计算机科学与技术专业毕业论文--基于物联网技术的智能家居系统

计算机科学与技术专业毕业论文--基于物联网技术的智能家居系统内容摘要：

发展的必然趋势 [4]。 智能家居控制器可以为系统提供智能控制方案，使住户的控制更便捷，更高效，更能为家庭的日 常活动节约不必要的能耗。 而且 在现在这个注重绿色环保的世界里，智能地 为住户控制好空气的湿度、温度等，检查分析空气成分，让住户安心入住。 同时，智能家居控制器可以根据住户的要求调整方案，加强紧急处理，危机救护等急救控制，充分达到只要是“用户想要的，就是我们追求的”宗旨。 本课题研究的基本内容 本次设计是基于 ARM9 的 S3C2440 核心处理器，以 Linux 嵌入式系统为家居总中 5 心监控系统，使用 Linux Qt 完成控制程序及人机界面的编写，采用 ds18b20 温度传感器、 MQ2 烟雾传感器、光电传感器为数据采集源 ，采用西门子公司的 AT35GSM 模块完成通信及监控功能，实现了远程监控、实时监控家居温度、空气质量，以及家居重要财产防盗的功能。 本章小结 本章主要分析了智能家居的研究背景，以及国内外的发展现状及发展趋势，以及智能家居平台系统的技术特点。 最后简单介绍了本智能家居系统的基本内容 和设计思路。 6 第 2 章 系统的总体 方案 设计 系统需求分析 针对国内市场的实际情况分析，消费者对远程抄表和物业管理兴趣索然，但是对家电控制、家居安防报警网络却情有独钟，所以目前众多企业都往 这一方向发展。 而嵌入式技术在最近几年得到了广阔的发展 [5]。 嵌入式处理器的性能得到了显著地提高，这就为以嵌入式为基础的智能化家居系统的发展奠定了硬件基础，使较复杂的检测和识别算法在系统中得到应用。 在软件方面，出现了丰富的支持嵌入式设备的软件，使嵌入式系统的开发的难度降低，出现了大量专注于嵌入式的企业，使嵌入式开发中能得到良好的技术支持。 同时智能化家居的概念也更加明确，相关的智能化技术得到了显著地发展，使开发能获得大量先进的资料。 设计本智能家居系统，需要满足 以 下 需求。 系统功能需求 分析 （ 1） 能 用手机 通过收发短信的方式 检测家电，打开、关闭家电的工作状态。 （ 2） 在家居的门口安装了 4*4 键盘，当用户输入正确的密码可以把门打开，用户通过其他非法手段比如撬开锁时，系统及时启动报警模块，达到防盗的功能。 （ 3） 能实时测量 家居内温度、烟雾情况，当室内烟雾浓度偏高时，系统可以打开室内抽风 机把室内有害气体抽出室外，当室内烟雾浓度过高，系统启动火灾报警模块，提示家居主人预防火灾的发生。 （ 4） 当 有小孩靠近窗户时，系统自动把窗户关上，避免小孩可能发生坠楼的危险 ，当小孩离 开时，系统自动 把 窗户 打开。 性能需 求 分析 智能家居系统 在正常运行时， 几乎 每时每刻都在运行， 必须高度重视系统的稳定性和可靠性， 尽量提高系统的容错能力，同时一定要保证系统 安全，性能良好。 用户界面及其 他需求 分析 智能家居相关的设备都是跟人们生活息息相关的， 因而智能家居系统必须要求用 7 户界面友好，用户体验效果良好，并且使用户可以很容易掌握 操作流程 ，同时要求实用、舒适和 有个性等。 系统设计的原则 智能家居又称智能住宅，它的最基本目的是为人们提供一个舒适、安全、高效、方便、实用的生活环境。 对智能家居产品来说，最重要的是应立足于客户的 对家居环境的具体需求，以实用为核心，摒弃掉那些华而不实的功能。 同时还要充分考虑到用户体验，注重操作的便利化和直观性，注重完美的图形化控制界面。 智能家居系统大部分时间都在运行，必须高度重视系统的安全性、可靠性和容错能力，保证系统正常安全使用、质量、性能良好，具备应付各种复杂环境变化的能力。 根据目前国内外智能家居系统的发展现状，人们不仅关注家居内部控制，更加注重对家用电器内部情况进行远程实时监控。 在要求智能家居控制系统方便快捷的同时，还要求产品外观小、功耗低、成本低和扩展性号的特点。 本系统主要针对用户家庭内部 进行远程控制，主要实现的功能有：通过远程监控家电运行情况、通过温度、烟雾传感器检测家居温度、空气质量的情况，通过光电传感器监控家庭重要财产，具有防火防盗的功能。 系统总体 架构 设计 本课题旨在设计一套智能家居系统 ， 根据系统的设计需求， 本控制系统采用分布式控制方式对智能家居的各部分进行统一控制，主要包括远程监控家电 (包括台灯、风扇 ) 部分，具有语音提示功能的密码锁防盗部分，窗户自动关窗预防小孩坠楼部分，烟雾浓度监测自动报警部分。 各个模块相互独立，某个模块出现故障不影响其他模块运行。 本智能家居系统整体架 构框图如图 所示。 8 应 用 程 序 层A R M L i n u x 操 作 系 统驱 动 程 序 层智 能 家 居 手 机 遥 控 层S 3 C 2 4 4 0处 理 器抽 风 机风 扇烟雾传感器光电传感器窗户步进电机台 灯G S M 模 块继电器驱动电 平 锁 图 智能家居系统整体架构框图 该智能家居系统用 S3C2440 处理器， 控制器控制远程监控家电模块，检测温度、烟雾模块，密码锁模块 等。 在实际开发中先在 ARM Linux 中编写每个模块的驱动程序，编译加载驱动后应用层方能操作硬件模块 ，手机通过收发短信的方式通过应用层程序与硬件模块通信达到控制硬件的目的。 系统主要硬件介绍 ARM 处理器 嵌入式系统常用的处理器有单片机和 ARM，由于考虑到单片机引脚少、功能简 单以及后续学习研究等原因，故选择功能更强大的 ARM 处理器 [6]。 随着电子技术的发展，ARM 处理器经历了包括 ARM ARM ARM11 等在内的多个发展阶段，不断成熟的 ARM 处理器的应用必将为嵌入式的发展带来新的活力，是更高端的产品应用成为可能。 Mini2440ARM 是一款真正低价实用的 ARM9 开发板，它采用 Samsung S3C2440 9 为微处理器，并采用专业稳定的 CPU 内核电源芯片和复位芯片来保证系统运行时的稳定性。 它采用了更多的晶体管，能够达到两倍以上于 ARM7 处理器的处理能力。 本系统初期采用友善之 臂公司集成的 mini2440 开发板， 开发板硬件资源如下所示。 图 开发板硬件资源 开发板的硬件资源包括：  Samsung S3C2440A 处理器：  主频 400MHz，最高 533Mhz。  SDRAM 内存：  在板 64M SDRAM， 32bit 数据总线， SDRAM 时钟频率高达 100MHz。  FLASH 存储：  256M Nand Flash, 掉电非易失。  在板 2M Nor Flash，掉电非易失，已经安装 BIOS。  LCD 显示：  板上集成 4 线电阻式触摸屏接口，可以直接连接四线电阻触摸屏， 支持黑白、 4 级灰度、 16 级灰度、 256 色、 4096 色 STN 液晶屏，尺寸从 寸到 寸。  屏幕分辨率可以达到 1024x768 象素，支持黑白、 4 级灰度、 16 级灰度、 256色、 64K 色、真彩色 TFT 液晶屏；尺寸从 寸到 寸，屏幕分辨率可以达到 1024x768 象素。  标准配置为统宝 真彩 LCD，分别率 240x320，带触摸屏。 10  接口和资源：  1 个 100M 以太网 RJ45 接口 (采用 DM9000 网络芯片 )。  3 个串行口。  1 个 USB Host。  1 个 USB Slave B 型接口。  1 个 SD 卡存储接口。  1 路立体声音频输出接口，一路麦克风接口。  1 个 10 针 JTAG 接口。  4 USER Leds。  6 USER buttons(带引出座 )。  1 个 PWM 控制蜂鸣器。  1 个可调电阻，用于 AD 模数转换测试。  1 个 I2C 总线 AT24C08 芯片，用于 I2C 总线测试。  1 个 mm间距 20pin 摄像头接口。  板载实时时钟电池。  电源接口 (5V)，带电源开关和指示灯。  系统时钟源：  12M 无源晶振。  实时时钟：  内部实时时钟（带后备锂电池）。  扩展接口：  1 个 34 pin 接口。  1 个 40 pin 系统总线接口。  规格尺寸：  100 x 100(mm)。  操作系统支持：  + +(独创双图形系统共存，无缝切换 )。  (R3)。 TC35 模块 TC35 是西门子公司出的一款双频 900/1800MHZ 高度集成的 GSM 模块。 在 GSM 11 网络日臻完善的今天，它易于集成，可以在较短的时间内花费较少的成本开发出新颖的产品。 在远 程监控和无线公话以及无线 POS 终端等领域您都能看到 TC35 无线模块在发挥作用。 本系统采用 TC35 对家电进行远程监控， TC35 的主要特征如下：  信息传送内容：语音和数据。  电源：单电源 ～。  频段：双频 GSM900MHz 和 DCS1800 MHz(Phase 2+)。  SIM 卡连接方式： 外接。  天线：由天线连接器连接外部天线。  短信息： MT, MO, CB 和 PDU 模式。  音频接口：模拟信号（麦克风，耳麦，免提手柄）。  通讯接口： RS232（指令和数据的双向传送）。  模块复位：采用 AT 指令或掉电复位。  串口通讯波特率： 300bps...115kbps。 要实现发短信或语音功能主要是通过开发板串口发送 AT 指令经 max232 把 TTL电平转换成 RS232 电平并处理 TC35 反馈回来的信息来进行的。 下面图 是 TC35 模块和 max232 串口转换电路。 图 TC35 模块和 max232 串口转换电路 温度传感器 本系统选择 DALLAS 公司生产的 DS18B20 温度传感器进行开发。 DS18B20 以超小的体积、超低的硬件开销，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装 形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。 DS18B20 的主要特征 和引脚封装原理图 12 如下：  全数字转换及输出。  先进的单总线数据通信。  测量结果以 9~12 位数字量方式串行传送。  不需要外围任何元件。  测温范围 55℃ ~+125℃，固有测温分辨率为 ℃。  工作电压： 3~5V/DC。  PVC 电缆直接出线或德式球型接线盒出线 ,便于与其它电器设备连接。 图 DS18B20 封装及原理图 DS18B20 引脚功能说明如下： （ 1） DQ 为数字信号输入 /输出端。 （ 2） GND 为电源地。 （ 3） VDD 为外 接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 DS18B20 与 ARM 处理器的接口十分简单，只需要将 DS18B20 的信号线与控制线的一位双向端口连接即可。 本系统将 DS18B20 的信号线与 S3C2440 的 GPE0 引脚连接，如下 面 图 所示。 图 DS18B20 引脚电路图 MQ2 烟雾传感器 MQ2 气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。 当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。 使用简单的电路即可将电导率的变化转 换为与该气体浓度相对应的 13 输出信号。 MQ2 气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。 这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。 MQ2 的主要特征如下：  工作温度： 10℃～ +50℃  报警浓度： ～ %FT  工作湿度： 10～ 90%  工作电源： 12VDC/9VDC  信号输出：常开 /常闭  安装方式：吸顶  外壳：阻燃树脂  产品尺寸：直径 105mm 厚度 32mm 图 MQ2 引脚接线图 根据 MQ2 的工作原理（其电导率随着气体浓度的增大而增大，其电阻是电导率的倒数，所以随着烟雾浓度的增大其电阻是减小的）并且参考图 MQ2Datasheet 上的测试电路，在根据图 的电路图，可以得到 烟雾传感器的输出电压如式 所示。  RLsL R LV c VR RV (式 ) 光电传感器 光电传感器是各种光电检 测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见紫外光辐射）转变成为电信号的器件。 光电传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。 它可以用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强等。 本设计试图把光电传感器安装在家庭保险柜。