基于Web方式的智能家居远程监控系统的设计与实现计算机专业

1、摘要摘要智能家居是未来家居的发展方向，其利用先进的网络技术、计算机技术和无线通信技术等将家居中的各种电子电气设备连接起来，统一管理、远程监控和资源共享，实现了高效、便利的生活环境。基于此背景，本文设计了基于 Web 方式的智能家居远程监控系统。本论文基于现有的 OMAP3530 的智能家居系统硬件平台，构建嵌入式 Linux 操作系统的软件平台，编写相关程序，通过 Internet 网络，设计基于 Web 方式的智能家居管理与控制系统，主要实现用户权限控制、家电的管理与控制、家庭设备增添与配置和情景模式设置等功能。论文首先对智能家居和远程监控系统的概念及国内外发展现状和趋势进行了阐述，通过对比

2、家庭内网和外网的联网技术，从而得出本设计采用的技术标准；然后，分析了智能家居远程监控的功能需求、智能情景模式的设置和设备信息的组成，得出智能家庭远程监控系统的设计方案，主要内容有系统软件架构、系统对设备的基本操作以及设备描述性文件的定义； 并详细介绍了嵌入式 Linux 操作系统的移植过程，构建了软件平台；接着，介绍了实现基于Web 方式远程监控系统的关键技术，包括嵌入式 boa 服务器和嵌入式 SQLite 数据库的移植、动态交互程序 CGI 的工作原理及用 CGI 程序和数据库实现设备描述文件和智能情景模式，实现了系统的 Web 操作界面；最后，总结论文取得的成果，提出了下一步工作的重点和

3、方向。关键词： Web，嵌入式 Linux，远程监控系统，Boa，SQLiteIIABSTRACTABSTRACTThe Smart Home is the future direction of home life. It takes advantage of networking technology, computer technology and wireless communication technology to connect all kinds of electronic and electrical equipment at home to realize the unif

4、ied management, remote monitoring and resource share, making the life more efficient and more convenient. Considering to this situation, the paper designs the smart home remote monitoring systerm based on Web technologies.In this paper, based on the OMAP3530 hardware platform for Smart Home, a softw

5、are platform of embedded Linux operating system was built, as related programs included. Through the Internet, the Web-based management and control system of Smart Home was designed, which has realized these functions of the control of user access, the management and control of home appliances, the

6、registration and configuration of home devices,the choice of scene mode.Firstly, the paper introduces the concept of Smart Home and remote monitoring system, and elaborates the development status and trends of Smart Home in domestic and aboard. It compares several networking technologies of home net

7、work and external network, and then the technical standards to be used are decided. Secondly, according to the required functions of the Smart Home remote monitoring system, the settings of intelligent scene mode and the composition of the information devices, the scheme design of the smart homes re

8、mote monitoring system is designed, which contains the systerm oftware architecture, the systems basic operation on equipment and the definition of the device description files.And, the software design on the transplantation of the embedded Linux operating system is described in detail. Then, the th

9、esis focuses on the the key technologies of the Web-based monitoring systerm, including the transplantation of the embedded boa server and the embedded SQLite database and the working principle of dynamic interactive program CGI. Through the program CGI and the database, which handles the device des

10、cription files and the intelligent scene mode, in the browser the Web user interface can be realized. In conclusion, the fruits of the paper are summarized and the focus points and direction of the further research are proposed.Keywords: Web, Embedded Linux, Remote Monitoring System, Boa, SQLite目录目录

11、IV摘要IABSTRACTII目录III第一章 绪论11.1 课题背景及意义11.2 智能家居概述21.2.1 智能家居及远程监控系统概述21.2.2 国外智能家居发展现状及趋势31.2.3 国内智能家居发展现状及趋势51.3 论文主要工作及组织结构61.3.1 本文主要研究内容61.3.2 本文组织结构7第二章 智能家居远程监控系统的需求分析92.1 家庭内网组网方式选择92.2 远程监控方式选择102.3 智能家居远程监控系统结构112.4 智能家居远程监控系统的各个子系统132.4.1 各个子系统的功能142.4.2 智能情景模式的定义162.4.3 智能情景模式的设置172.4.4 设

12、备信息的介绍21第三章 智能家居远程监控系统方案设计与平台搭建233.1 系统的软件方案设计233.1.1 系统的软件架构233.1.2 系统对设备的基本操作253.1.3 设备信息描述文件263.2 系统的硬件平台介绍303.3 系统软件平台的搭建323.3.1 嵌入式 Linux 操作系统的概述323.3.2 嵌入式 Linux 系统开发流程333.3.3 嵌入式 Linux 操作系统的移植与实现34第四章 基于 Web 方式的家庭远程监控系统的技术实现374.1 嵌入式 Web 服务器平台的建立374.1.1 嵌入式 Web 服务器的选择374.1.2 嵌入式 Web 服务器的移植384

13、.1.3 CGI 工作原理414.2 嵌入式数据库的构建424.2.1 嵌入式数据库的选择和特点424.2.2 嵌入式 SQLite 数据库的移植434.2.3 SQLite 的接口函数与 SQL 语句444.3 CGI 动态交互程序47第五章 基于 Web 方式的家庭远程监控系统的界面实现575.1 用户登录功能575.2 家居控制的界面605.2.1 用户认证设置605.2.2 智能照明系统615.2.3 家庭电器系统635.2.4 家庭安防系统645.3 设备添加655.4 情景模式的界面69第六章 总结与展望716.1 本文总结716.2 下一步工作与展望71参考文献74第一章 绪论第

14、一章 绪论1.1 课题背景及意义网络的广泛普及和通信技术的高速度发展，给如今的社会带来了数字化和信息化的改变。信息化从 20 世纪 80 年代开始就渗透到社会的各个领域并加快了各行各业的发展，如今科研、国防、商务、金融、企业管理和办公都已经离不开网络和信息技术。通过信息的传递实现社会、家居生活和人的融通，这是人们实现更高标准的生活的途径，也是信息社会发展的必然。这是课题研究的社会背景。信息化的数字家居生活实现的前提是技术的发展，技术发展的高度决定了数字家居生活的快捷程度，技术发展主要有如下几方面。第一方面是网络的日益普及，主干网带宽的倍数增加和宽带网的日渐增多，对信息化家居服务提供了途径；第二

15、方面是嵌入式软件的发展， 如今 CPU 功能越来越强，双核处理器的发展对数字家庭更是锦上添花，片上系统高性能和低成本的优势有利于数字化家居生活更好的发展和普及；第三方面是家电的数字化智能化，现在的家电大部分已经有自动控制部件，对于数字化家庭的完备提供了重要的技术基础；第四方面是智能化是信息化的新动向，智能化家居是数字家庭的新阶段，随着物联网技术的成为科技发展的新动向，智能家居的发展得到更多的关注和空间1。以上方面是智能家居研究的技术背景。现代科技力量打破了传统的时空界限，借助网络和飞速发展的信息技术，人们可以足不出户纵揽全球。电子商务、远程教育、家庭上网办公、网上购物、网上旅游聊天、社区智能管

16、理等等，以超乎想象的速度改变了人类的生产、生活方式，更深刻地影响到人类的思维模式和生存状态。为了适应信息化时代要求，在家居方面，世界上一些科研机构已经将智能大厦的概念和模式引进智能小区，并进一步引进家庭，而产生智能家居这一概念。智能家居是指将各种信息设备和住宅设备通过家庭网络连接起来，并保持这些设备与住宅的协调，从而构筑成舒适安全的信息化居住空间，满足人们在家中生活、工作、娱乐和交流的需要，提供安全防护、社区管理的手段。随着 Internet 和 WWW 的流行，以往的主机/终端和 C/S 模式都无法满足当前的全球网络开放、互联、信息随处可见和信息共享的新要求，于是就出现了 B/S 模式，即浏

17、览器/服务器结构。B/S 模式最大的特点就是，用户可以通过 WWW 浏览器去访问 Internet 上的文本、数据、图像、视频点播和声音信息，这些信息都是由许许多多的 Web 服务器产生的，而每一个82Web 服务器又可以通过各种方式与数据库服务器连接，大量的数据实际存放在数据库服务器中，客户端除了 WWW 浏览器，一般无须任何用户程序，只需要从 Web 服务器上下载程序来本地执行。在以太网已经覆盖全球和 3G 网络大量普及的今天，Web 技术的发展使嵌入式设备的远程控制和管理方式有了改变。当我们把家电通过网关连接到 Internet 时，只要在嵌入式设备中有一个微型Web 服务器，就可以使用

18、任意一种Web 浏览器实现设备信息的接受和发送。如何使用 Web 浏览器对嵌入式设备进行远程监控越来越受到人们的关注。因为工业自动化水平的提高，远程控制成了应用越来越多的手段2；通过远程控制系统可以访问家庭监控业务入口，通过计算机登录到家中的网站，用 Web 浏览器就可以方便地对家中设备进行查询和控制；下班前，连接到家中的服务器就可以启动家中空调甚至调节温度， 打开电热水器等；通过家庭网关所连接的有线或者无线 IP 摄像头、机顶盒所连接的通用串口总线架构摄像头或可视电话看到老人和孩子的活动情况，并可选择录制该视频到家庭网关或所连接的 USB 硬盘或 PC，实现对家庭的监控。因此，无论从社会角度

19、、技术、还是经济考虑，设计一个基于 Web 方式的智能家居远程监控系统都将具有一定的意义。本论文研究如何在 Web 方式下访问智能家居系统以及如何对智能家居系统中的各种设备进行远程控制或监视。1.2 智能家居概述1.2.1 智能家居及远程监控系统概述智能家居（Smart Home）是以住宅为平台，具备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化等功能，通过将家庭内部所有的电气设备和信息设备连接起来而组成的网络，科学管理家居生活的各个方面，如语音、数据、视频、通信、商务、环保、信息采集、安全防范、智能控制与管理等方面为一体的综合业务平台和快捷、放便、安全的居住环境。智能家居优化了人们的生活方式和居住环境

20、，帮助人们有效地安排时间、节约各种资源，实现了家电控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、家庭娱乐、定时控制以及远程监视和控制等功能；从而牵动电子信息、网络通信、房地产、智能化装修、小区和家庭服务以及传统家电企业等一大批产业的蓬勃发展，也关系到社会的进步和国家的科技建设。智能家居的体系大体上可以分成三个部分：家庭外部网络、家庭网关和家庭内部网络。家庭外网是指家庭对外能够通过网关与外部网络（如以太网、因特网、广域网）互联进行信息交换的一种崭新的组网和应用技术，从而实现对所有的家庭网络上的家电和设备进行使用、第一章 绪论访问、控制和管理。家庭网关则是外部网络和内部网络的桥梁，网关能和家庭网

21、络中的设备通过家庭内部网络实现两者的互联，这样就为每个家庭内部设备提供了外部网络的接口，通过这个网关接口，外部网络可以实现对家庭信息设备和住宅环境的配置和监控，实现了家庭内部网络和外部网络对家庭网关这个服务器的访问。内部网络又包括数据网络和控制网络。数据网络主要指 PC、打印机、摄像头等构成的高速数据网络。本论文研究对象是控制网络， 家庭控制内部网络是指通过家庭内部网络连接的所有控制设备并负责所有与信息设备、住宅环境的查看和监控有关的服务平台，通过一定的传输介质将家庭信息设备、自动化设备、安防报警设备等连接起来，采用统一的通信协议，实现所有信息的传输3。通过以上对智能家居的系统结构划分和各个组

22、成部分的介绍，我们可以得到智能家居组成示意图，如下图 1-1 所示。智能家居的远程监控系统是指家庭内部各种信息设备通过家庭网关与家庭外部网络连接，在家庭网关中添加嵌入式 Web 服务器后，用户可以通过上网工具比如 PC 机登录家中的Web 服务器，在通过用户名和密码验证后，便可以通过浏览器端的界面实现对远方家庭的信息设备的查看和管理，例如灯光、家电、窗帘、门禁和门窗磁等基础设施及室内环境的远程实时监视等工作。1.2.2 国外智能家居发展现状及趋势家电业的发展始于 20 世纪 60 年代末至 70 年代初，主要是机械控制和电气控制式家电。从 20 世纪 70 年代末开始，由于电子技术的发展，家电

23、的控制方式进入了电子控制方式，80 年代微处理器在各个领域得到应用，出现了微电脑控制家电。1998 年以来，信息家电受到信息、家电、通信厂商的广泛关注，许多公司想把信息家电作为重要的发展方向，有的公司甚至认为信息家电是 IT 产业继 PC 之后的第二个最为重要的产品。Intel、Cisco、3Com、Sony、Parasonic、Philips、Samsung、Microsoft、HP、IBM、Ericsson、Nokia 等计算机软硬件、家电、通信厂商纷纷投资于信息家电产品的研究与开发。国际上对智能家居的研究起源于 20 世纪 70 年代。不同公司的产品互不兼容，导致市场的开拓和技术的进步极

24、为缓慢，从全球的发展情况来看，数字家庭网络这块目前在各个地方其实是以不同的业务重心来向用户推广的。美国的数字家庭是在运营商提供融合业务的大背景下推动的。微软公司与其他公司在家电自动化技术方面共同合作，提出了控制家电产品的协议（SCP），SCP 是面向在内存及处理器性能等方面具有局限性的设备、利用电源线的低价格低带宽网络协议。该协议被定义为通用即插即用协议（UPnP）的补充协议。将 UPnP 与 SCP 组合后，可以通过一个逻辑网络控制如电灯开关及复杂的家电产品。同时，SCP 可以与 CEBus 以及 HomePlug 标准共存。美国的ECHELON 公司凭借其在楼宇自动化领域多年的经验以及掌握

25、着电力线载波通信的关键技术，也进入家庭网络技术领域，开发了 LonWorks 网络控制平台，并提供了 Lontalk 通信协议。在欧洲，数字家庭的核心采用多媒体家庭平台（MHP，Multimedia Home Platform），MHP是一项中间件标准，是根据多媒体家庭应用制定的。它是通过一台机顶盒来完成来自卫星信号和家庭内部无线信号或者有线信号的交互操作，而构建的以数字电视为中心的数字网络4。MHP 基于 Java 环境，定义了终端设备和应用程序间接口标准，MHP 制定目的是允许众多厂家能使用相同平台，同时使系统的每个层次由掌管的运营商独立操作。同时，因为 MHP 提供互联网连接的功能，实现

26、了数字播放的普及。MHP 在一些国家已应用，并被定为国家标准。欧洲电信标准协会（ETSI）提出了“CPE 广域网管理协议”（TR-069），它是下一代网络中家庭网络设备进行管理配置的通用框架和协议，用于从网络侧对家庭网络中的网关、路由器、机顶盒等设备进行远程集中管理。对于英国电信，智能家居上的家庭网关是研究的重点，通过不同的家庭网关的住宅用户可以实现家庭内部控制、宽带网的接入、路由功能。同时，以套餐形式提供的服务例如家庭内部无线联网、无线电话等为家庭网关推广的重点。在智能家居的产品上，法国电信不仅有家庭网关设备，还有提供以下服务：电力线上网转换插座，支持电力线的高速上网；家庭监控，实现家居设备

27、的自动化智能化，如通过 Wi-Fi 设备控制家庭影院；娱乐功能，比如将数码设备中的图像和摄像头的监控图像上传至网络相册等，功能比较多。在亚洲，对智能家居研究比较早的有日本和韩国。日本有家电王国之称，所以对智能家居的研究较早，日本的 ECHONET 是有关家庭监控应用标准方面的规范，ECHONET 的家庭第一章 绪论网络架构是由 ECHONET 控制装置、ECHONET Router、ECHONET 机器设备所构成，采用无线方式或电力线方式连接家中的空调、冰箱、照明器具、传感器及家庭医疗设备的网络， ECHONET 致力于在家庭内部对家用电器的直接控制，也包括通过家庭网关对家电的远程控制。早在

28、2002 年 4 月，东芝已开始销售可以上网的冰箱、微波炉、洗衣机，随后许多公司也陆续推出符合 ECHONET 规范的产品。韩国是宽带应用最普及的国家，韩国的智能家居的研究被纳入国家的战略规划，2004 年开始，韩国政府就开始重视发展数字家庭，并投资 18 亿美元给家庭网络项目，到 2007 年，大约有 60%的家庭引进了先进的家庭网络系统。为了解决不同企业标准的产品互联互通的问题，韩国产业资源技术标准提出了“共同通信网络协议”， 并且已被国际电工委员会确定为国标标准方案。有关家庭网络技术的标准和规范很多，最早的采用电力线作为传输介质的 X-10 组网方便但系统传输速率低、抗干扰能力差，随后还

29、有家庭网络标准 CEBus、家庭电话线网络 Home PNA 和用于电气安装领域的智能控制网络 EIB。MoCA 和 HomePlug 为现存两大家庭网络标准，HomePlug 以电源线作为传输媒介，广泛应用于北美高速网络和亚洲及欧洲网络电视(IPTV)，MoCA 主要应用于北美家庭电视影像传输电缆市场。2010 年 6 月国际电信联盟(ITU-T)公布新一代家庭网络传输标准 G.hn，G.hn 以全新的标准进军家庭网络市场，提倡透过电缆、电源线和电话线不同媒介线路，以 1G/s 的速率传输高画质家庭影像数据，并促进周边媒体共存，更强调以低功耗的电源管理，促进家庭网络中智能型装置的应用。不过，

30、G.hn 无法和现存的两大家庭网络技术 HomePlug 和同轴电缆多媒体兼容，而且即使在 HomePlug 联盟中不同厂商所制定的标准也存有不兼容的问题。通过以上不同国家智能家居的发展过程，可以看出它们对智能家居的发展方向和推动主体有一定的差异：美国的数字家庭推动主体是电信运营商，所以智能家居的发展主要通过电力载波线来实现，将传统电信业务发展到家庭内部；欧洲的家庭网络发展的核心产品是机顶盒，并实现数字广播业务等；韩国的智能家庭的发展推动者是国家，并制定标准统一的产品融合方案，带动了整个产业链，普及了智能家居的应用，值得中国借鉴。1.2.3 国内智能家居发展现状及趋势我国的智能家居处于起步阶段

31、，其产品行业兴起于 20 世纪 90 年代的末期，20042009 年为智能家居缓慢起步时期，20102020 年为快速增长期。智能家居正成为继宽带接入家庭之后通信市场中的一座待掘的金矿。海尔集团估计，我国家电产量为 1 亿台左右，若将其中10%发展为网络家电，数字家庭的产值可到 200 亿元以上。第一章 绪论随着智能家居的研究和发展，国内相关企业和部门也加大力度从事智能家居中技术和标准的研究。2003 年联想、TCL、康佳、海信、长城等国内 IT 巨头成立了“闪联”联盟，参与“信息设备资源共享协同服务”标准（IGRS）的建立，以推动数字办公领域的标准化5。2004 年海尔、清华同方等六家成立

32、“e 家佳”联盟，以实现智能家庭的产业化。2005 年，海尔在中国国际消费电子博览会上，提出了网络家电“海尔 e 家”，实现的智能化产品有多媒体娱乐一体化、灯具窗帘的智能控制、安防报警等。2007 年 7 月，海信发布了第一版数字家庭系统标准即 DNet-home，它集成了十多种关键技术，实现媒体中心、监控系统、安防报警系统、三表远传等多个子系统和三十多种产品的集成，标志着海信从单一自动化产品向系统产品和家居智能生活整体方案延伸。现在，各个大企业越来越投入家电智能产品的发展。同年，在 IFA 2007 展览会上长虹展示了基于 IGRS 标准的无线高清信号传输系统。目前，为研究实现智能家居独特终

33、端加平台的产业化模式，长虹与多个集团合作的“四海 e 家”，把家庭 TV 打造成核心载体，承载家庭的广泛连接服务6。根据国内智能家居的发展历程，可以发现国内家庭网络的标准和规范主要有 e 家佳标准和闪联标准。e 家佳标准主要目的是将家庭内部通信、娱乐、电气控制、安防报警等多种功能融合在同一个家庭网络平台中，实现数据交互、统一管理，并通过网关实现与外部公众网络的数据交互业；闪联标准的目的是在家庭、办公和公共环境中，通过定义一系列的协议标准，让各种信息设备、家用电器、通讯设备之间资源共享和协同服务。通过以上发展的过程可以看出，我国企业在智能家电、安防系统、智能家居体系方案等各方面的角逐已经开展。智

34、能家居建设在技术上面临的挑战不是设备和实施问题，主要是标准和协议问题。相关智能家居行业的标准制定，使智能家居产品方向更加明确，但是还欠缺健全的智能家居系统的标准体系，因此，智能家居领域的标准距离成熟还有一段路程要走7。1.3 论文主要工作及组织结构1.3.1 本文主要研究内容本文主要是对基于嵌入式 Web 技术的智能家居远程管理与控制体系的研究和设计。在智能家居远程监控管理系统中要实现的基本服务是：家庭内部所有信息家电的注册配置、状态查看、控制管理以及智能情景模式设置等。这些功能的实现所要做的工作是：首先实现家庭网关中不同类型信息设备的功能描述性文件；当用户在 Web 界面上提交家庭信息设备的

35、操作时，能先根据网关中的设备功能描述文件返回要操作设备的相应信息并显示在界面上，供用户进一步选择操作，并把最终操作要求提交给家庭内部网络控制系统；操作对象的设备所属功能参数发生变化后，在家庭网关中的设备功能描述文件应该同时改变，以便用户的下一次操作。要实现以上目标，本论文需研究以下内容：1、介绍了 OMAP3530 的开发结构，通过嵌入式 Linux 内核的开发与移植以及文件系统的制作，实现智能家居远程控制系统软件平台的搭建；选择合适的嵌入式 Web 服务器和嵌入式数据库，配置并移植到家庭网关上，并选择合适的动态交互程序操作 Web 服务器和数据库；2、介绍了如智能照明控制、家电的监控、安防系

36、统的监控等智能家居监控系统的基本功能， 定义和设置了能体现智能特性的情景模式；通过功能需求分析，明确设备信息的内容；3、 通过功能需求分析，提出了智能家居远程监控系统的软件架构，设计了对设备进行组合操作的智能情景模式，定义了相应的设备信息描述文件。系统的软件架构、基于智能情景模式的组合操作、设备信息描述文件即组成了智能家居远程监控系统的软件设计方案；4、根据以上方案，在基于嵌入式 boa 服务器和嵌入式 SQLite 数据库平台下进行了详细设计， 编写了 CGI 动态交互程序，实现智能家居的远程控制，并由 Web 界面显示控制过程，主要包括：进行用户身份认证的登录界面、用于查看家电的状态和控制

37、家电的管理和控制家电界面、用于设备注册与功能参数配置的配置界面和基于一键式操作思路的智能情景模式界面。1.3.2 本文组织结构第 1 章 绪论。首先引入了课题的研究背景，然后概述了智能家居系统和其远程监控系统。再介绍了目前国内外智能家居的研究现状和发展趋势以及论文研究内容和结构。第 2 章 智能家居远程监控系统的需求分析。先阐述了家庭网络的内网和外网的联网技术，通过对比得出本设计采用的技术标准，然后介绍了远程监控系统的完整结构，同时分析了远程监控系统的各个子系统的功能，并重点介绍了智能家居中常用到的智能情景模式的设置，最后根据以上子系统功能和情景模式中涉及到的设备，明确了设备应具有的主要信息。

38、第 3 章 智能家居远程监控系统方案设计与平台搭建。本章重点实现了远程监控系统的方案设计，包括系统的软件结构的设计、系统对设备基本操作的实现过程和设备信息描述文件的定义。然后对系统的硬件平台做了简要的介绍，并搭建了系统的软件开发平台，过程包括嵌入式操作系统的选择、Linux 的移植。第 4 章 基于 Web 方式的家庭远程监控系统的技术实现。通过几种嵌入式 Web 服务器的优劣对比和适用范围，选择了合适的嵌入式服务器，并移植配置，验证成功；同时选择并移植了合适的嵌入式数据库，最后通过 CGI 程序实现服务器与数据库的数据交互，主要介绍了设备的注册和配置以及回家情景模式的设置所用到的 CGI 程

39、序。第 5 章 基于 Web 方式的家庭远程监控系统的界面实现。结合第 2 章的远程监控系统功能需求分析和第 3 章的设备信息描述文件，通过 CGI 程序实现了各个监控界面和控制过程。第 6 章 总结与展望。对课题研究的工作情况做总结，并指出下一步工作可开展的方向。第二章 智能家居远程监控系统的需求分析第二章 智能家居远程监控系统的需求分析家庭网络的互联主要是指家庭中物理网络的构建，家庭网络可以划分为外部网、网关和内部网三部分8，下面主要介绍家庭内外网络的主要联网技术，通过技术对比选择合适的联网技术，并构建智能家居远程监控系统的结构；接着，介绍了远程监控系统各个子系统的功能需求、智能情景模式以

40、及设备的信息。2.1 家庭内网组网方式选择家庭内部网络用于连接家庭内部各种家庭电器、设备和传感器等9，目前用于家庭内部的组网技术非常多，有线技术包括局域网（LAN，Local Area Network）、HomePNA、IEEE1394、 USB、有线电视电缆、电力线等；无线技术包括 802.11、超宽带（UWB，Ultra Wide Band）、蓝牙、Zigbee 等10。家庭内部网络分为家庭数据网与家庭控制网。有线联网技术适用于家庭数据网，因为数据网络侧重于高速的、宽带的、多媒体的应用；无线联网技术适用于家庭控制网络，因为控制网络侧重于低速的、移动性好的、检测控制类的应用11。有线联网技术

41、的主流是 X.10、HomePNA 和以太网。X.10 是一个开放、标准的协议，利用现有的电力线网络传输数据和语音，不用再次布线、覆盖广、连接方便，它的媒质是电力线，一个网络中最多有 256 个设备地址，只传递速率低的控制信息，并且相邻住宅会有干扰； HomePNA 利用家庭具备的电话线，提供统一并标准的组建局域网的规范，完全继承了以太网技术，它严格遵守了 IEEE802.3 CSMA/CD(载波侦测多路访问/冲突检测)技术规范，它的媒质是电话线，HomePNA 2.0 速率最高 10Mbit/s，距离可以达到 300m，支持一定的 Qos 能力12； 以太网的媒质是五类线，速率最高为 100

42、Mbit/s，距离可以达到 100m，支持优先级、VLAN 等，虽然实际中应用的端点数不多，只有几十个，其实最多支持的端点数没有限制。无线联网的主流技术有蓝牙、红外、HomeRF、RFID、ZigBee（802.15.4）等13。蓝牙是 一种小型化、短距离、低成本和微功率的无线通信技术，用于无线数据和语音通信，其工作频段是全球统一开放的 2.4GHz ISM 频段，传输速率可以达到 10Mbit/s，不过它的覆盖半径最大只有 10m，遇到干扰传输速率下降快，且不支持漫游功能，不适合家庭内部联网14；HomeRF（家庭无线电射频）是针对未来消费类电子产品数据及语音通讯的需求所指定的无线传输标准，

43、工作在 2.4GHz 频段，采用速率为 50 次/s 的数字跳频扩谱技术，共有 75 个带宽为 1MHz 的跳频信道，特别适用于家庭中个人电脑及其他外设的无限连接，不过跳频频率相对于蓝牙的 1600 次/s，它的抗干扰能力和安全性弱，而且 HomeRF 技术还没有完全向业界公开，所以也适宜加入内网的联网技术；ZigBee 基于 IEEE802.15.4 技术标准，是有关组建网络、实现安全管理和应用软件方面的技术标准，ZigBee 没有蓝牙的复杂规格，它的传输速率介于20250kbit/s 之间，只应用于低速率应用，通信范围 20100m，技术优势在于低功耗省电、网络容量大、可扩展性强、架构简单

44、易实现、低成本、时延短等，最大劣势是视频信号只有在室内勉强传输15。不过 ZigBee 网络的自组织和自愈功能强，可以应用到家庭自动化中的照明设备、空调设备、门禁系统等的远程监控，ZigBee 还能连接到烟雾传感器和破碎玻璃传感器中，成为家中安全的保障16。家庭内部网络联网上根据不同的内部网络选择有线和无线布网技术。根据各种设备的特点，把家庭内部网络分为通信速率较高的家庭数据网络和通信速率较低的家庭控制网络。通过以上分析，家庭数据网络应选择有线传输方式，有线布网技术选择了以太网，因为技术成熟、组网设备易购、成本不高、有相关的标准，可以作为家庭内部数据网络的初期选择方案； 家庭控制网络应选择无线

45、传输方式，无线布网技术考虑到控制数据量少、节点数多、成本低、网络容量大等方面，选择了 ZigBee 技术。2.2 远程监控方式选择家庭外部网络可以是无线宽带网、有线电视网、电话网和因特网等，大多数采用比较成熟的联网技术，比如选用技术成熟、设备现有、价格实惠的因特网。家庭外部网络实现了本地上网工具接入网络，上网工具登录到家庭网关后可以监控家庭内部所有信息设备17。下面将对各种远程控制方案做简单的介绍，并对其特点进行比较。(1) 遥控家电方式遥控技术是通过一定的手段对被控物体实施一定距离的控制。遥控家电方式有无线电遥控、有线遥控、红外线和超声波遥控等。遥控最大的最大缺点是受距离所限。无线电遥控是利

46、用无线电信号对被控物体实施远距离控制。无线电遥控不可避免的需要占用一定得无线电频率资源，造成电磁污染；常规的有线遥控需要进行专门的布线，而红外线和超声波遥控则受距离所限。现有的遥控方式中，还有载波通信控制手段和基于无线寻呼的遥控方式，载波方式即通过电力线传递信息，该方式只能局限于同一变电所、同一变压器所管辖的范围内， 因此也存在距离的问题，应用范围有限。基于无线寻呼的遥控方式利用了现在的寻呼频率资源，不需占用额外的频谱；随着寻呼网的全国联网，其遥控的距离基本不受限制；但这种方式的受控方动作滞后于控制方的操作，不具备实时性，而且不具备很高的可靠性。(2) 通过拨打固定电话控制家电这种远程控制方式

47、的过程是指用户拨打一部双音频的固定电话或者手机后，根据语音提示提交密码，可以启动家庭内部主控制器，并进一步控制安装有分控制器的设备。电话的双工通信相对于遥控方式很有优越性，而且现代电话网络已经发展成熟，可靠性高，所以通过拨打固定电话来控制家居方便、实用，并且实现的技术难度不大，比较容易实现控制设计。缺点是没有友好的人机界面，需要拨打电话，一步步进行控制，速度较慢。(3) 手机短信控制家电发手机短信控制家电，首先手机编辑短信，通过 GSM 网络或者 3G 网络发到家中的网关上，再传到家电控制器，家电控制器分析短信指令，对智能家庭内部各个设备进行远程控制、状态查询以及接受来自内部安防模块的报警。优

48、点是灵活方便，缺点是要记住控制指令和实现的技术难度大。(4) 手机上网控制家电现在的手机大都是智能手机，可以直接采取上网的方式，接入到 Internet 网络，通过家庭网关来进一步控制家庭中的各个设备。优点是方便，实用。缺点是上网速度慢，不稳定，手机上网花费较多，实现的技术难度大，比较难实现控制设计。(5) PC 远程控制家电通过手持电脑实现智能家居的远程控制，也就是通过互联网络远程监视和控制，系统通过家庭网关把家庭内部网络和因特网相连接，只要在网络浏览器中输入家庭网关的地址，通过身份认证，就可以看到家里的情况，对家里的电气设备进行控制。这样，无论是在公司还是出差在外地，都可以通过上网登录到家

49、里的 PC 的 Web 页面进行家电控制。通过 PC 远程监控家电的优点是性能可靠稳定，所有的控制类型都可以实现；不足之处是安全隐患比较大，因为所有的控制环境都连接到因特网上。比较以上智能家庭远程监控的方式，固定电话控制家电方式不够灵活但设计成本低，通过手机发短信方式和上网控制方式设计成本最贵但可以随时随地控制家电，通过 PC 控制家电虽只能在上网的地方用，但用起来方便灵活快捷，有友好的人机界面，成本也比较低，所以从实用性、时间、成本等方面的考虑，通过 Web 互联网方式也就是 PC 远程控制家电或手机上网控制家电综合起来是一个不错的选择。2.3 智能家居远程监控系统结构远程 PC 机、智能手

50、机、iPad 等能上网工具已经非常普及，加上互联网的迅速发展和广第二章 智能家居远程监控系统的需求分析泛普及，远程监控系统的应用越来越得到重视。以下介绍智能家居远程监控系统的三个重要组成部分：基于 Web 方式的智能家居远程监控系统的浏览器端、家庭网关、家庭内部控制网络。首先，远程上网工具通过互联网与家庭网关实现互联，进一步实现基于 Web 方式的远程查看、操作、监控以及系统设备的添加和配置等功能的远程监控系统。因此，只要通过网络， 无论在哪里，都能时刻掌握智能家居内部的所有情况18。浏览器端的设备主要有 3G 智能手机、笔记本、台式机以及现在用户常用的 iPad 等上网工具。家庭网关具备 T

51、CP/IP 网络通信能力，它提供网口与交换机连接，实现网口的扩展，再连接宽带网的路由器或集线器等，因此实现了家庭网关连接到互联网中，则局域网上的任何上网工具都可以与其传递信息，进而家居中的信息设备可以得到控制。要实现基于 Web 方式的远程控制系统，家庭网关内要安装有嵌入式 Web 服务器，同时，为了方便查看与控制家庭所有设备信息，家庭网关内需要具有嵌入式数据库记录这些信息；为了设备信息的实时性或者设备得到有效控制，需要连接家庭网关和 Zigbee 控制节点，本文选择通过 RS-232 串口来实现它们的连接。家庭内部网络根据功能划分为数据网络和控制网络。数据网络主要作用是实现家庭内部上网以及不

52、同设备间大量高速的数据传递等，本文中的智能家居远程监控系统，主要用于远程监控家庭内部控制网络，暂不考虑数据网络；控制网络主要作用是实现照明的控制、家电智能控制以及家居环境和安防的监控等，控制网络的建立需要控制 Zigbee 中心节点和携带Zigbee 的终端设备节点，中心节点的功能是内部控制网络和家庭网关的接口、处理数据、管理所有节点；终端节点的功能是接受和完成信息设备的控制命令、采集和传送传感器的数据19。为了使每个设备都可以单独进行查看和控制，它们需要连接到用 Zigbee 技术组成的内部控制网络，其中 Zigbee 终端节点与设备的通信模式有两种：对于具有简单功能的设备，比如说类似开关的

53、设备，无内置的 MCU，设备直接内置 Zigbee 终端节点，Zigbee 终端节点将与家庭网关直接进行交互通信，即“直控模式”；对于具有复杂功能的设备，比如说类似空调的设备有内置的 MCU，Zigbee 终端节点通过设备特定的外部接口与设备连接，Zigbee 终端节点作为设备与家庭网关之间通信的数据传输通道，即“通道模式”。根据以上分析，智能家居远程监控系统的完整系统结构如图 2-1 所示。图 2-1 智能家居远程控制网络的系统结构本文设计的基于 Web 技术的智能家居远程控制网络主要由远程上网工具、家庭网关、Zigbee 控制网络。其中，远程上网工具用来提供友好的人机界面，通过 Web 界

54、面用户可以浏览、处理家庭内部的情况；家庭网关内含有嵌入式 Web 服务器以及嵌入式数据库，家庭内所有设备的静态信息和动态信息都保存在数据库中；控制中心节点充当 ZigBee 网络的协调器， 终端设备节点完成对家庭设备的具体控制功能。以上三个部分的组合和通信构成了智能家居的远程监控系统。2.4 智能家居远程监控系统的各个子系统设计基于 Web 方式的智能家居的管理与控制系统，要实现家电的管理与控制、家庭设备的配置与控制以及实时音视频的监控等功能。通过这些功能的划分，智能化家庭系统可以分为以下几个子系统：智能照明控制系统、家庭电器控制系统、安全防盗系统和情景模式等； 并根据以上子系统设定了具体的灯

55、光模式和情景模式，实现一键化管理家居生活；最后根据设备的功能属性分析，把设备的信息分类存储，以便实现设备的注册和配置、设备的查看、设备的控制等操作，为智能家居的各个设备的监控和各类场景模式的实现奠定基础。2.4.1 各个子系统的功能1. 智能照明控制系统智能照明系统是智能家居中必不可少的重要部分，完备的智能照明系统不仅能提供具有一定美感和风格的家居环境，更能实现照明模式统一控制和管理，节约维护成本和能源19。智能照明控制系统的主要功能特性如下：(1) 集中控制功能：照明系统的集中控制是指在一个地方可以实现分布不同地方所有灯的控制，或者同一个灯可以实现位置不同的终端来控制。这种功能实用、便捷，还

56、能节约电源。(2) 软启功能：灯光软启的过程是指灯在开启时，亮度能有暗慢慢变亮，相应地，灯在关闭时可以缓缓变暗，不仅有利于视力的保护，给人舒适温馨的感觉，也能保护灯泡，避免电流和温度太大的变化对其寿命的影响。(3) 场景功能：智能灯光系统还提供了不同的场景照明模式，另外用户也可以根据自己的喜欢的灯光组合制定灯光模式。在场景功能中，用户无需逐一去开灯、关灯和调灯，只需要通过手持终端或者电脑，实现一键控制一组灯。例如，餐厅中的生日模式，只要按动一个键， 餐厅壁灯打开、顶灯灭掉，营造点蜡烛的昏暗场景。同时，灯光的不同场景模式还可以与其他的家电设备的场景模式一起应用，组合出更有实用性的智能情景模式。(

57、4) 多方式控制功能：智能灯光系统的控制方式多样化，主要有家庭网关的操作界面、手持终端、电脑操作界面以及墙壁上的各种控制开关等，用户根据自己所处环境来选择控制方式。如，在客厅沙发上，可以用手持终端控制每一间房间的灯，坐在书桌电脑前，可以一键控制想要控制的所有灯光，另外，外出旅游时，可以通过电脑远程开启休闲模式的灯光设置， 达到警示作用。2. 家庭电器控制系统除了最基本的灯光要控制外，家庭中的各种家电（比如空调、电饭锅、咖啡壶等）、电动窗帘等也是生活中智能的对象、控制的重点。早上去上班的时候，很容易忘记关掉所有的灯或一些电器，这时可用手持上网本关掉这些灯或电器；在办公休息时刻，通过电脑查看到家居环境的情况，比如关心家里老人或者孩子的活动；下班之前，在手提电脑上远程开启空调、热水器、地暖设备，回到家就可以享用舒适的生活。这些功能都可以通过互联网电脑远程控制方式来实现的家庭信息电器的智能管理与控制。(1) 数字娱乐系统晚上因故无法及时回家，担心家中无人，可以通过电脑，启动了娱乐场景模式，虚拟出家中有人的情况：灯光打开，电视正在播放电视节目这样，可预防偷盗20。第二章 智能家居远程监控系统的需求分析娱乐是智能家居应用的主要体验，多房间共享家庭影音库：数字电视、DVD、电脑等均可作为视频共享源，实现设定模式的音视