智能家居系统的设计与实现样本.docx

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智能家居系统的设计与实现样本

智能家居系统设计和实现

智能家居系统设计和实现

摘要

伴随信息化、智能化设备普及，现在大家也期望在家居环境中添加多种智能化设备，能将家电设备、家居环境因数经过无处不在网络联络起来，这也是智能家居系统原始构想。

智能家居系统是一个网络化、信息化、智能化系统，在适宜硬件和软件组合下，将家居环境中设备经过网络实现物物相连功效，同时也将家居环境中多种环境原因也添加到网络中，满足了大家经过网络控制家电设备了解家居环境原因要求，进而能够满足大家对家居环境更高级需求，而这些要求是传统家居无法完成。

智能家居系统中最关键是关键控制器，它是连接家居家电设备、家居环境和终端控制设备桥梁，现在中国外对智能家居研究中，通常全部选择单片机和ARM作为关键控制器。

本文选择ArduinoMega2560作为关键控制器，就稳定而言，ArduinoMega2560比单片机、ARM愈加稳定实用，而且Arduino不管是硬件还是软件全部是开源，这就意味着能够查看和下载其源码，愈加方便用来设计智能家居控制系统。

本论文设计思想是将家电智能化、家居安防、家居环境监测、局域网控制和远程控制等功效集中到一个综合管理系统上。

系统选择蓝牙作为局域网控制纽带，选择GSM网络作为远程控制媒介，并为处理现在市场上红外家电设备难以控制难题，设计了一个红外转发器，替换红外遥控器，免去了家居环境多遥控、使用必需在一定范围问题，考虑到智能手机普及，本文选择手机作为移动终端控制设备，而不在设计另外终端控制设备，这么既方便又省去了携带烦恼。

另外，该系统还含有良好可扩展性和对不一样家居环境适应性，能够依据不一样家居需要，进行功效裁剪、增添和移植等。

关键词智能家居；ArduinoMega2560；蓝牙；GSM模块；红外转发

DesignandImplementationofSmartHomeSystem

Abstract

Withthepopularityofinformationandintelligenceequipment,nowwealsowanttoaddavarietyofintelligentdevicesinthehomeenvironment,anditcanabletoappliancesandhomeenvironmentfactorbyubiquitousnetworklink.Thisistheoriginalconceptofsmarthomesystem.smarthomesystemisanetworkthatinformationtechnologyandintelligentsystemsistherightcombinationofhardwareandsoftware.Inthehomeenvironmenttoachievefunctionalthatmaterialobjectsconnectedtothedevicethroughthenetworkandalsothehomeenvironmentinavarietyofenvironmentalfactorsalsoaddedtothenetworktomeetthepeoplethroughanetworkcontrolappliancesathomeunderstandtherequirementsoftheenvironmentalfactors,andthusmeettheneedsofpeoplearemoreadvancedhomeenvironment,andtheserequirementsarethetraditionalhomeItcannotbecompleted.

Smarthomesystemisthemostimportantthingisthecorecontroller,whichisconnectedhouseholdappliances,homeenvironmentandaterminalcontroldevicebridge.Athomeandabroadforthesmarthomestudy,generallychoosemicrocontrollerwithARMasthecorecontroller.PaperchoosesArduinoMega2560asthecorecontroller,intermsofstability,ArduinoMega2560Microcontrollerratio,ARMismorestableandpractical,andArduinowhetherhardwareorsoftwareisopensource,whichmeansyoucanviewanddownloaditssourcecode,andmoreeasytodesignintelligenthomecontrolsystem.

Thisthesisistodesignintelligenthomeappliances,homesecurity,homeenvironmentmonitoring,localcontrolandremotecontrolfunctionstofocusonanintegratedmanagementsystem.Bluetoothasalocalareanetworkcontrolsystemselectsthelink,usingtheGSMnetworkasaremotecontrolofthemedia,andnowonthemarkettosolvetheinfraredappliancesisdifficulttocontroltheproblem,designaninfraredrepeater,insteadofinfraredremotecontrol,eliminatingthehomeenvironmentmoreremote,mustbeusedinarangeofissues.Takingintoaccountthepopularityofsmartphones,thepaperselectedasamobilephoneterminalcontroldevice,notinthedesignofanadditionalterminalcontroldevice,whichisconvenientandeliminatestheneedtobringtrouble.Inaddition,thesystemalsohasgoodscalabilityandadaptabilitytodifferenthomeenvironment,accordingtotheneedsofdifferenthome,croppingfunctions,additionsandtransplantation.

KeywordsSmartHome,ArduinoMega2560,Bluetooth,GSMModule,InfraredRepeater

目　录

第1章绪论

1.1本论文研究背景及意义

伴随现代化电子技术和网络技术飞速发展，现在已经进入了信息化时代。

现在能够把电子信息技术、自动化控制技术和网络通信技术结合起来应用于家居住宅，于是出现了智能住宅。

1984年，世界上第一座智能化办公大楼在美国康涅狄格州哈德福特市建成，由此掀开人类智能家居第一页。

伴随信息化、智能化普及，现在大家也期望在家居环境中添加多种智能化设备，能将家电设备、家居环境因数经过无处不在网络联络起来。

这也是智能家居系统原始构想[1]，智能家居系统是一个网络化、信息化、智能化系统，在适宜硬件和软件组合下，将家居环境中设备经过网络实现物物相连功效，同时也将家居环境中多种环境原因也添加到网络中，满足了大家经过网络控制家电设备了解家居环境原因要求，进而能够满足大家对家居环境更高级需求，而这些要求是传统家居无法完成。

智能家居是在原有家居环境基础，结合无线通信技术、智能控制技术、物联网技术等现代化电子信息控制技术，实现家居智能化，提升家居环境安全性、高效性、舒适性、便利性等。

智能家居概念提出远远早于手机诞生，可是发展却远远落后于手机，多年来，物联网技术诞生和发展才促进了智能家居系统相对较快发展，物联网技术使得家居中多种家电设备、家居环境能够相互连接在一起，实现了家电自动控制功效、局域网无线控制功效、远程控制功效、环境监测功效、红外转发功效等。

智能家居相比一般家居最关键特点就是智能化，在原始家居基础功效上引入了关键控制器[2]，它关键作用不仅含有传统家居功效，还含有信息交互功效，监控家居环境内家电运行情况和家居环境，在用户需要了解家居情况时将信息发送给用户，按用户要求去控制家电运行，在家居环境异常时自动处理并将报警信息发送给用户。

物联网技术诞生和发展处理了智能家居中物物相连难题，这个难题处理，使得智能家居在未来必将得到广大用户期待，未来市场将会高速发展智能家居系统，其应用前景很宽广。

伴随信息化时代到来，大家对生活追求越来越高，对本身居住环境也提出更高要求。

智能家居出现就是在大家这些要求下产生，传统家居只能满足大家简单居住功效，对于除了居住功效以外部分要求根本不可能实现，智能家居出现就是为了满足大家对本身居住环境要求，这也是传统家居和智能家居根本区分。

早在上个世纪末期，智能家居概念就被提出来，不过因为当初技术水平极难实现，智能家居并没有像预期那样发展起来，以后伴随科学技术发展，市场产品出现多元化趋势，各类产品标准不一，不能相互兼容，智能家居也没有普及开来。

所以综合智能家居发展情况来看，现在有必需研究一个成本低而且兼容性很好智能家居系统。

1.2智能家居中国外发展情况

智能家居经历了家庭电器化、家电自动化、家居智能化三个阶段。

早期伴随电子技术发展，各类家电设备问世，从而掀起了在传统家居中引入家用电器热潮；以后因为网络信息技术普及，各类家用电器进入了自动化阶段，家居系统也进入了家电自动化阶段；近几年因为物联网技术提出和发展，使得智能家居系统实现成为可能，世界各大企业也纷纷加入智能家居系统研究中。

在了解智能家居技术之前，先必需了解物联网这个概念，因为现在智能家居是在物联网基础上发展，物联网是在1999年就提出来了，当初叫传感网。

物联网技术[3]就是经过互联网技术、信息传感技术等来实现物物相连技术，它摆脱了互联网所统治虚拟化时代，使得虚拟化操作能和实际操作相对应，促进了智能技术渗透到我们生活各个方面，从而使得智能家居技术得到了迅猛发展。

在这里介紹下中国外智能家居行业发展情况。

国际：

智能家居研发在国外起步比较早，美国等部分欧美国家一直处于领先地位[4]。

多年来，美国微软企业和摩托罗拉企业等国外著名大型企业，前后投入到智能家居系统研发中。

现在比较著名有微软企业研发“梦幻之家”、摩托罗拉企业“居所之门”、IBM企业“家庭主任”等，这些研发智能家居系统均已占据了家居市场，亚洲地域如日本、新加坡等国部分龙头企业也纷纷加入了智能家居系统研发队伍中，对家居市场更是跃跃欲试。

智能家居之所以能受到关注，除了能构建快捷、方便、舒适、安全家居环境外，它还能带动小区甚至是城市建设发展，这也是我们未来将看到智能小区、智能城市。

智能家居系统现在在国外关键有X-10系统、EIB系统、8X系统[5]。

X-10系统关键应用在美国，该系统关键特点是利用电力线缆作为网络交流平台，采取集中控制方法，省去关键控制设计，缺点是价格昂贵，实施难度大；EIB系统关键应用在德国，该系统采取预设总线及中央控制方法实现对家居环境和家电控制，不过对实施工程要求复杂严苛，而且造价较高；8X系统关键应用在新加坡，该系统关键采取总线和集中控制想结合方法来实现智能家居功效，不过系统架构大，产品价格高。

纵观国外智能家居发展，绝大多数采取是集中控制，只有一个关键控制器来实现多个家庭智能家居系统，这么好处方便控制，省去了多家庭多关键控制器麻烦，不过缺点是实施难度大、价格高，最关键是不符合中国家电市场多品牌、功效各异特点，采取集中控制方法可能只适合某种固定品牌家电，并不适合全部品牌家电设备。

中国：

智能家居系统在中国起步比较晚，直到上个世纪末期才正式被提出，不过各方面原因制约，并未形成较大规模。

近几年因为物联网技术迅猛发展，智能家居技术才得以发展。

现在中国在智能家居系统方面比较领先有海尔企业u-home，广东数码科技股份安居宝等。

智能家居在中国发展经历四个阶段[6]，分别是萌芽期、开创期、徘徊期、融合演变期。

1．萌芽期（1990年-1999年）

中国最早智能家居系统开始于上世纪末，新加坡一家企业在中国推出了一款叫“万智能”智能家居系统，它关键技术就是经过电脑实现了对一台电视机关断，不过当初并没有掀起智能家居系统使用高潮，关键原因是当初电脑还没有普及而且价格高，使用起来不方便。

这也算是中国最早智能家居系统，也算是在中国智能家居系统萌芽期。

2．开创期（-）

这段时期因为电子技术发展，各大电子厂商纷纷研发出各式各样家电产品，形成了家用电器“百花争鸣，百花齐放”局面。

各大电子企业也纷纷投入到对各类家用电器管理阶段，各大厂商期望研发出一个控制器，能够统一管理家居环境家用电器。

3．徘徊期（-）

因为上个阶段家用电器多元化发展，加上各类家用电器没有统一标准，使得出现智能家居系统极难适应全部家用电器设备，这严重阻碍了智能家居行业发展，造成很多智能家居生产企业纷纷退出了这一市场。

4．融合演变期

近几年伴随物联网技术发展，智能家居开始有了迅猛发展，各类智能家居系统也纷纷出现，智能家居行业也结束了徘徊期。

现在中国智能家居市场需求大，但真正能满足市场要求产品很少，其关键原因是包含行业多，包含家电行业、通信行业、电子传感器等，缺乏统一标准[7,8]，各个子系统不能统一控制、相互协调，各类家电产品之间不能兼容。

1.3论文研究关键内容

本文关键研究内容是智能家居系统设计和实现，关键是设计家居环境中多种家电设备和以Arduinomega2560为关键主从控制器间，多种传感器设备和主从关键控制器间、终端控制设备和主关键控制器间信息交互功效，

本文研究内容关键以下：

1．智能家居系统组成和基础功效，关键针对智能家居系统中各个子系统功效，和所采取技术进行展开研究。

2．针对现有智能家居系统进行研究，分析现有智能家居系统中存在不足，提出一个星型网络结构智能家居系统，经过分析，此系统含有扩展性好、可操作性强、易于维护等优点。

3．为了处理家居环境中红外遥控家电设备，有多遥控、使用必需在一定范围、难以从内部控制其运行缺点，设计了一套红外转发系统，并对各类红外家电红外协议进行深入研究。

4．将日常生活中大家对家居环境中部分处理经验加入到系统中，形成一个高效、稳定、智能家居系统。

第2章智能家居系统总体方案设计

2.1智能家居系统基础组成

智能家居系统相比传统家居最关键特点是引入了现代化电子信息技术，它结合电子技术、传感器技术、通信技术、网络信息技术、自动控制技术等，营造了一个安全、高效、快捷、舒适家居环境。

智能家居是众多现代化技术融合表现。

智能家居系统应该含有基础功效是对家电设备正确控制、对家居环境正确监控、和用户信息交流包含处理用户命令和在特定情况下将家居环境一些信息发送给用户。

智能家居系统必需含有对家电设备控制、家居环境监控等功效，所以智能家居系统必需含有类似于电脑CPU一样中央处理器，在智能家居中将这种能识别处理信息、和用户交流设备称为关键控制器[9]，它也是智能家居中最关键部分。

另外智能家居系统还必需有终端控制设备，关键用于用户和关键控制器交换数据；还需要有传感器设备用于监控家居环境情况，最终还必需包含各类家电设备。

智能家居系统中，终端控制设备是用户和关键控制器之间交流平台[10]，关键控制器智只能识别由终端控制设备发出命令，用户也必需先将命令转换成终端控制设备上对应命令。

同时，终端控制设备也必需含有接收由关键控制器发出信息。

终端控制设备能够是电脑、手机或是厂家自己设计。

在实际生活中，可能会存在着多个信息传输方法，在家居环境内和家居环境外，存在着使用不一样信息传输方法去实现同一个功效情况。

比如在家居环境中使用是经过蓝牙模块向关键控制器发送命令[11]，在家居环境外是经过GSM模块实现命令传输[12]。

在本系统设计智能家居系统中，因为智能手机便于携带、使用广泛，用户能够经过智能手机向智能家居系统中关键控制器发送需要实施命令，而且关键控制器也能向手机反馈实施结果和家居环境情况，所以选择了智能手机作为智能家居终端控制设备[13]。

智能家居系统还必需包含智能家电设备和传感器模块[14]，其中传感器模块是用于对家居环境监控。

关键控制器最终操作全部是在家电设备或是传感器上实现。

比如回家之前了解家居环境温度，关键控制器读取温度传感器上温度将信息发送给用户，用户假如认为温度不宜，能够发送对应命令，关键控制器收到后会控制空调运行到对应状态，那么用户回家以后就会有一个舒适环境状态。

2.2智能家居系统总体设计方案

智能家居最终目标是在传统家居基础上为我们营造一个更安全、更舒适、更方便家居生活环境。

对于智能家居系统来讲，最关键目标实现对家电设备控制、对家居环境监控和异常情况处理。

其智能家居系统网络拓扑结构图2-1所表示。

图2-1智能家居网络拓扑结构

Fig.2-1Smarthomenetworktopology

智能家居系统网络拓扑结构中，以主关键控制器为关键构建了智能家居星型网络拓扑结构，它是整个智能家居系统关键，也在整个系统中处于中心节点位置。

主关键控制器除了直接和智能家电、环境监控等连接外，还能够经过无线模块和从关键控制器上无线模块实现无线连接，从而经过控制从关键控制器控制其它家电设备和对其它家居环境监控。

经过这种组网好处有：

1．扩展方便，对于各类家居环境多样性，能够很方便扩展

2．实现轻易，不要复杂电路结构，命令传输只是经过无线模块实现

3．维护方便，某一节点损坏不影响其它节点正常工作

4．安装方便，避免了冗长有线连接，使得在家居环境中安装方便

本论文设计了一套完整智能家居控制系统，关键包含对家电设备控制包含开关式家电和红外遥控家电、环境监控和自动调整、防火防盗、远程报警等功效。

依据用户对智能家居功效需要，一个完整智能家居系统应该含有以下功效：

1．含有局域网和远程控制功效

2．实现对家电控制，包含开关式家用电器和遥控式家用电器

3．含有对家居环境监控功效和环境异常自动处理功效

4．含有报警功效包含局域网报警和远程报警功效

现在中国智能家居控制系统多采取单片机、ARM、PLC来作为系统关键控制器，不过单片机稳定性不高，PLC成本太高，ARM设计复杂且成本高，所以现在急需一个稳定可靠而且成本较低系统。

Arduino是一款流行电子互动平台，即使是基于MCU系统开发，不过其性能远远高于单片机，而且价格远远低于PLC。

所以本文选择ArduinoMega2560作为系统关键控制器，整个系统包含四个关键组成部分：

关键控制器部分、终端控制部分、监测部分和家电设备。

其系统框图图2-2。

图2-2智能家居系统框图

Fig.2-2Smarthomesystemblockdiagram

智能家居控制系统中终端控制设备和关键控制器间联络关键分为局域网联络和广域网联络。

首先，在局域网环境内，关键控制器经过蓝牙模块和终端设备如手机配对，经过蓝牙模块接收和发送信息；在广域网环境中或说远程控制系统中，关键控制器经过GSM模块由GSM网络远程和移动终端控制设备交换信息；监测模块关键是部分传感器设备，关键用来监控家居环境情况，传感器将环境原因采集数据发送给关键控制器，控制器经过处理，将处理信息和预设相比较，假如不在预设范围内或和预设不符，则开启对应家电设备或警报系统，并将信息发送给终端控制设备；关键控制器和家电设备之间关键经过继电器和红外转发器建立联络，对于部分开关式家用电器如冰箱、热水器等只需要经过通电断电来控制设备就经过继电器控制，而对于部分复杂家电如空调、电视等需要经过红外遥控器控制，则需要经过红外转发器去控制。

2.3智能家居系统中硬件平台

2.3.1Arduino介绍

Arduino，是一个有独立硬件电路和软件运行环境开源电子平台[15,16]。

因为开源特征，自诞生以来，深受广大创客喜爱，同时也促进了物联网发展。

Arduino软件含有使用类似Java，C语言IDE集成开发环境。

Arduino软件开发语言使用是类似C语言独立语言，同嵌入式开发一样，能够经过软件编写实现对硬件系统控制。

另外Arduino编程环境还实现了可视化编程，编程能够经过一个个图形化模块连接实现，大大降低了编程者工作量，也使得枯燥无味编程变得有意思，开辟了编程新思绪。

Arduino编程方法并不复杂，不需要懂复杂汇编语言，了解硬件底层代码，只需要使用编写函数实现相关功效即可，适合复杂程序开发和模块化程序设计。

而写入程序方法也很方便，只需要用一根USB线连接计算机，单击下载到硬件即可完成，并不需要额外下载器。

Arduino系列开发板种类繁多，有低端如ArduinoUNO，也有高端ArduinoDue。

考虑到智能家居系统经济、使用、稳定、多接口特点，本论文中采取ArduinoMega2560作为智能家居系统关键控制器。

ArduinoMega2560关键芯片是atmega2560作为主控芯片，采取USB接口关键电路板，含有54路数字输入输出，适合需要大量IO接口设计，恰好满足智能家居控制系统多接口特点。

另外，ArduinoMega2560还含有16路模拟输入，4路UART接口，支持I2C接口。

其实物图如2-3所表示。

图2-3ArduinoMega2560实物图

Fig.2-3ArduinoMega2560physicalmap

2.3.2GSM模块SIM900A

GSM是GlobalSystemForMobileCommunications缩写，是1992年对于数字移动通信定义一个标准。

GSM短消息传送技术在军事、工业、医疗等多个领域全部有广泛应用。

现在，中国开始使用GSM模块很多，比如西门子企业TC35i、SIMCOM企业SIM900A、BENQ（明基电通）M22等，这些不一样企业模块使用方法基础类似[17]。

在GSM应用中，关键是经过提取GSM模块上接收到信息和将编译好信息经过GSM模块发送出去，它替换了以前远距离有线通信，实现了远距离语音通话、文本传输、图片传输等功效。

本论文智能家居控制系统GSM控制模块采取SIMCOM企业SIM900A模块，SIM900A是一款新型GSM/GPRS通讯模