远程控制家电分析研究 电气工程管理专业

1、基于Internet的家电智能控制系统摘要：随着互联网技术和嵌入式技术的发展, 智能化逐渐应用到我们的家庭生活中, 如信息家电、远程抄表、远程安全报警等。家用电器智能远程控制是当前的发展趋势。家用电器远程控制是智能家居产品的主要功能之一, 它集成了嵌入式技术、自动化控制、传感器技术、网络通信技术和数据库技术。近年来, 国内外一些知名科技公司也对这一技术进行了投资研究, 并生产了一些好产品。 在对各种相关产品和技术进行研究和总结的基础上, 实现了家用电器的集中控制和远程控制, 并对人工智能控制进行了尝试。该方案分为H部分: 服务端、家用电器设备无线子网和智能终端。服务器是整个系统的中心, 在家用

2、电器的控制和信息管理中是必要的。家用电器无线子网用于将每种家用电器连接到服务器, 实现服务器与家用电器之间的通信和管理。本文首先介绍了家用电器智能控制系统整体结构的设计思想, 然后介绍了服务器与 Zigbee通信的设计思想, 然后详细介绍了设计与实现。在家用电器智能控制平台上, 各终端节点的设计和BP神经网络智能控制的设计。最后, 进行了仿真实验, 对系统进行了测试。试验证明, 该系统能够实现所设想的功能, 表明该系统具有一定的实用性和参考价值。关键词：互联网；智能家电；远程控制 目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc5914711 第一章 绪论 PAGERE

3、F _Toc5914711 h 3 HYPERLINK l _Toc5914712 1.1 研究背景 PAGEREF _Toc5914712 h 3 HYPERLINK l _Toc5914713 1.2 国内外研究情况 PAGEREF _Toc5914713 h 4 HYPERLINK l _Toc5914714 1.3 解决的主要问题 PAGEREF _Toc5914714 h 4 HYPERLINK l _Toc5914715 1.4 本文的主要工作 PAGEREF _Toc5914715 h 5 HYPERLINK l _Toc5914716 第二章 加点智能控制系统需求分析 PAGE

4、REF _Toc5914716 h 6 HYPERLINK l _Toc5914717 2.1系统概述 PAGEREF _Toc5914717 h 6 HYPERLINK l _Toc5914718 2.2 系统目标和解决的问题 PAGEREF _Toc5914718 h 6 HYPERLINK l _Toc5914719 2.3 功能需求 PAGEREF _Toc5914719 h 6 HYPERLINK l _Toc5914720 第三章 系统整体架构和家电设备的设计 PAGEREF _Toc5914720 h 9 HYPERLINK l _Toc5914721 3.1 系统整体架构模型的

5、设计 PAGEREF _Toc5914721 h 9 HYPERLINK l _Toc5914722 3.2 家电设备无限子网的设计 PAGEREF _Toc5914722 h 10 HYPERLINK l _Toc5914723 3.3 无线子网的详细设计 PAGEREF _Toc5914723 h 11 HYPERLINK l _Toc5914724 第四章 家电智能控制系统的实现与測试 PAGEREF _Toc5914724 h 12 HYPERLINK l _Toc5914725 4.1 服务端的实现 PAGEREF _Toc5914725 h 13 HYPERLINK l _Toc5

6、914726 4.2 无线子网的实现 PAGEREF _Toc5914726 h 14 HYPERLINK l _Toc5914727 4.3 测试 PAGEREF _Toc5914727 h 15 HYPERLINK l _Toc5914728 4.3.1硬件测试 PAGEREF _Toc5914728 h 15 HYPERLINK l _Toc5914729 4.3.2 无线子网的软件测试 PAGEREF _Toc5914729 h 16 HYPERLINK l _Toc5914730 4.3.4 系统测试 PAGEREF _Toc5914730 h 16 HYPERLINK l _Toc

7、5914731 4.4 测试结果分析 PAGEREF _Toc5914731 h 16 HYPERLINK l _Toc5914732 第五章 结论 PAGEREF _Toc5914732 h 17 HYPERLINK l _Toc5914733 致 谢 PAGEREF _Toc5914733 h 17 HYPERLINK l _Toc5914734 参考文献 PAGEREF _Toc5914734 h 18第一章 绪论1.1 研究背景互联网技术已经渗透到各行各业, 由于其难以想象的信息共享能力, 影响着人们工作和生活的各个方面。互联网已从早期获取文字和图片等信息发展到各种音频和视频文件共享、

8、音频和视频对话、各种业务活动、企业管理等。无处不在的互联网服务已经成为我们生活的一部分。随着科学技术的进步, 网络技术有可能为人们提供美丽、温暖的生活环境、智能安全和舒适的生活环境, 这也是古代 人所向往的。古代的反刺客或防盗器官, 就像新兴的智能防盗系统一样, 也是为了给人们提供一个安全的环境而设计的1。当然, 现代防盗系统并没有安装保护人们免受伤害的装置, 这也是人类文明进步的体现。在人们到达他们想去的办公室或生活场所之前, 空调系统会提前运行, 活动场所的灯光会根据不同的室外照明随时进行调整, 并使用网络技术和自动控制技术为人们提供安全、节能、舒适的活动场所, 满足人们对未来生活的需求,

9、 已逐渐成为重要的研究课题之一。基于互联网的控制系统是以互联网为共享通信网络的网络控制系统。目前, 许多设备都具有互联网连接功能, 如手机、PDA、智能手表、网络电视机顶盒等。因此, 这类设备有更方便的信息交流机会, 更容易实现资源共享。基于互联网的家用电器智能控制系统属于物联网技术中的智能家居范畴2。智能家居是物联网在家用电器等家用电器控制中的应用分支。在上世纪80年代, 智能家居的概念出现在美国。在康涅狄格州哈特福德的城市建筑建设中, 联合技术公司运用建筑设备信息化的概念对建筑中的空调和电梯设备进行了监控, 实现了智能化。照明系统的控制。此外, 它还提供电子邮件。等待信息服务。近年来, 德

10、国提出的工业4.0、和中国最近提出的互联网 + 概念标志着互联技术和各种技术在各行各业的深度融合的开始。它更像是物联网概念的发展和延续。1.2 国内外研究情况目前, 针对特定地点的防盗报警系统和视频监控系统随处可见, 在公园、商场等公共场所随处可见, 但智力水平不高。适合家庭使用的智能系统并不多。产品不均匀, 功能性能也有很大的不同。在功能方面, 西口子、霍尼韦尔等国外知名厂家生产的智能家居产品性能稳定, 功能可靠。在安装智能家居和远程控制之前, 他们既可以采用传统的控制模式, 也可以采用远程控制。但是, 控制模式是人为的, 系统本身没有对信息进行深入的分析和处理, 也不能为用户提供任何操作建

11、议。谷歌开发的智能空调控制器可以存储和分析用户的操作信息, 并自动设置下一个温度参数。它开创了智能控制在家庭控制中的应用3。近几十年来, 中国出现了许多智能家居制造商, 实现了遥控电视、空调、照明调节、窗帘开、关等功能。一些传统的视频监控制造商和新兴的互联网技术公司也在开发智能家居产品。与国外产品相比, 国内产品种类和功能都很好, 但在稳定性方面仍存在一定差距。一般来说, 几乎所有的智能家居产品都只能通过互联网实现家用电器的远程控制, 但却没有智能控制功能, 这也是这项技术仍然不流行的原因之一。1.3 解决的主要问题家用电器智能控制系统采用 PC 和 Zigbee 协调器模块作为控制中心, 形

12、成智能网关。PC 终端设计了家电智能控制与管理平台, 实现了控制指令发送、数据采集、存储和运行以及网络通信等功能。在智能网关上安装了 Zigbee 协调器模块, 安装在家用电器上的按钮终端节点模块形成了一个无线通信网络, 实现了信息通信和控制。智能网关收集和存储每个节点的信息。根据适当的算法进行处理后, 生成的指令将发送到相应的节点。智能网关具有互联网通信功能。它可以与智能手机等智能终端进行通信, 实现家用电器的远程控制。系统使用的硬件和软件资源如下: 硬件: PC、智能终端、Zigbee 协调模块、Zigbee 终端节点模块、红外转发模块等。中文风格软件: Windows7操作系统, Vis

13、ual Studio 2013。嵌入式工作台C 语言开发环境。本文主要研究无线子网的设计和服务器软件的设计。在实现网络通信和数据采集等基本功能的基础上, 将人工智能技术引入系统, 实现家用电器的自动化和控制, 使系统具有一定的确定性智能控制功能。例如, 照明设备, 系统根据用户的习惯, 通过一段时间 (如三周) 的数据学习, 分析用户的生活模式, 预测第二天的切换动作。1.4 本文的主要工作为了实现基于互联网的家用电器智能控制, 有必要进行硬件制作和编写相应的软件。首先, 在 Windows 7 操作系统上运行的服务器软件由 PC 编译。服务器软件是对整个系统的管理。它收集和处理每个节点的通信

14、数据, 并根据处理结果向相应的节点发送指令。Zigbee 协调器模块安装在 PC 上, 并通过服务器管理平台形成一个智能网关。它通过 Zigbee 无线通信协议与每个终端节点进行通信。具有互连的智能网关网络通信功能为手机等智能终端通过互联网进行通信提供网络接口, 实现远程控制。该模块的核心是 TI 的 CC2530 单片机。CC2530 结合了领先的射频收发器的卓越性能和行业标准增强的 8051 CPU。CC2530F256 结合了德克萨斯仪器行业领先的 Zigbee 协议。它提供了一个强大而完整的 Zigbee 解决方案。该芯片用于制作开关输出节点模块、开关输入节点模块、模拟输出节点模块、模

15、拟输入节点模块和红外转发模块。最后, 连接系统的组件, 调试系统, 并改进发现的问题。第二章 加点智能控制系统需求分析2.1系统概述家用电器的遥控器使人们在外出时了解家用电器的操作, 关闭被遗忘的密闭电器, 并在回家前提前打开空调。它不仅提高了生活的舒适性, 而且节省了电力, 确保了安全。互联网的普及为家用电器远程控制的数字化和智能化提供了条件。家用电器有很多种, 控制方式也不同。将单一控制硬件应用于所有家用电器是很困难的。此外, 不同的用户可能对家用电器的控制有不同的功能要求。经过大量的访问和调查, 结合现有产品, 选择更常见的功能进行设计。对于市场上成熟的技术, 如视频监控, 话题是不涉及

16、的。最后, 重点研究了照明控制、空调控制和多媒体控制的功能。该系统实现了家用电器的远程。同时, 介绍了人工智能控制技术。该控制系统通过了解用户在历史时期的操作习惯, 可以在未来几天内自动控制灯具的切换动作4。2.2 系统目标和解决的问题该系统建立了家用电器智能控制与管理平台, 可集中控制室内空调、照明、电视音响等多媒体设备。它可以调节和控制空调的照明强度、开关和温度。它可以测量房间的温度、湿度、照明和空气质量, 并反馈给用户。多媒体控制功能主要控制电视的切换和选择、数字播放器、数字机顶盒等多媒体终端的切换和选择。用户可以通过家电智能控制和管理平台查看和控制家电的状态。实现智能控制具有预测功能。

17、它还可以使用智能手机和其他智能终端通过互联网远程操作5。2.3 功能需求通过该系统, 用户可以通过网络远程控制家用电器, 实时查看家用电器的温度、湿度和空气质量。由于家用电器种类繁多, 这就要求系统具有较强的功能扩展能力, 从而实现对新型家用电器的控制和管理。 如图2-1 所示, 系统组合图2。该系统可分为智能网关、家用电器设备子网和智能终端王国。所有需要控制的家用电器都需要通过无线通信构成家用电器设备子网。家用电器设备子网的组成主要包括光控制器、红外应答器和各种用于监测环境参数的传感器。照明控制器可以控制可调和不可调灯, 照明传感器可以测量室内照明, 可供用户参考调节室内照明, 还可以通过系

18、统自动控制照明设备。红外应答器用于控制电视、空调、多媒体终端等家用电器, 由红外遥控器控制。系统中安装了温度和湿度传感器, 如 PM2.5 传感器。空气净化设备可以由用户手动控制, 也可以根据空气质量进行连接。智能终端和智能网关通过互联网网络连接, 可以远程查看家庭信息, 控制家用电器。每个家用电器都可以用传统的方式由控制, 也可以由智能网关管理平台控制, 也可以通过智能终端遥控器进行控制。一般采用用户干预的智能控制。该系统根据用户存储在数据库中的历史运行记录了解用户对家用电器的控制习惯, 并根据传感器收集的信息自动控制家用电器6。图2-1 系统组成图智能网关是系统控制的必要条件。管理员可以设

19、置系统参数、管理用户、查询家用电器和家庭环境参数的状态、查询历史信息和控制家用电器。如图2-2 所示。家庭成员可以检查家用电器的状况, 查询家庭环境参数, 用开关控制家用电器。家庭环境参数包括温度、湿度、空气质量、照明等信息。管理员还可以使用设置系统参数和管理用户7。图2-2系统功能用例图家用电器控制功能, 包括家用电器控制参数设置、家用电器状态监控、打开或关闭家用电器、家用电器日历数据查询、家用电器自动控制五个主要功能, 如图2-3 所示。图2-3 家电控制用例图如图2-3所示，家电控制参数设置用于设置家电的名称、所在房间等；家电状态监控，用于查看当前家电的开关状态、电流大小等；打开或关闭家

20、电，巧于控制家电的打开和关闭；家电历史数据查询，用于查看家电往的开关时间、电流及与该家电的使用密切相关的信息；家电自动控制，用于设置是否自动控制、是否参照传感器数据进行自动控制，及智能控制相关的参数8。第三章 系统整体架构和家电设备的设计3.1 系统整体架构模型的设计根据系统的需求分析，设计了系统的功能结构图9，如图3-1所示。图3-1 系统的功能结构图图3-1 显示了系统的功能结构。该系统由服务器、家用电器无线子网和智能终端部分组成。服务器包括五个功能模块: 控制台视图、数据库模块、以太网通信模块、串行通信模块和后台处理程序。第四章 服务器设计 一章对此部分进行了详细介绍。家用电器的无线子网

21、络由单个协调节点和几个非协调节点类型组成, 对应于不同类型的家用电器或传感器。这一部分集中在本章中。智能终端为用户提供远程控制界面。第四章主要介绍了智能终端与服务端网络通信的实现10。3.2 家电设备无限子网的设计如图3-1 的功能结构图所示, 在结构图下部的虚线框架中, 它是家用电器的无线子网络。它由一个协调节点和五个终端节点组成, 即开关输出节点、开关输入节点、模块化输出节点、模拟输入节点和红外控制节点, 根据不同类型的连接家用电器进行设计。不同的终端节点控制相应类型的家用电器或连接相应类型的传感器。开关输出节点: 用于控制只有两种开关状态的家用电器, 如普通照明等。开关输入节点: 用于感

22、知家用电器的开关状态, 如气阀是处于打开状态还是关闭状态, 或者传感端口、窗口等状态。模拟输出节点: 用于控制需要功率调节的家用电器, 如可调灯、调速电机等。模拟输入节点: 用于检测可调设备的当前状态, 如排气扇出口的开角等。模块化输入节点还可以连接模拟温度和湿度传感器来测量室内温度和湿度, 并输出模拟光传感器来测量室内照明等。红外控制节点: 用于控制由红外遥控器控制的家用电器, 如电视、空调等, 可以更换原来的遥控器11。在家用电器的无线子网中, 设置了一个协调节点、多个路由器节点和少量的终端节点。如图3-2 所示, 家用电器的无线子网采用混合网络智能结构, 无线传感器网络中的每个节点都可以

23、与协调器节点进行双向通信。在网络中, 路由器和附近的终端节点形成星形结构, 多个路由器节点和协调节点形成网络结构。终端节点可以与附近的路由器或协调器直接通信。这种网络方法的一个显著优点是, 当路由器或链路干扰或失败时, 它可以与靠近它的其他路由器执行临时网络, 从而恢复正常通信。图3-2 混合网络拓扑结构3.3 无线子网的详细设计协调员是无线子网的组织者和维护者。协调员在连接方面也发挥着重要作用, 如图3-1 的整个系统体系结构模型所示, 它在一端连接服务器, 在另一端连接家用电器的无线子网。协调员与家用电器无线子网中的每个节点进行通信, 并通过串口将信息传输到家用电器智能控制系统的管理平台。

24、协调员是家电与管理平台之间的桥梁。图3-3 协调器基本电路如图3-3 中协调器的基本电路所示, 协调器主要由 CC2530F256 主芯片和 CH340G 芯片组成。为了突出关键点, 图中省略了电源电路等辅助电路。CH340G 芯片是将 TTL 串行信号转换为 UBS 信号的芯片，用于连接到服务器的 USB 接口。CH340G 不仅支持 Windows XP 系统, 还支持64位操作系统, 如 Windows 7。在计算机上仍被公认为 RS232 串口, 在服务器编程中仍采用串行通信编程模式。协调人通过 CC2530 本身的无线通信功能实现与其他节点的无线通信, 并通过 CH340G 芯片实现

25、与计算机的串行通信。协调器的程序结构, 如图3-4 所示, 包括 OSAL 初始化程序、无线子网初始化程序、无线子网消息发送程序、无线子网消息接收和处理程序、串行通信程序。图3-4 协调器程序组成结构终端节点的设计与协调器有许多相似之处, 如 CC2530F256、相同的电源电路、复位电路等。终端节点用于直接控制设备或连接传感器以收集环境数据。根据不同的功能, 终端节点有不同的形式。为了节约成本, 减少开发难度, 我们采用了共同节点的形式, 然后在共同节点的基础上扩展了不同的功能。我们使用协调器节点作为通用连接点。基本电路如图3-3 所示。通过扩展芯片的 Px 接口, 得到了具有不同功能的节点

26、模块。模拟输出节点和开关输出节点有许多相似之处。开关输出节点的输出继电器被电阻电容元件所取代, 使输出端口 (如 P1.0 端口) 处于连续脉冲输出状态。通过调整输出脉冲的占空比, 可以调整输出电压, 以达到模拟输出的效果。第四章 家电智能控制系统的实现与測试本文使用 M网络作为系统开发平台, VB. Net 开发语言, Access 2003 作为后台数据库, 并完成家电智能控制系统服务方面程序的开发。采用IAR Embedded workbench IDE单机片C语言的开发环境, 完成了家用电器无线子网程序的开发。通过串行通信技术实现了家用电器无线子网与服务终端管理软件之间的通信。4.1

27、服务端的实现服务器端程序包括部分。第一部分是家电管理平台的接口。每个部分都是网络通信程序, 另一部分是数据库。 控制系统设置为在 Windows 系统启动后自动启动和运行。用户输入登录密码后进入控制系统的主界面。主界面如图4-1 所示, 照明控制接口如图4-2 所示, 空气质量控制接口如图4-3 所示, 多媒体控制接口如图4-3 所示。图4-1灯光控制界面图4-2 空气质量控制界面图4-3多媒体控制界面4.2 无线子网的实现通过扩展现有 CC2530 硬件模块的功能, 建立了协调器和设备控制节点。根据不同的控制功能, 将设备控制节点分为协调节点、开关控制节点、模拟输出节点和模拟输入节点。除了协

28、调节点外, 其他节点还可以写入路由器程序, 也可以写入终端节点程序, 硬件完全相同。网关节点是 Zigbee 无线传感器网络中的协调节点。它是无线传感器网络的根节点。它形成了具有路由节点和终端节点的无线通信子网。同时, 通过串口与 PC 连接, 接受 PC 的指令, 实现了近距离无线控制和远程网络控制。 开关控制节点的典型应用是控制灯具的开关动作。控制节点采用 CC2530 芯片作为主控制芯片, 并与智能网关节点进行通信。该系统设计为继电器的输出形式, 可以控制大多数开关家用电器。模拟控制节点的实现与开关控制节点基本相同, 其输出为可调节占空比的连续开关脉冲。红外应答器用于更换红外遥控器来控制

29、相应的家用电器。在使用前, 家用电器的红外命令信号应传输到红外应答器。红外应答器将接收要分离和处理的信号, 并存储在内存芯片中。管理软件控制红外应答器发送相应的红外指令来控制家用电器。4.3 测试测试分为下几个步骤进行：硬件测试、服务端测试、系统测试，测试应遵循相应的软硬件测试原则进行。4.3.1硬件测试对嵌入式硬件模块进行了协调节点、路由器节点和终端节点等硬件模块的硬件测试。硬件测试主要包括设备测试、功能测试和可靠性测试。(1) 设备测试设备测试是硬件测试的必要步骤。主要设备在模块中进行测试。在打开模块之前, 首先检查设备的外观, 并且不会对设备的外观造成明显的损坏。然后在主要设备周围检查电

30、路图。根据设备的描述文件和电路图, 正确检查引脚连接的顺序, 检查电源引脚的正负。极间电阻是否正常, 是否存在短路或开路现象, 总线与电源之间是否存在短路现象。CC2530 芯片未首先安装, 可调节电源具有电流保护功能, 用于为模块供电。在打开模块之前, 电流将调整到模块的电流范围。如果电流不正常, 将进一步检查该电流, 以及设备是否无效。造成设备故障的主要原因有: 型号差异、设备损坏、安装错误。测试 CC2530 插槽引脚的功率极性和负载容量是否正常。在确认下一次测试的正常情况后安装芯片。 (2) 功能测试设备测试通过后, 对模块的功能进行测试, 并将测试程序写入待测试模块, 以测试输入和输

31、出端口在功能上是否正常, 指示灯是否可以转动和关闭正常, 按钮压力是否正常, 按钮是否可以正常复位, 模拟输入和输出值是否在允许的范围内等。然后进行了简单的网络测试, 检查每个节点模块是否能正常加入协调器建立的无线网络。 (3) 可靠性测试影响硬件可靠性的因素很多, 如连接器接触不良、引脚焊接不良、电路图设计存在严重缺陷。在测试阶段, 使用高性能电源。实际应用时, 使用电源是不可能的, 也是不必要的, 但电源的质量会直接影响硬件的可靠性。因此, 在实际应用中, 如果系统的可靠性大大降低, 就应该考虑更换电源并再次进行测试。可靠性试验有许多内容, 如环境可靠性试验和机械可靠性试验。这两个测试中有

32、几个特定的测试内容。在系统开发阶段, 只进行了两次试验, 一种是环境可靠性试验中的高温湿度试验, 另一种是机械可靠性试验中的自由落体试验。4.3.2 服务端测试测试主要进行功能性哭声和结构测试。功能测试采用黑盒测试、鲁棒性分析和服务器控制平台边界值分析, 是否满足设计要求。结构测试使用程序源代码作为测试用例的基础。连接模块并启动服务器软件。管理软件的主界面如图4-1 所示。每个指令都是一个接一个地进行测试。测试每个函数是否满足要求。然后进行了性能测试、长时间的软件稳定性和通信可靠性测试。4.3.4 系统测试系统测试范围广, 是系统投入实际应用前的最终测试。这个测试阶段的重点是证明它的性能, 而不是识别缺陷。家用电器智能控制系统包括硬件和软件。它具有嵌入式内容, 涉及自动控制内容、数据库应用、以及神经网络的简单应用。一方面, 测试的目的是验证该功能是否满足需求, 另一方面, 证明系统的性能。本文从压力测试入手, 实现系统测试。4.4 测试结果分析通过应力测试, 系统在功能上完成了设计要求, 但在许多方面存在性能缺陷。无线设备子网重构功能有时具有较长的网络延迟, 在数据量大的