基于WiFi的智能家居系统及管理软件设计Word格式文档下载.docx
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1背景描述与创意来源
1.1应用背景及需求分析
进入二十一世纪以来，电子，通信，IT等行业发展极其迅速。
电子产品不断更新，功能越来越强大，例如手机从十年前打电话、发短信为主要业务发展到现在可以上网、打游戏、购物等与电脑拥有相似的应用；
家电产品也越来越智能，例如洗衣机从十年前主要以洗净衣服为目的发展到现在以环保节能，高效人性为目的。
这些功能丰富的产品，给我们的生活带来了极大的便利。
但是，我们的住宅却未发生根本性的变化，家庭内部的家电依旧以个体存在，家庭内外除了传统的上网之外没有其他的信息交换平台。
因此，对于家居智能化的需求将会越来越高。
智能家居系统以住宅平台，结合综合布线技术，安全防范技术，网络通信技术，自动化技术，视频音频技术集成家居生活相关设施，构造高效灵活的住宅设施和事物管理系统，提高家居的安全性，并实现绿色环保，和谐的居住环境[1]。
2009年8月，温家宝“感知中国”的讲话把我国物联网领域的研究和应用开发推向了高潮，无锡市率先建立了“感知中国”研究中心。
自温总理提出“感知中国”以来，物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”，物联网在中国受到了全社会极大的关注。
智能家居因为在一些欧美国家和日本等国发展较早，所以智能家居在这些国家已经有一定的发展。
如美国的X-10系统，德国的EBI系统，日本松下电器公司的“家庭信息基础”实验。
由于我国智能家居发展较晚，于二十一世纪之初智能家居才开始在我国流行，经过十多年的发展，虽然有一些智能家居公司和产品出现，但是与欧美同类公司和产品相比还有一定的距离。
制约我国智能家居发展的原因可以归纳为以下几方面[2]：
1）.尚无统一的标准和规范；
2）.智能家居使用成本高；
3）.产品市场定位不准；
4）.资金不足，研发能力有限；
5）.专业从事智能家居研究的人员太少。
本文从大众消费人群的角度出发，同时站在企业的角度思考，开发一套对于企业来说投入小、对开发者来说门槛不高、对大众消费者来说负担得起的智能家居系统。
本文设计是基于WiFi的智能家居系统设计及其管理软件开发设计，以住宅为载体，综合通信网络、数字化家电、设备自动化等技术，将管理、服务、各个子系统集成为一体的舒适、安全、环保、高效的居住环境[3]，真正实现住宅网络化、信息化、智能化[4]。
1.2创意来源
2012年11月，在深圳会展中心举行第十四届中国国际新技术成果交易会上，闪联产业联盟展示了以“闪联精彩互联技术”为主题的“智能互联、智能用电、智能家居、社交电视”四个不同场景，它将基于“闪联”国际标准的互联互通产品和多项解决方案全新呈现，闪联产业联盟的会员之一的广州市聚晖电子科技有限公司推出了一套对家居常用电气设备、各类照明灯具以及电动窗帘进行集中控制的完美解决方案的KOTI智能家居综合控制方案[5]。
智能家居的发展，不仅会促进住宅行业的革新，还会极大地促进物联网的发展。
2方案原理与设计细节
2.1系统方案概述
人们的生活水平越来越高，购买的家电也越来越智能，但是由于各个电器之间缺少协调，以至于这些电器之间不能达到“1+1>
2”的效果。
传统意义上一般都认为智能家居是带来生活品质的提升，其实物联网智慧家居正在改变这些观点，最显著的变化就是实用、方便、易整合。
每一个家庭中都存在的各种电器，不管是号称智能的冰箱、空调还是传统的电灯、电视一直以来由于标准不一都是独立工作的，从系统的角度来看，他们都是零碎的、混乱的、无序的，并不是一个有机的、可组织的整体，作为家庭的主人面对这些杂乱无章的电器其消耗的时间成本、管理成本、控制成本通常都是很高的并且是非必要的。
现代社会，人们的生活步奏越来越快，我们出门的时候常常会忘记关一些电器，浪费的电的同时，可能酿成可怕的灾难。
有时，电器坏了，忙碌的生活、工作常常让我们无暇顾及而导致这些电器长时间损坏。
炎炎夏日，下班之后我们总是极其希望一回到家，就有凉爽爽的温度、热腾腾的饭。
本系统的核心通过设计一套基于WiFi的智能家居系统，不仅提供安全防范功能，还提供按需式家电设备控制，和及时的提醒业务。
本系统分为两部分，其一是智能家居的硬件系统搭建，以实现电器及其设备间的信息交换；
其二是智能家居的管理软件开发，包括PC端的室内管理软件和手机移动客户端管理软件。
2.1.1智能家居系统功能概要
智能家居系统中，各传感器负责数据采集；
WiFi模块实现与中心控制中心的相互通信，将采集到的数据提供给中心控制器，同时接收来自控制器的指令；
中心控制器负责统筹调度各个电器设备，实现住宅各服务、设备一体化；
网关则负责家庭内外的信息交互，实现数据的更新。
同时，用户的手机客户端会及时收到一些必要的提醒，用户也可以通过手机客户端调控、设置家庭内各个设备。
主要的功能如下介绍：
1）提供安全防范功能
本系统与周围的闭路电视监控系统、火灾报警系统等安全系统相连，通过这些系统，将家庭内及其周边发生的警报或者偷盗行为记录，并及时传达到相应场所，以便对应人员做出相应处理。
保证家庭的安全，让用户更放心。
2）自主性
本系统对家庭终端使用状况进行实时监测、记录，如有特殊状况，能自行处理。
如某家电“失去联系”，中心控制器能进行主动握手，重新连上设备。
如果该设备依旧无法连上，则主动向维修中心申报，并与户主约定维修时间。
3）客户端功能
手机客户端可以提供用户远程家电、设备的控制，家电的实时状态，家电的用电信息，设备的异常事件，家电监测及设备管理。
用户可以随时随地了解家庭内部的状况。
4）备忘功能
在家门口，会有一个喇叭，它可以接收来自中心控制器的信息，在用户离开家的时候，提醒用户他之前设置的一些备忘内容。
由于能进行通信，它还能获得当天的天气状况，给用户一些出行建议。
5）提供按需服务
本系统可以根据用户不同的活动，如就餐、学校、工作、娱乐、休息等，配合不同的灯光效果、音乐模式，营造不同氛围；
室内灯光和温度可以根据天气不同、季节不同进行适当的调节；
用户不在家时可以通过终端控制空调温度、准备适当温度的洗浴水等。
所有家电均为控制系统的控制对象，用户在任何地点都可以随时通过不同的终端对家电设备进行有效控制[6]。
6）定时服务
用户可以指定某些家电、设备在某些特定的时间开始工作，为用户提供人性化的服务。
比如，用户每天19点下班，那么用户可以设定电饭煲自动工作时间为18:
30分，这样用户一回到家，就有美味的饭了。
7）提醒功能
手机客户端能让用户远在他处收到家庭内部及时的信息，比如家电坏了，或者用户在离家之后，某些设备仍在工作。
8）娱乐功能
用户可以直接从手机客户端或者是PC端将要看的电影或者节目上传自服务器，或者也可以直接通过电视查找所需的电影或节目。
同时，系统会将用户观看的信息保存到数据库，采用数据挖掘的技术，建立一个个性化的推荐系统，向用户推荐其感兴趣的电影、节目。
9）数据库功能
由于家电长期运行及家电设备的增多，将会产生海量的数据。
我们将这些数据写入数据库，上传自服务器。
10）查询功能
用户可以通过PC端或是手机客户端管理软件，登陆查看家电设备的用电情况、运行状况，让用户了解设备的相关情况。
11）绘图系统
当用户需要查看设备的用电情况时，管理软件可以从数据库中提取数据，绘画出单个设备每个月的、每天的用电情况，也可以提供全部设备每个月、每天的用电情况，让用户直观了解用电情况。
2.1.2智能家居网络概要
智能家居系统中互联的设备众多，有数码影视等高速设备，及家电，还有广播等中速设备，同时也包括三表抄送等低速设备。
设备间通过控制器和控制中心进行协调，网络选择尤为关键。
组网模式可以采用两种方式，一种是有线模式，一种是无线模式。
1）有线模式
有线模式可以采用电力载波通信技术。
电力载波通讯即PLC，是英文PowerlineCommunication的简称。
电力载波是电力系统特有的通信方式，电力载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。
最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。
PLC的最大特点：
不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递，无疑成为了解决这智能家居数据传输的最佳方案之一。
同时因为数据仅在家庭这个范围中传输，束缚PLC应用的5大困扰将在很大程度上减弱，远程对家电的控制我们也能通过传统网络先连接到PC然后再控制家电方式实现，PLC调制解调模块的成本也远低于无线模块[7]。
2）无线模式
无线模式主要适合家电、数码电器等需要快速大型传输数据的设备。
本设计采用WiFi
组建家庭内部的无线网络。
WiFi现在使用范围很广，开发相对简单，用户使用熟悉，数据传输量大，同时结合PC、手机等上网设备，用户不需要其他转换设备就能实现共享。
Wi-Fi是一个无线网络通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟（Wi-FiAlliance）所持有。
目的是改善基于IEEE802.11标准的无线网络产品之间的互通性[8]。
2.1.3智能家居硬件设计
在系统设计过程中，我们充分考虑了产品的经济性、各种器件应用的可靠性和软硬件开发的兼容性及通用性，以便该系统尽可能地缩短开发周期和解决系统的升级等问题。
硬件设计如下：
1）控制中心——笔记本电脑
在本系统中，由个人电脑充当整个智能家居的控制中心。
不仅由于笔记本机的功耗不高，还因为其具有强大计算和的处理能力，能满足智能家居内各设备终端的数据传输和数据处理；
PC机软件开发可以采用C++、C#等平台实现，适合大部分开发人员参与。
2）设备控制器——MSP430系列的单片机
家电或者大型设备，需要自己的处理器，不仅实现自身的智能化，还能更好实现与控制中心的信息交换。
满足对数据的处理速度及数据存储容量的要求。
该系列单片机具有入门快，功能强大的优点，很适合当设备自身的处理器。
是由于该单片机针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。
该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。
3）无线控制模块——WiFi模块
WiFi模块为串口或TTL电平转WIFI通信的一种传输转换产品，Uart-Wifi模块是基于Uart接口的符合WiFi无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户串口或TTL电平数据到无线网络之间的转换[9]。
WiFi在掌上设备上应用越来越广泛，而智能手机就是其中一份子。
与早前应用于手机上的蓝牙技术不同,WiFi具有更大的覆盖范围和更高的传输速率。
WiFi模块，可以通过控制器发送AT命令来达到控制，从而实现各种功能。
2.1.4智能家居管理软件设计
1）PC室内管理软件设计
PC是整个智能家居的控制中心，是整个智能家居的核心，其管理软件尤为重要。
该管理软件，能实现设备的控制，家电的实时状态，家电的用电信息，设备的异常事件，家电监测及设备管理以及数据的分析。
2）手机客户端管理软件设计
手机端管理软件，遵循“奥康的剃刀”原则：
如无必要，勿增实体。
保证客户端的必要功能，不让其“太臃肿”，简单实用。
该软件让用户随时随地能够实现设备的控制，家电的实时状态，家电的用电信息，设备的异常事件，家电监测及设备管理等必要事件。
2.2设计细节
2.2.1智能家居网络组建
一、组网方式
本设计中，主要采用四种网络组建方式：
电力载波通讯，串口通信，WiFi无线通信和Internet通信。
这四种通信方式针对不同的情况设计。
1）电力载波通讯
电力载波通讯主要针对控制器和简单设备之间的通信设计的。
那些简单的设备，本身执行简单的功能，不需要增加控制器和WiFi模块。
这样不仅可以为用户节约成本，还可以减少布线。
比如，需要控制窗帘的闭合程度，我们可以通过控制器通过电力线发送信号来达到简单的控制就可以了。
2）串口通信
串口通信主要针对大型、功能复杂的电器自身的控制器和其自身通讯而设计的。
那些大型的电器，需要执行的功能比较复杂，需要通过将自身的控制器通过串口通信来和系统本身达到通讯，如可以通过RS232或者RS485来实现。
3）WiFi无线通信
WiFi无线通信主要针对需要进行复杂操作的电气设备与中心控制器的无线通信。
在那些设备中，采取MSP430加WiFi模块的嵌入式方式，让那些设备接收来自控制器的指令，同时自身也需要将数据传输给控制器，以达到两者信息的交流、数据的交换。
表1几种常用无线技术对比
技术名称
ZigBee
WiFi
蓝牙
传递速度
100kbps
11-54Mbps
1Mbps
通信直径
10-100m
20-200m
频段
2.4GHz，915MHz，868Mhz
2.4GHz
安全性
中
低
高
成本
5mA
10-50mA
20mA
功耗
$5
$25
$2-5
从上表可以看出，WiFi具有比其他无线网络更快的速度，这就意味着可以添加更多的设备，比如说电视机等流媒体设备。
4）Internet网络
Internet网络，主要针对智能家居的内网和外网之间的联系。
智能家居系统之所以称为智能，不仅因为该系统能自行处理、调度住宅内的设备，还因为它能与外界互联网实现信息交互，获取所需的信息。
同时，正是由于与外网相连，我们才能实现远程控制，扩大系统的适用范围。
如智能家居系统通过网关从外网获取当天的天气信息，将出行建议通过门口的喇叭或者通过客户端告诉用户，让用户能够提前安排出行。
系统的网络示意图如图1所示：
图1智能家居网络示意图
二、网络拓扑结构
网络拓扑是由网络节点设备和通信介质构成的网络结构图。
在选择拓扑结构时，主要考虑的因素有：
安装的相对难易程度、重新配置的难易程度、维护的相对难易程度、通信介质发生故障时，受到影响的设备的情况。
在本设计中，我们采用星型结构。
星型结构是以一个节点为中心的处理系统，各种类型的入网机器均与该中心节点有物理链路直接相连。
星型结构的优点是结构简单、建网容易、控制相对简单。
一个星型拓扑可以隐在另一个星型拓扑里而形成一个树型或层次型网络拓扑结构。
容易进行重新配置，只需移去、增加或改变集线器某个端口的连接，就可进行网络重新配置。
由于星型网络上的所有数据都要通过中心设备，并在中心设备汇集，星型拓扑维护起来比较容易。
受故障影响的设备少，能够较好地处理[10]。
如图2所示。
图2网络拓扑结构示意图
三、网关
网关的作用包括两点[11]：
●在不同家居技术上搭起桥梁；
●提供室内家居与外界网络的联系；
2.2.2智能家居硬件设计
1）控制中心——PC电脑
每个家庭中，各种电器设备、电子设备不尽相同，对于家庭内的网速要求也不一样，控制器要充当中介，必须要能承担足够的网络传输；
PC软件的开发，具有不少相当优秀的编程平台，让更多的开发者加入该行业；
同时，PC机具有很强的处理和计算能力，能对足够多的数据进行分析。
笔记本充当控制器有如下优点：
●有多种标准通信接口：
USB，串口等；
●有强大的数据处理能力和程度调度能力；
●可以充当网关；
●有较大的存储容量。
该中心控制器，也可由用户自己的PC电脑搭建，给用户节约成本。
部分家用电器，可采用嵌入式技术，使这些家电实现智能化。
单片机可以采用串口通信与WiFi模块实现数据传输，用AT命令控制WiFi模块的各种工作。
MSP430具有如下优点：
●处理能力强
●运算速度快
●功耗低
●片内资源丰富
●方便高效的开发环境
WiFi模块为串口或TTL电平转WIFI通信的一种传输转换产品，Uart-Wifi模块是基于Uart接口的符合WiFi无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户串口或TTL电平数据到无线网络之间的转换。
WiFi模块包括两种类型的拓扑形式：
基础网（Infra）和自组网（Adhoc）[9]。
WiFi有如下一些优质的设置和优点：
●基于AP组建的基础无线网络（Infra）；
●基于自组网的无线网络（Adhoc）；
●安全机制；
●快速联网；
●地址绑定；
●无线漫游；
●灵活的参数配置。
智能家居网络组网方式如图3所示：
图3智能家居网络组网方式
2.2.3智能家居管理软件设计
智能家居的管理软件包括两部分，一部分是PC端中心控制器的管理软件，该软件负责调控家庭内容的数据交互；
另一个部分是手机客户端的管理软件设计，该软件提供用户家庭内外的实时信息，给用户一个安心、便捷的保证。
1）PC端中心控制器管理软件
PC是整个智能家居的核心，其管理软件显得尤为重要。
好的管理软件，不仅能很好地满足用户的需求，还能将家庭内部的设备进行合理的调度，让用户用得舒心。
该管理软件，能实现设备的控制，家电的实时状态，家电的用电信息，设备的异常事件，家电监测及设备管理以及数据的分析等功能。
该管理软件可以用C++，也可以用C#来编写。
这两个平台，具有高运行效率，以其强大的操作能力，同时相应的开发人员相对较多。
2）手机客户端管理软件
随着经济的发展，人们的生活节奏也越来越快。
人们需要更舒适、温馨的家的同时，也希望能随时了解住宅的情况。
智能机的快速发展，为这个需求提供了可能。
但是，我们不希望手机客户端太“臃肿”，只需要满足用户对于智能家居的必要需求。
3可能的运营模式与应用前景分析
3.1运营模式
智能家居系统，是一整套硬件系统和软件系统。
我们出售产品的同时，也提供优秀的售后服务。
下面详细地叙述一下我们的运营模式：
1）出售产品
智能家居系统，有控制系统、电器、传感器等硬件。
我们可以让用户挑选自己认为必要的产品，我们可以提供免费的安装服务，也可以对用户的部分设备进行改装以满足该套系统。
如果用户有自己多余的PC机，我们也可将其配置为控制中心，总之我们尽可能地减低用户的费用，为用户考虑。
2）提供优质的服务
高质量和人性化的产品以及优质的售后服务是产品长期占领市场的秘诀，我们为购买我们产品的用户提供一定时间免费的售后服务。
这些服务包括：
●免费的设备安装和改装，为用户节约成本；
●使用过程中，设备或网络出现的问题，我们会及时帮客户解决；
●还可以应客户的需求，我们根据用户的数据，采用数据挖掘技术对用户的智能家居系统进行数据分析，找出更优的配置，让用户有更好的体验。
●不定时给用户更新管理软件，修改软件Bug，给用户更舒适的体验。
3.2业务分析与前景预测
随着社会的发展，人们经济水平的提高，人们不断追求高品质的生活，智能家居能满足人们高效、稳定、方便、安全、操作简单的生活目标
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