基于蓝牙的智能家居控制系统的研究与设计.pdf
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工学硕士学位论文基于蓝牙的智能家居控制系统的研究与设计燕山大学2011年5月国内图书分类号：
TP274.3国际图书分类号：
621.3工学硕士学位论文基于蓝牙的智能家居控制系统的研究与设计硕士研究生：
刘永富导师：
焦斌亮教授申请学位级别：
工学硕士学科、专业：
电路与系统所在单位：
信息科学与工程学院授予学位单位：
燕山大学ClassifiedIndex:
TP274.3U.D.C.:
621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTUDIESANDDESIGNEOFTHECONTROLSYSTEMOFTHESMARTHOMEBASEDONBLUETOOTHCandidate:
LiuYongfuSupervisor:
Prof.JiaoBinliangAcademicDegreeAppliedfor:
MasterofEngineeringSpeciality:
ElectronicCircuitandSystemUniversity:
YanshanUniversity燕山大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：
此处所提交的硕士学位论文基于蓝牙的智能家居控制系统的研究与设计，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。
据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。
本声明的法律结果将完全由本人承担。
作者签字：
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年月日燕山大学硕士学位论文使用授权书基于蓝牙的智能家居控制系统的研究与设计系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。
本论文的研究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。
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保密，在年解密后适用本授权书。
本学位论文属于不保密。
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年月日导师签名：
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年月日摘要I摘要随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，人们越来越注重自己生活环境的舒适、安全与便利。
近年来兴起的智能家居系统满足了人们的这种需求，它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，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。
首先，在研究蓝牙SPP应用模型和我国家庭控制子网通信协议规范的基础上，经过比较当前各种家庭内部组网技术的优劣，选择了基于蓝牙协议的家庭控制子网的实现方案。
该方案使用蓝牙SPP模型来承载通用设备控制协议，降低了家庭控制子网组网过程中的难度，符合实际应用场景。
其次，研究并提出了智能家居系统实现过程中处于核心地位的智能家居控制器的软硬件设计方案。
在硬件方面，选用Samsung公司具有较高性价比的ARM9芯片S3C2410作为其CPU，完成了智能家居控制器的电源、显示、输入、存储以及无线蓝牙和GPRS的模块的电路设计；在软件方面，成功地将U-boot、嵌入式Linux内核和蓝牙协议栈BlueZ移植到了智能家居控制器目标板上，并在Linux内核中为系统各个硬件模块添加了相应的驱动程序。
最后，对蓝牙模块进行了测试，实现了蓝牙的点对点通信，并且为系统开发了部分常用的界面。
对研究工作做了总结，列出了所实现的研究成果以及有待实现的智能家居控制系统的功能。
关键词家庭控制子网；蓝牙；智能家居控制器；嵌入式系统；Linux；ARM燕山大学工学硕士学位论文IIAbstractIIIAbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnology,andtheimprovementofpeopleslivingstandards,peoplearepayingmoreandmoreattentiontothecomfortablity,safetyandconvenienceoftheirlivingenvironment.Theemergenceofsmarthomesysteminrecentyears,justmeetstheneedsofpeople.Iteffectivelyconstitutesappliancesintoahomeinformationnetworkandmakesallkindsofappliancescombinedintoanorganicwhole.Itcanintelligentlycontrolapplianceslocallyorremotely,andexchangeinformationwiththeoutsideworld.Firstly,aftercomparingvarietyofnetworkingtechnologywithinhome,andstudyingoftheapplicationofBluetoothserialpartprofile（SPP）andtheCommunicationprotocolspecificationofhomecontrolsub-network,theimplementationschemeofhomecontrolsub-networkbasedonBluetoothisproposed.Accordingtoactualapplicationfields,thecommunicationprotocolarchitectureforthisschemeisestablishedbyusinguniversaldevicecontrolprotocol（UDCP）overSPPanditbecomeseasierwhenthehomecontrolsub-networkisnetworkedSecondly,thedesignofsmarthomecontroller,whichisatthecoreofsmarthomesystemsimplementation,isstudiedandrealizedinbothsoftwareandhardware.Onthehardwareside,SamsungsS3C2410chip（ARM9）isselectedasthemainCPUoftheintelligenthomecontroller,whichiswithgoodperformanceandlowprice.Thepowersupply,display,input,storage,wirelessBluetoothandGPRSmodulecircuitsofsmarthomecontrolleraredesigned.Onthesoftwareside,U-boot,embeddedLinuxkernelandBlueZ（Bluetoothprotocolstack）areimplantedtothetargetboardsuccessfully.TheneachhardwaremodulesdriverofthesystemisaddedintotheLinuxkernel.Finally,Bluetoothmodulescommunication,whichispointtopoint,istested.AndsomecommonandusefulGUIisdesigned.Theresearchissummed燕山大学工学硕士学位论文IVupandtheimplementationoftheresearchandotherfunctionsoftheintelligentcontrolsystemtoimplementarelistedout.KeywordsHomecontrolsub-network;Bluetoothtechnology;Smarthomecontroller;Embeddedsysterms;Linux;ARM目录V目录摘要IAbstractIII第1章绪论11.1课题研究背景11.2智能家居的发展状况21.2.1国外智能家居发展状况21.2.2国内智能家居发展状况41.2.3未来智能家居的发展趋势61.3研究的目的和意义71.4课题研究的内容81.5本文组织结构8第2章智能家居关键技术112.1嵌入式技术简介112.2ARM技术122.3嵌入式Linux操作系统132.3.1嵌入式Linux操作系统简介132.3.2嵌入式Linux系统开发流程142.4U-Boot引导程序152.4.1Bootloader简介152.4.2U-Boot简介162.5蓝牙技术172.6本章小结18第3章智能家居控制系统总体设计方案193.1智能家居的主要功能193.2智能家居网络结构203.2.1家庭内部网络分析203.2.2组网协议选择213.2.3蓝牙控制子网223.2.4控制子网协议结构243.3智能家居控制器硬件总体设计273.4智能家居控制器软件总体设计28燕山大学工学硕士学位论文VI3.5本章小结30第4章硬件平台设计314.1硬件电路设计314.1.1控制器硬件平台设计314.1.2嵌入式处理器的选择324.2S3C2410最小系统硬件电路设计334.2.1电源模块设计344.2.2时钟模块设计364.2.3复位及复位芯片配置364.2.4SDRAM接口电路设计374.2.5NandFlash接口电路设计394.2.6UART串口电路设计394.2.7JTAG调试接口电路设计404.3人机交互接口设计414.3.1LCD电路接口设计414.3.2触摸屏电路设计434.4蓝牙模块接口电路设计444.5GPRS接口电路设计454.6本章小结46第5章软件平台的搭建475.1U-Boot在S3C2410上的移植475.1.1U-Boot源码的目录结构475.1.2U-Boot移植485.2Linux内核在S3C2410上的移植485.2.1Linux内核源码的目录结构485.2.2Linux操作系统的移植步骤495.2.3配置编译linux内核545.3根文件系统的制作555.4本章小结57第6章驱动程序和应用软件开发596.1设备驱动程序596.2控制器驱动程序实现606.2.1触摸屏驱动程序606.2.2蓝牙驱动程序646.2.3其他外设的驱动程序676.3应用软件总体结构676.4图形界面68目录VII6.5本章小结71结论73参考文献75攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果79致谢80作者简介81燕山大学工学硕士学位论文VIII第1章绪论1第1章绪论1.1课题研究背景智能家居，或称智能住宅，在英文中常用SmartHome、Intelligenthome，与此含义相近的还有家庭自动化（HomeAutomation）、电子家庭（ElectronicHome、E-home）、数字家园（Digitalfamily）、网络家居（NetworkHome），智能建筑（IntelligentBuilding）1。
智能家居是以住宅为平台，兼备建筑、网络通讯、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境2。
智能家居是在家庭产品自动化、智能化的基础上，通过网络按拟人化的要求而实现的。
智能家居可以定义为一个过程或者一个系统，利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、无线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起。
与普通家居相比，由原来的被动静止结构转变为具有能动智能的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通3。
智能家居强调人的主观能动性，要求重视人与居住环境的协调，能够随心所欲地控制室内居住环境。
目前，在国内家庭信息网络和智能家居网络的研究与实施中，存在的几个关键问题是：
（1）当前，智能家居网络在组网过程中设备互联没有遵循统一的规范，使得各生产厂家的智能家电通信不兼容。
（2）目前，大部分智能家居产品一般是基于有线布线技术的，设计周期较长，成本较高，维护也不太方便，很难适应智能家居市场的快速发展形势。
（3）国外智能家居产品价格远远高于中国一般家庭的承受能力，对于国内市场而言，国外产品在很长的一段时间内可能无法得到国内消费者的认燕山大学工学硕士学位论文2可4。
因此，使用合适的技术，进行合理的设计，组建一种符合我国大众消费水平、自主研发的智能家居控制系统已经成为智能家居行业中极富挑战的课题之一。
1.2智能家居的发展状况1.2.1国外智能家居发展状况1984年在美国康涅迪格州出现了世界上第一座智能建筑，当时只是一定程度地改造了一座旧式大楼，使用计算机控制系统对楼内的照明、空调、电梯等电器设备进行了控制和检测，使楼内的人们能够获得电子邮件、语音通话、情报资料等服务信息，实现了一定程度的信息共享5。
从此，就拉开了智能家居的序幕，人们对智能家居进行了各种各样的设想。
加拿大、美国、澳大利亚、欧洲和东南亚的经济比较发达的国家设计了各种各样的智能家居方案。
1998年5月，第一届“亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”在新加坡举办，新加坡模式的智能家居系统被推出来，展示了模拟的“未来之家”的模型。
“未来之家”具有如下一些功能：
可视对话、来客留言、安防报警、电话接入、三表抄送、家电控制、有线电视接入、集中化控制、家庭智能控制面板、宽带接入、系统软件在线升级配置等6。
2000年，在美国有近4万户家庭采用了这种家庭智能化系统，新加坡也有近5000户家庭安装了这类系统。
据调查，2005年在美国每个家庭安装智能家居设备的平均费用在70009000美元之间7。
随着计算机技术和电子技术的飞速发展，如今已经大大降低了安装这种系统的费用。
据美国一家知名市场调查机构调查报告显示，2008年，组建智能化网络家庭所带来的市场总值高达6500亿美元8，其中智能家电硬件产品的价值占57%，软件和技术服务的费用占43%，随着硬件技术、网络技术的不断发展，硬件产品所占的比例将会下降，而软件和服务的费用将会不断上升。
预计到2015年，80%以上的住宅都具有一定程度的“智能型家居”功能。
而且，第1章绪论3由于组网技术的标准化、网络协议的规范化，这种新型的智能家居系统与比尔.盖茨5.3亿美元智能化豪宅相比要便宜的多。
目前，国外智能家居的标准和产品主要有以下几种：
（1）美国X-10系统X-10最初是PicoElectronicsLtd.于1978年开发的一项计划，诣在利用电源线来控制家中的灯饰及电子电器产品9。
1990年在美国成立了以X-10命名的新公司，其产品系列均以X-10命名。
今日，X-10在美国不仅是一家公司，也是家庭自动化控制规格的一种名称。
X-10是通过电力线作为网络平台，采取集中控制方式实现各种功能，以120kHz的脉冲传送数字信号，在家庭自动化如安全监控、电器控制等方面得到广泛应用。
无需重新布线，安装设置比较简单，很多设备都是即插即用，可以随意按需选配产品，而且可以不断智能化升级，功能相对比较强大而且实用10。
技术非常成熟，已有25年左右的历史，现在美国已有将近1300万家庭用户，适用于新装修户和已装修户，是比较健康、安全、环保的智能家居技术。
在我国X-10系统应用极少。
主要原因之一是，它的价格难以为国内的房地产商和普通消费者所接受。
（2）欧洲的EIB系统欧洲设备安装总线协议（EuropeanInstallationBusEIB）是一个在欧洲占主导地位的楼宇自动化和家庭自动化标准。
EIB系统用双绞线把全部电子元件连接起来，采用分布式结构形成一个对等网络，具有开放性和设备间的互操作性11,12。
目前在国内也极少。
主要原因是其工程要求较为复杂、严格；另外价格也难以为开发商所接受。
（3）新加坡等国的8X系统该系统采用预埋总线和集中控制方式实现各种功能，采用RS-485家庭总线结构，通过电话线，实现双向监视和遥控功能13。
8X家庭智能化产品在美国和新加坡等20个国家和地区得到广泛的应用，目前该系统在国内有少量应用。
除以上几种智能家居标准和产品外，其它还有CEBUS、LonWorks、BatBUS和BACnet等总线和技术标准也常用在智能家居系统中。
另外一些国家还制定了本国的智能化住宅系统及其家庭总线通信标准，并建有基于这些标准的智能化住宅。
如日本2004年制订了家庭总线系统（HBS-HomeBusSystem）标准等。
这些以家庭总线为基础的家居控制系统在开放性、灵燕山大学工学硕士学位论文4活性、智能性以及整体性能上都存在一定的缺陷14。
1.2.2国内智能家居发展状况智能家居在中国，从人们最初的梦想，到今天国产的智能家居设备可以真实地接触到，已经经历了11年的发展。
从最初只是简单地引进美国的X-10技术、欧洲的EIB系统和新加坡等国的8X系统到今天可以设计出符合中国国情的智能家居设备，这是一个漫长而又艰难的过程。
在中国，智能家居不仅仅是单独一个产品，也不是传统的“智能小区”，而是以小区为平台的多层次，满足不同需求的家居智能化解决方案15。
它综合利用家电控制、传感器、计算机、网络通讯、综合布线等多种技术，把住宅内的家电设备的智能控制、小区安防监控、与外界的信息交流及消费服务等有效地结合起来16，创造出更加舒适、安全、高效、便捷、时尚的个性化住宅。
在2000年的时候，智能家居在中国还只是一个概念。
人们通过报纸、杂志、电视、广播等媒体慢慢接受了智能家居这个概念。
当时，人们对智能家居只有有一个模糊的认识，究竟什么是智能家居，并没有一个确切的定义。
在一些房地产的销售广告中，已经开始将“家居智能化”作为其一个“亮点”来宣传销售，在各小区的住宅设计阶段也已经或多或少考虑了智能化的设施，例如当时的智能化小区的建设。
在小区安防控制系统已经初步具有了智能家居的特点，甚至少数高档的住宅小区已经配套了比较完善的智能家庭网络。
20012004年，智能家居在中国处于研发推广阶段，市场上出现了国内一些公司生产的网络产品、智能家居产品；同时，国外的一些系统和产品也在这一段时期内以较大的规模涌入中国市场，跟国产的智能家居设备进行竞争。
新型的住宅和大部分小区都配备一定的智能化设备和设施。
20052010年，智能家居在中国处于普及的阶段，经过这几年的研究发展，欧美国家在智能家居技术领域比我国只不过先进23年，在这个时期，我国的智能家居系统和产品，开始进入普及阶段，智能家居正逐渐地走进普通居民的生活中。
为了规范智能家居市场，2005年国家信息产业部第1章绪论5发布了家庭网络系统结构及参考模型、家庭控制子网通信协议规范等5项与智能家居网络搭建有关的规范。
国家经贸委于2006年8月牵头成立了家庭信息网络技术管理委员会，信息网络产品开发及体系研究已经被作为国家科技创新的重点计划17。
2010年上海世博会上的GMC馆，给了人们一个亲身体验智能家居的机会。
这是一个逾百种纯中国制造的科技梦幻“家世界”，从硬件到软件实现了100%的纯中国制造，在世博会所有场馆中，唯有GMC馆提出了如此苛刻的参展要求，目的只有一个，就是要让汇聚全球华人智慧和中国最顶级制造企业的优秀品牌在本届世博会华丽亮相，展示的是全新的智能家居产品，GMC馆除了在世博会上为我们展示一个完美的家，同时也是中国优秀制造集群未来世界500强企业中的中国企业预演。
也许对很多人来说，新科技产品还只是一个概念，一个代表着昂贵价格，让人望而却步贵族奢侈品。
但本次GMC馆展现的产品，均是可以迅速投入使用的产品，人性的设计，超值的价格，亲民的文化，无不体现出GMC会员企业的用心和专业，在GMC馆展现的正是城市如何让生活更美好的核心理念和价值。
在国外各大企业研发智能家居产品的同时，国内厂商也开始智能家居产品的研发和生产，特别是一些IT企业利用自身在资金和技术方面的优势，在智能家居市场上占据了相当重要的地位。
它们也先后推出了自己的产品，其中主要有：
（1）清华同方的e-Home数字家园清华同方智能家居控制系统是专门针对中国家庭设计的家庭自动化系统，遵循国际技术标准，采用嵌入式软、硬件技术，提供网络、网络节点及末端设备等全系列家庭自动化产品。
其智能家居控制系统主要有下面三类。
A系列，遵循EIB协议的家庭控制产品，适用于中高档住宅；B系列，遵循X-10协议的家庭控制产品，无需布线，使用于中档住宅；易家三代，配电箱安装式家庭控制产品，使用于低档住宅18,19。
其系统可以提供的功能有，智能调光、家电管理、远程控制、家政保安、环境设置和窗帘控制等功能。
清华同方的e-Home数字家园主要是在智能大厦、智能小区的建设中，提供完整的系统解决方案，产品以功能模燕山大学工学硕士学位论文6块开发为主，采用国外成熟的智能家居标准。
（2）海尔的“e家庭”早在2000年9月，海尔就提出了“e家庭”概念，并陆续推出了“e家庭”产品，家庭无线网络、整体智能厨房、整体卫浴、智能上网设备、ebook、掌上智能设备、指纹/瞳孔识别系统、TabletPC等产品。
海尔的“e家庭”以海尔电脑作为控制中心，各种网络家电作为终端设备。
最近，海尔又提出了U-home的智能家居设计理念。
“U”是Ubiquitous的简称，意为“普遍存在，无所不在”。
海尔U-home是海尔集团在物联网时代推出的美好生活解决方案。
它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设备与网络连接，从而实现了“家庭小网”“社区中网”“世界大网”的物物互联，并通过物联网实现了3C产品、智能家居系统、安防系统等智能化识别、管理以及数字媒体信息的共享。
（3）科隆的“现代家居信息服务集散控制系统”科隆集团推出的“现代家居信息服务集散控制系统”，有效地集成了家电智能控制、家电远程故障诊断及维护，远程互联网控制和家庭娱乐诸项功能。
除了以上的智能家居厂家之外，目前长虹、索博、威易、科力屋、联想国际、三洋等公司也都有自己独特的智能家居解决方案、智能家居控制器和智能家电产品。
1.2.3未来智能家居的发展趋势如何使家居环境变得便利、舒适、人性化、智能化，真正提高人们的生活品质，才是智能家居系统的发展方向，其发展趋势主要有以下几个方
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