嵌入式智能家居控制系统软件设计.doc

嵌入式实验室设备建设

本科生毕业设计（论文）开题报告

论文题目： 嵌入式智能家居控制系统
软件设计

学 院： 电气工程学院
专业班级： 自动化1204
学生姓名： 刘芳春
学 号： 120302433
导师姓名： 王通
开题时间：2016年 3 月 18 日

1.课题背景及意义
1.1课题研究背景、目的及意义
目前，几乎所有家庭都有使用各种电器设备，电视、电灯、空调、冰箱等。然而，就当前情况来说，这些设备总是被看成单个的、独立的个体使用，而极少出现一个专门的系统来管理它们、或是将它们糅合为一个具有一定 “智慧”的设备集合体。这不仅使得设备使用者不得不在控制和管理这些设备上消耗大量时间和精力， 而且容易造成设备使用效率不高， 浪费宝贵的能源，这不符合节能环保的国家政策方针。
基于这个事实，智能家居的概念应运而生。智能家居又被人们称智能住宅[1]， 在国外也叫做 Smart Home 。智能家居是以个人住所为单位，以控制技术、通信技术计算机技术为基础，以提升人们的日常家居生活为目的的家居控制和管理系统[2]。
由于智能家居是一个最近才得到快速发展的行业，当前有许多地方并未得到充分的研究，也有许多研究成果并未能转化成为实际产品。探寻其本质因素有两个。其一，大多数已有的智能家居产品是针对高消费人群设计和开发的，而没有顾及到占人口绝大多数的低端消费人群。因此，其市场本身就不会太大。其二，许多开发出来的产品在性能上并不完全让消费者满意。当前已有的产品中的大多数，或是存在功能单调、或是存在使用不方便等各种缺乏吸引力的不足之处。
为了改善这一现状，软件部分设计就成了必不可少的工作，软件部分以软件开发平台为核心，向上提供应用编程接口，向下屏蔽具体硬件特性的板级支持包。嵌入式系统中，软件和硬件紧密配合，协调工作，共同完成系统预定的功能。嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件的一体化程序。对于嵌入式软件而言，系统软件和应用软件的界限并不明显，原因在于嵌入式环境下应用系统的配置差别较大，所需操作系统裁剪配置不同，I/O 操作没有标准化，驱动程序通常需要自行设计[3,4] 。
嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式系统中应用越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用中[5]。它与实时应用软件相结合成为有机的整体起着核心作用，由它来管理和协调各项工作，为应用软件提供良好的运行软件环境和开发环境。µC/OS-II 是一个完整的，可移植、固化、裁剪的占先式实时多任务内核。它通过了美国联邦航空管理局商用航行器的认可，符合航空无线电技术委员会对用于航空设备方面所使用的软件性能提出的DO-178B标准认可。目前已有数百个商业应用的µC/OS，该操作系统的稳定性和可靠性得到了充分的肯定[6,7]。该操作系统在智能家居领域中的应用也越来越广泛。因此对于嵌入式智能家居操作系统的研究也越来越有必要。
1.2 课题国内外研究现状及趋势
随着全球化信息产业第三次浪潮的兴起，智能家居出现在 普通人们的视
野之中。
上个世纪八十年代，随着电子技术的提升和成熟，非常多的上市家用电器都采用了电子技术。面对日益增多的家用电器，人们迫切希望出现一种自动化或者是智能化的家电管理系统。八十年代中期，出现了住宅自动化概念（HA，Home Automation)[8]，即，将家用电器、通信设备和安防设备这些传统上认为独立的功能整合为一个整体。八十年代末期，由于通信与信息技术出现突破性发展，开始逐渐出现了一些专门的商用系统，系统利用总线技术对住宅中的各种家电、安防和通信设备实现控制、监视和管理。
1984 年，美国联合科技公司（United Technologies Build ing System建成了全世界首栋类似于智能家居的“智能型建筑” CityPlaceBuilding，这是人们第一次见识到的建筑设备信息化、整合化的建筑物。从此以后，许多公司和机构纷纷加入搭建智能家居队列之中。 比如，MIT、西门子、思科、IBM 、Xerox、微软等国际巨头。
2003 年，Housing Learning & Improvement Network 发布了一种对智能j家居的定义，并开展了 DTI 智能家居项目[9]。Nektarios Papadopoulos 等提出并研究了一种连接家庭平台 （CHP） 和智能家居应用开发平台的架构[10]。 Dae- Man
Han 和 Jae- Hun Lim 提出和研究了一种基于 ZigBee 技术的智能家居能量管理系统[11]。有学者描述了一种智能家居系统管理协议的设计和实现[12]。还有人使用 ZigBee 或者蓝牙作为局域联网技术，使用万维网作为远程接入技术[13].
智能家居在国内的发展时间虽然较短，但是也取得了很大进步。与此同时，国内智能家居行业虽然正处于初步发展阶段，但是目前的发展非常迅速[14]。
2003 年，由联想带头、众多单位参与的“信息设备资源共享协同服务”标准工作组正式成立，这就是大家都耳熟能详的“闪联”[15][16]。2004 年，海尔公司率领多个厂家协同推出新网络家电标准“e 家佳”[17][18][19]。此后不到一年，信息产业部确定“闪联” 和 “e 家佳” 为行业推荐性标准。 2012年，长虹公司推出自主研发的具有 5 种场景的智能家居体验馆，系统将多种应用场景和设备智能控制方式有机结合，形成一个家庭控制系统[20]。市场上其它比较成熟的解决方案有海尔家庭系统，TCL 的智能家居系统等。
经过这些年的发展，我国的智能家居已经有了自己的特色。从最开始只能控制单一的设备，如控制灯光、远程抄表，发展到现在已经将多个控制单元融入一个系统，方便统一管理。从最开始各公司各自制定私有接口协议、开发自己私有的产品，到智能家居联盟开始着手起草通用接口和协议。从最初一些能力有限小公司的小规模投入，发展到联想集团、海尔等大公司开始大力投入该领域。
现今，在智能家居领域中有几款杰出的产品。Honeywell Smart Home 在中国大陆名叫 MoMas，随着数字技术和移动控制成为当今的主流，该公司生产的产品具有丰富的、时髦的控制终端应用。用户只需要将应用安装到支持WIFI 的手机或平板电脑灯移动终端上，然后动动手指便可以轻松控制电灯、空调等家用设备，实现了一键控制多种设备的目的。Control4 是一家专业设计和生产家庭自动化控制产品及其解决方案的公司。由于开发的产品大多是基于 IP 技术，因此其产品具有性能好、经济实惠、并且支持很多时髦的技术。其家庭内部网络一般采用 Zigbee 或者 WIFI，很方便在那些房屋已经装修好的家庭使用。
目前，智能家具在全球都呈现良好的发展趋势，嵌入式智能家具在美国、德国、新加坡、日本等都有广泛的应用[21]，在国内，智能家具也已经走过了概念期，正是基于对智能家具市场发展前景的展望，使得越来越多的企业介入智能家具这个行业，随着科学技术的迅速发展和嵌入式技术的不断提高，我国的嵌入式智能家具系统也会越来越完善，嵌入式智能家具系统软件技术也会不断提高。
今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元，在国内，“维纳斯计划”和“女娲计划”一度闹得沸沸扬扬，机顶盒、信息加电这两年更成了IT热点，而实际上这些都是嵌入式系统在特定环境下的一个特定应用。据调查，目前国际上已有两百多种嵌入式操作系统，而各种各样的开发工具、应用于嵌入式开发的仪器设备更是不可胜数。我国信息化与全面小康社会建设对嵌入式系统市场提出巨大需求，信息家电产品年需求量几亿台，每一类数字化家电产品都有千万台市场需求量，工业控制用嵌入式系统有百十万台套需求量，商用嵌入式系统需求量几百万台。我国己有集成电路及PCB印刷电路板产品的大批量生产能力，出口的嵌入式应用产品亦将逐步增长，在全球市场也可占有一席之地。2005年我国嵌入式计算机创造上千亿元的效益，嵌入式计算机是信息、产业新的经济增长点。国内外的市场为我国嵌入式系统产业提供大有作为的广阔天地[22][23]。
随着嵌入式应用的日益普及，实时操作系统在嵌入式系统设计中的应用也受到普遍关注，越来越多的公司开始开发实时操作系统，而且越来越多的工程师使用实时操作系统。如今已有二百多种嵌入式实时操作系统，在长期应用与商业竞争中己逐渐形成了一些较为成功的嵌入式操作系统。据统计，仅用于信息电器的嵌入式操作系统就有40种左右，其中较为流行的主要有：Windows CE、Palm OS、Real-Time Linux、VxWorks、PSOS、PowerTV以及μC/OS。μC/OS是源码公开的实时嵌入式操作系统，后来推出的μC/OS-Ⅱ是μC/OS的升级版本。
在智能家居领域中，主流的系统架构主要有 C/S、B/S 两种方案。网络通信方面主要 是基于以太网、ZigBee 、GPRS、WIFI、电力线载波、红外、蓝牙等。协议方面， 国内主要使用的有， 国外开发的 X10[24]、 EIB、 CE bus[25]、LonWork[26]、EHS 等，国内开发的闪联、e 家佳等。

2 毕业设计研究内容及任务
2.1研究内容
嵌入式系统通常包括软件和硬件两部分。本文正是基于嵌入式系统的硬件部分开发相关的软件部分。根据硬件功能编写对应的驱动程序，及在操作系统上编写应用程序及界面。主要工作是将实时操作系统µC/OS-II移植到基于ARM7核的微控制器上，为微控制器上的软件开发提供一个操作系统平台。实现对家庭提供电源控制、家电控制（如电视机、空调、冰箱、电饭煲、淋浴器、微波炉等）、门窗控制、检测报警系统、灯光控制等。本课题提出了一种基于μC/OS-Ⅱ的嵌入式网络控制系统。首先是要在目标平台上成功移植μC/OS-Ⅱ操作系统，然后在该操作系统上运行网络控制系统。其中μC/OS-Ⅱ操作系统在移植过程中根据控制系统的需要来进行剪裁。以便精简操作系统，减少不必要的代码。
2.2设计思想及设计方案
根据前面的分析，本文中的智能家居系统总体架构为 C/S 模型，上位机服务器是整体系统的服务器，上位机客户端和家庭网关是系统中的客户端。
用户操作上位机软件，通常安装在 PC 机、平板电脑和智能手机等终端上选择受控设备及其控制目的。 软件将用户的操作编码并形成具有一定格式的据帧，并且通过网络发送给家庭网关。家庭网关进一步将数据帧发送给相应的智能控制终端，智能终端再对接收到数据进行解析，根据数据帧中的命令来执行相应的控制动作，从而完成对目标受控设备的控制。控制结果会被反馈给用户端软件，并通过友好的界面呈现给用户观看。
系统由这几个部分构成：客户端、服务器、家庭网关、智能控制终端。其中客户端和服务器处于上位机侧，以安装在智能手机、平板、家用电脑等设备上的软件的形式出现。而家庭网关和智能控制终端属于下位机部分，以实体形式存在。如下图示：

图1 智能家居系统结构框图
系统共有四个部分四个部分在系统中所充当的角色以及功能分别如下：
客户端软件：客户端软件属于整个系统的上位机侧，其主要作用有以下几个。一、为用户提供一个友好的用户界面，在整个智能家居系统中，用户通过这个用户界面便可以控制整个系统的运行情况。二、将用户的操作转换成便于机器处理和便于通信的数据，并通过相应通信方式传递给家庭网关。三、从家庭网关接受数据，并将数据转换为便于用户观看的格式。四、记录和统计历史数据，便于查阅。
服务器软件：服务器软件也是上位机侧的一个重要的组成部分，其主要作
用如下。一、处理用户上下线请求。如，与上线用户建立连接，与离线用户断开连接；二、可以多用户同时上线。一般来说，一个家庭的成员不会只有一个，因此系统支持多个用户同时登陆是很有意义的；三、管理在线用户，记录用户日志；四、便于实现内网穿越。单独设计的服务器具有这样的优点，有效地避开内网防火墙对客户端通信的阻碍，实现内网穿越。
家庭网关：家庭网关属于下位机侧的重要组成部分，其主要功能包括：一、连接外网和内网。家庭网关通过对收到的信息重新打包，实现不同网络协议之间可以正确通信，即外部网络与内部网络可以正确通信；二、提供过滤和安全功能通过对接收到的信息进行判断，家庭网关可以滤掉不符合要求的信息以及一些不安全的信息；三、支持通过多种外网协议与上位机通信。从；四、有利于维护外网和内网的独立性。加入家庭网关后，内网和外网通信协议和技术完全独立，彼此影响变小。这样做可以避免内网协议发生变动时影响到外网通信的正确性，或者是外网协议发生变化后影响到内网通信的正确性。
智能控制终端：智能控制终端是下位机的主要组成部分之一，其主要功能是：一、控制家用电器的工作状态。智能控制终端根据接收到的命令来控制电器的工作状态。比如，接收到打开 5 号电灯命令，相应的智能终端则打开 5 号电灯；二、收集和上传家电的工作信息。智能终端根据上位机客户的设置来收集家电信息，并且将信息上传给上位机；三、异常处理。智能终端通过分析家电工作信息，对工作异常的设备进行相应的异常处理，同时将异常上报给用户。
整个系统的软件部分是由上位机和下位机两部分软件组成。其中上位机方的软件包括客户控制端、服务器端两部分，运行于家庭计算机或者是智能终端上下位机方面的软件，是由家庭网关和智能控制终端两部分软件组成。家庭网关为上位机和智能终端建立通信桥梁；智能控制终端是控制命令的执行体。通常来说，在一个智能家居系统中，只需要一台家庭网关；智能家电终端的数量，则根据受控家电的数量而定。
上位机的主要任务是提供家电控制界面和家电数据管理功能。用户通过操作可视化人机交互界面实现控制家电、查看家电数据信息。
而与此对应，下位机的任务主要是以下几个：
（1）家庭网关。主要任务是，为上位机和智能控制终端之间建立通信的桥梁。家庭网关与上位机之间通过以太网、WIFI、GPRS 模块进行通信，与下位机之间通过zigbee进行通信。
（2）智能控制终端。主要任务是，接收家庭网关转发过来的控制命令，根据控制命令完成对家电设备的控制，并且将操作结果经过家庭网关转发给客户终端。
家庭网关起的是一个枢纽作用，它连接外部网络中的上位机和家庭内部网络中的下位机。是智能家居网络中连接上位机和智能终端的桥梁，作用是实现外部网络和家庭内部网络的通信。除了系统 必要的软件外，其主要软件模块是通信模块，包括外部联网通信模块和家庭内网通信模块 。根据以上所述， 家庭网关整体软件流程结构如下图所示：

图2家庭网关软件流程图

家庭网关开机之后，首先进行系统配置和模块初始化 。1）系统配置。主要包括，开时钟、配置管脚参数、开中断，等等。这一步的目的是，启动微处理器、配置芯片和外设参数。2 ）相关模块初始化。 主要包括， WIFI、以太网、 GPRS 模块、电力载波模块、内网协议栈， 等。对 WIFI、以太网、 GPRS这三个与上位机通信的模块而言，初始化过程的工作是对其各自的协议栈初始化，比如，选择工作模式，配置 IP 和 MAC 地址，选择通信速率，使用何种数据接收方式，以及与上位机的服务器建立连接和完成登录。对电力载波的配置和上面的类似，只是不用与对方建立连接和登录。对内网协议和调试模块的初始化主要是将一些相关变量置为初始值。
初始化完成之后，家庭网关开始正常工作 。六个模块并行 ，分别执行各自的任务。
关于家庭网关驱动程序的设计：
GPRS 驱动程序设计
GPRS 模块和 ARM 是通过串口 1 连接的，驱动模块通过给 GPRS 模块发送 AT 命令字符串来控制器其作业。
（a）AT 命令
AT 指令目前已成为全球通用的标准，任何与 Hayes 兼容的调制解调器都可使用这些指令。
（b）驱动流程
GPRS 模块可以划分为三个部分，初始化、接收数据处理、发送数据处理。在初始化阶段，首先使用指令 AT+IPR = 115200 来设置 GPRS 模块的通信速率为 115200bps 。设定好速率之后，发送 ATI 指令来启动 GPRS 模块，如果收到的回复为 OK，则表示模块已经工作。否则，则继续发送 ATI 指令，直到超时退出。在 GPRS 开始工作后，发送指令 AT+CIPSTART= “ TCP ” ，“108.170.54.231” ， “5638” ，与服务器建立连接。返回 OK 表示连接成功。
其中 108.170.54.231 是智能家居系统服务器的 IP ，5638 是其端口号。一旦连接成功，下一步则是发送登录数据向服务器请求登录。在成功登录之后， GPRS的初始化阶段结束。
接下来，进入 GPRS 接收和发送数据处理部分。在接收处理阶段，首先查询是否有数据需要处理，如果没有则进入发送数据处理阶段，如果有，第一步则是找到帧头“+IPDxx:” 其中 xx 表示该数据帧的长度，单位为字节。在找到帧头后，提出数据长度和数据，并对数据帧的有效性进行判断。如果不是有效帧，则继续上面的过程；如果是，则对数据进行格式转换。由于上位机按照 UTF8 格式发送数据，故先将数据从 UTF8 格式转换到 unicode 格式。转换后的数据是字符形式的数据，还需要进一步转换成 ASC 格式才能符合需要。数据转换完毕，需要改装成内部模块通信格式，并加上信道类型标志（ G：GPRS，W： WIFI，E ：以太网）。最后，放入接收数据帧队列中，交由中心控制器的数据分发模块处理。在发送阶段的处理类似于接收处理的逆过程。如果 GPRS 发送数据队列 g_GPRSSendFrameQuene 中有数据，则取出一帧数据，然后转换成合适的格式发送给上位机。 具体流程如下图3所示：

图3 GPRS通信模块工作流程图

上一部分介绍了家庭网关软件设计，接下来将介绍智能家居下位机系统中另
一个重要组成部分：控制终端的软件设计。
控制终端的主要功能是，通过家庭内部网络接收控制指令、根据控制指令执行相应驱动程序、通过 LCD 屏幕显示设备运行信息。
初始化完成之后，家庭网关开始正常工作。四个模块并行，分别执行各自的任务。
一、 内网通信模块。该模块用于智能终端跟家庭网关通信，包括接收和发送两部分。接收部分的工作是，对受到的数据进行判断。如果数据正确，则放入接收缓冲区；否则，删除数据。发送部分的工作是，查询发送缓冲区中是否有数据，如果有数据，则每次发送一帧数据；否则，再次查询。
二、显示模块。该模块用于将相关信息在 LCD 上显示。模块基于事件驱动，一旦发现事件有效，则根据事件属性确定待显示的内容以及相关信息，之后调用 LCD 驱动，以合适的格式显示内容。
三、调试模块。智能控制终端上的调试模块与家庭网关上的核心一样，区别是，二者支持的命令不一样。
四、控制模块。控制模块是智能终端上最为核心的部分，所有对设备的操作最终都需要由该模块来完成。该模块分为执行命令和获取执行结果两部分。执行命令部分的工作是，查询是否有新命令需要执行，如果有，则根据命令调用相关驱动程序；如果没有，则继续查询。由于每一条命令执行完之后，都要反馈执行结果。所以，获取执行结果部分的工作是，在每条命令执行完之后获取对应的执行结果。并且将执行结果封装打包，然后放入内网发送缓冲区中。其内部程序总体流程图，如下图所示：

图4 智能控制模块软件流程图
控制终端相关驱动程序的设计
（1）电力计量模块驱动
电力计量模块在智能家居系统中的作用就是，实时记录用电设备当前电参数。
（a ）模块功能：当前，支持的功能有以下几个模块，分别是：读取当前电参数、读写设备号、读写波特率、清除历史用电数据。其中，当前电参数包含电压、电流、功率、因素、电量，均为瞬时值 ；读写设备号含有读取和修改本电力计量模块的设备号；读写波特率包括查询当前通信波特率和修改通信波特率；清除历史数据即为将历史用电信息清零。
（b）通信协议：MODBUS 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，系统中选择的计量模块产品支持 MODBUS- RTU 协议。所以， ARM 和电力计量模块之间的通信协议采用 MODBUS- RTU。
（c）控制过程：

图5 与智能电表通信原理图
完整的交互过程如上图所示：家电终端发送请求信息给 MODBUS 协议栈，议栈将请求信息解析成对应的 MODBUS- RTU 数据帧发送给电力计量模块。电力量模块将用户终端请求的数据以 MODBUS- RTU 协议格式发送给 MODBUS 协议栈，协议栈再将数据封装成相应帧上传给用户终端。
（2）电灯、电视机和空调
(a) 电灯：电灯是由家电终端上的继电器控制，继电器打开和关闭分别代表开灯和关灯。收到开灯指令后，软件通过设置继电器控制管脚 上输出电平的高低来控制电灯的开和关。
(b) 电视：电视是通过智能控制终端上的红外遥控来控制。我们对电视遥控的编码如下表所示：

表1 电视遥控编码
智能控制终端在接收到上述编码后，首先将其翻译成相应电视机的正确编码并且进行调制，然后通过红外发送给电视机，即完成对电视的控制。
(c) 空调：控制空调的方式和电视一样，也是通过红外遥控。
2.3 毕业设计拟采用方法和手段
实现手段：软件编程采用C语言进行编程，编译软件采用keil4，使用proteus进行调试和在线仿真。芯片采用ARM7核微控制器，采用实时操作系统μC/OS-Ⅱ进行裁剪、移植，显示方面采用SMG240128A液晶屏，采用ZigBee作为局域联网技术，使用万维网作为远程接入技术。
3. 毕业设计工作计划及进度安排

第1周
查阅相关文献、学习相关知识。
第2周
查阅相关文献、开始撰写开题报告及翻译外文文献。
第3周
撰写开题报告，确定课题设计方案。
第4周
完成开题报告及外文翻译。
第5周
收集资料，确定控制平台的操作系统功能。
第6周
裁剪操作系统并移植。
第7周
裁剪操作系统并移植。
第8周
结合系统硬件，编写相应的驱动程序。
第9周
结合系统硬件，编写相应的驱动程序。
第10周
结合系统硬件，编写相应的驱动程序。
第11周
根据系统需要实现的功能，编写应用程序及操作界面。
第12周
根据系统需要实现的功能，编写应用程序及操作界面。
第13周
根据系统需要实现的功能，编写应用程序及操作界面。
第14周
调试系统软件，修改软件。
第15周
调试系统软件，修改软件。
第16周
调试系统软件，修改软件。开始撰写毕业论文。
第17周
撰写并修改毕业论文。
第18周
完成毕业论文，准备答辩。

4.主要参考文献
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