基于嵌入式技术的智能家居系统研究与设计本科论文.docx
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基于嵌入式技术的智能家居系统研究与设计本科论文
摘要
智能家居能够为人们提供前所未有的便捷与安全,进而广受市民的追捧,同时也是国际上探究的重要课题。
伴随嵌入式技术的迅速推广与运用,不仅使智能家居的多样化功能变为现实,还极大的减少了开发费用,缩短研发周期,反映出巨大的市场应用前景与推广价值。
本文在综合ZigBee无线通信技术、嵌入式技术以及网络技术的基础上,完成家居智能化系统,同时探究此系统的关键,也就是智能家居网关。
当中,对以ARM平台作为基础的智能家居网关的软硬件展开了探究。
与其他过去的智能家居网关有所差别,本文是将网络服务器引入智能家居网关中,使用户能够通过任意一部终端实现智能家居网关的登录与访问,进而掌握家中设施情况,同时实现对设施动作的调控,从某种意义上增强了用户接入的便捷性。
用户在访问智能家居系统以后,能够直接了解家中智能设施的情况,还可以掌握这些设施的运行状态。
用户上传指令至智能家居网关以后,系统经过解析与处理,再将指令传送给ZigBee协调器,最后完成查看与控制设施的任务。
利用定期的信息上传功能,完成对家中设施情况的实时监测,并且还添加了不同的场景模式,进而完成对家居设施的个性化控制。
本文首先针对智能家居系统的内涵展开了简要的阐述,同时对该领域目前的实际情况及其日后的推广前景展开论述。
在此基础上对本系统的内容展开研究,明确系统的整体功能,同时明确网关的整体开发规划。
本文的核心内容是在ARM平台的基础上研发系统,大体上涉及下面三点:
第一,把BootLoader与Linux系统引入到mini2440开发板中,同时编制根文件系统,进而为软件研发构建好平台。
第二,构建网络服务器,同时编制网页与CGI程序,完成远程控制。
第三,确定网关和ZigBee协调器之间的协议,完成与家居设施节点之间的通信。
关键词:
嵌入式;智能家居;网络服务器;ZigBee
Researchanddesignofsmarthomesystembasedonembeddedtechnology
Discipline:
Controlengineering
StudentSignature:
SupervisorⅠSignature:
SupervisorⅡSignature:
Abstract
Smarthomecanprovidepeoplewithunprecedentedconvenienceandsafety,thenthemassmarketlikesitverymuch,anditisalsotheimportantissuetoexplore.Withtherapidpromotionandapplicationofembeddedtechnology,itnotonlymakesthediversificationofsmarthomefeaturestobereality,butalsogreatlyreducesthedevelopmentcosts,andshortenthedevelopmentcycles,allofthemreflectsthehugemarketprospectsandpromotionalvalue.
BasedonthecomprehensiveZigBee(wirelesscommunicationtechnology),embeddedtechnologyandnetworktechnology,Iworkoncompletinghomeautomationsystem,atthesametimeIwanttoexplorethekeytothissystemwhichistheintelligenthomegateway.AmongsoftwareandhardwareARMprocessorasthebasisfortheintelligenthomegatewaylaunchedresearchin-depth.Differfromthepastwithothersmarthomegateway,networkserveristheintroductionofsmarthomegatewaysandenablesuserstologonandaccesstoachieveintelligenthomegatewaythroughanyoneterminal,thengraspthesituationathomefacilities,whileachievingoperationofthefacilityregulation,inasenseenhancedconvenienceofuseraccess.Aftertheusertoaccessthesmarthomesystem,directinsightintothesmarthomefacilitiessituation,itcanalsokeeprunningthesefacilities.Userstouploadcommandstotheintelligenthomegatewayafterthesystemhasbeenparsedandprocessed,andthensenttotheZigBeecoordinatorinstruction,andfinallycompletethetaskviewandcontrolfacilities.Peopleusetheregularinformationuploading,andcompletinghomeinstallationsofthereal-timemonitoring.theyalsoaddadifferentscenemodes,andthencompletethefacilitypersonalizedhomecontrol.
Firstly,fortheconnotationofsmarthomesystem,thepaperlaunchesabriefexpositionofthefield,meanwhileitalsostartsonthecurrentsituationandfutureprospectsforpromotion.Onthebasisofthecontent,themajorofthepaperistostudythesystem,clearoverallsystemfunctionality,andoverallthedevelopmentplanclearlygateway.ThecorecontentofthispaperisreachingthesystemwhichbasedontheARMplatform,itgenerallyinvolvesthefollowingthreepoints.First,theBootLoaderandLinuxsystemsintroducedintomini2440developmentboard,whilethepreparationoftherootfilesystem,andthenbuildingagoodplatformforsoftwaredevelopment.Second,buildinganetworkserver,whilepreparingwebpagesandCGIprograms,completingremotecontrol.Third,determiningtheprotocolgatewaysandZigBeecoordinatorbetweenthecompletionofthecommunicationandthenodeandthehomefacilities.
Keywords:
embedded;smart home;webserver;ZigBee
1绪论
1.1研究背景及意义
伴随着信息、通信以及集成电路等技术的持续革新与运用,智能家居系统正逐步优化和完善,这也是现在家居生活的趋势。
现在网络迅速推广与升级,让智能家居变成一项关键的探究课题,引导公众步入全新的领域[1]。
它基于人平时的生活,将人性化、智能化以及技术化作为前进趋向,优化人们的生活,使人们拥有更便捷的生活体验。
智能家居是将家居作为前提,综合了通信、嵌入式、安全预警、多媒体等不同的技术手段,把家居生活上升至全新的阶段:
便捷化、安全、个性化、环保以及智能化的居住环境[2]。
伴随经济进步、网络科技的迅速推广与升级,公众对生活的理念也慢慢有所改变,日益关注居住环境的智能化、个性化以及便捷化。
在智能家居正是基于此种时代环境而诞生的。
早上起床的时候,窗帘会缓慢的自动拉开,然后在欢快的音乐声中抖擞精神,使你全天都保持活力。
不管是什么季节,房间里一直维持着适宜的温度,同时自动进行空气交换,照明的强度会伴随主人的心情持续改变,为你创建一个舒适且人性化的环境。
在你外出的时候,室内的家电设施便转为睡眠模式,屋内自动设定警报,保证整个房间的安全性……这些过去根本没有办法想象的场景,现在正慢慢实现。
依据《物联网“十二五”规划》中的相关内容可知,交通、环保、电网、家居、安防以及物流等九个领域的智能化应用会是日后探究与关注的核心方向。
在这些领域中,智能家居属于最具代表性且实际的应用,人们日后迟早会如同过去对待电脑、手机以及空调一般逐渐接纳与认同它,进而实现智能家居应用于无数人的家中。
目前政府与研究者均普遍认为,尽管智能家居业目前尚未表现出爆发式发展的势态,但是在物联网的持续推动下,日后智能家居的市场潜力必然无法估量。
依据市场调研结论可知,尽管目前使用智能家居的住户比较少,但是倘若智能家居系统步入成熟阶段,必然有相当多的人愿意试用。
智能家居现在还处于有待开发的产业,其潜在的市场前景非常乐观。
智能家居的形成大体上是由于下面两点因素:
第一,现在的社会生活状况逐渐改善,人们对居住环境的需求也逐渐提升,仅仅是温馨舒适已经不能符合人们对便捷化、安全性以及智能化的要求。
第二,网络技术的迅速推广与运用,不同类型的新产品与新理念持续出现,为智能家居构建了良好的技术与理论基础。
市场需求、理论技术等要素全部具备,在此种环境下智能家居便应运而生,并迅速推广开来。
谷歌并购NEST,京东投资智能家居的硬件生产商,小米开发智能路由器等现象,均说明网络公司与过去的电器厂商合作这一趋势,必然会引导智能家居进入崭新的阶段。
社会对环保的重视程度逐渐加深,因而制造业不得不思考可持续发展的问题,而智能家居恰好顺应了此趋势,能够让人们的生活实现节能与高效,所以得到公众的关注[3]。
目前我国构建智能城市的进度持续加快,当中智能公交给公众创造了极大的便利,公众能够便捷的查看公交到站信息。
同样智能家居也能够使公众的生活透明化,这势必是日后的演变方向。
伴随嵌入式与无线传感等技术的持续革新与完善,电器设施中能够配置通信装置,进而从单独的设备转变为网络框架的节点设备,用户便能够借助于不同的手段对其展开管理,诸如远程控制等[4]。
在这些理论的基础上,智能家居能够把不同的电器利用家庭网络组合起来,借助相应的手段,完成设施和住房的充分结合,进而构建起温馨舒适、高效便捷且安全环保的居住环境。
Linux这一操作系统拥有更小的内核与更高的效率,还能够给予直接的网络支持;借助于该系统本身具有的TCP/IP协议来完成远程监测与控制、图像传送等功能,同时因为模块的加载动态让该系统的裁减非常便捷,可依据实际应用需要,对内核展开调配与缩减,ARM和Linux构成了到现在为止研发嵌入式系统的最佳搭配。
1.2智能家居的研究现状
1.2.1国外研究现状
20世纪后期,美国率先提出了智能家居的初步模型,一些经济、技术实力较强的国家着手探究有关智能家居的课题。
由于各个国家的实际状况有所差别,所以他们研发的智能家居也风格迥异。
美国是最先开始研发智能家居的国家,其技术最先进、理念也是最新颖的,所以其家居系统适宜舒适与享受作为目标。
但是此类家居系统通常损耗能量较多,与目前国际上提倡的环保思想有所出入。
而德国设计的智能家居比较侧重于基础性能与实用价值,依靠他们严谨的风格持续完善各项功能的运用[5]。
澳大利亚设计的智能家居系统相当有特色,他们让家居设施全部自动化,无需手动开关。
这便如同目前广泛使用的智能手机一般,功能键日益减少,基本上是触屏操作,因此全部自动化的家具应当是日后演变的方向。
并且,他们在设计智能家居系统的过程中对安全性的考虑相当深入,这是由于安全性属于检验智能家居的关键指标之一。
新加坡研发的智能家居系统是将实用理念发挥到了极致。
其系统大体上涉及可视对讲、安防报警、信息留言、家电监控、三表抄送等功能,在目前已有的生活条件下,让人们的生活更轻松便捷。
日本在研究智能家居的过程中全面考虑到能耗问题,借助于信息、人工智能以及网络等技术,完成家居生活的现代化。
他们努力围绕人这一根本,在关注性能的过程中还考虑到环保。
物联网在日本已较为成熟,不但屋内的设备完成了联网,还借助于生物认证技术,完成门的自动识别功能。
当有人站立在门前时,系统会自动辨识此人是不是社区居民,待明确之后门才会自动开启。
此外,厕所这一生活中的关键场所,同样完成了智能化,可为主人供应所需物品,同时自动清理厕所卫生。
韩国政府出台了诸多政策来构建智能社区,该国的数字化家庭系统独具特色:
无论住户在哪里,均能够随时利用屋内所有设备,体验各种服务。
住户利用手机便能够远程监控家中的设施情况,这是该国信息业预期日后居家生活的蓝图。
而该国的目标是变成国际上网络覆盖率最高的国家,同时在国际上占据智能家居业的优势地位,一直处在科技发展的最前端。
1.2.2国内研究现状
国内关于智能家居方面的研究相对较晚,不过研究进展很快,一些技术已经和国际先进水平没有多少差距。
我国智能家居研究最开始是小区智能化技术工程领域起步的,在2000年相关理论知识开始陆续传入国内[6]。
随后一些传统家电、互联网厂商开始加入到此方面的应用和研发中,伺候开始受到广泛的关注。
家居智能化是又一场数字革命,其较好满足了人们追求现代化,智能、舒适、便利生活的要求,是未来家居领域的主要发展趋势。
此外国家管理部门对此也给予了较大关注,并专门就建设智能化示范小区做了相关规划,建立了相关国家标准。
可以预见随着政府政策的支持,在社会需求的推动下,智能化家居在未来必然获得更大的发展。
为了推动家居智能化的发展,国家也成立了家庭信息网络技术委员会,并在一些国家计划中对此类产品的研发做了专门立项,这对智能家居的发展会起到很大的促进作用。
很多以嵌入式技术为基础的智能家居系统被不断的研发出来,其操作方便控制简单,可以较好的满足各种智能化控制和操作方面的要求,给人们的生产和生活带来了很大的便利。
智能家居在以后的发展中,应该不是单纯侧重于技术方向,还应该同时考虑都人们的具体需求,实现以人为本要求。
这主要是从经济方面考虑的,目前的房价已经很高了,对很多居民造成了较大的经济压力,在此情况下如果智能家居还是不注重经济性能,则可能其价格会超过人们的心理预期和承受能力。
此外如果这种智能网络的功能过于复杂,则将其运营和维护费用也会很高,因而应该抛弃不实用的功能,以此来减少维护成本减少浪费[7]。
综上分析,在智能住宅建设过程中,应该考虑到用户的实际需求,追求人性化的设计,避免出现一些不适用浪费情况。
根据实际调查情况得知,目前大部分购房者对紧急呼叫系统有较高的需求,并认为其很有使用价值。
此外门铃对讲系统,和家庭安防系统、以及水电自动收费系统也有较高的要求。
1.3智能家居目前存在的问题及其发展前景
虽然在各种因素的推动下,目前智能家居正处于火热发展阶段,与此相关的物联网、智慧城市建设工作也取得了很大进展,这些都似乎预示着智能家居行业将迎来前所未有的发展良机。
不过如果冷静分析思考,可以发现此行业也存在很多问题[8]。
比如智能家居市场发展了这么长时间,为何实际使用智能家居的用户并不是很多,相关产品在市场上也没有大量涌现。
根据相关调查研究得知,智能家居市场还存在以下问题亟待解决。
(1)传夸大其词产品华而不实
目前市场上和智能家居相关的产品广告让人眼花缭乱,很多媒体广告中都充斥了关于此类产品的宣传,且在介绍其功能性能方面存在很大虚假成分。
在各种夸张虚假宣传之下,购买者很容易感到无所适从,不知道如何决策。
此外由于广告宣传夸张的原因,很多消费者对其期望较高,实际购买使用产品后,一般会感到失望。
(2)产品质量低劣系统稳定性较差
在实际市场需求的推动下,国内智能家居行业持续发展了这十多年,不过由于受到质量等问题的影响,市场一直没有发展壮大并成熟起来。
根据相关调查结果得知,很多用户充满期望而购买这类产品之后,在使用中经常出现一些质量方面问题,这对其用户体验产生了很大负面影响。
如果售后也没有有效解决这些问题,或者问题多次出现,则用户会对这些产品丧失信心。
也有一些厂商在生产过程中,没有进行长期的老化及功能测试,因而产品在使用较长时间后,容易出现此方面的质量问题。
因而在以后发展过程中,应该首先努力解决好质量问题。
不过当前的国内智能家居在技术方面还存在一定的不成熟之处。
具体表现在相应的维护和改造工作较复杂,如传统的电器设备在改造时,可能需要重新铺设线路,此外还存在一些误操作,等方面问题。
(3)系统功能复杂实用性不强
目前已经有很多领域的厂商加入到智能家居领域,并开发出各种功能丰富的产品,且市场宣传推广工作也做的很出色。
不过一个很主要的问题却始终被用户忽略,也就是用户的真实需求。
很多厂商生产的产品中加入了很多五花八门的功能,不过其实用性并不是很强,一些功能反而成为累赘。
在没有有效满足用户需求的情况下,这类产品很容易被市场淘汰。
(4)经销代理支持不够难成气候
此类产品市场销售的主要方式就是渠道经销和代理,不过有很大一部分公司却将重点放在了招商方面,对实际生产却并不重视,或者没有实际产品,主要是做一些推广加盟工作,然后自己收取加盟费。
而在后期服务过程中,不对加盟商进行专业的培训与指导,这样很容易引发坑害客户的问题,扰乱了市场秩序,对行业的发展造成了严重影响。
(5)兼容性差标准不统一
智能家居的科技技术含量较高,其应用了很多软硬件和计算机与通信技术。
与此行业还不是很成熟,因而相应的通信协议标准还没有有效的建立起来。
各企业应用的通信协议五花八门,这样不同厂商的产品无法进行兼容,很容易出现混乱情况。
因而在未来发展过程中,应该成立相应的行业协会,并据此建立统一的通信标准。
(6)房地产销售名不符实
一些房地产商为了提高销售效果,而推出了一些智慧楼宇,这些在一定程度上确实满足了高端用户的需求,且有效增加了楼盘销售额。
不过这其中也存在一些隐忧。
具体表现在,开发商主要目的还是为了销售楼盘而对配套的系统并不是很重视,相关产品可能只是配置了一些简单的功能。
因而产品选型门槛过低,这样很容易引发一些后续问题,并造成维护成本过高,而影响了用户对此类产品的形象。
(7)产品价格高难以普及
从市场调查了解得知,目前大多数用户都认为智能家居产品的价格过高,超出了心理预期,这对其市场宣传推广造成了较大影响。
根据市场生产情况得知,此类产品的价格虽然很高,不过由于没有大规模生产,因而其成本也较高,在前期研发过程中要投入大量人力、物力。
而在生产和市场宣传推广方面也需要较高的花费,因而此类产品的推广普及因为价格因素而受到较大影响。
1.4论文主要研究内容
本文主要是设计和实现了此类智能家居产品,进行了如下方面的研究:
第一章,简要介绍了此类产品的相关概念,以及研究背景与意义,预计智能家居行业存在的问题等。
第二章,具体设计了此类产品的方案,在用户和需求分析的基础上设计了此种产品的设计和组件方案,然后选择了软硬件。
第三章,简要介绍了此系统相关的硬件结构以及性能等。
第四章,具体实现了此类智能系统,先对搭建目标板软件平台做了说明,接着介绍了CGI的的相关原理,还对web服务器实现方法做了详细介绍。
第五章主要是设计了ZigBee协调器,在介绍与此相关技术基础上,设计了通信转换协议,同时以照明系统为例具体说明了此系统的工作原理。
第六章分析了本产品的缺陷和不足,讨论了以后的改进方向。
2智能家居总体方案设计
2.1系统的功能要求
最近几年,在互联网和通信技术的迅速发展带动下,智能家居也进入快速发展阶段,用户的购买欲也被积极调动起来,市场开始开出呈现出一定的火热局面。
与此同时随着物联网和智慧小区的推广普及,智能终端产品的大量应用,人们很希望对所有电器设备进行统一的管理。
这就需要设计出智能化控制系统,对此类控制系统的主要要求就是方便控制,容易操作可靠性高。
2.2现代智能家居的发展趋势
在城市化人们压力不断增加的形势下,民众追求的生活方式也发生了明显的改变,从豪华奢侈开始转变为简单轻松休闲。
这样可以更好满足用户此类需求的智慧型家居开始被设计出来。
目前大多数城市家庭中都具备了很多电器产品和相应的遥控器,对这些不同的设备通过遥控器来控制时,一般较麻烦且操作不方便,在控制对象很多的情况下。
操作困难变得很复杂,且可能出出错。
因而很有必要设计出一种集中控制模式来对这些设备进行统一集中管理,以便提高管理效率,增加生活的舒适度。
为了满足此方面要求,物联网相关技术被研发出来,在物联网的帮助下,家庭中的各种终端都可以连接到网中,这样就可以通过手机或者电脑对这些产品进行集中控制,且不同设备之间也可以进行数据传输,从而达到智能和集中控制的目的。
距离来说窗帘拉开后,室内光线充足,则感光系统在检测到环境状况后,对灯光系统进行调节,以此来实现节省电能的效果,这样用户就可以不必自己去调节,从而提高了生活的品味和现代化程度。
2.3智能家居解决方案的选择
目前计算机技术已经很成熟,很多以单片机为基础的嵌入式设备被不断的研发出来,其可以较好的满足各种智能化控制和操作方面的要求,给人们的生产和生活带来了很大的便利。
与此同时很多传统的IT设备开始变为嵌入式设备,例如手机、家电、汽车,也都不同程度的应用到嵌入式技术。
这类技术的广泛应用为智能家居行业的发展产生了巨大的促进作用,是未来此方面的主要发展方向。
嵌入式系统是在嵌入式技术基础上发展起来的,其主要是将系统嵌入到应用对象软硬件体系中[7][8][9],以便实现相应的功能性能要求。
这类系统有很多性能优势,在工业生产领域有广泛应用。
这类系统主要以应用对象需求为中心,口语根据需要来控制其中的软件,因而相关的、成本、体积、功能都可以较好的满足用户要求,其主要特征如下:
1)嵌入式系统系统资源一般较少,无法安装计算机操作系统,这样就需要精简内核,并以此来满足设计需求。
2)嵌入式系统软硬件有较高的结合性,不过此类系统面临的应用环境较复杂,因而对系统的专用性要求较高。
这样在应用需求改变情况下,就需要进行相应的修
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