智能家居系统的设计与实现.docx
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智能家居系统的设计与实现.docx
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智能家居系统的设计与实现
智能家居系统的设计与实现
智能家居系统的设计与实现
摘要
随着信息化、智能化设备的普及,现在人们也希望在家居环境中添加各种智能化的设备,能将家电设备、家居环境因数通过无处不在的网络联系起来,这也是智能家居系统的原始构想。
智能家居系统是一种网络化、信息化、智能化的系统,在合适的硬件和软件的组合下,将家居环境中的设备通过网络实现物物相连的功能,同时也将家居环境中的各种环境因素也添加到网络中,满足了人们通过网络控制家电设备了解家居环境因素的要求,进而可以满足人们对家居环境更高级需求,而这些要求是传统家居无法完成的。
智能家居系统中最重要的是核心控制器,它是连接家居家电设备、家居环境以及终端控制设备的桥梁,目前国内外对智能家居研究中,一般都选择单片机与ARM作为核心控制器。
本文选择ArduinoMega2560作为核心控制器,就稳定而言,ArduinoMega2560比单片机、ARM更加稳定实用,而且Arduino无论是硬件还是软件都是开源的,这就意味着可以查看和下载其源码,更加方便用来设计智能家居控制系统。
本论文的设计思想是将家电智能化、家居安防、家居环境监测、局域网控制以及远程控制等功能集中到一个综合管理系统上。
系统选用蓝牙作为局域网控制的纽带,选用GSM网络作为远程控制的媒介,并为解决现在市场上红外家电设备难以控制的难题,设计了一种红外转发器,代替红外遥控器,免去了家居环境多遥控、使用必须在一定范围的问题,考虑到智能手机的普及,本文选用手机作为移动终端控制设备,而不在设计另外的终端控制设备,这样既方便又省去了携带的烦恼。
此外,该系统还具备良好的可扩展性和对不同家居环境的适应性,可以根据不同家居的需要,进行功能的裁剪、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
随着现代化电子技术和网络技术的飞速发展,现在已经进入了信息化的时代。
如今可以把电子信息技术、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,世界上的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的第一页。
随着信息化、智能化的普及,现在人们也希望在家居环境中添加各种智能化的设备,能将家电设备、家居环境因数通过无处不在的网络联系起来。
这也是智能家居系统的原始构想[1],智能家居系统是一种网络化、信息化、智能化的系统,在合适的硬件和软件的组合下,将家居环境中的设备通过网络实现物物相连的功能,同时也将家居环境中的各种环境因素也添加到网络中,满足了人们通过网络控制家电设备了解家居环境因素的要求,进而可以满足人们对家居环境更高级需求,而这些要求是传统家居无法完成的。
智能家居是在原有家居环境的基础,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,提高家居环境的安全性、高效性、舒适性、便利性等。
智能家居概念的提出远远早于手机的诞生,可是发展却远远落后于手机,近年来,物联网技术的诞生与发展才促使了智能家居系统相对较快发展,物联网技术使得家居中的各种家电设备、家居环境可以相互连接在一起,实现了家电自动控制功能、局域网无线控制功能、远程控制功能、环境监测功能、红外转发功能等。
智能家居相比普通家居最主要的特点就是智能化,在原始家居的基本功能上引入了核心控制器[2],它的主要作用不仅具有传统家居的功能,还具有信息交互功能,监控家居环境内的家电的运行情况以及家居环境,在用户需要了解家居情况时将信息发送给用户,按用户的要求去控制家电的运行,在家居环境异常时自动处理并将报警信息发送给用户。
物联网技术的诞生与发展解决了智能家居中物物相连的难题,这个难题的解决,使得智能家居在未来必将得到广大用户的期待,未来的市场将会高速发展智能家居系统,其应用前景非常广阔。
随着信息化时代的到来,人们对生活的追求越来越高,对自身居住的环境也提出更高的要求。
智能家居的出现就是在人们的这些要求下产生的,传统的家居只能满足人们简单的居住功能,对于除了居住功能以外的一些要求根本不可能实现,智能家居的出现就是为了满足人们对自身居住环境的要求,这也是传统家居与智能家居的根本区别。
早在上个世纪末期,智能家居的概念就被提出来,但是由于当时的技术水平很难实现,智能家居并没有像预期那样发展起来,后来随着科学技术的发展,市场产品出现多元化的趋势,各类产品标准不一,不能互相兼容,智能家居也没有普及开来。
所以综合智能家居发展的情况来看,现在有必要研究一种成本低而且兼容性较好的智能家居系统。
1.2智能家居国内外发展状况
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。
早期随着电子技术的发展,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的热潮;后来由于网络信息技术的普及,各类家用电器进入了自动化的阶段,家居系统也进入了家电自动化的阶段;近几年由于物联网技术的提出与发展,使得智能家居系统的实现成为可能,世界各大公司也纷纷加入智能家居系统的研究中。
在了解智能家居技术之前,先必须了解物联网这个概念,因为现在的智能家居是在物联网的基础上发展的,物联网是在1999年就提出来了,当时叫传感网。
物联网技术[3]就是通过互联网技术、信息传感技术等来实现物物相连的技术,它摆脱了互联网所统治的虚拟化的时代,使得虚拟化的操作能与实际操作相对应,促进了智能技术渗透到我们生活的各个方面,从而使得智能家居技术得到了迅猛发展。
在这里介紹下国内外的智能家居行业发展情况。
国际:
智能家居的研发在国外起步比较早,美国等一些欧美国家一直处于领先地位[4]。
近年来,美国的微软公司以及摩托罗拉公司等国外著名的大型企业,先后投入到智能家居系统的研发中。
现在比较知名的有微软公司研发的“梦幻之家”、摩托罗拉公司的“居所之门”、IBM公司的“家庭主任”等,这些研发的智能家居系统均已占据了家居市场,亚洲地区如日本、新加坡等国的一些龙头企业也纷纷加入了智能家居系统的研发队伍中,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、安全的家居环境外,它还能带动小区甚至是城市的建设发展,这也是我们未来将看到的智能小区、智能城市。
智能家居系统现在在国外主要有X-10系统、EIB系统、8X系统[5]。
X-10系统主要应用在美国,该系统的主要特点是利用电力线缆作为网络交流平台,采用集中控制的方式,省去核心控制的设计,缺点是价格昂贵,实施难度大;EIB系统主要应用在德国,该系统采用预设总线及中央控制方式实现对家居环境和家电的控制,但是对实施工程要求复杂严苛,而且造价较高;8X系统主要应用在新加坡,该系统主要采用总线与集中控制想结合的方式来实现智能家居的功能,但是系统的架构大,产品价格高。
纵观国外智能家居的发展,绝大多数采用的是集中控制,只有一个核心控制器来实现多个家庭的智能家居系统,这样的好处的方便控制,省去了多家庭多核心控制器的麻烦,但是缺点是实施难度大、价格高,最重要的是不符合我国家电市场多品牌、功能各异的特点,采用集中控制方式可能只适合某种固定品牌的家电,并不适合所有品牌的家电设备。
国内:
智能家居系统在国内起步比较晚,直到上个世纪末期才正式被提出,但是各方面因素的制约,并未形成较大的规模。
近几年由于物联网技术的迅猛发展,智能家居技术才得以发展。
目前国内在智能家居系统方面比较领先的有海尔公司的u-home,广东数码科技股份有限公司的安居宝等。
智能家居在中国的发展经历的四个阶段[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)
我国最早的智能家居系统开始于上世纪末,新加坡一家公司在中国推出了一款叫“万智能”的智能家居系统,它的核心技术就是通过电脑实现了对一台电视机的关断,但是当时并没有掀起智能家居系统使用的高潮,主要原因是当时电脑还没有普及而且价格高,使用起来不方便。
这也算是中国最早的智能家居系统,也算是在中国智能家居系统的萌芽期。
2.开创期(2000年-2005年)
这段时期由于电子技术的发展,各大电子厂商纷纷研发出各式各样的家电产品,形成了家用电器“百花争鸣,百花齐放”的局面。
各大电子公司也纷纷投入到对各类家用电器的管理阶段,各大厂商希望研发出一种控制器,能够统一管理家居环境的家用电器。
3.徘徊期(2006年-2010年)
由于上个阶段家用电器的多元化发展,加上各类家用电器没有统一的标准,使得出现的智能家居系统很难适应所有的家用电器设备,这严重阻碍了智能家居行业的发展,导致很多智能家居的生产企业纷纷退出了这一市场。
4.融合演变期
近几年随着物联网技术的发展,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。
目前我国的智能家居市场需求大,但真正能满足市场要求的产品非常少,其主要原因是涉及行业多,包括家电行业、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论文研究的主要内容
本文主要的研究内容是智能家居系统的设计与实现,重点是设计家居环境中各种家电设备与以Arduinomega2560为核心的主从控制器间,各种传感器设备与主从核心控制器间、终端控制设备与主核心控制器间的信息交互功能,
本文研究内容主要如下:
1.智能家居系统的组成与基本功能,主要针对智能家居系统中各个子系统的功能,以及所采用的技术进行展开研究。
2.针对现有的智能家居系统进行研究,分析现有智能家居系统中存在的不足,提出一种星型网络结构的智能家居系统,经过分析,此系统具有扩展性好、可操作性强、易于维护等优点。
3.为了解决家居环境中红外遥控家电设备,有多遥控、使用必须在一定范围、难以从内部控制其运行的缺点,设计了一套红外转发系统,并对各类红外家电的红外协议进行深入研究。
4.将日常生活中人们对家居环境中的一些处理经验加入到系统中,形成一个高效、稳定、智能的家居系统。
第2章智能家居系统的总体方案设计
2.1智能家居系统的基本组成
智能家居系统相比传统家居最主要的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,营造了一种安全、高效、快捷、舒适的家居环境。
智能家居是众多现代化技术融合的体现。
智能家居系统应该具有的基本功能是对家电设备的精确控制、对家居环境的精准监控、与用户信息的交流包括处理用户的命令以及在特定情况下将家居环境的某些信息发送给用户。
智能家居系统必须具有对家电设备的控制、家居环境的监控等功能,所以智能家居系统必须具有类似于电脑CPU一样的中央处理器,在智能家居中将这种能识别处理信息、与用户交流的设备称为核心控制器[9],它也是智能家居中最重要的部分。
此外智能家居系统还必须有终端控制设备,主要用于用户与核心控制器交换数据;还需要有传感器设备用于监控家居环境的状况,最后还必须包含各类家电设备。
智能家居系统中,终端控制设备是用户与核心控制器之间交流的平台[10],核心控制器智只能识别由终端控制设备发出的命令,用户也必须先将命令转换成终端控制设备上的相应命令。
同时,终端控制设备也必须具备接受由核心控制器发出的信息。
终端控制设备可以是电脑、手机或者是厂家自己设计的。
在实际生活中,可能会存在着多种信息传输方式,在家居环境内和家居环境外,存在着使用不同信息传输的方式去实现同一个功能的情况。
比如在家居环境中使用的是通过蓝牙模块向核心控制器发送命令[11],在家居环境外是通过GSM模块实现命令的传递[12]。
在本系统设计的智能家居系统中,由于智能手机便于携带、使用广泛,用户可以通过智能手机向智能家居系统中的核心控制器发送需要执行的命令,而且核心控制器也能向手机反馈执行的结果以及家居环境的状况,所以选用了智能手机作为智能家居的终端控制设备[13]。
智能家居系统还必须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的监控。
核心控制器的最终操作都是在家电设备或者是传感器上实现的。
比如回家之前了解家居环境的温度,核心控制器读取温度传感器上的温度将信息发送给用户,用户如果觉得温度不适宜,可以发送相应的命令,核心控制器收到后会控制空调运行到相应的状态,那么用户回家之后就会有一个舒适的环境状态。
2.2智能家居系统总体设计方案
智能家居的最终目的是在传统家居的基础上为我们营造一个更安全、更舒适、更方便的家居生活环境。
对于智能家居系统来讲,最重要的目标实现对家电设备的控制、对家居环境的监控以及的异常情况的处理。
其智能家居系统的网络拓扑结构如图2-1所示。
图2-1智能家居网络拓扑结构
Fig.2-1Smarthomenetworktopology
智能家居系统的网络拓扑结构中,以主核心控制器为核心构建了智能家居的星型网络拓扑结构,它是整个智能家居系统的核心,也在整个系统中处于中心节点的位置。
主核心控制器除了直接与智能家电、环境监控等连接外,还可以通过无线模块与从核心控制器上的无线模块实现无线连接,从而通过控制从核心控制器控制其他家电设备以及对其他家居环境的监控。
通过这种组网的好处有:
1.扩展方便,对于各类家居环境的多样性,可以很方便的扩展
2.实现容易,不要复杂的电路结构,命令的传递只是通过无线模块实现
3.维护方便,某一节点损坏不影响其他节点的正常工作
4.安装方便,避免了冗长的有线连接,使得在家居环境中安装方便
本论文设计了一套完整的智能家居控制系统,主要包含对家电设备的控制包括开关式的家电与红外遥控的家电、环境的监控与自动调节、防火防盗、远程报警等功能。
依据用户对智能家居功能的需要,一个完整的智能家居系统应该具有以下功能:
1.具有局域网和远程控制功能
2.实现对家电的控制,包括开关式的家用电器和遥控式的家用电器
3.具有对家居环境的监控功能以及环境异常自动处理的功能
4.具有报警功能包括局域网报警和远程报警功能
目前国内的智能家居控制系统多采用单片机、ARM、PLC来作为系统的核心控制器,但是单片机的稳定性不高,PLC成本太高,ARM设计复杂且成本高,所以现在急需一种稳定可靠而且成本较低的系统。
Arduino是一款流行电子互动平台,虽然是基于MCU系统开发的,但是其性能远远高于单片机,而且价格远远低于PLC。
所以本文选用ArduinoMega2560作为系统的核心控制器,整个系统包括四个主要的组成部分:
核心控制器部分、终端控制部分、监测部分和家电设备。
其系统框图如图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与核心控制器间联系主要分为局域网联系和广域网联系。
首先,在局域网环境内,核心控制器通过蓝牙模块与终端设备如手机配对,通过蓝牙模块接收和发送信息;在广域网环境中或者说远程控制系统中,核心控制器通过GSM模块由GSM网络远程与移动终端控制设备交换信息;监测模块主要是一些传感器设备,主要用来监控家居环境状况,传感器将环境因素的采集数据发送给核心控制器,控制器经过处理,将处理的信息与预设相比较,如果不在预设范围内或与预设不符,则开启相应的家电设备或警报系统,并将信息发送给终端控制设备;核心控制器与家电设备之间主要通过继电器和红外转发器建立联系,对于一些开关式的家用电器如冰箱、热水器等只需要通过通电断电来控制的设备就通过继电器控制,而对于一些复杂的家电如空调、电视等需要通过红外遥控器控制的,则需要通过红外转发器去控制。
2.3智能家居系统中的硬件平台
2.3.1Arduino介绍
Arduino,是一个有独立硬件电路和软件运行环境的开源电子平台[15,16]。
由于开源特性,自2005年诞生以来,深受广大创客的喜爱,同时也促进了物联网的发展。
Arduino软件具有使用类似Java,C语言的IDE集成开发环境。
Arduino软件开发语言使用的是类似C语言的独立语言,同嵌入式开发一样,可以通过软件编写实现对硬件系统的控制。
此外Arduino编程环境还实现了可视化编程,编程可以通过一个个图形化模块连接实现,大大减少了编程者的工作量,也使得枯燥无味的编程变得有意思,开辟了编程的新思路。
Arduino编程方式并不复杂,不需要懂复杂的汇编语言,了解硬件的底层代码,只需要使用编写的函数实现相关的功能即可,适合复杂程序的开发以及模块化程序的设计。
而写入程序的方式也很方便,只需要用一根USB线连接计算机,单击下载到硬件即可完成,并不需要额外的下载器。
Arduino系列的开发板种类繁多,有低端的如ArduinoUNO,也有高端的ArduinoDue。
考虑到智能家居系统的经济、使用、稳定、多接口的特点,本论文中采用ArduinoMega2560作为智能家居系统的核心控制器。
ArduinoMega2560的核心芯片是atmega2560作为主控芯片,采用USB接口的核心电路板,具有54路数字输入输出,适合需要大量IO接口的设计,正好满足智能家居控制系统多接口的特点。
此外,ArduinoMega2560还具有16路模拟输入,4路UART接口,支持I2C接口。
其实物图如2-3所示。
图2-3ArduinoMega2560实物图
Fig.2-3ArduinoMega2560physicalmap
2.3.2GSM模块SIM900A
G
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