智能家居系统设.docx
《智能家居系统设.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能家居系统设.docx（47页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
智能家居系统设
本科毕业设计（论文）
题目__智能家居系统设计__
学生XX
专业班级
学号
院（系）计算机与通信工程学院
指导教师（职称）
完成时间
毕业设计（论文）任务书
题目智能家居系统设计
主要内容、基本要求、主要参考资料等：
．主要内容：
1．熟悉基于嵌入式系统的开发方法;
2．掌握Linux系统的移植；
3．了解硬件接口电路；
4．设计系统硬件和软件。
二．基本要求：
1．完成智能家居系统硬件设计；
2．完成智能家居系统软件设计；
三．主要参考资料：
1．有关嵌入式系统开发方面的资料；
2．有关ARM开发板方面的资料；
3．有关Linux系统移植的资料；
4．有关Linux设备驱动方面的资料；
5.有关GPRS技术方面的资料；
6.有关ZIGBEE无线技术方面的资料；
完成期限：
指导教师签名：
专业负责人签名：
年月日
智能家居系统设计
摘要
随着经济的发展，人们开始期盼着拥有一个安全、舒适、节能和便
捷的家居环境。
智能家居系统通过整合计算机技术、嵌入式技术、传感器技术、网络通信技术以及自动控制技术，集中或远程监控家庭事务，集安防控制、照明控制、多媒体娱乐、网络连接等功能于一体，满足信息时代人们高品质的生活追求。
智能家居系统在欧美发达国家发展比较早，技术也比较成熟，但国内的应用正处在发展阶段，有着广泛的市场，因此，对智能家居系统的研究有着重要的意义。
本系统以S3C2440芯片为核心处理器，外围扩展ZigBee模块、GPRS模块、红外模块、传感器等，采用嵌入式Linux操作系统和Boa嵌入式服
务器为软件平台。
宿主机使用Ubuntu10.04与Win7操作系统、ARM-Linux
交叉编译环境、QT等进行开发。
用到了内核的配置与调试、模块化驱动程
序、根文件系统的制作等技术。
各模块通过ZigBee技术、WIFI技术与中央
控制器联系在一起，组成一个完整的系统。
关键词智能家居；嵌入式；ZigBee；网络
智能家居系统设计
ABSTRACT
Withthedevelopmentofeconomy,peoplearelookingforwardtohaveasafe,fortable,energy-savingandsoTheCzechRepublicandhomefurnishingenvironment.Intelligenthomefurnishingsystemthroughtheintegrationofputertechnology,embeddedtechnology,sensortechnology,networkmunicationtechnologyandautomaticcontroltechnology,centralizedorremotemonitoringforfamilyaffairs,Ji'ancontrol,lightingcontrol,multimediaentertainment,networkconnectionsandotherfunctionsinone,tomeettheinformationagepeoplethepursuitofhighqualitylife.Intelligenthomefurnishingsystemdevelopsearlierinthewesterndevelopedcountries,technologyismature,butthedomesticapplicationisstillinthedevelopmentstage,hasabroadmarket,therefore,isofgreatsignificancetoresearchtheintelligenthomefurnishingsystem.
ThissystemusesS3C2440chipasthecoreprocessor,peripheralexpansionofZigBeemodule,GPRSmodule,infraredsensormodule,etc.,usingtheembeddedLinuxoperatingsystemandBoaembeddedserversoftwareplatform.ThehostusingtheUbuntu10.04andWin7operatingsystem,ARM-Linuxcrosspilerenvironment,QTdevelopment.Usetheconfigurationanddebugging,thekernelmoduleofthedriver,makingtherootfilesystemtechnology.EachmodulethroughZigBeetechnology,WIFItechnologyandthecentralcontrollertogether,formapletesystem.
KEYWORDSIntelligenthomefurnishing；flushbonading；ZigBee；network
1绪论
1.1课题的来源及背景
信息技术的发展迅速，己深入人类生活的各个领域，并对人类的居住环境和建筑业发展产生了巨大的影响，人们已开始追求充满信息技术、安全技术、高效节能、并具有丰富人文环境的绿色住宅。
不断加快的生活节奏，使人们有了掌握海量信息的需求，急需有一个方便快捷的系统平台，把人们从繁重的家务劳作和繁琐的家电操作中解放出来，并能自动协助人们生活的智能化系统，这就是智能家居系统。
智能家居是信息技术和建筑的完美结合，其目标是使人们拥有安全、舒适、便利、节能、娱乐和优美的生活环境，这是新世纪住宅发展的必然趋势。
传统的家居环境在满足人们最基本的需要的同时，也逐渐凸显了局限性。
比如：
传统的家居没有室内灯光的统一管理，进出房间开灯不方便，不能够方便的做到人走灯灭、节约能源；传统家居环境的安全性能差，不能够做到对于各种危险情况如煤气泄露、入室抢劫等的敏感反应；不能满足远程对家居的智能监控、实时监控、集中监控。
智能家居，又称智能住宅，在国外常用SmartHome表示。
它一般是以住宅为基础平台，综合建筑装潢、网络通信、信息家电、设备自动化等技术，将系统、结构、服务、管理集成为一体的高效、安全、便利、环保的居住环境。
1.2国内外研究现状及发展趋势
1.2.1国外研究现状
1984年世界上第一幢智能建筑在美国出现，随后日本、欧洲、澳大利亚等世界上众多经济发达的国家先后提出了各种智能家居的解决方案，并逐渐得到广泛应用。
自20世纪60、70年代以来，国外已经有不少的智能家庭系统面世，但是由于没有解决各系统之间相互兼容性问题，因此相关标准在全球尚未统一。
目前有数种产品作为既成标准共存，这些产品主要集中在美国、西欧和日本等地区。
在美国，X-10系统已于70年代后期进入市场，80年代后又有LonWorks系统、CEBus（ConsumerElectronicBus）、SmartHouse系统相继出现；在欧洲有EHS（EuropeanHomeSystem）系统和EIB（EuropeanInstallationSystem）系统；而在日本则有HBS（HomeBusSystem）系统。
90年代以后，智能家居网络进入了实用化和标准化的发展阶段，开放性和包容性很强的BAet协议于1995年诞生，并随即成为ISO国际标准，这是智能家居网络在标准化建设上的一个里程碑式的成果。
同时，一批批智能家庭网络工程投入实用，国外各大高新技术公司的研究成果纷纷进入工程实施阶段，比较典型的研究性或示X性项目有：
IBM的网络化家居和梦幻空间（DreamSpace）工程、Honeywell的家庭自动化工程、Cisco的网络社区工程、Motorola的智能家居工程、Invensys的网络化家居工程、MIT的智能厨房研究项目、业利桑那大学的WAVES工程和中美科龙智控联合中心（中科院、XX科龙和美国业利桑那大学）的智能家居项目等。
1.2.2国内研究现状
与国外相比，智能家居在中国的发展时间要晚很多。
很多人将智能家居在国内的发展过程划分为概念年、研发年、实验年、推广年以及普及年几个阶段。
2000年是智能家居在中国的一个概念年，这时的智能家居刚刚进入中国。
一部分人通过广播电台、电视、报纸杂志等媒体的宣传，初步了解了智能家居这个概念，以及智能家居带来的智能生活是怎样的。
一些嗅觉敏锐的厂商开始进入智能家居这个行业。
经过四年的研究开发和实验应用，到2004年的时候，智能家居已经开始在中国全面推广。
在一些豪华的公寓和住宅中已经看到了它们的踪迹，但由于产品本身价格过高，普通家庭难以接受。
这个时期没有智能家居控制系统可言，家电产品都以独立方式工作。
到2006年的时候，一部分高档和中档的住宅小区和私人住宅，在控制和管理上仅能实现一般意义上的智能化。
此时宽带网进入了一般居民的住宅和小区，为智能家庭网络功能的完善提供了一定的条件。
我国关于智能家庭网络系统的各种标准陆续出台，各种具有简单智能的终端产品根据这些标准陆续研发出来，并逐步进入市场。
但这时的市场上无论是硬件系统，还是软件系统都没有出现针对个人家庭的智能家居控制系统。
从2007年至今，智能家居的巨大市场潜力已经逐渐被众多厂商所认识。
很多厂商涉及此领域，致力于国内智能家居产品的研发和普及，国内的智能家居品牌已经有数十个之多。
比较著名的有XX海尔、安居宝、XX索博等。
并成立了家庭网络标准产业联盟——ITopHome（e家佳）。
此联盟是由海尔集团、清华同方、中国网通、XX广电集团、春兰集团、长城集团、XX贝岭等七家公司发起组建，以推广家庭网络系统标准和平台产业化，进而形成规模化的产品和市场为目的。
该联盟以家庭网络系统为中心，包括了电子、家电、通讯、计算机、网络运营等多领域企业，共同探索家庭网络商业运作模式，为家庭网络技术发展方向及产业的可持续发展提供产业环境。
由此可以看出，我国智能家居主要走的是统一标准，生产具备联网功能的智能家电产品，逐步普及的路线。
从智能家居的发展来看，这种方式符合智能家居的发展趋势，但是需要很长的一段时间，有很长的路要走。
1.2.2未来发展趋势
智能家居融合了计算机、网络、自动控制、传感器等多种技术，各种相关技术的进步，推动着智能家居的发展。
智能家居未来的主要发展趋势主要有以下几个方面：
（1）网络化：
智能家居是基于网络环境的综合应用，包括远程监控、安防报警、远程控制等。
在简化操作流程的同时，方便人们的日常生活。
网络化已经成为建筑智能化的重要特征；
（2）标准化：
智能家居目前没有一个统一标准，各个公司的产品各自为政，互不兼容。
改变目前“各自为政”的情况，使不同厂家的产品可以互操作，方便在解决方案中采取质量等级适合的产品，组建个性化的系统，是以后智能家居的发展方向；
（3）模块化：
智能家居是一个复杂的系统，包含众多的模块，每个模块基于统一标准的接口规X，可使设计独立的功能模块变得简单，同时增强系统的可维护性、可扩展性，简化系统集成的过程；
（4）绿色环保：
随着环境污染、温室效应的不断加重，绿色环保越来越受到人们的重视。
智能化建筑同样要符合绿色环保的发展要求，主要包括：
节能、环保、资源的循环利用等；
（5）整合：
在此引用耗资6000万美元建造高科技别墅的比尔·盖茨的点，他说：
“独立的智能家居早晚会被取代，未来的智能住宅最大的特色即为“整合”，将由一套完整的网络服务将房屋内的灯光、保安、音频、视频等一系列自动化程序整合在一起。
”智能家居最终目的是让家庭更舒适、更方便、更安全、更符合环保要求。
当前如：
远程网络接入、智能安防系统、火灾报警系统、可视对讲门禁系统、可燃气体检测系统、远程抄表（水表、电表、煤气表）系统、紧急求助系统、远程医疗系统、智能家电远程控制系统等等，各种新鲜的名词逐渐成为智能家居中的组成部分。
随着相关技术的不断发展以及人们对智能家居认识的不断深入，今后的智能家居系统将拥有更加丰富的内容。
1.3主要研究内容
本系统以S3C2440芯片为核心处理器，外围扩展ZigBee模块、GPRS模块、红外模块、传感器等，采用嵌入式Linux操作系统和Boa嵌入式服
务器为软件平台。
宿主机使用Ubuntu10.04与Win7操作系统、ARM-Linux
交叉编译环境、QT等进行开发。
用到了内核的配置与调试、模块化驱动程
序、根文件系统的制作等技术。
各模块通过ZigBee技术、WIFI技术与中央
控制器联系在一起，组成一个完整的系统。
1.4本章小结
本章主要介绍智能家居系统研究的背景及课题来源，国内外智能家居系统现状，未来发展趋势和主要研究内容
2家居系统方案设计
2.1相关技术介绍与分析
2.1.1ZigBee技术
Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。
根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。
这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。
其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。
主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。
简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。
2.1.1.1ZigBee技术的优势
图2-1Zigbee、蓝牙、WIFI传输标准对比
（1）从图2-1中几种无线传输的属性中我们可以看到Zigbee的应用X围是低速率远距离的。
这造就了Zigbee低功耗信息传输的优势，网上经常谈到两节普通的5号干电池可以使用6个月到2年的时间，免去充电和更换电池的麻烦。
（2）相对于常见的无线通信标准，ZigBec通过精简协议栈，最低要求系统只要8位处理器再加上4KBROM和64KBRAM即可，大大降低了芯片的成本。
ZigBec模块的初始成本为6美元左右，目标价格为几美分，且Zigbee免协议专利费，这将大大地减低了智能家居系统中的通信成本。
（3）智能家居系统作为家居设备的控制系统，其用户也非专业人士，对于安全性以及系统的可靠性稳定性要求比较高。
Zigbee提供了三级安全模式，为系统中的数据传输提供安全保障。
同时，多种机制的采用也为整个系统数据传输提供可靠性保障，如物理层采用可在一定程度上抵抗干扰的扩频技术，MAC应用层（APS部分）的应答重传机制，MAC层采用CSMA机制以及信道切换功能等。
2.1.1.2ZigBee网络设备组成及拓扑结构
ZigBee网络中，根据设备功能的不同，可分成了全功能设备（FFD）和简化功能设备（RFD）。
FFD具有由标准指定的全部IEEE802．15．4功能和特征，支持任何一种拓扑结构，可作为网络协调器和普通终端，并且可以和任何一种设备进行通信。
而RFD只是根据特点的应用需要实现了IEEE802．15．4协议的一部分，往往同时只和一个FFD关联，并只作为不需要传输大量数据、需要最少的资源和存储容量来实现的普通终端。
根据设备在网络中承担任务的不同，ZigBee网络中的设备可分为：
网络协调器、路由器和终端设备。
一个ZigBee网络中有且仅有一个网络协调器。
路由器节点只有在簇状网络和网状网络中存在。
终端设备一般作为边缘设备，不具备成为父节点或路由器的功能，负责与实际的监控对象相连。
同一网络中至少需要一个协调器，也只能有1个协调器，负责各个节点16位地址分配（自动分配）。
理论上可以连上65536个节点。
组网方式千变网化，如图2-2所示。
图2-2ZigBee网络
2.1.1.3ZigBee的主要应用领域
图2-3ZigBee应用领域
2.1.2GPRS技术
GPRS（GeneralPacketRadioService，通用无线分组业务）作为第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信（3G）的过渡技术，是一种基于GSM的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的IP或者X.25连接。
GPRS能给用户提供端到端的、广域的无线IP连接。
通俗地讲，GPRS是一项无线高速数据传输技术，它以分组交换技术为基础，用户通过GPRS可以在移动状态下使用各种高速数据业务，包括收发、进行Internet浏览、即时聊天等。
2.1.2.1GPRS的网络结构
GPRS网络主要实体包括GPRS骨干网、GGSN、SGSN、本地位置寄存器HLR、移动交换中心（MsQ，拜访位置寄存器（ⅥJR）、移动台、分组数据网络（PDN）、短消息业务网关移动交换中，C,,（SMS．GMSC）和短消息业务互通移动交换中心（sMs．IWMSC）等。
GPRS网络引入了分组交换和分组传输的概念，这样使得GSM网络对数据业务的支持从网络体系上得到了加强。
GPRS其实是叠加在现有的GSM网络的另一网络，GPRS网络在原有的GSM网络的基础上增加了SGSN（服务GPRS支持节点）、GGSN（网关GPRS支持节点）等功能实体。
GPRS共用现有的GSM网络的BSS系统，但要对软硬件进行相应的更新；同时GPRS和GSM网络各实体的接口必须作相应的界定；另外，移动台则要求提供对GPRS业务的支持。
GPRS支持通过GGSN实现的和PSPDN的互联，接口协议可以是X.75或者是X.25，同时GPRS还支持和IP网络的直接互联。
图2-4GPRS网络结构
2.1.2.2GPRS的技术优势
（1）相对低廉的连接费用资源利用率高在GSM网络中，GPRS首先引入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路交换模式的GSM传输数据方式发生了根本性的变化，这在无线资源稀缺的情况下显得尤为重要。
按电路交换模式来说，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独自占有无线信道。
在会话期间，许多应用往往有不少的空闲时段，如上Internet浏览、收发c:
\iknow\docshare\data\cur_work\baike.baidu\view\8409.htm等等。
对于分组交换模式，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用户的计费以通信的数据量为主要依据，体现了“得到多少、支付多少”的原则。
实际上，GPRS用户的连接时间可能长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用。
（2）传输速率高GPRS可提供高达115kbps的传输速率（最高值为171.2kbps，不包括FEC）。
这意味着在数年内，通过便携式电脑，GPRS用户能和ISDN用户一样快速地上网浏览，同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可能。
（3）接入时间短分组交换接入时间缩短为少于1,GPRS是一种新的GSM数据业务，它可以给移动用户提供无线分组数据接入股务。
2.1.3WIFI无线网路通信技术
Wi-Fi是一种能够将个人电脑、手持设备（如Pad、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。
Wi-Fi是一个无线网路通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟（Wi-FiAlliance）所持有。
目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。
使用IEEE802.11系列协议的局域网就称为Wi-Fi。
甚至把Wi-Fi等同于无线网际网路（Wi-Fi是无线局域网中的一大部分）。
Wi-Fi原先是无线保真的缩写，Wi-Fi英文全称为wirelessfidelity,在无线局域网diX畴是指“无线相容性认证”，实质上是一种商业认证，同时也是一种无线联网技术，以前通过网线连接电脑，而2010年则是通过无线电波来连网；常见的就是一个无线路由器，那么在这个无线路由器的电波覆盖的有效X围都可以采用Wi-Fi连接方式进行联网，如果无线路由器连接了一条ADSL线路或者别的上网线路，则又被称为“热点”。
2.1.3.1WIFI技术特性
更宽的带宽
虽然IEEE启动了两个项目打算将802.11标准数据速率提高到千兆或几千兆，但至今也还没有形成初稿。
更实际一点的是802.11n标准将数据速率提高了一个等级，可以适应不同的功能和设备，所有11n无线收发装置支持两个空间数据流，发送和接收数据可以使用两个或三个天线组合，苹果最新的Wi-FiiPodTouch就含有一颗博通（Broad）的无线芯片，支持11n标准。
很快将会有芯片支持三、四个数据流，数据速率可以分别达到450Mbps和600Mbps。
2009年初，Quantenna通信表示它已经研制成功4x4芯片，可以承载高清数字电视信号流。
你可以通过802.11s标准将这些高端节点连接起来，形成类似互联网的具有冗余能力的Wi-Fi网络。
更强的射频信号
11n中更多可选的性能特性将会出现在无线芯片中，无线客户端和无线访问点利用这些芯片可以使射频（RF）信号更具弹性，稳定和可靠，换句话说更象一个电线。
无线芯片制造商Atheros公司的CTOWilliamMcFarland说：
“新的11n物理层技术将使Wi-Fi功能更强大，在给定X围内数据传输速率更高，传输距离更长”。
这些性能特性包括：
低密度奇偶校验码，提高纠错能力；发射波束形成，它使用来自Wi-Fi客户端的反馈，让一个访问点集中处理客户端的射频信号；空间时分组编码（STBC），它利用多重天线提高信号可靠性。
Wi-Fi功耗更低
802.11n在功耗和管理方面进行了重大创新，不仅能够延长Wi-Fi智能手机的电池寿命，还可以嵌入到其它设备中，如医疗监控设备，楼宇控制系统，实时定位跟踪标签和消费电子产品。
可以不断地监测和收集数据，可基于用户的身份和位置进行个性化。
嵌入式Wi-Fi无线数据通信厂商首脑会议宣布的802.11a无线通信以各种插件形式提供，让设备使用不拥挤的5GHz波段，Gainspan提供的11b/g无线设备带有一个IP软件堆栈，电力消耗非常低，一块标准电池可以运行几年，RedpineSignals提供了一个单流嵌入到11n无线通信中。
改进的安全性
IEEE已经批准了802.11w标准，它保护无线管理帧，使无线链路更好地工作，Wi-Fi客户端现在可以接收和采用‘落地网络’信息，在此之前这个信息可能是由攻破访问点的黑客利用MAC地址伪造的，11w标准切断了这种攻击。
2.1.4嵌入式Web服务器
随着Interact技术的兴起，在嵌入式设备的管理与交互中，基于Web方式的应用成为目前的主流，即大家非常熟悉的B／S结构，使在嵌入式设备上运行一个支持脚本或CGI功能的Web服务器，能够生成动态页面，在用户端只需要通过Web浏览器就可以对嵌入式设备进行管理和监控，非常方便实用。
嵌入式Web服务器的核心任务是在互联的嵌入式设备之间进行信息交互，达到通过网络对嵌入式设备进行监控，主动上传反馈信息给主控设备的目的。
目前，成熟的嵌入式Web服务器很多，如EmWare公司的emMicro、GoAhead公司的GoAheadWebserver、Allegro公司的RomPager、Mbedthis公司的AppWeb、SUN公司的Apache，还有Boa、PicoWeb、ChipWeb、Voyager、Quiotix等。
本系
升级会员 