挑战杯作品说明书 西安电子科技大学 周文明 陈傲 崔碧蔚.docx

挑战杯作品说明书 西安电子科技大学 周文明 陈傲 崔碧蔚.docx

《挑战杯作品说明书 西安电子科技大学 周文明 陈傲 崔碧蔚.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《挑战杯作品说明书 西安电子科技大学 周文明 陈傲 崔碧蔚.docx（41页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

挑战杯作品说明书西安电子科技大学周文明陈傲崔碧蔚

序号：

________________

编码：

________________

第八届西安高新“挑战杯”陕西省大学生课外学术科技作品竞赛

作品说明书

作品名称：

摘要

随着社会的发展，人们对居住环境不断地提出更高的要求，越来越注重家庭生活中每个成员的舒适、安全与便利。

科技的不断进步使得智能家居走进了越来越多的家庭。

在传统的智能家居模式中，一户家庭需要安装一套独立的智能家居系统。

每套系统都需要一个的独立家庭服务器作为家庭设备的控制中心，使得单个用户的使用价格高、不易于维护与更新。

而用于智能小区建设的小区服务器只实现小区的整体安防与公共设备智能化，空闲率较高。

该系统采用一个小区主控服务器，综合运用现代网络通信技术、信息处理技术、控制技术和计算机技术等，取代小区中众多住户的家庭服务器以实现原有的智能家居和智能小区的基本控制、安防等功能。

减少了整体的能源消耗、降低了单个用户使用的成本、提高了小区服务器的资源利用率。

该系统分为一个主控服务器、一个zigbee无线网络。

主控服务器包括一台普通的服务器、电话接口卡、GSM模块、zigbee总节点，采用asterisk作为数据的交换核心、使用LAMP架构搭建web应用平台。

可以同时为小区的多个用户提供IVR（交互式语音应答）、web、android手机软件的操作界面。

zigbee无线网络用于实现整个小区的电器、传感器等设备接入智能网络。

该系统建立的建筑智能化模型，功能比较齐全，具有友好的操作性和很好的扩展性，方便后续的进一步开发和完善。

对降低智能化小区整体的能源消耗、提高资源利用率等具有十分重要的意义。

关键字：

asteriskLAMPIVRzigbeeGSM智能家居安防

第一章概述

1.1课题背景

在跨入21世纪后，中国社会发生了翻天覆地的变化，经济的飞速发展，促使国人的生活质量越来越好。

与此相对应，人们不断地对居住环境提出更高的要求，越来越注重家庭生活中每个成员的舒适、安全与便利。

随着科技不断发展，智能家居走进了越来越多的家庭。

在传统的智能家居模式中，一户家庭需要安装一套独立的智能家居系统，每套系统都需要一个的独立家庭服务器作为家庭设备的控制中心，管理中心和数据存储中心。

图1-1传统智能家居模式

现在有很多的厂家将智能家居系统整体集成作为智能小区项目中的一个子系统。

在这种情况下，智能家居既有单独的控制与管理，也与智能小区进行信息互通，并成为物业管理的一个终端。

在这种方式中，一个中小型服务器充当小区的控制中心为整个小区提供安防、监控与公共设施智能化等服务，空闲率较高。

目前市场上的智能家居的家庭服务器大多采用微控器，功耗在15~40w不等，若一个小区50户居民，则一个小区的功耗在750~2000w之间。

而提供中型网络服务的服务器功耗在175~300之间，但资源闲置很严重。

作为智能小区的一个子系统的智能家居系统必须采用家庭服务器来作为单个家庭的控制中心，而用于智能小区建设的小区服务器除了能承担家庭的安防功能以外无法提供给住户更多的智能家居的服务，造成整套系统功耗的增加。

究其原因，首先，小区服务器统一为住户提供智能家居的功能，则需要把小区住户所有的需要智能化的设备组成一个安全的通信网，这是一个技术难题；其次，需要根据不同的用户提供不同的操作界面。

web等网络方式较容易实现，但是实现电话等设备对家用电器的通信，就涉及数据交换的过程。

电话交换机成本较高，且外部接口不适合进一步开发从而很难为住户提供服务。

课题组立足于解决以上的不足之处，提出并设计了一种运用新兴的zigbee组网技术、采用asterisk交换、利用小区服务器为多住户提供智能家居的系统。

一定程度上降低了能源消耗、提高了软硬件的资源利用率。

1.2方案设计与实现

方案设计:

针对当前智能家居与智能小区存在的问题，该系统采用一个主控服务器、一个zigbee无线物联网络的方式。

zigbee无线物联网络是指小区内需要联网的电器或传感器所直接连接的zigbee模块通过自组网所形成的无线网络。

其承担着小区内多个zigbee模块之间的数据传输任务。

集成在主控服务器的zigbee主节点则为整个zigbee网络和主控服务器之间提供数据传输服务。

主控服务器指小区的服务器及与其相连的各个模块的统称。

可以根据需要放在小区的特定位置。

主控器能为住户提供电器接入小区智能网络的自助服务：

用户通过在web端输入需要接入的zigbee地址以及与其相连的电器的名称、菜单名称、控制指令等完成接入设置。

用户也可以通过web界面随时查看、修改用户自己的设备参数以及设备的返回数据。

同时，主控服务器为了给住户提供不同的语音操作界面，具备数据交换和语音交互应答的功能。

住户可以以IVR（交互式语音应答）、web、手机软件等多种方式通过主控服务器对自己所拥有的模块进行控制。

当报警装置被触发时，主控服务器可以根据住户选择提供给住户电话语音报警或短信报警。

主控服务器也担负着电器与电器、传感器与电器之间通信的纽带作用，可以提供各种各样物物之间相互交互的接口。

图1-2系统模式图

系统启动时，主控服务器初始化网络连接，并启动各项服务，zigbee主节点自动搜索设备并加入网络，各zigbee模块加入网络后，便与主控服务器进行实时数据交换。

主控服务器每隔一个时间段向电器设备发送查询请求，电器设备根据查询类型返回查询时刻的状态或采集到的数据，然后通过zigbee网络传输到主控服务器。

主控服务器根据返回的数据进行系统自动判断，然后确定下一步的动作，如果是不同于上一次查询到的状态信息则更新数据库，若是传感器采集数据则判断数值是否达到报警的阀值，调用住户的自定义方式以电话或短信的形式报警，若不超过则舍弃该数据。

同时也可以根据返回的数据确定是否给zigbee网络中的另一个电器发送控制指令，从而实现智能化控制。

图1.3主控服务器框图

当住户使用电话从pstn向主控服务器发起连接时，电话信号转换卡向交换核心发起语音通道请求，请求成功后主控服务器首先进行安全性认证，然后提供住户自定义的IVR语音界面。

每操作一步，系统将以语音提示住户电器目前所处的状态以及可以控制的选项。

同时，语音操作界面还提供人工坐席服务和语音留言功能。

当手机软件端向主控服务器发起连接时，首先建立socket通道，然后对用户予以身份认证，身份确认后手机端软件将向主控服务器发送该住户所拥有的各电器状态查询请求，接受主控服务器的返回数据后显示在手机操作界面上，住户可以看到各电器目前所处的状态以及可以控制的选项。

针对用户可能查询某些设备的历史数据，该系统中数据库可以保存某些传感器或电器模块返回的数据，住户可通过web界面以图形的方式查看历史数据或实时采集到的数据。

该系统为管理者预留账户，通过管理界面，管理者可以增加删除住户、收听留言、接听电话、通过GSM模块给用户发送手机短信息等。

系统能提供友好简洁的管理界面而无需培训专业管理人员。

方案实现:

根据以上方案设计，首先对主控制器进行分析，采用如图1.3的方式则可以完全实现所设计的功能。

图1.3主控制器实现原理图

系统启动，首先查找各个设备，对电话硬件接口卡进行初始化配置，调整串口参数，向zigbee主节点发送复位信号，向GSM模块发送AT控制指令进行握手，启动网络连接以及加载各项服务。

在系统就绪后，zigbee总结点自动搜寻设备加入网络并相继查询各个家庭设备状态使整个系统进入工作状态。

管理员以超级权限进入管理界面创建一个住户名并设置初始密码值，以该用户名和密码登录web界面，输入zigbee模块的地址、相应的功能名称、指令集等即完成单个设备简单接入。

该用户的所有数据将被保存在数据库中，同时由流程设计模块将用户所有资料嵌入字符处理脚本，该字符处理脚本可以动态的根据查询值生成不同的vxml语句，然后传递给vxml解析器进行IVR（交互式语音应答）流程解析。

当用户拨入电话时，电话硬件接口卡进行AD信号转换，然后连接交换中心asterisk,asterisk首先对所有来电做一个统一的身份确认，首先把通道变量中的来电号码与数据库中的电话表进行对比，如果在该数据库中查询不到该号码则立即挂机，如果该号码在数据库中有记录则开始第二重的密码确认，密码确认成功则根据来电的号码确定进行数据交换的id号，启动相关组件，向住户播放语音交互界面，此时asterisk处于侦听DTMF音状态，根据用户不同的按键所产生的双音频信号不同会进行不同的流程跳转。

Web应用平台采用LAMP架构，当住户使用账号和密码登入主页面后，住户能查询到自己所拥有的所有智能设备的运行状态和传感器采集到的一些环境参数。

点击页面的控制按钮将向主控服务器发出控制电器的请求，服务器端程序脚本获取这一控制请求后，从数据库中搜寻和这一请求相对应的指令，并将这一指令（其中包含地址信息）传送给串口驱动进程，之后程序会建立一个与本次控制相对应的socket并处于等待反馈数据的状态，串口驱动将数据传输至zigbee总结点，由zigbee总结点负责完成对应的zigbee结点之间的通信。

设备接收到控制指令后将返回一条消息，主控服务器端程序接收到这一反馈后更新数据库中的状态信息，如果一定时间后主控服务器端程序接收不到返回的的信息，则将终止本次等待，然后查询该设备是否处于正常工作状态并尝试复位。

1.3市场前景

该系统普遍适用于小区的家居智能化和小区智能化，具有较好的经济效益和社会效益。

该系统将多个家庭的家庭服务器取代为一个主控服务器，降低了能源的消耗，同时也大大降低了单个用户的使用价格。

目前，全国房地产业蓬勃发展，小区智能化已成为一项基本要求，再配上智能家居，“全智能”的概念必然给房地产业带来新的卖点和活力。

从市场的成长环境看，现在我国每年的数字化家园建设比例已经占到了新建住宅总量的30％左右。

采用该系统将降低一个小区家居智能化以后整体的能源消耗，为人们带去更加安全、便利的生活环境，同时也将为智能家居领域带来巨大的经济效益.

第二章系统说明

2.1技术说明

2.1.1Asterisk

Asterisk是一款实现用户电话交换机（PBX）功能的自由软件。

Asterisk提供完善PBX功能，可以连接多种不同的电话终端，包括普通电话机，IP电话机，软电话等，支持多种主流的IP电话协议和系统接口。

Asterisk软件提供很多以前只有昂贵的专业PBX系统才支持的功能，比如：

语音信箱，会议电话，交互式语音提示和自动电话转接等。

由于该软件开放的性质，用户可以灵活的配置方便的扩展系统的功能，甚至编程开发自己所需功能的模块。

Asterisk通常都运行在Linux操作系统下。

Asterisk服务器不需要任何特殊的硬件即可提供VoIP的服务，只需服务器有网络连接即可。

它支持主流VoIP协议，包括会话发起协议（SIP）、H.323，既可作为IP电话服务器也可以作IP电话和PSTN之间的转接。

Asterisk系统还设计了一个新协议----IAX,它用于在Asterisk服务器之间维护话路通道。

如果需要连接普通电话或PSTN中继线，运行Asterisk的服务器则需要安装相应的硬件接口板。

许多厂商都生产用于连接普通电话、T1、E1中继线、ISDN等的接口板。

由于是自由软件且具有丰富的系统功能，Asterisk提供给用户一个廉价并功能强大的PBX解决方案。

它被越来越多的用于代替传统专用的PBX，或被用于跨国VoIP电话以节省长途费用。

一些国家的VoIP电话公司已经开始支持Asterisk，提供IAX2接口或允许用户的Asterisk服务器使用SIP协议连接。

图2-1asterisk内部结构

DynamicModuleLoader

将各个模块装入，各个部分通过InternalAPI连接。

AsteriskSwitchCore

接受呼叫，并根据dialplan配置，使用ApplicationLancher来进行ring.

SchedulerandI/Omanager

提供给各模块使用

CodecTranslator

可以让各通道以不同的编码进行通话

Asterisk定制–内部API

AsteriskChannelAPI

核心和不同的通道（TDP/Packet）接口API

CodecTranslatorAPI

提供统一的语音编解码接口API码

FileFormatAPI

可以读/播放不同格式的语音文件

ApplicationAPI:

第三方开发应用的接口，可以在

Asterisk的任何阶段进行交互

2.1.2zigbee协议

随着无线技术的发展进步，产生了ZigBee无线网络技术。

该技术是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。

相对与其他的网络的比较

图2-2zigbee相对与其他的网络的比较

将ZigBee技术应用在无线网络系统的优势主要体现在以下几个方面：

1、低成本

2、低功耗

3、传输距离长

   该系统采用了ZigBee技术组网，每个ZigBee节点传输距离的长度可达170米左右，完全适用于小区的传输。

4、组网的灵活性

   该系统采用的是具有全无线网络组网的ZigBee技术，并且组网器件只有一种——ZigBee模块节点，ZigBee节点之间可以组成MESH网状网络拓扑结构，该网络具有“多级跳”的通信方式，利用ZigBee节点之间的无线通信，可以组成极为复杂的网络；这样既省去了网络综合布线的财力和物力，又大大提高了组网的灵活性。

5、网络的容量大

      ZigBee无线网络可以容纳65000个网络节点，每个节点的传输距离在170米左右，所以利用ZigBee网络可以满足小区的要求。

6、ZigBee网络的通信高可靠性

      ZigBee网络采用了CSMA－CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；明晰的信道检测。

MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

确保了通信的可靠性。

ZigBee网络的自组织、自愈能力也是非常强的。

   自组织功能：

无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络。

   自愈功能：

增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。

7、ZigBee网络的拓展性

   ZigBee节点组成的MESH网状网络具有“多级跳”的通信方式，所以当酒店内需要设置其他无线设施，比如门禁，中央空调，灯光，安防，停车场等也同样设置无线网络进行集中的无线控制，都可以与无线点餐网络共用一个终端服务器。

使投入成本降低，管理更加方便。

2.1.3LAMP网站构架

该系统Web应用平台采用了LAMP构架。

LAMP（Linux-Apache-MySQL-PHP）网站架构是目前国际流行的Web框架，该框架包括：

Linux操作系统，Apache网络服务器，MySQL数据库，Perl、PHP或者Python编程语言。

其所有组成产品均是开源软件，是国际上成熟的WEB框架，很多流行的企事业单位都是采取这个架构。

Linux和windows：

Linux和windows处在最低层，提供操作系统。

其他每个组件实际上也在其上运行。

但是，并不一定局限于Linux和windows，其他c操作系统包括：

MacOSX或UNIX。

Apache：

次低层是Apache，它是一个Web服务器。

Apache提供可让用户获得Web页面的机制。

Apache是一款稳定的、支持关键任务的服务器，互联网上超过65％的网站都使用它作为Web服务器。

MySQL：

MySQL提供LAMP系统的数据存储端。

有了MySQL，便可以获得一个强大的、适合运行大型复杂站点的数据库。

在Web应用程序中，所有数据、产品、帐户和其他类型的信息都存放在这个数据库中，通过SQL语言可以很容易地查询这些信息。

PHP：

PHP是一门简单而有效的编程语言，它像是粘合剂，可以将LAMP系统所有其他的组件粘合在一起。

您可以使用PHP编写能访问MySQL数据库中的数据和Linux提供的一些特性的动态内容。

2.1.4Android手机平台

Android是基于Linux内核的操作系统，是Google公司在2007年11月5日公布的手机操作系统，早期由原名为"Android"的公司开发。

谷歌在2005年进行收购"Android.Inc"，Google继续进行对Android系统开发运营，它采用了软件堆层（softwarestack，又名以软件叠层）的架构，主要分为三部分。

底层Linux内核只提供基本功能；其他的应用软件则由各公司自行开发，部分程序以Java编写。

Android平台五大优势特色

一、开放性

在优势方面，Android平台首先就是其开放性，开发的平台允许任何移动终端厂商加入到Android联盟中来。

显著的开放性可以使其拥有更多的开发者，随着用户和应用的日益丰富，一个崭新的平台也将很快走向成熟。

开放性对于Android的发展而言，有利于积累人气，这里的人气包括消费者和厂商，而对于消费者来讲，最大的受益正是丰富的软件资源。

开放的平台也会带来更大竞争，如此一来，消费者将可以用更低的价位购得心仪的手机。

二、挣脱运营商的束缚

　　在过去很长的一段时间，特别是在欧美地区，手机应用往往受到运营商制约，使用什么功能接入什么网络，几乎都受到运营商的控制。

自从iPhone上市，用户可以更加方便地连接网络，运营商的制约减少。

随着EDGE、HSDPA这些2G至3G移动网络的逐步过渡和提升，手机随意接入网络已不是运营商口中的笑谈。

三、丰富的硬件选择

　　这一点还是与Android平台的开放性相关，由于Android的开放性，众多厂商会推出千奇百怪，功能特色各具的多种产品。

功能上的差异和特色，却不会影响到数据同步、甚至软件的兼容。

好比你从诺基亚Symbian风格手机一下改用苹果iPhone，同时还可将Symbian中优秀的软件带到iPhone上使用、联系人等资料更是可以方便地转移。

四、不受任何限制的开发商

　　Android平台提供给第三方开发商一个十分宽泛、自由的环境。

因此不会受到各种条条框框的阻挠，可想而知，会有多少新颖别致的软件会诞生。

但也有其两面性，血腥、暴力、情色方面的程序和游戏如何控制正是留给Android难题之一。

五、无缝结合的Google应用

如今叱咤互联网的Google已经走过10年度历史。

从搜索巨人到全面的互联网渗透，Google服务如地图、邮件、搜索等已经成为连接用户和互联网的重要纽带，而Android平台手机将无缝结合这些优秀的Google服务。

2.1.5vxml语音解析技术

VoiceeXtensibleMarkupLanguage（VoiceXML）,最初是由AT&T,IBM,Lucent（朗讯）和Motorola（摩托罗拉）几个电信巨头创立的，目前已经广泛用于电信行业的应用服务器和媒体服务器交互上。

VXML的架构模型：

VXML的架构模型中包含以下几个主要组件：

1.DocumentServer（文档服务器）：

由于编写VXML程序需要写一些定义交互流程的xml文件，文档服务器就是用来接受终端（比如手机，固定电话）的请求，并根据用户输入产生一个xml文档，再由VXML解释器解析并执行下个流程。

2.VoiceXMLInterpreter（VXML解释器）：

用来解析xml文档，执行与用户终端的交互。

比如和文档服务器配合重复播放语音，对输入进行验证等循环流等等。

3.VoiceXMLInterpreterContext（VXML解释器环境，context虽然有上下文的意思，但是这里应该是VXML解释器工作环境的意思）：

可以通过解释器并行监视用户输入，并把一些用户特征信息保存起来。

比如，一个上下文监视某个流程出口并负责把用户带到高级个性化帮助；另一个上下文则监视用户修改参数如音量和TTS特征等。

4.ImplementationPlatform（实现平台）：

由解释器和解释器上下文控制。

实现平台的主要作用是在和用户交互过程中产生各种事件（比如用户输入，说话或连接断开）和系统事件（比如超时）。

VXML功能范围：

输出合成语音（TTS）　　

输出语音文件　　

识别语音输入　　

识别DTMF输入　　

对语音输入录音

2.2模块说明

2.2.1zigbee模块

Zigbee模块采用DTK电子DRF1601和DRF1602。

它是基于TI公司CC2530F256芯片，运行ZigBee2007/PRO协议的ZigBee模块，它具有ZigBee协议的全部特点。

同时，它还具有:

自动组网,简单数据传输,简单易用,高安全性,IEEE地址唯一等特点。

工作频率：

2.4GHz传输距离：

可视距离400米

图2-3DRF系列ZigBee模块的设置

（1），设置模块的PANID为特定数值（如：

0x1968）

0xFC数据长度（1Bytes）命令格式（9101：

写入PANID）PANID数值（低位在前）

FC0291016819

（必须重新启动才生效，可按RESET健）

（2），设置模块的PANID为默认值（0x199B）

0xFC数据长度（1Bytes）命令格式（9102：

写入PANID）

FC009102

（必须重新启动才生效，可按RESET健）

（3），读取模块的PANID

0xFC数据长度（1Bytes）命令格式（9103：

读取PANID）

FC009103

返回：

9B19（模块的PANID为0x199B）

（4），读取模块的地址（ShortAddress）

0xFC数据长度（1Bytes）命令格式（9104：

读取ShortAddress）

FC009104

返回：

6F79（模块的ShortAddress为0x796F）

DRF系列ZigBee模块的数据传输

DRF1601/1602的数据传输功能非常易用，一条数据传输的命令格式如下：

数据传送指令（0xFD）+数据长度+目标地址+数据（默认最多32Bytes，可根据应用调整最大256Bytes）

2.2.2NRF24L01模块

采用的KL_NRF24L01模块使用Nordic公司的nRF24L01芯片开发而成。

nRF24L01是一款工作在2.4~2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。

无线收发器包括:

频率发生器、增强SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。

输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。

极低的电流消耗：

当工作在发射模式下发射功率为-6dBm时电流消耗为9mA，接收模式时为12.3mA。

掉电模式和待机模式下电流消耗更低。

以下是该模块的硬件指标：

（1）2.4Ghz全球开放ISM频段免许可证使用

（2）最高工作速率2Mbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，特别

适合工业控制场合

（3）126频道，满足多点通信和跳频通信需要

（4）内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制

（5）低功耗1.9-3.6V工作，待机模式下状