国家级创新项目-基于openWRT智能家居系统的设计与实现.docx

大学生创新训练项目申请书

项目编号
项目名称基于openWRT智能家居系统的设计与实现
项目负责人 联系电话
所在学院
学 号 专业班级
指导教师
E-mail
申请日期
起止年月

一、 基本情况
项目
名称
基于openWRT智能家居系统的设计与实现
所属
学科
学科一级门：
工科
学科二级类：
电子信息类
申请
金额
10000 元
起止年月
2019年 5 月至 2021 年 5 月
负责人
姓名

性别

民族

出生年月
年 月
学号

联系
电话
宅： 手机:
指导
教师

联系
电话
宅： 手机:
负责人曾经参与科研的情况

指导教师承担科研课题情况

指导教师对本项目的支持情况

项
目
组
主
要
成
员
姓 名
学号
专业班级
所在学院
项目中的分工

总体设计

电路设计与调试

openWRT应用程序设计

客户端程序编制
二、 立项依据（可加页）
（一） 项目简介
本项目主要研究基于openWRT的智能家居系统。通过该系统，可实现通过电脑和手机等监控层对家居环境实时监控，对家电、窗帘等的开关进行远程操控，对外访人员进行人脸识别门禁；同时可对室内环境进行监测并向手机安卓客户端发送提示，如若与设定值比较出现异常，自动执行预定动作，例如：厨房出现浓烟，自动开启排气扇；可反向定位手机并发出预警声；监测房门锁，若出现异常，自动拨号小区监控中心报警同时给手机安卓客户端发报警短信，实现联合安防。
对系统的所有操作，均可在电脑客户端和手机安卓客户端进行操作。
（二） 研究目的
在科技飞速发展的潮流下，众多小区均已对房屋实现家居智能化。但是仍有部分智能化功能不够人性化，不够全面。本项目的研究设计，旨在实现更人性化、更高效、更方便快捷、更安全的智能化家居生活。
通过对本项目的研讨专研，使自己对未来智能市场有一定的了解，并学习到相关的专业知识，丰富自己的学习生活，增强自己的专业水平。
（三） 研究内容
本项目主要研究基于openWRT下的智能家居系统。将居家中的各类设备（窗帘、空调、门禁、家用电器、照明系统等）连接整合在js7628硬件系统上，通过手机安卓客户端或电脑端应用软件对居家设备进行远程开关，房门安防监控，热水器空调定时开关功能等。同时在开发板上安装红外接收装置，以便接受控制。为智能家居真正走进生活提供可行的实施方案。具体内容见下：
OpenWRT 是一个高度可扩展嵌入式设备的 GNU/Linux 发行版本。由于它拥有众多网络组件和良好的扩展性，常常被应用于工业控制、机器人、智能家居等领域。OpenWRT 项目的建立从零开始，可被视为一个全功能的、易于修改的路由操作系统 。OpenWRT 的开发需要宿主机，为便于开发，本设计使用 Windows 系统的主机作为宿主机，使用带有图形界面的串口工具和文件传输工具。并安装一个 Ubuntu 系统的虚拟机，与 OpenWRT 同为 Linux 系统，便于编译固件。首先进行编译环境的搭建，在宿主机的 Linux 环境下预装一些软件 。
串口通信编程部分，采用了简单高效的数据传输技术，通过对若干个关键参数进行识别对比即可完成串口通信。当串口开启之后，应用程序会自动开启一个专用线程用于数据的接收和发送。为了保证数据的完整性，在每次接收到数据包之后都会对其进行有效性校验，防止数据丢失。具体方法是通过bytesAvailable() 函数处理接收到的数据，满足条件后再返回。
1.研究软件部分
想好本系统所想实现的条件后，在Ubuntu系统下，编译js7628硬件系统中的固件，整合js7628硬件系统，使其能控制家居设备。同时利用Java编译手机安卓客户端应用程序，使其能云端连接硬件系统中的控制程序，达到远程控制。
2.研究硬件部分
搭建js7628硬件系统作为智能家具网关终端，设计智能家居控制子系统。包括温控模块、电器开关控制模块、照明开关系统模块、红外接收模块、安防报警模块等。
（四） 国、内外研究现状和发展动态
智能家居交互平台是一个具有交互能力平台，并且通过平台能够把各种不同的系统、协议、信息、内容、控制在不同的子系统中进行交互、交换。它具有如下特点：1、每个子系统都可以脱离交互平台独立运行。 2、不同品牌的产品、不同的控制传输协议能通过这个平台进行交互 。3、智能终端（触摸屏）仅做为各子系统的显示、操作界面。4、控制软件可编程（DIY），提供信息服务 。5、多种控制手段。
1.国外研究现状和发展动态
自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后，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先后提出了各种智能家居的方案。智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。
1998年5月新加坡举办的“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在场内模拟“未来之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和统软件配置等。
2017年，美国马里兰大学Ahmad Alaiad等人，在现有的智能家庭医疗系统（WSN-SHS）的基础，利用新的方法与模型去优化系统，所取得的效果比较显著。2017年，芬兰奥卢大学的Jari Iinatti等人从智能家居系统的安全性出发，提出一种匿名安全框架以此来降低系统风险，提高系统的安全性能。
2.国内研究现状和发展动态
智能家居的概念传入中国有近十年的时间了，国内的一些厂商也与2003年左右进入智能家居行业，并且陆续有一些智能家居系统推向市场。随着社会、经济水平的发展，人们对家居品质的追求也越来越高，要求家居舒适化、安全化，家居生活舒适化、智能化，对智能家居系统的需求也越来越强烈。近年来，家电、网络业巨头纷纷试水智能家居市场，面向智能家居行业的并购也时有发生，说明大家逐渐看好智能家居市场。但是目前智能家居市场还是保持一种不温不火的状态，就算最大的智能家居厂商每年也不过几千万的销售额，和业内人士的预测和期望相距甚远。很多业内人士认为智能家居市场正处于“黎明前的黑暗”时期，即将迎来爆发式增长的阶段。
2014年，吉林大学孙永坚提出了一种工作在433MHz下的智能家居系统设计，该系统设计网关与节点都有设计，效果较为显著。但考虑到成本，不是一种理想选择。此外，并没有实现智能家居网关与路由一体化。2014年，西安电子科技大学李曙聪提出了一种OWIG智能网关系统，该系统是以openWRT路由系统为核心，在此基础上开发了各种服务模块，满足用户需求。2015年，大连理工大学刘丽华提出了一种智能家居设计。选取RT5350为硬件平台，搭载openWRT系统，嵌入web服务器，开发了各种控制终端，给用户带来了极大的方便。2017年，福建师范大学徐哲鑫等人提出了一种用于智能家居的路由器设计，整合了zigbee与wifi两种通信方式，实现了路由功能。但对整个智能家居控制系统并没有全面体现，对红外通信方式也没进行融合。
（五） 创新点与项目特色
OpenWRT不同于其他许多用于路由器的发行版，它是一个从零开始编写的、功能齐全的、容易修改的路由器操作系统。实际上，这意味着您能够使用您想要的功能而不加进其他的累赘，而支持这些功能工作的linux kernel又远比绝大多数发行版来得新。
对于开发人员，OpenWRT是使用框架来构建应用程序，而无需建立一个完整的固件来支持；对于用户来说，这意味着其拥有完全定制的能力，可以用前所未有的方式使用该设备。
对于本项目来讲，所设计的系统是基于openWRT进行开发设计，较其他开发框架来讲，优点在于包容性更强，定制方向更为多元化。openWRT在无线路由器应用上已有100多个软件包。人们可以在其基础上增加软件包，以扩大其应用范围。
本项目的特色在于可实现对所有智能家居设备的控制集于js7628上，并通过无线通信连接实现手机和电脑客户端的远程控制，并实现反向实时定位。
（六） 技术路线、拟解决的问题及预期成果
技术路线：
首先对整个项目制定整体方案，然后设计每个子系统的操作程序，同时利用Java设计手机应用程序，同步进行硬件电路板的设计安装。当各子任务完成后，统一进行连接、测试，进行整体分析研究。
拟解决的问题：
1.在openWRT中，为终端控制器写入执行各项控制家居设备操作的命令程序，并对其进行仿真演算，完全通过后，进行与硬件连接。
2.编译手机安卓客户端应用软件，使其能执行远程控制智能设备，并研究智能家居环境，寻找最适合智能家居设备控制的相关技术。
3.开发调试js7628硬件系统，测试相应的子系统执行情况。
4.整合最终的软硬件衔接调试，以及联合调试，实现项目要求。

预期效果：
得到一个功能完整的智能家居控制系统，基本实现对智能家居的远程实时控制，以及门禁安防系统，为用户带来良好智能家庭生活体验。对自我而言，对智能家居系统有一个系统的学习与深入了解，自己的专业水平得到一定的提高。
项目研究进度安排:
2019.05-2019.07:整体方案设计，并作出学习研究计划。
2019.08-2020.01：学习Java及功能程序的设计开发，学习安装硬件系统模块。
2020.02-2020.08：整合软、硬件并联合调试，对不完善的地方进行修补与改进。
2020.09-2021.04：结题。
（七） 已有基础
1. 与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
专业有系统的学习过硬件电路板的制作，了解一定的有关智能化家居系统的设计方案。项目负责人曾参与过有关智能程序设计的创新大赛，对本项目的软件开发方面有一定的理论技术基础。
2. 已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法
已具备的条件：
1）项目参与人员皆有一定的C语言学习基础。
2）关注智能家居项目并有着一定的研究基础。
3）工作室有与项目相关的实验设备与调试器材，环境良好，干扰少，利于项目的开展。
尚缺少的条件：
项目参与人缺少相应的学习资料，以及项目开展的硬件材料。
解决方法：
项目参与人通过对指导老师所发的相关学习资料，进行系统的研究学习。三人分工合作，对自己所负责的板块进行深入学习，为本项目的顺利研发打下坚实的技术基础。

三、 经费预算
开支科目
预算经费
（元）
主要用途
阶段下达经费计划（元）
前半阶段
后半阶段
预算经费总额
10000

1. 业务费

（1）计算、分析、测试费

（2）能源动力费

（3）会议、差旅费
1000
外出交流与学习
1000

（4）文献检索费
1000
查阅资料
800
200
（5）论文出版费
1500
发表论文版面费

1500
2. 仪器设备购置费

3. 实验装置试制费
500
实验装置试制
500

4. 材料费
6000
购买元器件、制作印刷电路板。
6000

学校批准经费

负责人（签章）：
年 月 日
四、 大学生创新创业训练计划领导小组审批意见

负责人（签章）：
年 月 日