点：（1）内核可裁剪，多任务支持、多用户支持、性能高、稳定性好。（2）开放的源代码，丰富的软件资源，广泛软件开发者的支持，价格低廉。可 以运行自由发布的应用软件以及许多商业化的应用软件。（3）具有良好的可移植性。可以运行在许多硬件平台上。（4）网络功能强大。由于 Linux 是开放源代码的，且内核小，效率高。网络功能强大，使得嵌入式 Linux 应用领域非常广泛，特别适于进行信息家电的开发。因此本文选择嵌入式 Linux

24、操作系统。2.2嵌入式 Web 服务器技术随着 Internet 技术的兴起，在嵌入式设备中，基于 Web 方式的应用越来越广泛， 这种方式一般采用 B/S 结构，即在嵌入式设备上运行一个支持脚本或 CGI 功能的 Web服务器17-19。2.2.1嵌入式 Web 服务器原理Web(World Wide Web)浏览是基于 HTTP 协议的一种 Internet 传输服务，它提供 友好的界面，提供大量的信息资源。嵌入式 Web 服务器的体系结构如图 2.1 所示。 Web 服务器是 Web 的内容提供者，它响应用户端请求，并向客户提供某种形式的数 据。Web 浏览器与用户进行交互，并将数据通过

25、表单传送到后台的 CGI 程序，来实 现与服务器进行交互。WEB BROWSERWEB 页面SOCKET通信 服务程序HTTP 协议栈静态数据用户验证cgi 程 序应用 程序 接口图像处理程序串口通信程序WEB SERVER图 2.1嵌入式 Web 体系结构示意图浏览器和服务器使用网络进行连接，Web 浏览器获得用户的数据后以表单形式 通过网络传输到 Web 服务器，Web 服务器对表单文件进行分析，调用相应的后台程 序完成用户请求的功能。相应的嵌入式 Web 服务器的系统模型如下图 2.2 所示。WEB 浏览器WEB 服务器图像用户界面HTML解析器FROM生成器网络SCRIPT解析器HTT

26、P 引擎TCP/IP 协议栈Web 页面嵌入式设备HTML生成器FROM解析器HTTP 引擎TCP/IP 协议栈图 2.2嵌入式 Web 服务器系统模型图2.2.2CGI 技术原理在 动 态 网 页 交 互设 计 中 ， 主 要有 CGI(Common Gateway Interface)23-25，PHP(Personal Home Page)26-28，ASP(Active Server Page)29-31和 JSP(Java ServerPage)32-344 种技术。在嵌入式 Linux 下实现动态网页通常选择 CGI 技术。CGI 称 为公共网关接口，CGI 通过浏览器获取表单文件

27、，并从环境变量中提取数据，然 后调用服务器上相应的应用程序，来实现相应的功能，最终结果通过网页回显到 浏览器上。CGI 程序可以使用多种编程语言来实现，只要编程语言有标准输入、标准输出、环境变量等，C 语言具有较强的移植性，因此本系统 CGI 程序用 C 语 言来编写。CGI 程序主要是为了完成用户与服务器的动态交互。CGI 程序的重要作用就是 用户通过浏览器进行一些操作，所产生的数据生成表单文件。CGI 通过环境变量来 获取表单文件信息，将重要信息提取出来。然后通过软件功能来实现用户的操作需 求，完成这一操作后，将最终结果通过网页 HTML 的形式回显到浏览器。这样 CGI 就完成了浏览器和

28、 Web 服务器之间的通信。2.2.3 嵌入式 SQLite 数据库嵌入式数据库通常将具体应用与操作系统一起集成，应用程序直接调用 API 来 对数据进行相应操作。嵌入式数据库区别于普通数据库的是，嵌入式数据库是程序 驱动式而普通数据库是引擎响应式。大型数据库通常有 Oracle 、IBM DB，功能完善，但体积过大；嵌入式系统中 通常用 PostgreSQL、Berkeley DB 和 SQLite。PostgreSQL 体积较大虽然功能完善，Berkeley DB 开发难度较大。而 SQLite 在 功能和体积上有较好的平衡。SQLite 具有源代码开放、体积较小、速度快 、功能完 善等特

29、点，并提供了丰富的 API 支持，支持 C/C+、PHP 等语言通过 API 来与数据 库文件进行通信。2.3 蓝牙技术蓝牙技术是一种“暴露的”无线通信技术35-37。蓝牙协议可以分成 4 层38-40， 即核心协议层、电缆替代协议层、电话控制协议层和采纳的其他协议层。蓝牙的核 心协议包括基带(base band)、链路管理(LMP)、逻辑链路控制与适应协议、业务搜索 协议(SDP)4 部分。手机蓝牙协议层如图 2.3 所示41-43。ApplicationsOBEXWinsockCOM Port EmulationTDICustom ApplicationsSDPRFCOMMThird Pa

30、rtyL2CAPHCIHCI Transport Layer (UART, USB, PCMCIA)HCI Transport Layer (UART, USB, PCMCIA)LMPBBBluetooth图 2.3蓝牙各协议层（1）对象交换协议，OBEX 它采用简单的和自发的方式交换目标。OBEX 是 一种类似于 HTTP 的协议；（2）传输驱动接口 TDI，提供上层与下层之间的通信 接口；（3）模拟 COM 口，虚拟 COM 口，操作和实际串口一样；（4）服务搜索协 议 SDP，通过查询蓝牙设备的相关信息，建立蓝牙设备之间的通信；（5）串行线 模拟协议 RFCOMM“电缆替代”协议在蓝牙基

31、带协议之上，为串行线传送机制的 上层协议服务；（6）逻辑链路控制适应协议 L2CAP 数据链路层，为高层传输和应 用层协议屏蔽基带协议；（7）HCI，主机访问蓝牙硬件设备的基本接口；（8）HCI Transport Layer，传输命令的协议层，传递命令至蓝牙的硬件核心层；（9）LMP 链路管理，负责蓝牙组件间连接的建立；（10）BB，蓝牙设备的物理层，负责物 理连接。Windows Mobile 技术Windows Mobile 是微软公司专门为移动应用产品设计的操作系统，功能强大。 它是基于 Windows CE 内核开发的。Windows Mobile 简介Windows Mobile

32、HYPERLINK file:/localhost/H:/view/2353.htm 是微软公司为智能移动终端设备设计的操作系统44-45，Windows Mobile 将桌面 Windows 功能扩展到了移动设备上。而在 Windows Mobile 6.5 的发布 同时，微软宣布以后的 Windows Mobile 产品将改名为 Windows Phone，Windows Mobile 捆 绑 了 一 系列 针 对移 动设 备 而开 发的 应 用软 件， 这 些应 用软 件 创建 在 Microsoft Win32 API 的基础上。可以运行 Windows Mobile 的设备包括 Po

33、cket PC、 Smartphone 和 Portable Media Center。Windows Mobile 的原形为 Windows CE，后开发出适用于手机及其他掌上设备 操作系统，之后又将其集成在一起。在 Windows Mobile 2003 版本之前操作系统名 称为 Pocket PC、Smartphone 等，后改为现名。如果不考虑 Windows Phone 7，目 前 Windows Mobile 的最新版本为 Windows Mobile 6.5.3,Windows Mobile 包括掌上 电脑的 Windows Mobile Standard、用于手机的 Windo

34、ws Mobile Classic、Windows Mobile Professional 和用于移动媒体的 Portable Media Center 三个版本。本系统采用 的是 Windows Mobile 6.5。Windows Mobile 模拟器技术在 Windows Mobile 应用程序开发初期，可以使用 SDK 自带的模拟器进行相应 的程序开发以及调试，可以在模拟器上安装各种软件，除了通讯功能外，几乎所有 的功能都可以在模拟器上运行。模拟器系统操作方面，点击手机上相应按钮即可，也可以使用触摸笔操作界面， 内置功能，系统设置都是模拟 WM6.5。安装了微软的 Active Syn

35、c 的同步软件后，可 以让模拟器通过 PC 的网络来上网。屏幕可以自由切换竖屏和横屏使用。在模拟器的文件夹下，有一个“存储卡”的文件夹，可以将需要安装的软件拷 贝到这个文件夹下运行。Windows Mobile 主界面如图 2.4 所示。图 2.4WM6.5 模拟器主界面Windows Mobile 应用程序的开发，可以把一些 Windows 下的应用程序直接移植 到 Windows Mobile 环境上，使得开发工作得到提高。但是移植过程中要考虑下面问 题：（1）Windows Mobile API 和 Win32 API 不同Windows CE API 是 Win32 API 的一个子集

36、，而且其中部分函数的功能已精简。 在进行移植时，主要是找到合适的 Windows Mobile API 替换原有的 Win32 API。（2）Windows Mobile MFC 和标准 MFC 不同Windows Mobile MFC 的设计遵循了标准 MFC 的功能和特性，但是它们在所提 供的类和类的功能上还是有很大的不同。除了这些与标准 MFC 存在不同外，Windows Mobile MFC 中提供的某些特性是 Windows Mobile 平台专用的。（3）资源有限其中包括存储器限制，存储器比较小，要进行移植时，需要减小应用程序的大 小。硬件系统也有限制，例如屏幕小，CPU 运行速度

37、较慢。设备的用户接口没有 PC 机上灵活。但同时具备了 PC 机上一些没有的特殊硬件设备。2.5本章小结本章简单阐述了系统开发中将要应用的主要技术，包括系统开发初期的嵌入式 技术(嵌入式软硬件平台技术)、嵌入式 Web 服务技术(HTTP 协议和 CGI 技术)、蓝牙 技术(蓝牙各协议层相关技术)以及 Windows Mobile 技术(Windows Mobile 模拟器技 术以及手机蓝牙技术)。这些技术将在后续各章节的具体工作中运用到。3系统需求分析与设计3.1系统需求分析本章先对目前智能化小区进行需求分析，然后主要对位于智能化小区环境中的 核心组成部分的智能住宅进行需求分析，提出了以家居

38、主控制器为中心，以 PC/手机 远近程控制为辅助工具，实现家庭安全防护系统、家庭设备自动化系统以及家庭通 信系统三个部分的功能。其中家庭安全防护系统将实现视频的监控，家庭设备自动化系统实现家居设备的智能化控制，家庭通信系统实现用户与主控制器之间的通信。3.1.1智能小区智能小区系统家庭智能系统社区智能系统信息集成系统周界 防 范 系 统闭路 电 视 监 控停一车卡场通管系理统 系统楼宇 自 动 化 系 统小区 物 业 管 理背景 音 乐 及 紧 急 广 播巡消更防系自统动 化电话 通 信 系 统智能 化 网 络 集 成智能 布 线 系 统住宅小区智能化是利用计算机技术、通信技术、控制技术以及自

39、动化技术，实 现的信息技术管理、物业管理、智能控制系统以及安全防范的智能系统。智能小区 系统可以分成家庭智能系统，社区智能系统，信息集成系统，如图 3.1 所示。家 电 智 能 控 制 系 统三 表 计 量 系 统家 庭 安 防 报 警 系 统（1）家庭智能系统图 3.1智能小区系统家庭是小区和社会的主体和服务对象。用户智能体验主要是家庭和公共部分，而家庭智能是用户经常使用的部分。因此智能家居为智慧小区的核心部分。家庭智 能化，包括家庭安防报警系统、三表计量系统以及智能控制系统。（2）社区智能系统小区的智能化，是在人们智能家居搭建后享受生活的保障。包括一卡通系统、 周界防范系统、停车场管理系统

40、、物业管理系统、闭路电视监控系统以及消防自动 化系统等。（3）信息集成系统信息的集成是智能化的基础。借助信息通信集成。实现资源共享，构成自动化 办公系统。系统主要由电话通话系统，通过综合布线和用户交换机等连接构成。3.1.2智能住宅家庭智能化，是智能小区中的核心部分，对家庭智能化的研究将显得非常重要， 家庭智能化，使得用户可以在远离家里的时候，遥控家中电器，并且监视到居家安 全，以及相应安全报警的接收，如火警、煤气泄漏以及非法入侵等相关信息。同时 可以实现远程抄表与管理，通过数据采集器采集电表、水表、燃气表的相关信息， 发送到小区管理中心计算机上。并存入相应的收费系统。真正给居家生活带来便利

41、和快捷的服务。智能住宅系统的显著特点是即独立又集中。所有的终端和设备多可 以是分散的，同时又通过网络集中到一个管理或控制中心。由于智能住宅是智能小 区系统的组成核心。本论文主要研究智能住宅系统。1）可行性分析第一，智能住宅的目的是为人们日常生活所服务的。不能脱离实用。因此设计 与人们生活息息相关，并且最常用、最需要的功能更为重要。第二，考虑到操作要简单。同时也要为用户提供完善的安全措施。 第三，要通过成熟的技术，来实现智能功能的扩展与升级。同时考虑到各种产品兼容性问题。2）功能性需求分析智能住宅可以分为家庭安全防护系统、家庭设备自动化系统以及家庭通信系统 三个部分，如图 3.2 所示是智能住宅

42、系统组成。蓝牙 移动终端(手机)GPRS家庭控制器以太网计算机家庭安全防护系统家庭设备自动化系统家庭通信系统住煤火家安家家户气灾电全庭庭报泄报自监网布警漏警动控络线 模报模控模块警块制块模 块（1）住户报警系统图 3.2家居智能化系统采用红外传感器报警，用于门窗的防范，在窗户等处设红外线报警探测器。当 处 于防护状态时，如有非法入侵。就会发送报警信息到家庭中央控制器，再通过中央 控制器将消息发送出去给用户。（2）燃气泄漏报警通过装入煤气传感器，当发生可燃气体泄露时，家庭中心报警器就会发出报警 信息。并将信号传到中央控制器。同时向用户以及小区管理器发送报警信息。（3）火灾报警系统在厨房设置烟雾传

43、感器，在客厅以及房间设置相应的探测器。当有火灾发生时， 报警控制器报警，同时向控制中心发送报警求救信号。并将报警信息通过中央控制 器发送到用户和小区管理中心。（4）家电自动控制系统家电自动控制是家庭智能化系统的一个重要组成部分。可以通过相应的无线通 信技术，以及自动控制技术，来实现对家电设备的智能化控制。其中可以通过中央 集中控制，也可以通过移动设备控制。（5）安全监视系统安全监视系统，可以使用户随时随地通过上网远程视频浏览家居状态。（6）家庭通信系统家庭通信网可以分为有线网或无线网两种类型，将家居内的设备通过有线或无 线的方式，来实现信息的交互。家庭布线一般采用现场总线的方式。3.2系统设计

44、智能住宅系统作为智能小区的组成细胞，是智能化系统的重要组成部分。智能 小区应用系统是为整个小区/社区住户提供公共智能服务的主体。智能住宅，在智能 小区的环境下，同时也要与智能小区进行通信，以及服务的交互与管理。Internet智能家居不同住户有线/无线网络社区管理服务GPRSGSM安防监控Internet综合布线电梯系统控制配电系统不同住户车辆出入管理外部控制智能家电不同住户智能终端媒体娱乐公共安全监控灯光窗帘整体厨房消防报警系统可视对讲整体卫浴图 3.3智能环境应用系统示意图随着智能化技术与网络技术的发展，为未来的智能家居生活所提供的服务范围 必将扩大到居民小区甚至是整个社会。因此，研究出单

45、个住户家中的智能家居系统， 并为住户提供稳定可靠的服务是基础也使很重要的部分。本章下面主要是对智能住宅中的一些功能模块进行详细的设计。先从家居功能设计开始，再到主控制器设计，再到主控制器中模块的设计。3.3家居功能设计智能家居系统中，用户可以通过手机和电脑远程控制家居设备，也可以通过手 机蓝牙近距离控制设备。本地主控制器负责家电设备的智能控制，报警信号的接收 和发送至用户和小区服务器，同时负责视频监控安全。家居功能如图 3.4 所示。近 距 离远 程手 机外部通信小 区 服 务 器家庭安全监控家电智能控制家庭安全报警防护煤 气 传 感 器烟 雾 传 感 器红 外 传 感 器摄 像 头灯 光电

46、源空 调煤 气C/SB/S蓝牙网络有线/无线家居主控制器手 机PC机网络/GPRS图 3.4家居功能图3.3.1家庭安全防护通过红外、烟雾、煤气等传感器来探测家居安全，当有外来入侵时，红外传感器即将感应信息通过报警的方式发送到用户以及小区服务器；家居出现火灾情况时， 烟雾传感器将报警信息发送到用户以及小区服务器；出现煤气泄漏时，煤气传感器 将报警信息发送到用户以及小区服务器。3.3.2家电智能控制当用户远离家中时，可以通过 PC 或者是手机上网登陆智能家居网络系统，来实现家居的控制。另外当用户在家中时，一方面，可以通过智能终端系统实现家居的 本地控制；另一方面，可以将手机作为家电遥控来使用蓝牙

47、控制家居家电。3.3.3家居安全监控家居中配备有摄像头，用户可以通过连入 Internet 的 PC 或者手机，连接到流媒 体服务器，远程实时查看监控摄像头采集到的视频信息，实现远程监控的功能。3.3.4外部通信用户可以通过上网登陆智能家居网上系统，来与家中设备进行远程交互。同时 也可以通过手机蓝牙近距离遥控家中设备。3.3.5主控制器与小区服务器交互小区管理员通过 Web 服务器，远程监视园区以及家庭周边环境，发现异常状态 立即通知相关部门。同时小区管理员通过远程控制家居的智能设备实现楼宇，相应 公共通道设备的远程控制。住户家中出现火灾、煤气泄漏、非法入侵时，相应的烟 雾、煤气、红外传感器产

48、生报警信息反馈到家庭主控制器。家庭主控制器通过网络 将报警信息传送到小区服务器和用户终端。小区管理员监视到报警信息，进行及时 处理。3.4主控制器设计主控制器的设计包括硬件设计和软件设计。其中硬件设计中包括主要的嵌入式 主控制器，存储器、GSM 模块、蓝牙模块和网络控制模块以及扩展板等。主控制 器软件的设计，主要包括主控模块，以及蓝牙模块和 Internet 模块的设计等。3.4.1主控制器硬件结构中央控制器由嵌入式主控制器，存储器、人机接口、GSM 模块、蓝牙模块和网 络控制模块以及扩展板组成，如图 3.5 所示。（1）处理器系统主控制器是整个智能住宅硬件的核心部分，完成信息共享，不同通信协

49、议 之间的转换，以及同外部 Internet 之间的数据交换功能。同时负责各个硬件单元的管理和控制。主控制器采用 pxa270 处理器，PXA27x 是 Xscale 构架处理器中运用比较多的处 理器系列之一。PXA27x HYPERLINK file:/localhost/H:/view/1258964.htm 系列嵌入式处理器基于 ARMv5E 的 Xscale 核心，最高频率 可达 624MHz。以太网控制器EthernetPC 机蓝牙模块手机蓝牙SDRAM网络GPRS/网络蓝牙触摸屏RS232图像处理显示Intel Xscale PXA270处理器存储程序 的 FLASHGSM 模块外

50、部控制器图 3.5主控制器硬件结构图（2）SDRAMSDRAM 是系统运行时的数据存储区和交换区。PXA 上大量的数据都要通过SDRAM 暂时存放和交换，即动态存储区。270-S 系统采用 SDRAM 的是 Qimonda 公司 HYB25L256160AF-7.5，单片是32Mbyte 的容量。系统上有两个 16Mbit4Bank16Bit 的 SDRAM 连接到数据总线上。 一个是高 16 位部分，另一个是低 16 位部分，总共组成 64M 的内存空间，供系统工 作时程序的运行和各种数据的保存。（3）FLASH270-S 系统的 FLASH 选用的是 INTEL 的 RC28F128P30

51、T，双片 32MByte 的 NOR FLASH，用来存储程序，在掉电情况下保持数据不丢失。PXA270 复位后访问的是 低地址空间(第一条指令在 0 x0000 0000 处)，因此 BOOT FLASH 的片选采用 nCS0， 其缺省地址空间是 0 x0000 0000 0 x03ff ffff 共 64MBytes。单片 FLASH 为 16 位数据总线，采用两片 FLASH 数据总线并行连接，与 PXA270为 32 位数据总线连接。PXA270 的 BOOT_SEL0 接低，配置为 32 位数据总线启动方式。支持异步读模式和同步突发读模式，在同步突发读模式下，PXA270 的 SDC

52、LK0提供时钟，nSDCAS 提供地址有效信号。（4）以太网控制器以太网控制器采用网络控制芯片 LAN91C113，它集成了介质访问控制 MAC 子 层和物理层的性能，LAN91C113 即 U13 的数据传输使用的是 16 位的数据传输方式， LAN91C113 通过地址、数据总线、中断、读、写以及片选等信号与 CPU 进行数据 交互。（5）图像处理显示270-S 核心板外接 USB 摄像头，通过 OV511 的感光芯片获取视频数据，并在 16bit的 LCD 显示屏上显示采集到的视频。（6）蓝牙模块蓝牙模块，采用内嵌式蓝牙模块，使得蓝牙能够跟平台串口进行通信，从而通 过手机蓝牙控制主控制器

53、。（7）RS232RS232 连接外部扩展板，扩展板的主控处理器芯片采用通用的 51 系列单片机。 扩展板电路在系统主要负责采集传感器报警信号，并将信息通过 RS232 传输到 Liod 平台上进行处理，同时，扩展板接收 Liod 平台的家电控制命令并实现对家用电器的 控制。3.4.2主控制器软件结构主控制器软件主要由串口通信程序、图像处理程序、蓝牙通信程序、嵌入式 WEB服务器程序等几个部分组成。软件的总体体系结构如图 3.6 所示。图中位于底层的是嵌入式 Linux 操作系统以及各类硬件的驱动，应用程序通过 调用 Linux 内核中的硬件驱动程序，完成对硬件的操作。要实现的驱动，主要包括

54、Bluetooch 硬件驱动、摄像头驱动。并分别提供相应硬件的操作。主控制器的设计主要是软件接口和应用软件的设计。主控制器软件部分主要包 括主控模块、Web 服务器模块和蓝牙模块。主控模块部分，主要分为三个部分，分 别是家电控制模块，传感器报警信息接收模块和视频监控模块等三个部分。家电控制模块通过相应的程序来实现主控制器对家居中家电进行集中智能化控制；传感器 报警信息接收模块，实现红外、烟雾、煤气传感器相应报警信息的接收以及发送； 视频监控模块，实现家居内环境的相关监视。Bluetooth 控制模块主控模块Internet 控制模块图形 用户 接口应用程序接口嵌入式文 件系统TCP/IP 协议

55、嵌入式 WEB 服务器数据库流媒体服务器蓝牙通信协议应用软件层软件接口层嵌入式 ARM- Linux 操作系统Bluetooth硬件驱动LCD 驱动USB 驱动摄像头驱动Internet硬件驱动操作系统层 设备驱动层输入设备输出设备IEEE 802.3其他接口图 3.6主控制器软件体系嵌入式 WEB 服务器主要有 HTTP 协议、CGI 后台程序以及相应的页面模块。CGI 后台程序主要是获得相应表单数据，再调用应用程序实现相应的操作。CGI 主要实现：用户登录检验，用户只有输入正确的用户名和密码后才能进入智能住宅 的主界面；响应用户对住宅中家电状态的查询请求；实现用户远程家电控制，以及 远程视

56、频监视家居环境。蓝牙模块，在蓝牙协议栈中，主机控制器接口(HCI)以上部分通常用软件实现， 以下部分则用硬件实现。当蓝牙模块与主机连接时，HCI 接口上层的通信协议由主 机负责处理，而接口下层的通信协议则由蓝牙模块内的芯片负责。嵌入式平台上的 蓝牙模块主要负责接收手机端蓝牙发送来控制信号。模块根据定义好的格式将控制 信号翻译成嵌入式平台相应的控制命令，然后平台调用主控模块进行相应的操作。 如图 3.7 是具体的软件接口和应用软件示意图。蓝 牙 控 制 程 序手机HCIUART蓝 牙 驱 动物理总线固件蓝牙模块天线基带控制器链路管理HCI 固件蓝牙模块天线基带控制器链路管理HCI 固件蓝牙 部

57、分驱 动蓝牙 应 用 程 序主控模块家电控制模块传感器接收模块视频监控模块ARM 嵌入式平台Web 服务器部分Web 页面CGI 应用程序数据库流媒体服务器HCI物理总线固件UARTPC 机有线/无线HTTP 协议TCP/IP 协议网络以太网口Web 浏览器流媒体客户端Internet图 3.7具体软件接口以及应用软件示意图3.4.3PC 远程通信的设计（1）后台 CGI 应用程序的设计CGI 模块主要包括如下几个页面：用户登录界面、主导航界面、家电实时状况 界面、家电控制页面、视频显示页面。在网页的设计中采用网页编辑软件 Dreamweaver 编辑相应的网页。CGI 后台应用程序，主要响应

58、用户的表单请求，然后通过调用相应的应用程序 来实现相应的功能。这里 CGI 主要实现了远程响应用户控制家的信息，然后调用相 应的程序来实现家电的控制；响应用户查看实时设备状态的信息，并将查询结果反 馈到浏览器上；响应用户实时视频监视的请求，将实时视频显示到浏览器上。各页 面关系调用图如图 3.8 所示。login.htmllogin.cgiindex.htmlIndex.cgicontrol.htmlvideo.htmlcondition.htmlcontrol.cgivideo.cgicondition.htmlserial.cserial.h图 3.8页面文件和 CGI 程序关系调用图。l

59、ogin.html 是用户登录界面，用户输入正确的用户名和密码，验证成功后就进入 主导航页面，页面提供三个按钮，分别是住宅家电状态显示、住宅家电状态控制 、 住宅家电视频显示。点击相应按钮就会进入到相应页面。其中，家电状态显示由 condition 程序响应。家电控制由 control 程序响应。视频 显示由 video 程序相应。其中家电状态的显示和控制，都要调用串口实现程序,serial.c 是用 C 语言编写的串口实现程序。serial.h 是相应的串口实现程序的头文件。（2）页面设计图 3.9用户登录界面所有的页面首先在 Dreamwaver 中进行总体设计，然后在放入嵌入式系统的相应

60、 文件下。用户登陆页面 login.html，负责验证用户登陆信息。页面如下图 3.9 所示。 验证用户信息正确后，将进入主界面 index.html，主界面包含了下面三个页面的导航，三个页面分别是：住宅家电状态的查询，住宅家电状态的控制，住宅视频监 控显示。页面如下图 3.10 所示。图 3.10智能住宅主界面导航界面点击上面“住宅家电状态控制”按钮，就进入 control.html 页面，用户可以通过 点击上面的按钮来控制相应的家电。页面如下图 3.11 所示。图 3.11住宅家电状态控制界面相应的点击“住宅家电状态显示”按钮，则进入 condition.html 页面，点击“住 宅视频远