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王文刚论文
摘要
现如今,信息技术发展迅速,手机,互联网等智能化产品在人们的生活中越来越占据着主导地位。
这使得人们的生活越来越追求生活环境的舒适、简单和安全。
而对于如何建立起一个高效、低成本的智能家居系统一直是一个热点话题。
于是关于智能家居的各种新技术在家庭智能化系统中不断得到应用。
本课题立足于实现家居远程监控的智能化,以Android智能手机为客户控制端,以个人电脑为服务器端,以家庭门锁为执行端的远程监控系统;控制端和服务器端的网络传输采用TCP协议,控制端和服务器端分别采用Android手机系统和ubuntu11.04系统实现。
通过ARM对家居无线信号进行解码学习,并将遥控器功能按钮映射到Android手机,从而可以用手机控制ARM发送相应无线信号,进而控制家用电器的打开和关闭。
家庭网关是由家居内部无线网络ZigBee协调者和嵌入式Web服务器两个部分组成,两者各司其职,前者主导家庭内部无线网络,后者与外部网络通信。
实验结果表明,用户通过家庭网关可以实施远程监控和管理智能家庭设备,ZigBee无线技术完全适合于组建智能家居系统,系统安装方便,扩展性好,具有很好的实用价值。
本系统进入家庭,将会改变一个家用电器对应着一个红外遥控器的传统控制方式,让家电操作更加简单、便捷、智能,让人们的生活更加舒适。
因此本系统对提高人们生活质量、推动家居智能化发展具有重要的意义。
关键词手机客户端;服务器;Zigbee
ABSTRACT
Nowadays,informationtechnologyisdevelopingrapidly,themobilephone,intelligentproducts,suchastheInternetinthelifeofpeoplemoreandmoredominant.Thismakesthelifeofpeoplemoreandmorepursuitofcomfortable,simpleandsafelivingenvironment.Forhowtobuildupahighefficientandlowcostsmarthomesystemhasalwaysbeenahottopic.Soonthevariousintelligenthouseholdtechnologygettingapplicationinfamilyintelligentsystem.
Thistopicbasedontheintelligentremotemonitoringforhousehold,controlterminals,forthecustomerswithAndroidsmartphoneforpersonalcomputerastheserverside,asafamilydoorlocktocarryouttheremotemonitoringsystem;Controltheclientandserver-sidenetworktransmissionadoptsTCPprotocol,controltheclient-sideandserver-sideusingAndroidsystemandubuntu11.04systemrespectively.ByARMtolivinginthewirelesssignaldecoding,andwillbemappedtoanAndroidphone,remotecontrolfunctionbuttontosendthecorrespondingwirelesssignalcontrolARM,withyourmobilephonetocontrolhouseholdappliancesopenandclose.HomegatewayisZigBeecoordinatorbythehouseholdinternalwirelessnetworkandembeddedWebserverintwosections,thetwo,theformerdominantfamilyinternalwirelessnetwork,thelatterwithexternalnetworkcommunication.
Theexperimentalresultsshowthattheusercanthroughthehomegatewayimplementationofremotemonitoringandmanagementofintelligentfamilyequipment,ZigBeewirelesstechnologyiscompletelysuitableforbuildingintelligenthouseholdsystem,systemfeatureseasyinstallation,goodextensibility,hastheverygoodpracticalvalue.Thissystemintothefamily,willchangeahouseholdappliancescorrespondstoaninfraredremotecontrolofthetraditionalcontrolmethod,makehouseholdoperationmoresimple,convenient,intelligent,letpeople'slifemorecomfortable.Sothissystemtoimprovethequalityofpeople'slife,promotehouseholdintelligentdevelopmenthasthevitalsignificance.
Keywordsmobileclient;Theserver;Zigbee
目录
1绪论1
1.1课题研究的背景1
1.2课题研究的目的及意义1
1.3国内外相关技术发展现状1
1.3.1国外智能家居的发展状况1
1.3.2国内智能家居的发展状况1
1.4智能家居系统的特点和设计中考虑的因素2
1.4.1传统智能家居系统的特点和不足2
1.4.2智能家居系统设计主要考虑的因素2
1.5课题研究的内容3
2智能家居之远程监控系统总体设计方案4
2.1系统功能分析4
2.2几种短距离无线网络的比较5
2.3系统总体功能设计6
2.3.1Android手机端设计方案7
2.3.2ARM控制端设计方案7
2.4本章小结8
3ZigBee家庭网关的实现9
3.1引言9
3.2系统的基本组成和划分9
3.3家庭组技术概述10
3.3.1ZigBee技术概述10
3.3.1ZigBee协议框架10
3.3.2ZigBee用于家庭组网的可行性11
3.4协调器节点软件设计12
3.4.1协调器节点软件设计任务12
3.4.2协调器软件设计流程12
3.5终端节点软件设计12
3.5.1终端节点软件设计任务12
3.5.2终端设备软件设计流程13
3.6本章小结14
4构建嵌入式Web服务器15
4.1嵌入式Web服务器的概述15
4.1.1HTTP协议15
4.1.2TCP/IP协议15
TCP/IP(15
4.2socket概述15
4.2.1Socket接口16
4.2.2Socket建立16
4.2.3Socket配置16
4.2.4连接建立17
4.3Socket及TCP/IP和HTTP的结合18
4.4控制网关19
5Android手机终端控制20
5.1引言20
5.1.1Android平台介绍20
5.1.2Android的优点20
5.1.3Android系统结构20
5.2基于Android手机的网络通信22
5.3手机终端的模块设计23
6ARM控制端硬件结构25
6.1ARM概述25
6.1.1ARM控制端硬件结构设计25
6.1.2ARM9芯片内核介绍26
6.2ARM9开发板外观及接口部局26
6.2.1串口27
6.2.2USB接口28
6.2.3网络接口28
6.3交叉编译环境的建立28
6.3.1Linux内核移植与编译29
6.3.2配置串口驱动31
7系统调试与分析32
7.1连线32
7.2测试32
7.2.1启动服务器32
7.2.2手机与服务器通信测试33
7.2.3Zibgee之间的通信测试34
8总结与展望36
参考文献37
致谢38
附录39
附录一系统操作流程图39
附录二ubuntu服务端代码结构40
附录三ARM端代码结构47
1绪论
1.1课题研究的背景
在信息技术飞速发展的时代,智能手机的应用已经成为了对智能产品研究及应用的热点。
而同时,智能产品的发展也推动了智能家居的逐步兴起。
近几年,随着网络技术和信息技术的高速发展,人们对现代家居理念也在不断提升。
生活在城市中的人们越来越追求生活细节、简单和智能化,希望在日常家居生活中能随时随地的通过智能产品达到自己的生活享受。
特别是在近几年手机应用以成为了人们生活中不可或缺的一部分,越来越多的人希望通过手中的手机控制生活当中一的一些东西,比如空调、电视、门锁等等。
这些年,关于智能家居的报道不断的出现在媒体、报刊,智能家居成了人们经常讨论的话题,于是智能家居便由此产生。
1.2课题研究的目的及意义
本设计是为研究智能家居中的一个实际应用――智能锁。
课题研究是基于ZigBee无线传输协议中的无线家电和无线传感网络的特点,实现家电设备的完全网络化,通过嵌入式Web服务器接入Intemet实现对家用电器开关的整体协调监控,实现用智能手机远程控制家用电器,达到家居电器系统的智能化和网络化,让家庭更更舒适和智能化,真正的享受智能生活。
1.3国内外相关技术发展现状
1.3.1国外智能家居的发展状况
资料显示,世界上第一幢关于智能家居的建筑于1984年美国出现。
之后,美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家对智能家居提出了各自不同的方案。
智能家居的应用开始逐步显露出来。
三年前,“智能家居”在中国还只是一个概念。
而如今,随着科技的发展和人民生活水平的提高,中国的智能家居行业取得了迅猛的发展并日益渗透到普通百姓的生活当中。
一股智能家居新生代力量,以无限的活力与激情点燃了我们沉闷的生活。
数码屋、抗菌开关、光化照明、智能开关、智能家居系统,这些日趋熟悉与亲切的字眼,让我们欣喜地发现:
智能家居新时代来临了!
1.3.2国内智能家居的发展状况
智能家居在中国经历了近6年的起步阶段,发展速度缓慢,这主要是因为没有投入大量的资金,开发技术短期内也不成熟。
然而,随着网络通讯技术、系统集成技术、互操作能力和布线标准的发展的不断改进,逐步实现了智能家庭控制子系统之间的信息共享,使得系统安装方便、使用灵活。
预计在2005年~2007年间将逐步普及。
我国在《2000年小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案》中明确指出,将建设智能化住宅小区列入国家重点的发展方向。
这样方案的发布无疑促使智能化将从智能大厦建设转向普通住宅小区,乃至向个人家庭智能化的方向发展。
据国家建设部科技委智能建筑技术开发推广中心的报告称:
随着环保、健康、安全、舒适的智能家居逐步普及,家居智能化的比例会大幅增加,目前已达到20%左右。
并称“到2010年,大中城市中60%的住宅要实现智能化”。
按照目前市场对智能家居的大量需求显示,智能家居市场对智能产品的需求量将大幅度的增长。
1.4智能家居系统的特点和设计中考虑的因素
智能家居系统的实质是所有家居自动化、智能化。
简单的归纳成是一个家庭核心控制设备通过网络对家用电器的互连和控制。
1.4.1传统智能家居系统的特点和不足
智能家居是人们的一种居住环境,其以住宅为平台安装有智能家居系统,实现家庭生活更加安全,节能,智能,便利和舒适。
以住宅为平台,利用网络通信技术、综合布线技术、自动控制技术等将家居生活有关的家用电器集成,其中的一些技术发展己经相对比较成熟,而且在行业已经具有一定的标准性和通用性,但对于实际应用则还存在以下缺点:
1.标准不统一。
商人借助普通百姓对智能家居的模糊概念,大肆炒作。
2.智能家居功能越多,成本也越高,系统难以维护。
3.对联网的依赖程度太大,业主操作困难,问题出现时难以及时的维护。
1.4.2智能家居系统设计主要考虑的因素
针对目前智能家居控制领域存在的不足,本设计主要从技术发展的角度来考查设计中应考虑的要素。
从实际使用的角度来看,智能家居控制系统需要的是能为生活提供更为便利的低成本组网。
因此,在家居网络中,应该要考虑以下特点:
1.低成本智能家居控制网络中主要是家用电器和自动传感器终端节点,这种较大规模的网络需要一个低成本的节点组网技术。
2.跨平台整个系统需要适用于不同的家居环境。
3.自组织用户自身是难以对系统进行复杂的配置和管理,所以网络环境下各种资源的自组织和协同工作显得十分重要。
4.可扩展性系统不做大的改动情况下,能够自动地进行系统升级和维护。
5.嵌入式应用设备通过嵌入式技术嵌入模块,而非PC系统,直接接入Intemet实现信息交互的过程。
1.5课题研究的内容
在研究智能家居的领域中,家庭平台和家庭内外网络组网方式的多样化,决定了在实际应用中智能家居系统的实现方案也必定是多样化的。
考虑到国内外地家庭网络的研究现状,性能,成本以及市场发展等多方因素,本课题计划采用近两年才兴起的ZigBee无线网络技术来实现智能家居系统中的家庭内部网络连接,实现家庭内部传输和接收数据的目的。
本课题的主要研究和工作内容包括:
第1章:
绪论。
主要论述了课题的研究背景、研究意义及对国内外智能家居系统的研究现状及其发展趋势做一个简单的介绍。
第2章:
本章主要介绍对智能家居系统的总体设计。
第3章:
本章介绍家庭网络的组成,并详细介绍了ZigBee的技术特点、协议框架和各层协议的具体内容,说明选择ZigBee的理由。
第4章:
以嵌入式linux为平台,构建嵌入式WEB服务器,设计应用程序,并通过测试,实现整个系统功能。
第5章:
本章详细说明了Android手机移动终端的发展前景和在实际生活的应用,并且通过对各部分模块的详细介绍证实了该设计的可行性。
第6章:
本章详细介绍了ARM开发板的应用和主要特点,还针对其中常用的几个部件,如串口、USB接口进行了详细说明。
第7章:
系统调试,在设计的硬件和软件功能初步完成时,对各部分功能进行多次测试,进行数据整理和分析,保证系统的正确性。
第8章:
总结全文,对本系统中存在的优点和不足进行分析,展现对智能家居未来前景的美好期望。
本文围绕上面几个问题,寻找有效的解决方法,给出一个智能家居远程监控系统的设计例证。
2智能家居之远程监控系统总体设计方案
2.1系统功能分析
本系统采用的是一种在传统的C/S架构的基础上改进的C/S+M架构。
Android智能手机为客户端(Client)即控制端,个人电脑为服务器端(Server),ARM为执行终端的一套完整的智能家居控制系统。
Android手机端将家用电器配套遥控器的功能键映射到手机的应用程序界面中,用户可以操作手机按钮,通过wifi连接服务端将控制指令发送出去,电脑服务端接受到指令之后,解析处理指令将信息通过终端设备发送到ARM开发板上绑定的串口,进而控制与串口相连的ZigBee模块,通过控制LED灯的亮和灭可以观察到命令的执行。
系统总体框架见图1。
图1系统框架图
从总体上看个模块的运作,各模块实现的功能如下:
执行终端:
向服务器端发出访问信号,服务器端收到信号核实信号后,双方建立连接,控制ARM板读取连接Zigbee的串口数据,根据读取到的数据,控制继电器1和继电器2,使电机正转或反转,从而实现开锁和锁定。
服务器:
服务器端程序启动后,初始化服务器端程序,等待手机端访问。
通过Socket实现与手机客户端的通信,然后将手机客户端发过来的信息做出处理后写入与服务端相连Zigbee串口,并对客户端做出回应。
Zigbee通信:
Zigbee分为发送端和接收端,发送端与服务器连接,接收端与执行终端连接,发送端从串口中读取数据,通过无线发送给接收端,接收端再将数据写入串口。
手机客户端:
手机端程序启动后,向服务器端发出访问信号,服务器端收到信号核实信号后,双方建立连接。
用户通过手机客户端登录服务器,对家中智能设备进行实时操作。
从上面叙述中可大致看出本系统的结构。
下面将会对各个模块详细介绍其结构与设计。
2.2几种短距离无线网络的比较
有线网络存在的非常明显的一个缺点就是布线困难、扩展性差,因此,将无线网络技术取代有线网络,并且应用于家庭网络已成为不可阻挡的趋势。
目前,短距离无线通信技术中比较流行主要有蓝牙(Bluetooth)技术、红外(IrDA)技术、WiFi(IEEE802.11)技术和ZigBee技术。
(1)蓝牙技术
蓝牙技术是一种低成本、短距离、支持点对点和点到多点通信的无线通信技术,能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信,也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信,从而数据传输变得更加迅速高效,为无线通信拓宽道路。
但由于蓝牙技术协议过于复杂、芯片成本较高。
(2)红外技术
红外(IrDA:
InfraredDataAssociation)是一种无线通讯方式,可以进行无线数据的传输。
红外传输是一种点对点的传输方式,无线,不能离的太远,要对准方向,且中间不能有障碍物也就是不能穿墙而过,几乎无法控制信息传输的进度;
(3)无线局域网技术
无线局域网(WLAN,WirelessLocalAreaNetwork)提供可靠、安全、快速的无线连通性技术,是无线局域网使用的主要技术标准,也是局域网技术的一个热点。
并且其盖范围较远,可达100米左右。
(4)ZigBee技术
ZigBee是一种功耗低、传输速率低、成本低的无线通信技术,尤其适合于近距离的通信。
ZigBee技术的物理层、MAC层采用了IEEE802.15.4协议标准,在此基础上ZigBee联盟对其网络层、应用会聚层和高层应用规范进行了标准化与必要的完善和扩展。
ZigBee技术专注于10Kbps到250Kbps的低速率传输应用,主要适合于自动控制和远程控制领域。
ZigBee技术专注于10Kbps到250Kbps的低速率传输应用,主要适合于自动控制和远程控制领域。
表1种无线通信技术的比较
规范工作频段传输速率最大功耗连接设备数主要用途
红外850mm1.521/4/1610mW2直线短距摇控
蓝牙2.4GHz1/2/3100mW7个人网络
WLAN2.4GHz54100mW255无线局域网
ZigBee868/915MHz0.02/0.04/0.253mW65535家庭网络、传
/2.4GHz感器网络
表1给出了几种常用的短距离无线网络通信技术在工作频段、传输速率、功耗、连接设备数上的比较。
由此表不难看出,无论是蓝牙技术、红外技术、无线局域网技术还是ZigBee技术,它们在各个方面都具有各自的优缺点,因此,我们可以在不同的场合选择合适的通信技术。
在此,通过比较,我们选择ZigBee作为家庭无线局域网通信技术。
2.3系统总体功能设计
图2智能家居系统的功能模块图
图2为智能家居系统的功能模块图,从图中可以看出,智能家居系统主要由人机控制界面、家庭网关、ZigBe节点以及家庭内部核心ARM服务器几部分组成。
家庭网络又分为家庭外网和家庭内网两部分,分别为Internet网和ZigBee无线网。
家庭网关是该系统的核心控制所在,主要为嵌入式Web服务器和内部无线网络协调器两部分。
操作者可以由协调器提供的各种远程智能控制接口连接到Intemet的PC机访问Web页,进而对家庭中的终端控制节点进行数据访问或者控制。
2.3.1Android手机端设计方案
本次设计的测试手机是Android的索尼。
手机控制端所提供的给用户的操作界面需要在eclipse的SDK环境下进行开发。
该操作界面需要实现登录、自由添加按键、修改按键等基本功能。
由上文可知,用户操作主要是通过ZigBee无线网络进行数据传输,即还需要提供手机控制端和服务器的通信协议入口。
图3所示为手机控制端工作流程。
图3手机端工作流程设计
本系统中Android手机端的开发有以下几个步骤:
1、搭建应用程序开发环境,此处为基于eclipse的SDK环境;
2、界面布局设计,给操作用户提供一个简洁、友好的操作界面;
3、分析各部分功能,根据功能需求设计设计出一个基本开发框架;
4、选择合适的手机和ARM通信方式,设计出适合本系统的无线通信应用程序;
5、搭建服务器,进行服务器结构设计,并在Android应用程序中提供用户和服务器通信协议入口。
2.3.2ARM控制端设计方案
本系统ARM控制端设计分硬件和软件两部分,硬件部分包括处理器外围电路和接口设计、ZigBee串口收发电路设计。
软件部分包括Android手机终端界面设计、ubuntu服务器设计、串口收发数据驱动设计、系统执行终端设计。
系统开发的关键是根据各部分的功能需求,选择合适的硬件系统,并通过软件实现相应的功能,具体开发步骤如下:
1、选择系统控制的核心处理器,熟悉处理器结构,搭建硬件开发环境;
2、处理器用户手册解读,熟悉处理器软件设计架构,并进行软件开发环境搭建;
3、硬件电路设计,包括无线通信网络、处理器外围接口和串口三部分电路设计,并针对不同工作情况进行调试;
4、串口驱动开发,可以正确接收手机控制端发来的用户指令,并进行解析、存储和传送到执行终端并执行。
5、将手机应用程序、ubuntu服务器和ARM端的无线网络全部连接起来进行系统总体测试。
2.4本章小结
本章对智能家居系统实现的各部分功能进行了详细的分析,并在ARM控制端和Android手机控制端之间选择了一种最合适的通信方式,还介绍了这两部分功能的具体开发步骤,为该设计接下来的工作。
3ZigBee家庭网关的实现
3.1引言
现如今,随着计算机技术的飞速发展,相应的通信技术、嵌入式技术、信息家电的也跟着有了较快的发展,建立家庭网络已经成了家庭的必需品。
对于家庭网络而言,家庭网关是整个家庭网络的核心。
它主要实现外部网络通过无线局域网接入Internet进行远程控制,以及连接家庭内部网络之间相互通信的功能。
由于ZigBee是一种新兴起的的适合短距离无线通信的技术,并且是专为低速率、低功耗的无线互联应用而设计的,ZigBee
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