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中圖分類號(hào): 學(xué)校代碼: 10055 密級(jí): 碩 士 專 業(yè) 學(xué) 位 論 文 基于 要 I 摘要 智能家居系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),近年來(lái)發(fā)展迅速,逐漸改變了人們的日常生活。 本文研究并實(shí)現(xiàn)了一套完整的智能家居解決方案,該方案 以 嵌入式 術(shù)和 絡(luò)為基礎(chǔ),支持 用戶通過(guò)瀏覽器遠(yuǎn)程訪問(wèn) 家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)照明、家用電器、室內(nèi)溫濕度環(huán)境等的監(jiān)測(cè)控制以及對(duì)室內(nèi)的視頻監(jiān)控。家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的智能家居網(wǎng)關(guān)使用 處理器和嵌入式作系統(tǒng),集中控制和管理智能家居系統(tǒng)中的各種設(shè)備。 本文主要研究?jī)?nèi)容包括: ( 1) 詳細(xì)分析了智能家居系統(tǒng)硬件平臺(tái)的構(gòu)建需求,進(jìn)行了選型和設(shè)計(jì),采用了三星 理器(基于 片、數(shù)字溫濕度傳感器氣監(jiān)測(cè)、 進(jìn)電機(jī),完成了硬件平臺(tái)的整體設(shè)計(jì)。 ( 2) 對(duì) 作系統(tǒng)內(nèi)核和引導(dǎo)程序進(jìn)行了裁剪和移植, 并定制了包括有嵌入式 務(wù)器 用程序的文件系統(tǒng)。 ( 3) 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)的軟件,主要包括相關(guān)模塊的的驅(qū)動(dòng)程序。 ( 4) 使用 術(shù)實(shí)現(xiàn)了完整的智能家居系統(tǒng)管理程序。 關(guān)鍵詞: 智能家居系統(tǒng) 嵌入式 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序I is s a on is of of ( 1) of 3 ( 2) oa,a GI ( 3) ( 4) GI 錄 錄 摘要 . I . I 目 錄 . 一章 引言 . 1 第一節(jié) 研究背景及意義 . 1 第二節(jié) 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 1 第三節(jié) 本課題研究?jī)?nèi)容 . 3 第四節(jié) 本課題預(yù)期目標(biāo) . 4 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及方案確定 . 6 第一節(jié) 引言 . 6 第二節(jié) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo) . 6 第三節(jié) 系統(tǒng)硬件方案選型 . 7 控制器選型 . 7 塊選型 . 8 濕度傳感器選型 . 9 霧傳感器選型 . 10 第四節(jié) 系統(tǒng)軟件方案選型 . 10 入式操作系統(tǒng)選型 . 10 入式圖形庫(kù)選型 . 11 第五節(jié) 系統(tǒng)整體方案確定 . 11 第六節(jié) 本章小結(jié) . 12 第三章 物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) . 13 第一節(jié) 系統(tǒng)方框圖概述 . 13 第二節(jié) 家庭網(wǎng)關(guān)及其核心功能模塊 . 14 源系統(tǒng) . 14 統(tǒng)復(fù)位電路 . 15 行接口電路 . 16 口電路 . 17 目錄 口電路 . 17 太網(wǎng)接口電路 . 18 儲(chǔ)器電路 . 19 口電路 . 21 第三節(jié) 路設(shè)計(jì) . 21 第四節(jié) 濕度采集電路設(shè)計(jì) . 22 第五節(jié) 氣檢測(cè)電路 . 23 第六節(jié) 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 . 24 第七節(jié) 動(dòng)電路 . 25 第八節(jié) 本章小結(jié) . 25 第四章 系統(tǒng) 導(dǎo)加載程序移植 . 26 第一節(jié) 引言 . 26 第二節(jié) 嵌入式交叉環(huán)境的搭建 . 26 第三節(jié) 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)上的移植 . 28 第四節(jié) 本章小節(jié) . 33 第五章 嵌入式 作系統(tǒng)移植 . 34 第一節(jié) 引言 . 34 第二節(jié) 嵌入式 核移植 . 35 第三節(jié) 文件系統(tǒng)制作 . 38 第四節(jié) 嵌入式 務(wù)器移植 . 42 第五節(jié) 本章小結(jié) . 44 第六章 系統(tǒng)硬件接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā) . 45 第一節(jié) 引言 . 45 第二節(jié) 字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的框架分析 . 45 符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)介 . 45 符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的運(yùn)作方式 . 46 第三節(jié) 電燈驅(qū)動(dòng)程序 . 47 燈控 制原理 . 47 燈驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) . 47 第四節(jié) 空調(diào)驅(qū)動(dòng)程序 . 49 流電機(jī)控制原理 . 49 目錄 V 流電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) . 49 第五節(jié) 溫濕度驅(qū)動(dòng)程序 . 50 濕度傳感器的數(shù)據(jù)傳輸 . 50 濕度驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) . 50 第六節(jié) 氣檢測(cè)驅(qū)動(dòng)程序 . 52 氣檢測(cè)模塊的工作原理 . 52 氣檢測(cè)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) . 53 第七章 系統(tǒng)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)及性能測(cè)試 . 55 第一節(jié) 引言 . 55 第二節(jié) 系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì) . 55 體軟件流程圖 . 55 統(tǒng)主頁(yè)面設(shè)計(jì) . 57 絡(luò)家電控制程序設(shè)計(jì) . 58 絡(luò)視頻監(jiān)控程序設(shè)計(jì) . 59 濕度環(huán)境監(jiān)控程序設(shè)計(jì) . 60 氣檢測(cè)程序設(shè)計(jì) . 61 第三節(jié) 系統(tǒng)性能測(cè)試 . 63 控板 序 . 63 氣檢測(cè)測(cè)試 . 64 絡(luò)控制家電測(cè)試 . 65 絡(luò)監(jiān)控視頻監(jiān)控測(cè)試 . 66 第八章 總結(jié)與展望 . 68 第一節(jié) 主要工作 . 68 第二節(jié) 展望 . 69 參考文獻(xiàn) . 71 致謝 . 73 個(gè)人簡(jiǎn)歷 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果 . 74第一章 引言 1 第一章 引言 第一節(jié) 研究背景及意義 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展,人民的生活水平在不斷的提高,與此同時(shí),人民的生活節(jié)奏也在不斷加快,傳統(tǒng)的家居模式越 來(lái)越無(wú)法滿足人民的生活需求,人類開(kāi)始追求一種舒適與安全的家居環(huán)境,在這樣的一個(gè)時(shí)代背景下,智能家居的概念開(kāi)始產(chǎn)生并逐步走入人們的生活。 智能家居是以住宅為平臺(tái) ,集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理、控制于一體 ,利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、電力自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線電技術(shù) ,將與居家生活有關(guān)的各種設(shè)備有機(jī)地結(jié)合起來(lái) ,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化的綜合管理家中設(shè)備 ,來(lái)創(chuàng)造一個(gè)優(yōu)質(zhì)、高效、舒適、安全、便利、節(jié)能、健康、環(huán)保的居住生活環(huán)境空間 1。 構(gòu)建智能家居系統(tǒng)的一個(gè)首要條件就是搭建一個(gè)比較完善的家用通信網(wǎng)絡(luò),家居設(shè)備之間的數(shù)據(jù)信息可以通過(guò) 通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞,家居監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)相應(yīng)的軟硬件設(shè)施實(shí)時(shí)對(duì)家居設(shè)備進(jìn)行信息采集、分析,將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)家用網(wǎng)絡(luò)傳遞給家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行處理。其次,為了用戶能夠很方便的對(duì)家電進(jìn)行管理,還需要提供一個(gè)具備人機(jī)交互功能的管理平臺(tái),讓用戶能夠隨時(shí)登 錄 平臺(tái)對(duì)家電設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控 與管理 。隨著智能家居系統(tǒng)中各種技術(shù)的發(fā)展與軟硬件設(shè)施的不斷完善,智能家居能夠滿足人類對(duì)家居環(huán)境舒適、安全、環(huán)保、便捷等越來(lái)越高的需 求 ,緩解工作的壓力,提高人民的生活水平。一個(gè)完整的智能家居控制系統(tǒng) 一般由以下幾部分組成:智能家居中央控制系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng) 、家居環(huán)境溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、煤氣報(bào)警系統(tǒng)、 家電設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與遙控子系統(tǒng) 和 水、電、氣三表數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)端傳送子系統(tǒng)等 2。 第二節(jié) 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在國(guó)外 的智能家居發(fā)展史 中, 最早的載體是家居對(duì)講技術(shù)在住宅中的實(shí)現(xiàn)。家居對(duì)講技術(shù)的應(yīng)用主要在 1950 年 1960 年期間,當(dāng)時(shí)的家居設(shè)備只是簡(jiǎn)單的有線對(duì)講設(shè)備,還沒(méi)有出現(xiàn)現(xiàn)代的視頻對(duì)講技術(shù)。但是由于科技發(fā)展迅速,所第一章 引言 2 以在 1970 年 1980 年期間,國(guó)外在家居的對(duì)講技術(shù)中研發(fā)了新的數(shù)字傳輸技術(shù)并將新的視頻對(duì)講設(shè)備廣泛應(yīng)用于家庭中。 1984 年,世界上第一幢智能建筑 在美國(guó)康涅迪格州落成,這棟意義非凡的建筑只是對(duì)一座舊式大樓的一定程度的改造而完成的。它只是采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)大樓的空調(diào)、電梯、照明等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控,并提供語(yǔ)音通信、電子郵件、情報(bào)資料等方面的信息服務(wù) 3。 2000 年,新加坡有近 30 個(gè)社區(qū)的約 5000 戶家庭采用了這種家庭智能化系統(tǒng),而美國(guó)的安裝住戶高達(dá) 4 萬(wàn)戶。 2003 年,網(wǎng)絡(luò)化家居的建設(shè)帶來(lái)了高達(dá) 4500 億美元的市場(chǎng)價(jià)值,這其中有 3700 億美元是智能家電硬件產(chǎn)品的價(jià)值,剩余的部分則是軟件和技術(shù)支持服務(wù)的費(fèi)用?,F(xiàn)在,國(guó)外的智能家居系統(tǒng)技術(shù)己日趨成熟。在智能家居系統(tǒng) 研發(fā)方面 , 美國(guó)及一些歐洲國(guó)家一直處于領(lǐng)先地位。近年來(lái),以美國(guó)微軟公司及摩托羅拉公司等為首的一批國(guó)外知名企業(yè),先后擠身于智能家居的研發(fā)中。例如 :微軟公司開(kāi)發(fā)的 “夢(mèng)幻之家 ”、摩托羅拉公司開(kāi)發(fā)的 “居所之門(mén) ”、 家庭主任 ”等均已日趨成穩(wěn)得技術(shù)強(qiáng)占家居市場(chǎng)。 而在我國(guó),智能家居產(chǎn)品的出現(xiàn)比較晚,應(yīng)用也沒(méi)國(guó)外的廣泛。智能家居系統(tǒng)產(chǎn)品類型的應(yīng)用主要是以安防為主,其它生活便利類的智能家居系統(tǒng)產(chǎn)品應(yīng)用較少,出于成本問(wèn)題大多只在高級(jí)住宅中實(shí)現(xiàn)較多,而普通民宅主要以普通安防系統(tǒng)的應(yīng)用較廣泛。在國(guó)內(nèi)智能家居系統(tǒng)產(chǎn)品 的各類應(yīng)用中,之所以安防類智能家居產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛是由于國(guó)內(nèi)的住宅主要以小區(qū)物業(yè)管理為主,在物業(yè)管理方面小區(qū)通過(guò)在樓房的主要安全通道和各樓層出入口上安裝智能家居類安防類產(chǎn)品為其對(duì)整個(gè)小區(qū)實(shí)現(xiàn)智能化管理提供一定的便利,實(shí)現(xiàn)小區(qū) 的 防盜和火災(zāi)防護(hù)功能 4。而用戶個(gè)人方面也有很大一部分出于雙重保障的考慮也在自己的房屋內(nèi)另外安裝一套個(gè)人的智能家居安防類產(chǎn)品,使其即使出門(mén)在外也能通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)客戶端對(duì)家居的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警,從而實(shí)現(xiàn)家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控和火災(zāi)防護(hù)等 功能 。 因此,無(wú)論是物業(yè)管理 還 是個(gè)人住宅用戶均 可根據(jù)自身樓房的需要,在智能家居系統(tǒng)類產(chǎn)品進(jìn)行一定的投資,從而建立一個(gè)成熟實(shí)用的住宅安全防護(hù)系統(tǒng),以保障各住宅用戶的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全,并 對(duì)物業(yè)管理起到 優(yōu)化住宅管理 的作用 。 而在對(duì)于一個(gè)完整的智能家居系統(tǒng)來(lái)說(shuō)主要由智能家居數(shù)據(jù)處理主控機(jī)、特定功能傳感器模塊和報(bào)警模塊組成。其中智能家居數(shù)據(jù)處理主控機(jī)是整個(gè)智能家居系統(tǒng)的核心部分,其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)任何時(shí)刻采集的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析處理,只要智能家居系統(tǒng)在正常工作中,就保證智能家居數(shù)據(jù)處理主控機(jī)是第一章 引言 3 運(yùn)行 的。特定功能傳感器模塊一般由各類專用的傳感器組成,例如有毒氣體檢測(cè)傳感器、 溫濕度數(shù)據(jù)采集傳感器等,該類傳感器一般通過(guò)無(wú)線的模式與智能家居主控機(jī)連接,如果檢測(cè)到家居內(nèi)有異常,便向主控機(jī)發(fā)出危險(xiǎn)信號(hào),主控機(jī)接收到家居危險(xiǎn)信號(hào)后查詢后臺(tái)情景處理機(jī)制,通過(guò)報(bào)警模塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警和住宅用戶遠(yuǎn)程報(bào)警等。 從國(guó)內(nèi)外的 智能家居 應(yīng)用調(diào)研結(jié)果可以 看出 ,其 在國(guó)內(nèi)的發(fā)展較歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚,目前還沒(méi)有大規(guī)模的普及,具有標(biāo)志性的工程是 1999 年建設(shè)部住宅產(chǎn)業(yè)化辦公室與建設(shè)部勘察設(shè)計(jì)公司攜手實(shí)施全國(guó)住宅小區(qū)智能化技術(shù)示范工程,這代表著我國(guó)智能家居建設(shè)的開(kāi)始 5。雖然我國(guó)的智能家居各項(xiàng)技術(shù)都起步較晚,但全 球家居智能化市場(chǎng)巨大,面對(duì)廣闊的市場(chǎng)前景,國(guó)內(nèi)許多 括清華同方推出的“ e字家園”系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)具備社區(qū)的綜合管理與維護(hù)等功能,目前已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用;還有海爾推出的“ U居生活解決方案,該方案把家電設(shè)備通過(guò)信息傳感器連接到互聯(lián)網(wǎng)上,人們可以通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò),方便地對(duì)家電信息進(jìn)行查詢與監(jiān)控;中國(guó)電信“我的 E 家”和“工商 家具產(chǎn)品,都得到了一定程度的應(yīng)用。全球的智能家居有著開(kāi)闊的市場(chǎng)前景,受智能家居市場(chǎng)利潤(rùn)的影響,不同 的廠商都開(kāi)始投入到這個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中,市場(chǎng)的爭(zhēng)奪日趨激烈。目前國(guó)家正在大力推動(dòng)智能家居的發(fā)展, 在 政府的支持與引導(dǎo)、家居市場(chǎng)的內(nèi)在需求與推動(dòng) 下 ,我國(guó)的智能家居產(chǎn)業(yè)正處于一個(gè)快速發(fā)展的階段,智能家居正在逐步推廣,整個(gè)系統(tǒng)將朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能化與節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。 第三節(jié) 本課題研究?jī)?nèi)容 1智能家居硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 基于 智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 首先需要一個(gè)穩(wěn)定工作的硬件平臺(tái)作為軟件穩(wěn)固運(yùn)行的基礎(chǔ), 整個(gè) 智能家居系統(tǒng)的 硬件平臺(tái)的搭建主要 基于 像頭、 塊、溫濕度傳感器、煙霧傳感器等 各類 與系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)相關(guān)的 傳感器與主控板 發(fā)板 通信 , 最后 實(shí)現(xiàn)智能家居的各個(gè)功能。 2 嵌入式操作系統(tǒng)軟件 平臺(tái)搭建和移植 智能家居系統(tǒng)的 硬件平臺(tái)搭建 完成 后需要向其寫(xiě)入軟件系統(tǒng)才能讓整個(gè)智第一章 引言 4 能家居系統(tǒng)發(fā)揮作用,其中軟件平臺(tái)的搭建主要包括嵌入式 根文件系統(tǒng) 的制作與少些 、 形庫(kù)的移植。 3 智能家居相應(yīng)硬件驅(qū)動(dòng) 的設(shè)計(jì) 在 傳統(tǒng)的 嵌入式操作系統(tǒng)中,硬件驅(qū)動(dòng)是連接應(yīng)用層軟件與底層硬件的樞紐,硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)屬于軟件設(shè)計(jì),但其要求設(shè)計(jì)者既要有軟件開(kāi)發(fā)知識(shí)也要有硬件基礎(chǔ),因此 硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 是 整個(gè)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程中最難的一步。在 基于 智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 中主要 涉及 到的硬件驅(qū)動(dòng)程序有: 像頭驅(qū)動(dòng)程序、 溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)程序、 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、 動(dòng)程序、蜂鳴器驅(qū)動(dòng)程序等。 4應(yīng)用層軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)獨(dú)立出來(lái)后使得應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)的難度大大降低,當(dāng)要操作底層硬件時(shí)一般由應(yīng)用層軟件調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序提供的系統(tǒng) 接口 ,比如應(yīng)用層軟件通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用的方法調(diào)用底層硬件 實(shí)現(xiàn) 功能 需求 。 基于 智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 中應(yīng)用層軟件采用 計(jì),具有友好的用戶交互界面。 第四節(jié) 本課題預(yù)期目標(biāo) 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間 具體的研究,以及智能家居相關(guān)應(yīng)用市場(chǎng)方面的的調(diào)研, 基于 智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 從理論和實(shí)踐上制定了一定的 預(yù)期目標(biāo)。理論上,提出一套基于嵌入式 作系統(tǒng) 、 絡(luò)和 絡(luò) 為基礎(chǔ)的智能家居解決 方案 , 要完成這一預(yù)期目標(biāo),需要進(jìn)行 相應(yīng)的 作 系統(tǒng)移植和軟件 平臺(tái)的軟件搭建,以解決軟硬件的兼容問(wèn)題;設(shè)計(jì) 智能家居系統(tǒng)相應(yīng)的硬件 驅(qū)動(dòng) 程序來(lái)為底層硬件與上層應(yīng)用軟件程序提供連接橋梁;設(shè)計(jì)智能家居具體 用層軟件來(lái)最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)智能家居系統(tǒng)的各個(gè)應(yīng)用功能。智能家 居系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn) 的功能 如下: ( 1)視頻監(jiān)控功能 : 通過(guò) 電腦瀏覽器可登錄智能家居管理 站點(diǎn) ,智能家居系統(tǒng)安裝的 像頭可以實(shí)時(shí)采集視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)頁(yè)終端,這樣便能實(shí)現(xiàn)通過(guò)家里的攝像頭 實(shí)現(xiàn) 實(shí)時(shí)的視頻監(jiān)控。 ( 2)網(wǎng) 站 控制功能 : 通過(guò)電腦瀏覽器可登錄智能家居管理網(wǎng) 站 后可以通過(guò)管理網(wǎng) 站 的相應(yīng)按鈕對(duì)家里的電燈、空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)家居電器設(shè)備的遠(yuǎn)程控制功能。 第一章 引言 5 ( 3)煙霧檢測(cè)報(bào)警:當(dāng)智能家居系統(tǒng)配備的煙霧傳感器檢測(cè)到煙霧濃度過(guò)高時(shí),表示家里發(fā)生了火災(zāi),這時(shí)智能家居主控板會(huì)作相應(yīng)處理,并通過(guò)系統(tǒng)的 塊發(fā)送短信向 用戶手機(jī)報(bào)警。 ( 4)溫濕度采集顯示:智能家居系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集家里的溫濕度數(shù)據(jù)并在系統(tǒng)主控終端進(jìn)行顯示。第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及方案確定 6 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及方案確定 第一節(jié) 引言 進(jìn)行一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì),第一步要進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研,了解了該產(chǎn)品的 類似 產(chǎn)品在市面上的形態(tài)以及各種不同方案的優(yōu)劣。在經(jīng)過(guò)了種種調(diào)查,下一步就具備了充分的知識(shí)進(jìn)行產(chǎn)品的初步設(shè)計(jì)以及具備了幾種實(shí)際方案的準(zhǔn)備,剩下就是進(jìn)行最佳方案的篩選 。 第二節(jié) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo) 智能家居 是 21 世紀(jì)才興起的通過(guò) 先進(jìn)的計(jì)算機(jī) 技術(shù)和通信、控制技術(shù)來(lái) 為不同住宅 建立 的 一個(gè) 具有家庭安全防護(hù)系統(tǒng)、 家庭自動(dòng)化系 統(tǒng) 和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)等 各功能模塊 組成的 ,為了實(shí)現(xiàn) 舒適的居住環(huán)境 、便利的通信網(wǎng)絡(luò)和較全面的住宅安全防護(hù)的家庭住宅,智能家居是一個(gè)管理集成和家庭服務(wù)完善的集成系統(tǒng)。 智能家居 應(yīng)用了當(dāng)今時(shí)代最先進(jìn)技術(shù),其中包括自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)、 綜合布線技術(shù)、 安全防范技術(shù)和 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù) 等, 智能家居采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 將家居生活有關(guān)的設(shè)備 接入家居網(wǎng)中,使用戶可隨時(shí)通過(guò) 終端實(shí)時(shí)對(duì)家中的各種電器設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控,并且可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)攝像頭對(duì)家里進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控 。 經(jīng)過(guò)具體分析,初步 確定 了 基于 智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 課題 , 需要完成的主要設(shè)計(jì)目 標(biāo)為:家居無(wú)線視頻監(jiān)控、電腦網(wǎng) 站 遠(yuǎn)程控制設(shè)備、煙霧安全檢測(cè)報(bào)警和家居溫濕度實(shí)時(shí)采集。 首先, 家居無(wú)線視頻監(jiān)控需要在 智能家居主系統(tǒng)板上安裝一個(gè) 像頭,主控板驅(qū)動(dòng) 像頭實(shí)時(shí)采集視頻圖像然后通過(guò)無(wú)線路由器將視頻流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去,工作穩(wěn)定后用戶可隨時(shí) 通過(guò) 電腦瀏覽器 登錄 到 智能家居管理網(wǎng) 站 , 此時(shí) 智能家居系統(tǒng)安裝的 像頭 實(shí)時(shí)采集 到 視頻數(shù)據(jù) 會(huì) 發(fā)送到 相應(yīng)的 網(wǎng)頁(yè)終端,這樣便能實(shí)現(xiàn)通過(guò)家里的攝像頭對(duì)家里進(jìn)行實(shí)時(shí)的視頻監(jiān)控。 其次,電腦網(wǎng)頁(yè)遠(yuǎn)程控制設(shè)備目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)還是靠智能家居主控板連接上的無(wú)線路由與其他移動(dòng)終端組成的局 域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程操控,由于家居的各種電器設(shè)備,如電燈、空調(diào)等是直接接入到智能家居主控板第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及方案確定 7 中的,所以當(dāng)用戶通過(guò)電腦瀏覽器 登錄智能家居管理網(wǎng)頁(yè)后 , 可以通過(guò) 本人設(shè)計(jì)的 管理網(wǎng)頁(yè)的相應(yīng)按鈕 可以直接控制 家里的電燈、空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)家居電器設(shè)備的遠(yuǎn)程控制功能。 再次, 煙霧安全檢測(cè)報(bào)警首先需要在智能家居主控板外圍硬件電路中接入相應(yīng)的煙霧傳感器,并實(shí)時(shí)測(cè)量家居中各個(gè)地方的煙霧濃度當(dāng) 家里發(fā)生了火災(zāi), 則室內(nèi)的煙霧濃度必定增加,此時(shí) 智能家居主控板 檢測(cè)到煙霧傳感器的變化后馬上 通過(guò)系統(tǒng)的 塊發(fā)送短信向用戶手機(jī)報(bào)警。 最后, 智能家居系統(tǒng)需要接入高性能的溫濕度傳感器,以對(duì)家居的溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)施實(shí)時(shí)檢測(cè)并在智能家居主控端的顯示屏上顯示,以供用戶查看。 第三節(jié) 系統(tǒng)硬件方案選型 控制器選型 由于 基于 智能家居系統(tǒng) 涉及 到視頻流數(shù)據(jù)的傳輸,屬于大量數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸,因此對(duì)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性要求比較高,需要選用硬件能力比較強(qiáng)悍的嵌入式類主控制器才能實(shí)現(xiàn)該要求。而市場(chǎng)上應(yīng)用于智能家居 主控制器主要為 理器 和 理器 ,二者均可運(yùn)行操作系統(tǒng),因此硬件能力都比較適合本課題研究的的智能家居系統(tǒng) 。 一個(gè) 32 位處理器內(nèi)核 ,也就是說(shuō) 存儲(chǔ)器的 接口是 32 位的接口,它的寄存器是 32 位的并且其內(nèi)部的數(shù)據(jù)路徑也是 32 位的模式。功能很多,但比較出色的幾點(diǎn)是,首先 性能強(qiáng)勁,相比其它相同主頻的處理器 處理更多的任務(wù);其次 功耗極低,這就極大的延長(zhǎng)了設(shè)備的電池壽命,所以 理器廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)備的,如無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)備; 實(shí)時(shí)性好, 理器可以極速的響應(yīng)系統(tǒng)或者其它終端,并且其 響應(yīng)相應(yīng)中斷所需要的周期數(shù)也是確定的;成本低,雖然是 32 位的單片機(jī),但是有些低成本的 體解決方案甚至比 8 位 /16 位的成本還低,因?yàn)?理器內(nèi)部帶有許多功能,可以節(jié)省一些外電路的設(shè)計(jì) 6。 理器的處理能力很大程度上是由系統(tǒng)的工作頻率決定的, 常見(jiàn)的 理器的系統(tǒng)主時(shí)鐘頻率高達(dá) 100更高一級(jí)的 高可以達(dá)到 700理器有些系列具有芯第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及方案確定 8 片內(nèi)部存儲(chǔ)器,所以一般產(chǎn)品的設(shè)計(jì)可以不外擴(kuò) 外置存儲(chǔ)器。但是一般 理器都是用于操作系統(tǒng)的應(yīng)用,需要大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ),而 理器內(nèi)部存儲(chǔ)器的容量都不會(huì)太大,所以在采用 理器設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器,但也有部分系列的存儲(chǔ)器具有相對(duì)較大的內(nèi)部存儲(chǔ)器,只是成本相對(duì)較高 7。 考慮到 基于 智能家居系統(tǒng)需要用到較高的圖形系統(tǒng)庫(kù)來(lái)開(kāi)發(fā),雖然理器可以運(yùn)行 形系統(tǒng),但是由于目前廣泛應(yīng)用于 發(fā)的圖形系統(tǒng)主要還是 形系統(tǒng),而 形系統(tǒng)是依賴 統(tǒng)生存的,由于硬件限制 辦法運(yùn)行 統(tǒng),所以本課題擬選用 理器作為 基于 智能家居系統(tǒng) 的主控制器 ,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的了解友善之臂廠家生產(chǎn)的 發(fā)板在所有采用 理器的開(kāi)發(fā)板中硬件做工比較好,并且軟件資料也充足,所以本課題選用 發(fā)板作為開(kāi)發(fā)系統(tǒng) 。 塊選型 通用分組無(wú)線業(yè)務(wù) (英文簡(jiǎn)稱,是各大通信行業(yè)運(yùn)營(yíng)商適應(yīng)社會(huì)需求而研發(fā)出來(lái)的一種新的承載技術(shù) 。 由于在網(wǎng)絡(luò)資源的利用方 面 是利用電路交換的模式,所以 過(guò)允許用戶在端到端之間分組的轉(zhuǎn)移模式下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送、接 收 ,提供了一種低成本和高效的分組無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。因此 分適用于頻繁少量的、突發(fā)性強(qiáng)的和間斷的數(shù)據(jù)傳輸,但也同樣適用于偶爾大數(shù)據(jù)量的無(wú)線傳輸,因此 基于 智能家居系統(tǒng)采用 塊來(lái)實(shí)現(xiàn)家居異常情況報(bào)警時(shí)短信的智能發(fā)送。 市場(chǎng)上的 塊很多,價(jià)格區(qū)間也比較大,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的挑選,本課題選用司生產(chǎn)的 塊來(lái)設(shè)計(jì)。 23G 模塊采用符合 SM +的三頻主芯片設(shè)計(jì),它支持 音通話、短信息收發(fā)、 模塊配置有一個(gè) 座,一個(gè)電源啟動(dòng)按鈕、一個(gè)模塊復(fù)位按鈕、一個(gè)電源指示 一個(gè) 絡(luò)信號(hào)指示 個(gè)帶來(lái)電提醒功能的蜂鳴器。 23G 比較人性化的一個(gè)設(shè)計(jì)是它配置了兩個(gè)串口接口,分別是 平的 4 線串口和 平的 9 針串口,用戶可通過(guò)跳線選擇使用其中一個(gè)串口。模塊電源為寬電壓設(shè)計(jì),允許輸入直流5電源,另外模塊設(shè)計(jì)了音頻輸入和輸出接口,可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通話功能,第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及方案確定 9 但是本設(shè)計(jì)中暫時(shí)沒(méi)用到該功能。 塊如圖 示。 圖 23G 模塊 濕度傳感器選型 溫度和濕度數(shù)據(jù)檢測(cè)在智能家居系統(tǒng)中必不可少,為了減低硬件設(shè)計(jì)難度,基于 智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 采用溫度和濕度采集于一體的傳感器,而沒(méi)有采用獨(dú)立的兩個(gè)傳感器做設(shè)計(jì),經(jīng)過(guò)篩選,決定采用 字溫濕度復(fù)合傳感器做設(shè)計(jì),傳感器實(shí)物如圖 示。 圖 字溫濕度傳感器 一款市面上比較成熟的具有自校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器 。 字溫濕度傳感器最大優(yōu)勢(shì)是卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性,第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及方案確定 10 因?yàn)樵搨鞲衅鲬?yīng)用的是專門(mén)的溫濕度傳感器技術(shù)與數(shù)字模塊采集技術(shù)來(lái)保證該特性。并且 字溫濕度傳感器功耗低和體積小的優(yōu)點(diǎn)決定了其信號(hào)傳輸距離可到二十米以上,足夠應(yīng)付各種苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合,因此 字溫濕度傳感器是智能家居系統(tǒng)的首選 8。 霧傳感器選型 體傳感器常用于工廠、家庭和公司等室內(nèi)場(chǎng)所的氣體泄漏檢測(cè)裝置,其檢測(cè)的有毒氣體種類較多,包括 甲烷 、 丙烷 、 丁烷 、液化石油氣、煙霧、氫氣和酒精等氣體的檢測(cè),而大多數(shù)家庭 均使用液化石油氣,并且 體傳感器成本不高,因此本課題采用 感器做為有毒氣體檢測(cè)傳感器,傳感器實(shí)物圖如圖 示 9。 圖 體傳感器 第四節(jié) 系統(tǒng)軟件方案選型 入式操作系統(tǒng)選型 當(dāng)有了性能強(qiáng)勁的 理器硬件芯片的支持,可選用的軟件操作系統(tǒng)就比較多了。一般在嵌入式產(chǎn)品中應(yīng)用比較多的操作系統(tǒng)有 作系統(tǒng)、作系統(tǒng)和 作系統(tǒng)。以上所說(shuō)的三個(gè)操作系統(tǒng)中只有 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及方案確定 11 作系統(tǒng)是不開(kāi)源的,其它兩個(gè)操作系統(tǒng)均為開(kāi)源系統(tǒng)??紤]到整個(gè)畢業(yè)設(shè) 計(jì)過(guò)程中的可學(xué)習(xí)性,首先排除了 作系統(tǒng)。 作系統(tǒng)由于是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),因此常用于工業(yè)控制方面,而 作系統(tǒng)是非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),常用于消費(fèi)電子方面。 作系統(tǒng)是一個(gè)小型操作系統(tǒng),對(duì)于以圖形庫(kù)處理為主的軟件應(yīng)用比較吃力,而 作系統(tǒng)是一個(gè)在全球擁有最多維護(hù)者的開(kāi)源操作系統(tǒng),它可用于個(gè)人電腦的使用,因此對(duì)于本課題的智能家居系統(tǒng)的高要求,選用 作系統(tǒng)作為 控板的嵌入式操作系統(tǒng)比較合適。 入式圖形庫(kù)選型 智能家居系統(tǒng)要求具有一個(gè)友好的用戶交互 界面,這就需要一個(gè)成熟的圖形庫(kù)系統(tǒng)支持 。雖然當(dāng)今市場(chǎng)上已經(jīng)充斥了各種優(yōu)秀的圖形庫(kù)系統(tǒng)(即 用),但是由于 21 世紀(jì) 是計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代,因此每當(dāng)市場(chǎng)上出現(xiàn)了新技術(shù)或者新硬件時(shí)相應(yīng)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、指令系統(tǒng)和體系結(jié)構(gòu)都有可能發(fā)生重大的變化,這樣就會(huì)造成了一個(gè)嚴(yán)峻的現(xiàn)象 , 極大一部分原本已經(jīng)很成熟的圖形應(yīng)用軟件在新的硬件、軟件環(huán)境下無(wú)法正常運(yùn)行,這時(shí)候如果開(kāi)發(fā)者舍棄原來(lái)成熟的軟件系統(tǒng)重頭開(kāi)發(fā)的話,就是耗費(fèi)公司大量的資金和人力資源,更重要的是浪費(fèi)了公司現(xiàn)今已經(jīng)很成熟的系統(tǒng)。 形庫(kù)的出現(xiàn)解決了以上問(wèn)題, 因?yàn)?形庫(kù)在軟件開(kāi)發(fā)的源代碼級(jí)別實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)的特性,實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)通用軟件的開(kāi)發(fā),因此 形庫(kù)這種跨平臺(tái)性不但解決了軟件的性能問(wèn)題,還充分發(fā)揮了各軟件、硬件平臺(tái)的優(yōu)勢(shì),使各個(gè)硬件、軟件平臺(tái)可以
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