毕业论文-基于物联网的智能家居系统的设计

毕业论文-基于物联网的智能家居系统的设计内容摘要：

代（ 2G）和第三代（ 3G）移动通讯技术之间。 它通过利用 GSM 网络中未使用的 TDMA 信道，提供中速的数据传递。 GPRS 突破了 GSM 网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加 相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。 而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便容易。 如此，使用者既可联机上网，参加视讯会议等互动传播，而且在同一个视讯网络上（ VRN）的使用者，甚至可以无需通过拨号上网，而持续与网络连接。 GPRS 分组交换的通信方式在分组交换的通信方式中，数据被分成一定长度的包（分组），每个包的前面有一个分组头（其中的地址标志指明该分组发往何处）。 数据传送之前并不需要预先分配信 道，建立连接。 而是在每一个数据包到达时，根据数据报头中的信息（如目的地址），临时寻找一个可用的信道资源将该数据报发送出去。 在这种传送方式中，数据的发送和接收方同信道之间没有固定的占用关系，信道资源可以看作是由所有的用户共享使用。 GPRS 由于数据业务在绝大多数情况下都表现出一种突发性的业务特点，对信道带宽的需求变化较大，因此采用分组方式进行数据传送将能够更好地利用信道资源。 例如一个进行 WWW 浏览的用户，大部分时间处于浏览状态，而真正用于数据传送的时间只占很小比例。 这种情况下若采用固定占用信道的方式，将会造成较 大的资源浪费。 在系统中，使用串口和 GPRS 模块进行通信，将我们的数据通过 GPRS 模块发送到用户手机上。 基于物联网的智能家居系统的设计 9 3 需求分析 随着社会经济结构、家庭人口结构以及信息技术的发展变化 ,人们对家居环境的安全性、舒适性、效率性、透明性提出了更高的要求。 同时越来越多的家庭要求家居产品不仅要具备简单的智能，更要求整个系统在功能扩展、外延以及服务方面能够做到简单、方便、轻松、安全。 很显然我们的家居生活需要改变， 智能家居系统提供广泛的信息交互功能，优化居住环境，帮助人们有效地利用 网络的便捷性 各种实现了对 家居环境的 控制。 智能家居产品为家居环境、家电设备提供一个共享的接入中心，实现对家庭 环境及其设备的智能管理、远程管理、集中管理和资源共享。 随着网络科技的高 速发展，在可以预见的未来，在智能化住宅中，以宽带网络将家里的电脑、电视 机、家电、安防系统等连成一体的自主控制、扩展、享用的工作、学习、娱乐家 庭综合信息服务平台。 实际业务工作流程 整个系统主要由三部分组成：传感器节点 WSN 网络，嵌入式服务器终端， GPRS通信模块及其他装置。 其中传感器节点网络中包含了多个无线传感器节点，每个节点都 是由一个传感器模块加上一个 ZigBee 通信模块组成的。 传感器进行实时的检测，检测到的数据通过 ZigBee 通信模块传到节点控制，节点控制处理收集到的信息，做出相应的操作处理。 手机终端可以远程通过 GPRS 网络，连接到嵌入式服务器终端中心控制台，中心控制台处理连接的信息，通过 ZIgBee 模块发送处理信息到相应的 ZigBee模块，节点控制台收到指令作出相应的处理。 系统流程如图 31。 图 31 整体框架 图 平顶山学院本科毕业设计 10 设计目标 由于住宅设计情况比较多种多样性，信号的覆盖采取整体设计，局部进行设计实施，由于每个房间的 封闭性，可能会引起信号的衰减，采取信号覆盖区域连接，各个区域内的信号能够 连通进行信号的传输，系统使用的无线信号传输频率是 ，在此频率的无线传感网络为全球统一的，无需申请的 ISM 频段，同时可以对无线信号进行加密，保证了无线传输数据的安全性。 根据物联网智能家居系统的需求进行开发设计，主要实现如下设计目标： 1. 当 用户 需要远程控制的 空调 开关时，只要用手机发送指定命令的短信息，通过GPRS 模块的接收，并将短信息翻译成为可以识别的命令传输给家庭控制器，控制器经过处理，通过 ZigBee 模块的无线传输将命令 发送到与 空调 相连接的 控制器 上，通过 控制器 实现了对 空调 的控制。 2. 当 用户 需要远程控制 窗帘 的开关时，只要用手机发送指定命令的短信息，通过GPRS 模块的接收，并将短信息翻译成为可以识别的命令传输给家庭控制器，控制器经过处理，通过 ZigBee 模块的无线传输将命令发送到与 窗帘电机 相连接的 控制器 上，通过 控制器 实现了对 窗帘 的控制。 3. 当 用户 需要远程控制 窗户 的开关时，只要用手机发送指定命令的短信息，通过GPRS 模块的接收，并将短信息翻译成为可以识别的命令传输给家庭控制器，控制器经过处理，通过 ZigBee 模块的无线传 输将命令发送到与 窗户连 接的 控制器 上，通过 控制器 实现了对 窗户 的控制。 4． 当我们需要远程控制 电视机 的开关时，只要用手机发送指定命令的短信息，通过 GPRS 模块的接收，并将短信息翻译成为可以识别的命令传输给家庭控制器，控制器经过处理，通过 ZigBee 模块的无线传输将命令发送到与 电视机 相连接的 控制器 上，通过 控制器 实 现了对 电视机 的控制。 5． 当我们需要远程控制 空气加湿器 的开关时，只要用手机发送指定命令的短信息，通过 GPRS 模块的接收，并将短信息翻译成为可以识别的命令传输给家庭控制器，控制器经过处理，通过 ZigBee 模 块的无线传输将命令发送到与 空气加湿器 相连接的 控制器 上，通过 控制器 实现了对 空气加湿器 的控制。 设计特点 1． 它的对象是结构和特性完全相异的各种家用电器，相互之间兼容性比较差，电器之间的数据 共享 比较困难。 基于物联网的智能家居系统的设计 11 2． 家电的信息量小但对实时性要求较高，必须针对当时的家庭环境进行实时的调整。 3． 家电运行时所处环境有很大差异，对系统的抗干扰性和稳定性要求较高。 4． 家庭用户对于价格要求比较高，必须把组建网络的费用降低到一定程度，才能被广泛认可和接受。 5． 家电完成的功能各有不同，需要达到的智能水平也有很大的差异， 要针对不同的功能要求，设计不同家电的智能水平 (比如说，如果让电灯也共享 Inter 资源，显然没有必要，但是家中的 烟雾 设备则需要较高的智能水平 )。 6． 从用户的角度来说，用户需要简化家电的操作过程，统一家电的操作方法因此，组建智能家庭网络时需要考虑的问题有很多。 设计原则 基于设计的特点，列出了系统设计原则： :家庭自动化产品应当依照国际上流行的相关协议进行设计，充分保证各厂家产品间的兼容性和相互操作能力。 :目前，在智能住宅、家庭自动化、家电网络领域尚处于一家一户自行开发的局 面，而实际上用户不可能全部使用同一厂家生产的产品，这将极大阻碍互联互通和长远发展。 因此，家庭自动化系统应该具有开放的协议、统一的接口。 :采用模块化的设计可以适应各种场合的需要，保障用户的利益并允许系统的逐步到位。 模块之间遵循一定的协议，可以相互通讯和协调。 :人们购买家庭自动化产品是为了享有更加便利舒适的生活，绝非追逐潮流的概念。 :家庭自动化系统应该面向低成本、高性能的目标设计，住户对价格较为敏感，所以智能住宅采用的技术要较为经济。 同时，家庭自动化系统应该能最大程度兼容用户 原有电器设备，保护用户投资。 :高科技带来的应该是一种享受而绝不是一种负担。 好的家庭自动化产品应该简便易用、用户界面友好，并且不需要使用者花上太多的精力就能掌握。 功能需求 对于家居生活环境，因每个人的不同，要求得也不尽相同。 功能的设计要求主人能够远程设置家居环境，如图 32。 平顶山学院本科毕业设计 12 图 32 智能家居逻辑图 1． 主人可以通过手机设置空调温度。 2． 主人可以通过手机设置窗帘的开启和关闭。 3． 主人可以通过手机设置窗户的开启和关闭。 4． 主人可以通过手机设置电视的开关。 基于物联网的智能家居系统的设计 13 4 系统 设计 物联网智能家居要将各成体系，互不相连的子系统协调起来，就必须有一个兼容性强的中央家居处理平台，接受并处理控制设施发出的信息，然后传送信号给你希望控制的家电或者其他家居子系统。 中央处理平台职能就是在家庭智能局域网中，引导和规划家居子系统中的各种信号，有了它，你可以通过手持无线遥控设备来和家居子系统进行快速的沟通。 中央家居处理平台还必须具有良好的扩展性能，以满足用户在使用过程中不断增长的需求点。 目前已经出现的主流中央家居处理平台分为两类，其中一类平台是网关式中央家居 处理平台。 这种方式推出的家庭网关集成智能家居系统中，网关与中央家居处理平台组合，这种平台能够与家庭安全防范系统、家庭自动化系统，以及互联网结成一体，实现家电控制、娱乐、交流和信息分享等方面的智能化。 第二种则直接利用家用电脑去控制各种家电设备。 智能家居系统将家庭中各种与信息相关的通讯设备、家用电器和家庭保安装置，通过家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。 这些功能都是通过智能家居系统中的家庭网络控制器未实现的，家庭 网络控制器具有家庭总线系统、通过家庭总线系统提供各种服务功能、并和住宅以外的外部世界相通连。 可以这样说，智能家居系统是智能住宅的核心。 由此可见，智能家居系统在智能住宅中的重要地位。 本 系统的设计 选择了第一种平台， 主要是三个模块：传感器节点 WSN 网络模块，嵌入式服务器终端模块， GPRS 通信模块及其他装置。 传感器节点 WSN 网络模块设计 WSN 模块主要是以 AT89C51 为核心处理器，使用多个 I/O 口进行传感器检测阵列的信号采集，其中包括温度、湿度、光线、烟雾有害气体等信号的检测，如烟雾传感器负责烟雾中有 害气体的检测，烟雾传感器如图 41。 图 41 烟雾传感器 平顶山学院本科毕业设计 14 烟雾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。 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输出信号。 所以系统采用烟雾传感器对家用的天然气、煤气、烟雾进行监控检测。 气体烟雾感应器是这个模块的主要器件； U1BLM323 运算放大器是把采集的信号放大，传输到 ZigBee 无线模块 ,运算放大器是延时作用 ,继电器是相当一个开关的作用，在这里只要有信号输出，继电器就闭合，其余的时间都是断开的 ,喇叭有报警的作用 ,PT2262 是无线模块的芯片，是发送信号给中心控制器。 通过传感器采集到的数据，由 ZigBee 无线模块传输到节点控制器，然后由红外发射芯片 IR6721C 芯片进行家电设备控制信号的发射，可以完成家庭内部控制和 GPRS远程控制；使用通信串口连接无线数据传输芯片 ZigBee 网络模块 ,ZigBee 网络模块是UART 接口半双工无线传输模块。 本文采用了加强型的 ZigBee 无线技术，符合工业标准应用的无线数据通信设备，可实现多设备间的数据透明 传输；通过无线 ZigBee 进行组网通信，无线功能强大，具备中继路由和终端设备功能。 WSN 网络模块硬件结构框图如图 42， WSN 在家庭中的网络信号覆盖如图 43。 图 42 WSN网络模块 硬件结构框图 基于物联网的智能家居系统的设计 15 图 43 网络信号覆盖 嵌入式服务器终端模块设计 嵌入式服务器终端模块硬件主要有中心控制器、 GPRS 模块和 ZigBee 网络模块。 其中中心控制器是单片机， 单片机为本系统的核心部件，它除了具备单片机最小系统的必备期间外，它的串口通过 RS232 电路与 MC703 模块通信，单片机的 P0口与 显示器 相连， P1 口与键盘相连。 P2口用各种控制及传感器的连接。 GPRS 模块采用华为的 MC703模块 如图 44，该模块具有一路串口，波特率为 115200bps，通过该路串口，该模块可以与单片机进行通信。 另外，华为公司的 MC703 模块价格相对低廉，且支持部分标准AT 命令，此外还支持华为公司拓展的命 令，使用起来更加的灵活 [7]。 ZigBee 网络模块可以方便用户使用各种移动智能终端，轻松控制任何基于 ZigBee 协议的产品，实现无线数据高速、安全、可靠传输。 如图 45 为 ZigBee 无线网络模块。 图 45 MC703模 块 平顶山学院本科毕业设计 16 图 45 无线网络模块 本系统采用 ARM11S3C6410 控制芯片为核心控制器，完成所有家庭内部数据的处理，包括数据的采集与控制命令的发出，是整个智能家居控制的核心，采用 Linux 嵌入式系统为家居总中心监控系统，能够自动运行、处理数据，通过串口管理、无线网络来控制各控制终端，并且中心控制器通过 GPRS 模块实现家庭系统与手机的通信， 使用户可以通过短信方式实现家庭系统的远程控制 [8。