【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 體系為客戶提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。 智能家居一方面是追求高品質(zhì)生活的期望，另一方面是人們對(duì)智能生活向往的具體提現(xiàn)。這種愿望將會(huì)促使智能家居往更安全、更舒適、更便利的方向發(fā)展。未來的智能家居能夠完美地把安全防范、環(huán)境監(jiān)測(cè)、娛樂措施這些點(diǎn)點(diǎn)滴滴融入到家庭生活中，讓人們的居家生活得到根本地改善。 主要內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)目標(biāo) 研究內(nèi)容一個(gè)完整的智能家居控制系統(tǒng)的解決方案，需要研究和解決的內(nèi)容主要包含以下幾個(gè)方面：（1）如何實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的功能：包括系統(tǒng)的初始化，對(duì)子系統(tǒng)的調(diào)度和管理，用戶管理，數(shù)據(jù)的接受發(fā)送及處理。（2）如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)的功能：包括對(duì)非法入侵的報(bào)警，對(duì)溫度濕度等物理量的采集，對(duì)空調(diào)、燈光等家電設(shè)備的控制，對(duì)煤氣泄漏的探測(cè)，以及三表抄送功能的實(shí)現(xiàn)。5 / 49（3）如何實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)：包括采用什么樣的方式接入網(wǎng)絡(luò)，該方式的實(shí)現(xiàn)方法，需要支持哪些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，協(xié)議的工作原理等問題。（4）如何實(shí)現(xiàn)客戶終端對(duì)遠(yuǎn)程系統(tǒng)設(shè)備的訪問和控制功能:包括系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，控制傳感器進(jìn)行溫度濕度的采集，打開或關(guān)閉空調(diào)燈光等電器，讀取水電氣表的數(shù)據(jù)。（5）客戶終端的設(shè)計(jì)，由于系統(tǒng)內(nèi)嵌 Web 服務(wù)器 ，所以采用網(wǎng)頁瀏覽器來作為系統(tǒng)的客戶端，不用單獨(dú)的開發(fā)客戶端的應(yīng)用程序。 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)智能家居控制系統(tǒng)能夠接入網(wǎng)絡(luò)，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問，并且可以通過對(duì)圖形界面參數(shù)的配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)家電設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制。（1）安防系統(tǒng)：紅外探測(cè)器能夠檢測(cè)到非法入侵，啟動(dòng)報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)；煤氣探測(cè)器可以探測(cè)到煤氣泄漏的異常，進(jìn)而啟動(dòng)報(bào)警器。（2）三表抄送系統(tǒng)：能夠定制時(shí)間采集三表的數(shù)據(jù)、也可以采用事件觸發(fā)的方式隨時(shí)對(duì)三表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并且具有存儲(chǔ)的功能，方便查詢。（3）家電控制系統(tǒng)：完成溫度濕度數(shù)據(jù)采集，根據(jù)室內(nèi)環(huán)境的變化自動(dòng)調(diào)整空調(diào)、照明燈具和電動(dòng)窗簾的狀態(tài)。（4）智能家居系統(tǒng)能夠接入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，客戶可以在任何一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)上通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器訪問系統(tǒng)，設(shè)置室內(nèi)溫度濕度，查看空調(diào)電燈等電器的工作狀態(tài)并進(jìn)行控制，瀏覽系統(tǒng)日志，查詢有無報(bào)警信息，對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的功能。第 2 章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)本論文主要是根據(jù)國內(nèi)市場(chǎng)需要,設(shè)計(jì)一套廉價(jià)實(shí)用的智能家居控制系統(tǒng)。因此在開發(fā)設(shè)計(jì)之前,必須明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和原則,需要釆用哪些成熟的技術(shù),以及這些技術(shù)各自的特點(diǎn)。只有這樣才能良好順利的完成系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和原則在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)前,需要對(duì)整體的設(shè)計(jì)流程有合理科學(xué)的規(guī)劃才能起到事倍工半的效果。通過分析對(duì)國內(nèi)外市場(chǎng)上已有的智能家居系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象、功能對(duì)比,尋找市場(chǎng)的空白。本課題的設(shè)計(jì)目的是設(shè)計(jì)完成一套適合普通收入居民生活所需的智能家居系統(tǒng)。因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要遵守以下的規(guī)則:（1）簡(jiǎn)單方便由于現(xiàn)在市面上大多數(shù)的智能家居系統(tǒng)主要定位于高收入者、公司高層管理人員者的住宅控制系統(tǒng),方便金領(lǐng)的生活和工作。所以對(duì)于目前大多數(shù)普通家庭日常生活而言很多功能并不實(shí)用,操作的界面也過于花哨,并不方便普通家庭的生活需求。因此簡(jiǎn)單方便實(shí)用是本系統(tǒng)的主要原則。（2）價(jià)格便宜智能化居家產(chǎn)品發(fā)展了 10 多年,在我國使用率并不高,其中很重要的原因是價(jià)格過于昂貴,并不是普通家庭所能夠消費(fèi)的起。要做到價(jià)格實(shí)惠,必須在滿足普通家庭生活所需的功能外,去掉多余的功能,減少研發(fā)成本。在器件選擇上選用便宜,技術(shù)成熟,方便開發(fā)的模塊。選擇高性價(jià)比芯片和開源的軟件。（3）維護(hù)方便維護(hù)方便就是要求用戶在使用過程中不用太多的維護(hù),可擴(kuò)展性強(qiáng)。在用戶需要新的功能時(shí),方便進(jìn)行日后的優(yōu)化升級(jí)。所以在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候設(shè)計(jì)的功能模塊盡量進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),在系統(tǒng)部件故障需要維修時(shí),方便維護(hù)。（4）可靠性強(qiáng)一個(gè)成熟優(yōu)秀的系統(tǒng)必須具有良好的可靠性,本論文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)也必須滿足這個(gè)客觀規(guī)律。開發(fā)系統(tǒng)時(shí)就必須結(jié)構(gòu)合理,穩(wěn)定可靠軟硬件資源,各個(gè)環(huán)節(jié)使用成熟的技術(shù)。 總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)是以基于 CortexM3 為內(nèi)核的 STM32 微處理器為嵌入式控制器的核心 CPU,通信協(xié)議選擇 TCP/IP 協(xié)議族中的 uip 協(xié)議,上位機(jī)采用 VC++實(shí)行監(jiān)控,以此組建本論文家居控制系統(tǒng)的控制中心,向外部的設(shè)備模塊收發(fā)信號(hào)來控制實(shí)際的外圍設(shè)備,從而實(shí)現(xiàn)家電控制和對(duì)室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如下:7 / 49家 居 安 防 系 統(tǒng)照 明 控 制 系 統(tǒng)水 電 控 制 系 統(tǒng)互 聯(lián) 網(wǎng) 遠(yuǎn) 程 控 制 系 統(tǒng)環(huán) 境 控 制 系 統(tǒng)電 器 控 制 系 統(tǒng)L I N總線接口電 視 音 響 控 制 系 統(tǒng)服務(wù)器外 接 網(wǎng) 口圖 21 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)采用基于 CMOS 攝像頭的異常監(jiān)測(cè)模塊對(duì)室內(nèi)重點(diǎn)的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控,將拍攝到的圖片通過圖像的壓縮模塊和存儲(chǔ)模塊,將圖片以 JPEG 的格式通過串口一傳送到 STM32F103 處理器。處理器可以通過串口二直接將圖片通過 GPRS 模塊傳送給遠(yuǎn)程控制端的手機(jī)或者 PDA。同時(shí),處理器也可以對(duì) CMOS 攝像頭所傳送的圖片進(jìn)行運(yùn)算分析后,使用環(huán)境異常監(jiān)測(cè)算法對(duì)所監(jiān)測(cè)的室內(nèi)環(huán)境范圍進(jìn)行識(shí)別判斷。如果發(fā)生異常環(huán)境入侵情況,處理器立即向用戶發(fā)送 MMS 報(bào)警信息,在用戶查看圖片授權(quán)確認(rèn)后,處理器根據(jù)用戶的設(shè)置,進(jìn)行操作,如:聯(lián)網(wǎng)報(bào)警、儲(chǔ)存可疑人員圖像、系統(tǒng)復(fù)位、更新系統(tǒng)背景圖片等。而且本系統(tǒng)通過其他的家居感應(yīng)器,如:對(duì)煤氣、煙霧等危險(xiǎn)因素進(jìn)行監(jiān)控,發(fā)生可疑情況時(shí) ,系統(tǒng)通過 SMS 短息向用戶報(bào)警。用戶能夠任意場(chǎng)地時(shí)間通過 SMS 短息向系統(tǒng)查詢監(jiān)測(cè)情況,也可以遠(yuǎn)程使用 SMS 短息控制家居燈光控制模塊開啟想要開啟的燈、電風(fēng)扇等設(shè)備。 遠(yuǎn)程控制接口隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷普及，使得互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)深入到人們生活的每個(gè)角落，智能家居系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程控制能力，已經(jīng)成為家居系統(tǒng)必須具備的功能。目前主要有兩種遠(yuǎn)程控制的方式，基于瀏覽器的 PC 訪問和電話線的遠(yuǎn)端控制，前者其實(shí)現(xiàn)是通過以太網(wǎng)控制芯片提供 RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口，經(jīng)由雙絞線接入網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)控制芯片同 ARM 處理器一起可以提供 10100M 的網(wǎng)絡(luò)通道，然后在此硬件基礎(chǔ)上安裝 Linux 操作系統(tǒng)，在其上實(shí)現(xiàn) Web 服務(wù)器的功能，并利用操作系統(tǒng)支持的 TCP/IP 協(xié)議，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行控制；后者是在中央控制系統(tǒng)中嵌入語音控制芯片，以此來實(shí)現(xiàn)電話語音控制功能，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。 室內(nèi)控制接口為了給用戶提供方便、快捷的近距離控制方式，中控系統(tǒng)需要支持多種通用的室內(nèi)控制接口，其中有 LCD 顯示接口，觸摸屏的輸入接口以及紅外遙控接入接口。其中 LCD 接口是比較常見的用于圖形界面顯示的接口，并且在現(xiàn)行的微處理器上，都集成了該接口，簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)的開發(fā)帶來了便利；觸摸屏作為輸入設(shè)備已經(jīng)成為嵌入式設(shè)備應(yīng)用的焦點(diǎn)，考慮到家居系統(tǒng)中控制按鈕的種類繁多，按鈕的形式和要求各不相同，因此在 LCD（液晶顯示器）上根據(jù)不同的場(chǎng)景，提供不同的觸摸屏按鍵輸入是符合智能家居系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用需要的。對(duì)于紅外遙控控制方式的支持主要是基于當(dāng)前家居設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀的考慮，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的家電設(shè)備一般不提供控制接口，即便有些新型家電提供了相關(guān)的控制接口，但是這些接口類型差異性也很大，無法做到控制接口類型的歸一化，因此在一個(gè)平臺(tái)上對(duì)多種不同類型接口的信息家電進(jìn)行控制是很困難的，盡管如此，常用的家電設(shè)備一般都會(huì)提供紅外控制接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)家電設(shè)備的近距離控制，為智能家居系統(tǒng)提供統(tǒng)一的控制接口提供了一個(gè)很好的解決途徑。 自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的具體功能，主要實(shí)現(xiàn)溫度濕度的采集，非法入侵報(bào)警，煤氣泄漏檢測(cè)，多表抄送，空調(diào)、照明燈具和電動(dòng)窗簾等家用設(shè)備的控制。該系統(tǒng)包含四個(gè)子系統(tǒng)：安防子系統(tǒng)、三表抄送系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、家電控制系統(tǒng)。其中安防系統(tǒng)是通過在出入口安裝紅外探測(cè)器，當(dāng)有人非法入侵時(shí)，可以發(fā)送報(bào)警信號(hào)觸發(fā)聲光報(bào)警器，提示用戶有異常情況發(fā)生；采用煤氣探測(cè)器來檢測(cè)煤氣濃度，判斷煤氣是否發(fā)生泄漏，若有異常則發(fā)出報(bào)警，控制系統(tǒng)則采取必要措施消除隱患；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量和開關(guān)量進(jìn)行采集，在該系統(tǒng)中采用溫度濕度傳感器對(duì)室內(nèi)的溫度濕度進(jìn)行采集，在此選擇了檢測(cè)元件為鉑電阻的溫度傳感器和測(cè)量元件為有阻性輸送聚合物的濕度傳感器，傳感器通過模擬輸入接口接入控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)的采集和傳輸，開關(guān)量通過開關(guān)量輸入/輸出接入控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)空調(diào)、照明燈具和電動(dòng)窗簾等家電設(shè)備開關(guān)狀態(tài)的監(jiān)控和控制；家電控制系統(tǒng)由空調(diào)、照明燈具和電動(dòng)窗簾等家用裝置組成，來執(zhí)行最后的功能，改變室內(nèi)的溫度濕度，改變燈光的強(qiáng)度，窗簾的狀態(tài)；9 / 49三表抄送系統(tǒng)通過串口同中央控制系統(tǒng)相連，根據(jù)控制指令讀取數(shù)字水電氣表的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送到顯示終端，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化抄表的功能。安防系統(tǒng)、三表抄送系統(tǒng)和家電控制系統(tǒng)中的各種類型的設(shè)備分別采用不同的接口接入中央控制系統(tǒng)，由中央控制系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度。 通信協(xié)議／IP 協(xié)議棧TCP／IP 協(xié)議棧是一個(gè)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上通信的協(xié)議族，這組協(xié)議使得不同平臺(tái)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)成為可能，它是一個(gè)真正開放系統(tǒng)，最早起源于一個(gè)關(guān)于分組交換網(wǎng)絡(luò)研究的項(xiàng)目，后來發(fā)展成為 Inter 事實(shí)上的通信標(biāo)準(zhǔn)。TCP/IP 協(xié)議采用分層的結(jié)構(gòu)形式，總共分成四層，是對(duì) OSI 結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，包含應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層，它們每一層都實(shí)現(xiàn)了不同的功能模塊和通信協(xié)議，并且每一層都為上一層提供支持。其結(jié)構(gòu)如下圖所示：H T T P 協(xié)議 、 F T P 協(xié)議A R P 協(xié)議 、 I E E E 8 0 2 . 2 ( 以太網(wǎng)協(xié)議 ）I C M P 協(xié)議 、 I P 協(xié)議T C P 協(xié)議 、 U D P 協(xié)議應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層圖 22 TCP/IP 協(xié)議四層結(jié)構(gòu)模型其中鏈路層主要實(shí)現(xiàn)了底層同物理介質(zhì)相關(guān)的數(shù)據(jù)通信，它們采用數(shù)據(jù)幀的形式，完成物理介質(zhì)間的數(shù)據(jù)傳輸；網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)了分組數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸，是 TCP/IP 協(xié)議的核心，該層的協(xié)議主要有 IP 協(xié)議、ICMP 協(xié)議，能夠?qū)鬏斿e(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的丟棄處理，并且產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤信息反饋到發(fā)送端；傳輸層實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)主機(jī)之間端到端的數(shù)據(jù)通信，該層的協(xié)議主要有 TCP 協(xié)議和UDP 協(xié)議；應(yīng)用層負(fù)責(zé)處理特定的應(yīng)用程序細(xì)節(jié)，應(yīng)用層的協(xié)議一般有HTTP（超文本傳輸協(xié)議）Tel(遠(yuǎn)程登錄協(xié)議)、FTP(文件傳輸協(xié)議)、SMTP(簡(jiǎn)單郵件傳送協(xié)議) 、SNMP( 簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)等上層的應(yīng)用，完成上層數(shù)據(jù)通信的需要。 傳輸控制協(xié)議（TCP） TCP 傳輸控制協(xié)議是傳輸層的協(xié)議，對(duì)應(yīng)于 OSI 第四層，它采用 IP 協(xié)議提供了一種面向連接、可靠的字節(jié)流傳輸服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了在主機(jī)之間建立面向連接的數(shù)據(jù)傳輸，TCP 協(xié)議不但提供了流量控制和錯(cuò)誤重傳機(jī)制，還可以對(duì)無序的數(shù)據(jù)進(jìn)行重排。由于 TCP 協(xié)議是面向連接的通信協(xié)議，所以在主機(jī)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，必須先建立連接，才可以提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，而數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詣t由以下措施來保障：TCP 發(fā)送端將要發(fā)送的數(shù)據(jù)分成多個(gè)合適大小的數(shù)據(jù)塊，然后把數(shù)據(jù)塊傳遞給 IP 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，一般將 TCP 發(fā)送給 IP 的信息單元稱為報(bào)文段；當(dāng)TCP 發(fā)送端發(fā)出一個(gè)報(bào)文段后，會(huì)激活一個(gè)定時(shí)器，如果在一定的時(shí)間內(nèi)沒有收到 TCP 接收端收到該報(bào)文段的確認(rèn)，TCP 發(fā)送端將會(huì)把該報(bào)文段重新發(fā)送一次；當(dāng) TCP 接受端接受到發(fā)送端發(fā)送的報(bào)文段后，會(huì)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信息，一般這個(gè)確認(rèn)信息將會(huì)延遲幾分之一秒后才發(fā)送；發(fā)送的報(bào)文段中包含它首部和數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和，用來驗(yàn)證數(shù)據(jù)在傳送過程中是否發(fā)生異常，如果 TCP 接收端計(jì)算得出的數(shù)據(jù)校驗(yàn)和與報(bào)文段中的校驗(yàn)和不符，TCP 接受端將會(huì)丟棄該報(bào)文段并且不發(fā)送接受確認(rèn)信息，讓 TCP 發(fā)送端重發(fā)該數(shù)據(jù)；由于 TCP 報(bào)文段是封裝在 IP 數(shù)據(jù)包中傳輸?shù)模@就有可能導(dǎo)致 TCP 報(bào)文段不會(huì)順序到達(dá)，TCP 接收端需要對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排序，也有可能接受到重復(fù)的報(bào)文段，因此需要把多余的報(bào)文段丟棄，然后將正確的報(bào)文段提交給應(yīng)用層。 經(jīng)過上面的操作，TCP 發(fā)送端和 TCP 接收端完成了數(shù)據(jù)的正確可靠的傳輸。除了以上的操作外，TCP 協(xié)議還支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)牧髁靠刂?，其?shí)現(xiàn)原理是接收端和發(fā)送端都有固定大小的緩沖空間，TCP 接收端只能接受其緩沖區(qū)允許大小的數(shù)據(jù)，發(fā)送端每次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，都要根據(jù)接收端反饋的信息來調(diào)整發(fā)送數(shù)據(jù)的大小，通過這種策略來防止數(shù)據(jù)傳輸阻塞和數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象的發(fā)生。另外，TCP 對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸是透明的，不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行解釋，對(duì)字節(jié)流的解釋工作完全交由應(yīng)用層來完成。11 / 49TCP 協(xié)議首部 TCP 首部的格式如下圖所示：16 位的源端口號(hào) 16 位的目的端口號(hào)32 位的序號(hào)32 位的確認(rèn)序號(hào)4位首部長度保留（6 位）URGACKPSTSYNSTN16 位的窗口大小16 位校驗(yàn)和 16 位的緊急指針可選項(xiàng)封裝的數(shù)據(jù)圖 23 TCP 首部的格式從圖中可知，TCP 首部最少 20 個(gè)字節(jié)，主要包括以下各域：16 位的源端口號(hào)和目標(biāo)端口號(hào)：該域是用來指定發(fā)送方和接受方的端口號(hào)，TCP 協(xié)議同 UDP 協(xié)議是不同的，在此 TCP 的源端口號(hào)必須指定，因?yàn)?TCP 協(xié)議是面向連接的，一個(gè) TCP 連接的建立必須由發(fā)送和接收兩方的 IP 地址和端口號(hào)組成，這是由于一個(gè)端口號(hào)可以被多個(gè)不同的連接所重用，因此兩個(gè)端口號(hào)都要設(shè)置，才能確認(rèn)該數(shù)據(jù)段所屬的 TCP 連接，否