嵌入式智能家居控制系统软件设计.docx

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嵌入式智能家居控制系统软件设计

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SmartHome。

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，HomeAutomation）[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（UnitedTechnologiesBuildingSystem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，HousingLearning&ImprovementNetwork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]。

NektariosPapadopoulos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-HunLim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。

HoneywellSmartHome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：

WindowsCE、PalmOS、Real-TimeLinux、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、CEbus[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