毕业设计论文基于物联网技术的智能家居系统.docx

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毕业设计论文基于物联网技术的智能家居系统

前言

既互联网技术之后，物联网作为一个信息技术综合应用的代名词，掀起信息产业第三浪潮，大国纷纷将其纳为重点领域，显而易见，它将影响到政治，军事，经济，环境等方方面面，必在未来极大地改变人们的生活。

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。

其英文名称是“Theinternetofthings”。

顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。

这里包括两层意思：

第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，它是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间，进行信息交换和通信。

因此可总结出，物联网的定义是：

通过射频识别（RFID）、光电感应器、全球定位系统、激光扫描器信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

物联网上部署了海量的多种类型传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。

传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性的采集环境信息，不断更新数据。

其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的实时连接，方便识别、管理和控制。

其在2011年的产业规模超过2600亿元人民币，行业竞争将会越来越激烈。

在市场应用方面，2011年从整体来看，占据中国物联网市场主要份额的应用领域为智能工业、智能物流、智能交通、智能电网、智能医疗、智能农业、智能环保和智能家居等。

本文研究的是基于物连网技术的智能家居系统。

“智能家居”，又称智能住宅，是通过采用先进的计算机技术、网络通信技术和综合布线技术，建立一个由家庭安全防护系统、网络服务系统和家庭自动化系统等组成的家庭服务与管理集成系统，从而实现全面、安全、舒适的居住环境以及便利的通讯网络家庭住宅。

把与家庭生活有关的各种子系统有机结合在一起统一管理，使生活舒适、安全、和高效，具有良好的发展前景。

随着科学技术的发展和物质生活水平的提高，人们对家居生活环境的要求也越来越高。

家居不再是生活起居的场所，同时也是休闲、娱乐的地方。

目前，高科技技术已经融入智能建筑当中，智能的概念也不断得到深化和更新。

建设部要求根据不同消费者的需求，推动家居数字化、建筑智能化，产品便利化的发展，未来智能家居市场潜力巨大。

智能家居是一个多功能的系统，它包括可视化对讲、家庭内部的安全防范、家电远程监控，远程视频监控、远程医疗诊断及护理系统，网上教育系统、家庭影星系统等。

智能家居的基本目标是将家庭中各种信息相关的通信设备、家用电器和家用安防等装置连接到一个智能化系统上进行集中或异地监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。

随着人类的应用需求和住宅智能化的发展，智能家居系统将拥有更丰富的内容，系统也越来越复杂，功能也越来越齐全。

在当前市场中，智能家居相比传统家居、建材行业所占的市场份额还是微乎其微。

在目前的智能家居市场中不少企业均是发展项目与渠道建设并行发展，其中项目合作占据着相当重要的位置，这些项目往往也是定位相对高端的别墅、复式楼和大户型高档小区住宅居多。

随着信息技术和Internet技术的飞速发展，智能家居技术在实现成本上大幅度降低，同时人们永不停步地追求生活智能化和舒适化，如果技术更加成熟、成本更加低廉，功能更加完美，其市场需求将会非常巨大。

摘要

物联网技术的兴起和发展，不仅改变了我们的工作方式、也逐渐地改变我们的生活方式。

不仅要求办公自动化、智能化，也需要家居生活逐渐地变得自动和智能起来。

智能家居就是在这样的背景下产生的。

智能家居系统是利用计算机、嵌入式系统和网络通信技术将各种家用设施通过家庭网络连接到一起，从而为人们提供更为便利舒适的生活环境。

本设计利用32位嵌入式ARM处理器S3C2440作为智能家居控制系统的核心控制器，运用高性能、接口丰富、方便移植与扩展性好等优点，并且利用嵌入式操作系统实时性强、可靠性高、资源丰富等优势，将嵌入式技术作为智能家居控制器的开发平台，使智能家居控制系统的应用开发能够变为在嵌入式平台上的二次开发，从而缩短开发周期，并且节约资源。

该设计通过对智能家居系统的分析，确定了总体架构设计。

针对智能家居系统的特点和所要实现的基本功能，分析了智能家居控制器的基本结构，然后对各个模块电路进行了详细设计。

最终利用人体红外传感器（infraredsensor）、GSM模块、温度传感器（temperaturetransmitter）、光电传感器（photoelectricsensor），烟雾传感器（MQ-2），继电器等，结合电路组装成系统，实现房屋的远程监控，以及保护人员、物体的安全，方便用户随时在最短的时间内了解并掌握房屋情况。

关键词：

物联网，智能家居，远程监控

ABSTRACT

TheriseanddevelopmentoftheInternetofthingstechnology,especiallyhighlydevelopingofcomputerandnetworkingtechnologies,notonlychangeoureverydaywork,butalsoourlife.Automationandintelligenceinofficewillnotenough,it’satrendtoaskformoreintelligenteverywhere,homelifeincluded.Thatiswhysmarthousecomeout.Thesmarthomesystemisusingcomputerandnetworkcommunication,embeddedsystemtechnologywillallkindsofhouseholdfacilitiesviahomenetworkconnectiontogether,soastoprovidemoreconvenientandcomfortablelifeforpeople.

Weutilizethe32-bitembeddedARMprocessorS3C44B0Xasthecontrollingcoreofthesmarthomesysteminthispaper.Ithascharacteristicsofhighperformance,plentifulinterfacesandconvenienttransplantationandextension.Andalsoweadoptembeddedtechnologyastheplatformofthesmarthomecontrollerowingtoitshighreal-timeability,highreliabilityandrichresourses.Thustheapplicationofsmarthomesystembecomesthesecondarydevelopmentontheembeddedplatformsothatthedevelopingperiodiscutdownandresourceissaved.

Thisdesignthroughtheanalysisoftheintelligenthouseholdsystem,determinetheoverallarchitecturedesign.Accordingtothecharacteristicsoftheintelligenthouseholdsystemandtoachievethebasicfunctions,thebasicstructureofsmarthomecontrollerareanalyzed,thenhascarriedonthedetaileddesigntoeachmodulecircuit,thefinalbodyusingthehumanbodyinfraredsensor,GSMmodule,temperaturetransmitter,photoelectricsensor,smokesensors,etc.combiningwiththecircuitassemblesystem,realizetheremotemonitoringofthebuilding,aswellastoprotectthesafetyofpersonnel,objects,convenienttotheuseratanytimeintheshortestpossibletimetounderstandandgrasphousingsituation.

Keywords:

Internetofthings,Smarthome,Remotecontrol

第1章绪论

随着人们生活水平的提高，电子技术，通信技术和自动化技术的日趋完善，家居智能化相应也就出现在了人们的生活中。

它既能给我们营造了温馨舒适、安全便捷的生活环境，还能够对家电设备进行实时监控以及管理，当家庭安全问题出现后还能及时给我们相应的警报。

智能家居系统是将大大小小的各种家用电器以及家庭安全保护设备通过有线或无线的方式连接起来，可以进行集中或远程的监控、管理，为家庭住宅环境的安全提供了高效的管理方式。

与普通的家居相比，智能家居不仅包括了普通家居的全部功能，更重要的是它提供给了我们温馨快乐，且安全高效的高质量生活环境，还将一个看似静止的生活空间变成了一个有一定高智能的生活小帮手，更加进一步优化了我们的生活质量。

1.1智能家居的简介

智能家居系统的概念起源于上世纪70年代的美国[1]，随后，传播到欧洲、日本等国并且得到了很好的发展。

在我国，智能家居这一概念推广较晚，约在90年代末家居智能化系统才得以进入国内，但发展速度惊人，至今已存在相当数量的智能化小区及住宅。

所谓智能家居（SmartHome）是现代电子技术、自动化技术及通信技术相结合的产物。

它是以家为平台，兼备建筑、自动化，智能化于一体的高效、舒适、安全、便利的家居环境。

自动化的智能家居不再是一幢被动的建筑，相反，成了帮助主人尽量利用时间的工具，使家庭更为舒适、安全、高效和节能。

智能家居是现代社会最热门的话题之一，它的目标是通过网络等信息通信技术手段实现对家居电器等的智能控制，使其能够按照人们的设定工作运行，而不论距离的远近。

智能化与远程控制是智能家居的两大特点。

目前，已经有越来越多的机构和个人开始了对智能家居进行研究。

随着网络技术的发展，特别是无线网络的发展，网络化智能家居系统可提供遥控、家电（空调，热水器等）控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段，使生活更加舒适、便利和安全。

它能够自动控制和管理家电设备，对家庭环境的安全进行监控报警，并且能够为住户提供安全舒适、高效便利的学习生活及工作环境。

家居智能化系统将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器以及家庭保安装置通过有线或无线的方式连接起来，并进行集中或异地的监控、管理，保持家庭住宅环境的舒适、协调。

1.2国内外的现状及发展趋势

智能家居的发展分为三个阶段[2]：

首先是家庭电子化（HomeElectronics）阶段，这个时期主要是面向单个的电器，家庭电器之间并没有形成网络，亦没有大的联系。

其次是住宅自动化（HomeAutomation）阶段，这个时期是面向功能的阶段，一部分的家庭电器之间形成了简单的网络，主要是为了实现某个特定单一的功能，例如单一的自动抄表功能。

最后是家居智能化（欧洲称为SmartHome，美国称为WiseHouse）阶段，这个时期是面向系统设计的阶段，系统通过家庭分布总线把住宅内各种与信息相关的通信设备、家用电器、报警装置并到网络节点中进行集中的监控、管理，保持家电与环境的协调，提供生活、工作、学习以及娱乐的各种优质服务，营造一种温馨舒适的家庭氛围。

智能家居控制系统提供高效、舒适的家居环境，确保住户的生命财产安全；集中或远程调节家居环境的温度、湿度以及风的速度等，同时检查空气成分，提高空气质量；调节音响，电视等娱乐设施，愉悦心情；合理利用太阳能活周遭环境的变化，尽可能的节约能耗，达到合理利用资源；提供现代化的通信、信息服务。

1.2.1国外的发展现状

1984年，世界上第一幢智能建筑在美国康涅迪格州落成，这栋意义非凡的建筑只是对一座旧式大楼的一定程度的改造而完成的。

它只是采用计算机系统对大楼的空调、电梯、照明等设备进行监控，并提供语音通信、电子邮件、情报资料等方面的信息服务。

2000年，新加坡有近30个社区的约5000户家庭采用了这种家庭智能化系统，而美国的安装住户高达4万户。

2003年，网络化家居的建设带来了高达4500亿美元的市场价值，这其中有3700亿美元是智能家电硬件产品的价值，剩余的部分则是软件和技术支持服务的费用。

现在，国外的智能家居系统技术己日趋成熟，预计今年，50%以上的新房将具有一定的“智能型家居”功能。

于此同时，由于技术的日益标准化，这些新型智能家居系统将比比尔.盖茨耗资6000万美元的高端别墅便宜得多。

在智能家居系统研发方面，美国及一些欧洲国家一直处于领先地位。

近年来，以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国外知名企业，先后挤身于智能家居的研发中。

例如:

微软公司开发的“梦幻之家”、摩托罗拉公司开发的“居所之门”、IBM公司开发的“家庭主任”等均已日趋成稳。

此外，日韩新等国的龙头企业纷纷致力于家居智能化的开发，对家居市场更是跃跃欲试。

目前市场上出现得智能家居控制系统主要有：

（1）X-10系统（美国），该系统是利用电力线作为网络平台，采用集中控制方式实现。

这套系统的功能较为强大，与其它家居控制系统如ABB、C_BUS等比起来更容易接收，使用也相对简单。

因为实现同样的功能，X-10家居控制系统是利用220v电力线将发射器发出的X-10信号传送给接收器从而实现智能化的控制，因此采用这套系统不需要额外的布线，这也是这套系统的最大的一个优势，因为其它系统基本上都需要布低压线，在墙上或地面开槽、钻孔，施工难度大、费用高、工期长。

但由于缺乏在国内市场推广的条件且价格昂贵，该系统在国内应用极少。

（2）EIB系统（德国），该系统采用预埋总线及中央控制方式实现控制功能。

但由于其工程要求复杂严苛，并且价格较高，因此一直无法打开国内市场。

（3）8X系统（新加坡），该系统采用预处理总线跟集中控制方式来实现功能。

它的优点在于利用的产品对系统进行扩展，系统较为成熟，比较适合中国国情。

但是由于系统架构、灵活性及产品价格等方面还难以达到要求，所以目前在国内还较少应用。

1.2.2国内的发展现状

20世纪90年代后期，我国的智能小区日益兴起。

众所周知，我国的智能化住宅建设最早起于上海、广州和深圳等沿海城市，并逐渐向内陆发展[3]。

在97香港回归之际，在建设部“97跨世纪住宅小区案竞赛活动”中，上海中皇广场被建设部科技委员会列为全国首家“智能住宅示范工程”，揭开了全国智能小区发展的序幕。

1999年，建设部勘察设计司、建设部住宅产业化办公室联合组织实施全国住宅小区智能化技术示范工程，标志着我国住宅小区智能化进入了一个新阶段。

随着信息化走进了千家万户，由国家经贸委牵头成立了家庭信息网络技术委员会，而信息网络技术体系研究及产品开发已经被列为了国家技术创新的重点专项计划。

据建设部要求，截止今年，我国将有70%以上的家庭拥有Internet入网设备，大中城市中50%的住宅要实现智能化。

我国的智能家居相对于国外起步较晚，尚未形成一定的国家标准。

目前，主要采用国外的一些技术产品，但也有一些企业推出了自己的产品，主要有：

（1）e家庭（海尔），该系列产品以海尔电脑作为控制中心，各种网络家电作为终端设备，海尔移动电话作为移动数字控制中心。

海尔在技术上同微软合作，利用微软的WindowsMe技术和海尔的网络家电，使“e家庭”已具雏形，已推出了网络洗衣机、网络冰箱、网络空调、网络微波炉等一系列网络家电。

（2）e-home数字家园（清华同方），该智能家居控制系统是专门针对中国家庭设计的，遵循国际技术标准，采用嵌入式软、硬件技术，提供网络、网络节点及末端设备。

产品以功能模块开发为主，基于国外成熟的智能家居标准之上。

其智能家居控制系统主要有以下三个部分：

A系列：

遵循EIB协议的家庭控制产品，适用于中高档住宅区。

B系列：

遵循X-10协议的家庭控制产品，适用于中档住宅区。

易家三代：

配电箱集中安装式家庭控制产品。

国内各大软、硬件机构正在积极的研制、开发更为符合市场的智能化家居设备，以解决当前智能化产品实用性差、使用复杂及产品价格昂贵等缺点，而技术创新性也逐步向国际先进水平靠拢，这样的未来值得期待。

1.3本课题研究的目的和意义

根据前面提到的一些调查结果及数据可以看出，虽然目前智能家居系统有了一定的发展，并且市场上也开始出现相应的产品，但从总体的发展来看，不容乐观，特别是统一标准和权威产品的缺乏严重影响了家居智能化的发展。

随着科技的提高，经济的发展，人们的物质生活水平的提高，对家居环境的要求也越来越高，作为家居智能化的核心部分——智能家居控制系统也越发显得重要。

家居智能化控制的开发和建设是未来国家、经济发展的必然趋势[4]。

智能家居控制器可以为系统提供智能控制方案，使住户的控制更便捷，更高效，更能为家庭的日常活动节约不必要的能耗。

而且在现在这个注重绿色环保的世界里，智能地为住户控制好空气的湿度、温度等，检查分析空气成分，让住户安心入住。

同时，智能家居控制器可以根据住户的要求调整方案，加强紧急处理，危机救护等急救控制，充分达到只要是“用户想要的，就是我们追求的”宗旨。

1.4本课题研究的基本内容

本次设计是基于ARM9的S3C2440核心处理器，以Linux嵌入式系统为家居总中心监控系统，使用LinuxQt完成控制程序及人机界面的编写，采用ds18b20温度传感器、MQ-2烟雾传感器、光电传感器为数据采集源，采用西门子公司的AT35GSM模块完成通信及监控功能，实现了远程监控、实时监控家居温度、空气质量，以及家居重要财产防盗的功能。

1.5本章小结

本章主要分析了智能家居的研究背景，以及国内外的发展现状及发展趋势，以及智能家居平台系统的技术特点。

最后简单介绍了本智能家居系统的基本内容和设计思路。

第2章系统的总体方案设计

2.1系统需求分析

针对国内市场的实际情况分析，消费者对远程抄表和物业管理兴趣索然，但是对家电控制、家居安防报警网络却情有独钟，所以目前众多企业都往这一方向发展。

而嵌入式技术在最近几年得到了广阔的发展[5]。

嵌入式处理器的性能得到了显著地提高，这就为以嵌入式为基础的智能化家居系统的发展奠定了硬件基础，使较复杂的检测和识别算法在系统中得到应用。

在软件方面，出现了丰富的支持嵌入式设备的软件，使嵌入式系统的开发的难度降低，出现了大量专注于嵌入式的企业，使嵌入式开发中能得到良好的技术支持。

同时智能化家居的概念也更加明确，相关的智能化技术得到了显著地发展，使开发能获得大量先进的资料。

设计本智能家居系统，需要满足以下需求。

2.1.1系统功能需求分析

（1）能用手机通过收发短信的方式检测家电，打开、关闭家电的工作状态。

（2）在家居的门口安装了4*4键盘，当用户输入正确的密码可以把门打开，用户通过其他非法手段比如撬开锁时，系统及时启动报警模块，达到防盗的功能。

（3）能实时测量家居内温度、烟雾情况，当室内烟雾浓度偏高时，系统可以打开室内抽风机把室内有害气体抽出室外，当室内烟雾浓度过高，系统启动火灾报警模块，提示家居主人预防火灾的发生。

（4）当有小孩靠近窗户时，系统自动把窗户关上，避免小孩可能发生坠楼的危险，当小孩离开时，系统自动把窗户打开。

2.1.2性能需求分析

智能家居系统在正常运行时，几乎每时每刻都在运行，必须高度重视系统的稳定性和可靠性，尽量提高系统的容错能力，同时一定要保证系统安全，性能良好。

2.1.3用户界面及其他需求分析

智能家居相关的设备都是跟人们生活息息相关的，因而智能家居系统必须要求用户界面友好，用户体验效果良好，并且使用户可以很容易掌握操作流程，同时要求实用、舒适和有个性等。

2.2系统设计的原则

智能家居又称智能住宅，它的最基本目的是为人们提供一个舒适、安全、高效、方便、实用的生活环境。

对智能家居产品来说，最重要的是应立足于客户的对家居环境的具体需求，以实用为核心，摒弃掉那些华而不实的功能。

同时还要充分考虑到用户体验，注重操作的便利化和直观性，注重完美的图形化控制界面。

智能家居系统大部分时间都在运行，必须高度重视系统的安全性、可靠性和容错能力，保证系统正常安全使用、质量、性能良好，具备应付各种复杂环境变化的能力。

根据目前国内外智能家居系统的发展现状，人们不仅关注家居内部控制，更加注重对家用电器内部情况进行远程实时监控。

在要求智能家居控制系统方便快捷的同时，还要求产品外观小、功耗低、成本低和扩展性号的特点。

本系统主要针对用户家庭内部进行远程控制，主要实现的功能有：

通过远程监控家电运行情况、通过温度、烟雾传感器检测家居温度、空气质量的情况，通过光电传感器监控家庭重要财产，具有防火防盗的功能。

2.3系统总体架构设计

本课题旨在设计一套智能家居系统，根据系统的设计需求，本控制系统采用分布式控制方式对智能家居的各部分进行统一控制，主要包括远程监控家电（包括台灯、风扇）部分，具有语音提示功能的密码锁防盗部分，窗户自动关窗预防小孩坠楼部分，烟雾浓度监测自动报警部分。

各个模块相互独立，某个模块出现故障不影响其他模块运行。

本智能家居系统整体架构框图如图2.1所示。

图2.1智能家居系统整体架构框图

该智能家居系统用S3C2440处理器，控制器控制远程监控家电模块，检测温度、烟雾模块，密码锁模块等。

在实际开发中先在ARMLinux中编写每个模块的驱动程序，编译加载驱动后应用层方能操作硬件模块，手机通过收发短信的方式通过应用层程序与硬件模块通信达到控制硬件的目的。

2.4系统主要硬件介绍

2.4.1ARM处理器

嵌入式系统常用的处理器有单片机和ARM，由于考虑到单片机引脚少、功能简单以及后续学习研究等原因，故选择功能更强大的ARM处理器[6]。

随着电子技术的发展，ARM处理器经历了包括ARM7、ARM9、ARM11等在内的多个发展阶段，不断成熟的ARM处理器的应用必将为嵌入式的发展带来新的活力，是更高端的产品应用成为可能。

Mini2440ARM是一款真正低价实用的ARM9开发板，它采用SamsungS3C2440为微处理器，并采用专业稳定的CPU内核电源芯片和复位芯片来保证系统运行时的稳定性。

它采用了更多的晶体管，能够达到两倍以上于ARM7处理器的处理能力。

本系统初期采用友善之臂公司集成的mini2440开发板，开发板硬件资源如下所示。

图2.2开发板硬件资源

开发板的硬件资源包括：

ØSamsungS3C2440A处理器：

⏹主频400MHz，最高533Mhz。

ØSDRAM内存：

⏹在板64MSDRAM，32bit数