基于物联网的智能家居软件系统设计学位论文.docx
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基于物联网的智能家居软件系统设计学位论文
学号:
201240450133
《前沿技术讲座》
课程论文
论文题目
基于物联网的智能家居软件系统设计
姓名
专业
软件工程
班级
2012级
(1)班
指导教师
计算机学院
2015
年
5
月
26
日
目录
一、相关研究5
1.1物联网的概念和背景5
1.1.1物联网的概念5
1.1.2物联网的概念模型5
1.2物联网的特征6
1.3国内外智能家居的研究现状6
1.4相关领域的研究进展及成果7
1.5存在的不足或有待深入研究解决的问题8
二、技术方法介绍8
2.1物联网的技术体系8
2.2智能家居中的RFID技术10
2.3智能家居中的Zigbee技术10
2.4智能家居系统的组件思路12
三、实验结果或数据分析13
3.1系统需求分析13
3.2硬件模块及其驱动设计实现15
3.3系统软件部分22
3.3.1主程序及大致流程22
3.3.2短消息程序设计25
四、课程总结29
参考文献30
一、相关研究
1.1物联网的概念和背景
1.1.1物联网的概念
物联网是新一代信息技术的重要组成部分。
物联网的英文名称叫“TheInternetofthings",顾名思义,物联网就是“物物相连的互联网”。
这有两层意思:
第一,物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;第二,其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间,进行信息交换和通信。
因此,物联网的定义是:
通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物体与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
1.1.2物联网的概念模型
如果说互联网实现了人与人之间的交流,那么物联网可以实现人与物体的沟通和对话,也可以实现物体与物体互相间的连接和交互。
物联网的概念模型如图1.1所示:
图1.1物联网概念模型
1.2物联网的特征
和传统的互联网相比,物联网有其鲜明的特征:
首先,它是各种感知技术的广泛应用。
物联网上部署了海量的多种类型传感器,每个传感器都是一个信息源,不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。
传感器获得的数据具有实时性,按一定的频率周期性的采集环境信息,不断更新数据。
其次,它是一种建立在互联网上的泛在网络。
物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网,通过各种有线和无线网络与互联网融合,将物体的信息实时准确地传递出去。
在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输,由于其数量极其庞大,形成了海量信息,在传输过程中,为了保障数据的正确性和及时性,必须适应各种异构网络和协议。
还有,物联网不仅仅提供了传感器的连接,其本身也具有智能处理的能力,能够对物体实施智能控制。
物联网将传感器和智能处理相结合,利用云计算、模式识别等各种智能技术,扩充其应用领域。
从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据,以适应不同用户的不同需求,发现新的应用领域和应用模式。
1.3国内外智能家居的研究现状
智能家居的概念经过了提出一认证一发展的漫长发展历程,同其他的科技概念大同小异,它也是最早由美国、加拿大、欧洲等经济较发达的西方国家提出。
智能家居可以概括为:
“将人们日常生活中息息相关的各类通讯设备、电器设施、安防装置等,作为Zigbee节点,经过无线组网的形式把它们全部连接到家庭网络系统的网关上,并通过网络实现数据的收取和传送,从而实现监控安防、管理家庭事务等目的,同时达到优化住宅设施和环境,使之与用户不断提升的家居要求更贴合、更一致、更和谐[[4]”尽管智能家居的概念起源较早,但由于当时科技力量及人类前瞻性等的制约,并没有得到大力推行,直到1984年美国联合科技公司(UnitedTechnologiesBuildingsystem)将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州(Connecticut)哈特佛市(Hartford)的CityPlaceBuilding时,世界上首栋“智能型建筑”真正面世。
进入21世纪以来,通信和科技迅猛发展,给了人类更加大胆的设想,人类开始提出“住宅信息时代”这一十分切合科技实力以及人类生活需求的概念。
顺应这一时代潮流而产生的新的科技名词是家庭网络和家庭网关技术,他们从诞生到发展到推广得到了诸多科研领域高科技人才的高度重视,这一发展趋势无疑是在向世人宣布,面向开放式应用的智能家居系统时代即将来临。
走在全球科技前端的美国,在智能家居方面同样引领世界潮流。
Motorola,Microsoft等顶级企业,以其敏锐的专业嗅觉第一时间洞察到了蕴藏在智能家居中的巨大商机,迅速成立自己的精英研发队伍。
一时间,“梦幻之家”、“家庭主任”、“居所之门”等新鲜概念以其最快的成熟方式面世,希望能够第一时间抢占市场。
全球各国的众多相关领域研究者、相关产业链生产厂商纷纷追随科技脚步,顺应科技发展潮流投身到这一新兴产业的大潮中来,不仅带领公司迈出了科研领域的新步伐,更是使得全球倡导的“以人为本”的科技理念取得了划时代的重大飞跃。
在我国,智能家居由于技术力量等的限制,经历了较长的摸索阶段。
但是在全球重视的大浪潮下,我国的智能家居也得到了政府重视以及各方支持,迎来了迅猛的发展势头。
诸多家电产业的倡导者也预见到了智能家居产业的巨大潜力,纷纷投身其中,争先推出自己在此新领域的新产品。
海尔曾在世博会期间退出了其首款“物联网冰箱”,使这一概念首次已实体的方式呈现在大众面前;小天鹅公司也结合物联网技术退出“充满智慧”的洗衣机,它可以自动识别电网运行状态及阶梯电价等信息,对洗衣模式进行动调整,可以有效降低洗衣机的能耗,更为环保。
与此同时,海信、长虹、美的等国内知名企业也纷纷响应物联网智能家居产业的发展趋势,将各自的产品和物联网相关技术进行有效融合,纷纷推出了自己的相关产品及解决方案。
物联网智能家居中的家电部分的技术难点在于系统的远程接入网,目前较为接受的技术传输有基于GPRS,WCDMA,TD-SCDMA/TD-LTE等网络模式。
而家庭内部家电之间、网管与家电之间的互通互联则主要依赖无线通信技术,目前主流的近距离无线传输技术有Bluetooth,Zigbee,Wi-Fi,UWB等。
虽然各种技术各有所长,但是就目前的发展趋势来看,Zigbee以其低功耗、低成本、容量大、安全性高、抗干扰性能强、自组织能力强等诸多明显优势脱颖而出,备受关注oZigbee网络的子节点可是是装有RFID的温度、湿度、照明等传感器,也可以是智能窗帘、家居照明、安防门禁等执行设备。
1.4相关领域的研究进展及成果
目前市场上出现得智能家居控制系统主要有:
(1)X-10系统(美国),该系统是利用电力线作为网络平台,采用集中控制方式实现。
这套系统的功能较为强大,与其它家居控制系统如ABB、C_BUS等比起来更容易接收,使用也相对简单。
因为实现同样的功能,X-10家居控制系统是利用220v电力线将发射器发出的X-10信号传送给接收器从而实现智能化的控制,因此采用这套系统不需要额外的布线,这也是这套系统的最大的一个优势,因为其它系统基本上都需要布低压线,在墙上或地面开槽、钻孔,施工难度大、费用高、工期长。
但由于缺乏在国内市场推广的条件且价格昂贵,该系统在国内应用极少。
(2)EIB系统(德国),该系统采用预埋总线及中央控制方式实现控制功能。
但由于其工程要求复杂严苛,并且价格较高,因此一直无法打开国内市场。
(3)8X系统(新加坡),该系统采用预处理总线跟集中控制方式来实现功能。
它的优点在于利用的产品对系统进行扩展,系统较为成熟,比较适合中国国情。
但是由于系统架构、灵活性及产品价格等方面还难以达到要求,所以目前在国内还较少应用。
对于我国的智能家居进展目前,主要采用国外的一些技术产品,但也有一些企业推出了自己的产品,主要有:
(1)e家庭(海尔),该系列产品以海尔电脑作为控制中心,各种网络家电作为终端设备,海尔移动电话作为移动数字控制中心。
海尔在技术上同微软合作,利用微软的Windows Me技术和海尔的网络家电,使“e家庭”已具雏形,已推出了网络洗衣机、网络冰箱、网络空调、网络微波炉等一系列网络家电。
(2)e-home数字家园(清华同方),该智能家居控制系统是专门针对中国家庭设计的,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。
产品以功能模块开发为主,基于国外成熟的智能家居标准之上。
其智能家居控制系统主要有以下三个部分:
A系列:
遵循EIB协议的家庭控制产品,适用于中高档住宅区。
B系列:
遵循X-10协议的家庭控制产品,适用于中档住宅区。
易家三代:
配电箱集中安装式家庭控制产品。
国内各大软、硬件机构正在积极的研制、开发更为符合市场的智能化家居设备,以解决当前智能化产品实用性差、使用复杂及产品价格昂贵等缺点,而技术创新性也逐步向国际先进水平靠拢,这样的未来值得期待。
1.5存在的不足或有待深入研究解决的问题
①不足之处:
由于我国的智能家居相对于国外起步较晚, 还缺乏统一明确的国际标准,许多公司开发出的产品都是基于自己组的网络和信息交换协议,很多产品是针对特定的组网环境开发的,部分核心技术没有对外公布,技术复杂,直接导致了使用范围的局限性。
再者,缺乏对应的第三方产品,各个接入设备之间不能兼容,互操作性差,不利于产品的扩充,因而进一步局限了产品的发展。
再加上,有的系统成本过高,严重影响了产品的普及。
因此设计一个符合国家国情和规范的集远程控制和本地控制为一体的智能家居控制系统是非常具有现实意义的,且势在必行。
②主要问题:
根据前面提到的一些调查结果及数据可以看出,虽然目前智能家居系统有了一定的发展,并且市场上也开始出现相应的产品,但从总体的发展来看,不容乐观,特别是统一标准和权威产品的缺乏严重影响了家居智能化的发展。
随着科技的提高,经济的发展,人们的物质生活水平的提高,对家居环境的要求也越来越高,作为家居智能化的核心部分——智能家居控制系统也越发显得重要。
家居智能化控制的开发和建设是未来国家、经济发展的必然趋势。
二、技术方法介绍
2.1物联网的技术体系
物联网是一种非常复杂、形式多样的系统技术应用。
一般将物联网的主要技术体系按照四个层次建立模型,如图2-1所示。
在这个技术体系中,物联网的技术构成主要体现在感知层、传输层、支撑层和应用层4个层次上。
图2.1物联网技术体系模型
1、感知层
感知层包括多种发展成熟度差异性很大的技术,如在物流管理方面得到大量应用的射频识别技术和新兴的传感器网络技术。
传感器网络感知主要通过各种类型的传感器对物质属性、环境状态、行为态势等静、动态的信息进行大规模、分布式的信息获取与状态辨识。
针对具体感知任务,常采用协同处理的方式对多种类、多角度、多尺度的信息进行在线计算,并与网络中的其它单元共享资源进行交互与信息传输。
在传感网感知层,主要采用的设备是装备了各种类型传感器(或执行器)的传感网节点和其它短距离组网设备(如路由节点设备、汇聚节点设备等)。
2、传输层
传输层主要功能是通过现有互联网或移动通信网(全球移动通讯系统、TD-SCDMA、无线接入网、无线局域网、卫星网等)基础网络设施,对来自感知层的信息进行接入和传输。
在传输层,主要采用了与各种异构通信网络接入的设备,如接入互联网的网关、接入移动通信网的网关等。
因为这些设备具有较强的硬件支撑能力,所以可以采用相对复杂的软件协议设计,其功能包括网络接入、管理和安全等。
目前的接入设备多为传感网与公用通信网(如有线互联网、无线互联网、GSM网、TD—GCD
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