智能家居家电控制与体征监测系统的设计与实现硕士论文(编辑修改稿)

智能家居家电控制与体征监测系统的设计与实现硕士论文(编辑修改稿)内容摘要：

身安全成为一个新的研究课题。 1． 3 智能家居国内外发展现状 1． 3． 1国外发展现状 从最早的智能建筑到比尔．盖茨的智能住宅建成经历了十几年时间，智能家 居风生水起。 1984 年美国联合科技公司推出建筑设备信息化、整合化，建成最 早的智能建筑，该建筑通过计算机系统向用户提供语音通信、电子邮件和情报资 料等方面的信息服务，对大楼的空调、电梯、照明等设备进行监测和控制等功能 【 s】。 比尔．盖茨 1997 年建成的智能住宅 ，运用高性能的服务器作为管理整个系统 的后台，具备高速上网的专线，计算机控制所有的门窗、灯具、电器【 71。 20 世纪 80 年，大量家用电器广泛应用，将家用电器、通信设备与安全防范设备综合为 一体，形成了住宅自动化概念；随着通信与信息技术的发展，出现了通过总线技 术对住宅中各种通信、家电、安防设备进行监控与管理的商用系统，就是现在智 能家居的原型，在美国称为 SmartHome[s1。 目前在新加坡也有近 30 个住宅小区家 庭采用了 “家庭智能化系统 ”，美国已有近四万户家庭安装了这一类的 “家庭智 能化系统 ”，相信到了 2l世纪将会有更多的住宅安装上这一类高科技智能化系统 产品；近年来，智能家居已成为热门领域，国内外企业竞挤身于逐智能家居市场。 国际 IT 巨头竞相角逐智能家居领域，如美国微软、摩托罗拉、霍尼韦尔 (Honeywell)、比利时的 TELETASK、德网的 Merten、新加坡 NICO 等都在加大力 度研发能家居控制系统【，】。 如微软公司开发的 “梦幻之家 ”、摩托罗拉的 “居所之 门 ”、 IBM公司开发的 “家庭主任 ”等；此外，目韩新等国的龙头企业纷纷致力 于家居智能化的开发，如 LG的 Home Chat、 三星的 Smart Home 等 [4]。 每个智 能家居公司都有其不同的特点，国外的智能家居系统基本采用总线技术，如霍尼 韦尔重点在安防，它集成了专业地安全防范及报警功能，具有灯光控制，电动窗 帘控制，温度控制，场景设置及电子日历集成等功能，可以通过电话、瓦联网、 手机以及其它 WiFi 无线终端进行设置； T作模式是：接口模块 ——总线相连一 一软件编程； TELETASK 重点在．丁．控制，对家庭常用设备如各种灯、电动窗帘、 暖气、冷气、家电等的集成控制提供了全面的解决方案；工作模式是：接 U 模块 ——总线 相连 ——软件编程；德国 Merten(莫顿 )instabus EIB智能控制系统 智能家居家电控制与体征监测系统的设计与实现 是通过 EIB 工具软件 ETS 进行系统配置和功能设置【 o】。 20xx 年 4 月，三星在拉 斯维加斯消费电子展上在韩国和美国市场对其 “智能家庭 ”进行推广，按照 “智 能家庭 ”的设计，只要在相同的 wi—fi网络条件下， “用户可以通智能手机或平 板电脑上通过一个应用程序来管理其关联的电器和设备 (智能电视，冰箱，洗衣 机等 )；例如，他们可以通过对电视遥控器说 “晚安 ”从而自动触发关联的设备 来关 闭连接的空调和智能灯泡等【 11】。 通信技术、计算机网络技术出现以后，随着现场总线控制技术的飞速发展， 智能化已经渗透到各行各业以及我们生活方方面面，智能家居随着现场总线控制 技术迅速普及，智能家居领域未来充满挑战及机遇。 分析机构 Telsyte 在 “20xx 年澳大利亚智能家居自动化研究 ”(Australia Smart Home Automation Study 20xx)中指出， 20xx 年将从安全设备、监控设备、网络集线器和传感器设备产生 1． 6亿美元的收入，到了 2017 年将会上升到 9． 17 亿美元 【 ll39。 zl。 1． 3． 2国内发展现状 我国的智能家居行业，兴起于上世纪九十年代的末，相对国外起步较晚，最 早起于上海、广州和深圳等沿海城市，并逐渐向内陆发展。 正如各个国家智能家 居有各自的特色，中国智能家居也有自己的特色，在国内，智能家居不是一个单 独的产品，是基于小区的多层次家居智能化解决方案，综合利用计算机、网络通 讯、家电控制、综合布线等技术，将家庭智能控制、信息交流及消费服务、小区 安防监控等家居生活有效地结合起来，在传统 “智能小区 ”的基础上实现了向家 的延伸，创造出高效、舒适 、安全、便捷的个性化住宅空间【 13】。 智能家居在中 国有一个发展历程： 20xx 年 ——智能家居作为概念在广播电台、电视、报纸和杂志等诸多媒体 的广泛宣传，并被人们所接受； 20xx年 ——国内一些机构和公司在一些豪华的公寓和住宅中开始引入一些 国外的系统和产品； 20xx年～ 20xx 年 ——部分高档、中档住宅小区和私人住宅逐步实现一般意 义，卜．的智能化，国外智能家居产品开始进入中国市场，国家智能家庭网络系统的 各种标准陆续出台： 20xx 年～ 20xx 年 ——美欧连网终端电器、设备大量 m现在市场 ． f：，国产智 能家居网络系统已逐渐成熟，国 j札连网家用电器、设备有相当的规模； 20xx 年～ 20xx 年 ——国内智能家居技术与欧美国家的差距缩小，智能家庭 智能家居家电控制与体征监测系统的设计与实现 产品开始走进普通居民的家居，国内自主研发产品占据市场大部分市场；国外的 产品占有一席之地【 14】。 20xx 年以后，中国家居市场的逐渐壮大，国内智能家居迅速发展，产品广泛 推出市场，与国际巨头竞相争夺智能家居市场，各种品牌林立。 如在家庭物联网 中海尔的 U home 中已经走在了世界的前端，海尔集 团 “U． home”通过无线网 络，实现 3c产品、智能家居系统的互联和管理、以及数字媒体信息共享的系统； 波创公司自主研发 “EHOME”智能家居产品，包括智能网关系统、信息家电与 灯光控系统、智能照明控制系统、家居综合布线系统，四大系统；福建冠林的 AH8000数字家居系统采用全数字化传输技术，由嵌入式家居智能终端、公用大 门智能终端以及住宅小区服务器等设备构成【 13】。 目前的产品总线制、电力线载波、 无线等控制方式，在网络连接方面基本上采用总线制联网、电话联网或者通过以 太网方式来实现，国内大部分采用无线技 术控制【坫， lSl。 政府扶持也给国内家电行业进军智能家居提供机遇，智能家居在国内一步一 步发展起来的，逐步被人接受并发展前来，根据《中国智能家居设备行业发展环 境与市场需求预测分析报告前瞻》分析中国市场拥有 1 亿多的潜在智能家居客 户，1000亿元的市场，面对中国庞大的需求市场，预计该行业将以年均 19． 8％ 的速率增长，在 20xx 年产值达 1240 亿元【 121。 尽管国内智能家居业发展迅速，但仍然存在不足和弊端，如视频监控系统己 经广泛地存在于银行、商场、车站和交通路口等公共场所，但实际上视频监控系 统只能简单地录制视频图像，还不能智能地分析、跟踪、判别监控目标，对异常 事件报警、提示，对简单事情处理做决策等智能要求，远远未达到智能监控目标， 没有实现实时性和主动性监控【 t 7】。 又如安防系统可以对陌生人入侵、煤气泄漏、 火灾等情况及时发现并发送报警信息，但对由于自身原因引起的人身安全尚未完 善。 现今国内空巢老人、失独老人、留守儿童的数量一直在增大，通过完善智能 家居系统，也能对弱势群体实现更加贴心有效的照料，在发生急病威胁生命安全 是向外界发送求救信息。 综上所述，智能家居技术完善仍然有很大的上升 窄问。 1． 4 主要内容与论文结构 本论文采用智能家庭网关方案，对系统原理和结构做了概述：针对以往智能 家居子系统 ——家电控制系统的不足做了改进，并对改进的家电控制模块软硬件 设计做了详细的介绍；根据当前应用需求，在对传感器和人体特征研究基础上， 对人体体征数据进行采集，并通过互联网和短信途径获取。 论文结构安排如下： 0 蓉季天学 一翻删逝仃 智能家居家电控制与体征监测系统的设计与实现 第一章：绪论，对智能家居概念进行概述，并阐述该课题背景和意义、国内 外智能家居的发展现状以及本课题研究的 内容。 第二章：对智能家居系统中应用到一些技术进行介绍，包括物联网技术及其 应用、嵌入式系统概念及应用和开发过程、短距无线通讯技术等并对几种短距无 线通讯技术进行优劣比较并对本设计中应用的通讯技术选型。 第三章：对智能家居平台进行搭建，给出家电控制与体征监测整体设计框架， 对软硬件进行选型，并对家庭网关外围接口进行分析和设计，软件平台搭建， UBoot的移植，文件系统移植， linux 内核移植，以及 zigbee 实现家庭内部组 网并阐明了网络接口协议。 第四章：对本设计中的两个模块 ——家电控制模块 和体征数据采集模块设 计，给出软硬件设计方法及控制和数据传输接口协议；其中体征采集模块设计自 动处理异常状态的短信提醒和短信家电控制，因此体统配置了 GSM 模块，并阐述 GSM 模块和 zigbee 模块的协议。 第五章：模块功能测试，设计智能网关平台远程登录管理界面，移植嵌入式 服务器，使远程终端能通过网页查看体征数据和控制家电。 第六章：总结和展望，对本设计所做的研究工作进行总结，概括主要成果及 不足之处，对进一步研究工作进行展望。 O 智能家居家电控制与体征监测系统的设计与实现 第 2章相关理论和技术 本章将对智能家居系统相关理论和技术进行介绍。 首先介绍物联网，包括物 联网的概念，物联网的应用领域；接着阐述嵌入式系统的概念、组成以及开发过 程相关知识；接下来介绍了嵌入式技术软硬件组成及开发流程等；最后介绍短距 无线通信技术的优劣，并介绍本设计应用的组网方案。 2． 1 物联网 2． 1． 1物联网概述 物联网 (The Inter of things)顾名思义，就是物与物相连的互联网， 利用局部网络或互联网等通信方式，通过射频识别 (RFID)技术、感应器技术、 全 球定位技术等把物品接入互联网，按相应的网络协议，实现信息交互，通过互 联网实现智能化管理 n 8|。 从功能上划分，物联网架构可分为三层：感知层、网络 层和应用层。 其中感知层由感应器构成，如传感器、摄像头、 RFID 标签、二维 码标签、读写器等感知设备喁 1。 感知层通过感应器识别物体、采集信息。 网络层 由网络、网络管理系统和云计算平台等组成，网络包括互联网、广电网，是整个 物联网的中枢，负责传递和处理感知层获取的信息。 应用层是是一个临界层，是 物联网和用户的接口，通过这个接口把物品与物品，人与人连接起来。 用电子标 签将周围真实的物体联结到网上，通过物联网可以查找出物品 (标签 )的具体位 置 168。 引。 计算机或手持设备等可以通过物联网对机器、设备进行集中管理，如对家 居设备远程控制、安防监控、物品防盗、搜寻位置等各种应用。 物联网要实现物 与物之间的感知、通讯、识别等功能，需要解决许多关键技术，如传感器感知技 术、物与物的互联和组网技术、各种应用的开发技术。 互联网是物联网的核心和 基础，物联网是在互联网基础上的延伸和扩展而来的网络：由此可见物联网仍然 依赖互联网。 物联网是互联网的延伸和应用拓展，利用网络把感应器 (物品 )和 人联在 一起，实现物与人、物与物相连，通过网络远程管理控制和智能化服务心引。 物联网的终端的扩展和延伸，实现物品与物品之问通信和信息交互。 正如互联网 设备一样，物联网的实现需要给联网的物品分配唯一的标识或地址，如 pc 的 mac 地址，最早的物联网是基于 RFID 标签来实现的，因此主控制器需要极人数量的 地址容量和同样人数量的地址资源旧 “。 物联网的从提卅到盛行，历经 20 年左右的时间， 1998 年麻省理工学院首次 提出物联网构想， 1999 年， Auto—ID 公司存物品编码， RFID 技术的基础 I：提出 O 智能 家居家电控制与体征监测系统的设计与实现 了物联网的概念： 20xx 年国际电信联盟发布了《 ITU 互联网报告 20xx：物联网》 并指出 “物联网 ”时代的来临：此后各国相继对物联网做出技术规划，大力发展 物联网；物联网被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮； 现目前的物联网正如火如荼，美国市场研究公司 ABt Research 发布统计数据称， 如今，物联网上的无线连网设备总数已经超过了 100 亿台，预计 2020年之前会 增加两倍，达到300 亿台 168。 2|。 在国内，住房和城乡建设部对外公布 20xx 年度国 家智慧城市试点名单，确定 103 个城市 (区、县、镇 )为 20xx年度国家智慧城市 试点。 加上 20xx年已经公布的90 个城市，截止目前，我国国家智慧城市试点已 达 193 个 n63。 2． 1． 2物联网的应用领域 物联网已经在多个领域得到广泛应用，目前物联网在工业、农业、物流、 交通、电网、环保、安防、医疗、智能家居等领。