嵌入式智能家居控制系统软件设计说明书

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. .课题背景及意义课题研究背景、目的及意义而.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[5]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DO-178BµC/OS.该操作系统的稳定性和可靠性得到了充分的肯定[6,7]. .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（Automation[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发布了一种对智能家居的定义.并开展了DTI智能家居项目[9]。NektariosPapadopoulos（CHP）[10]ManHanJae-HunLimZigBee技术的智能家居能量管理系统[11][12]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[15][16]。2004年.海尔公司率e家佳”[17][18][19]。此后不到一年.信息产“e2012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大陆名叫MoMasWIFI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ZigbeeWIFI.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1IT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PCB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40：WindowsCE、PalmOSReal-TimeLinux、VxWorks、PSOS、PowerTVμC/OS。μC/OSμC/OS-ⅡμC/OS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ZigBee、GPRS、WIFI、电力线载波、红外、蓝牙等。X10[24]、EIB、CEbus[25]LonWork[26]. .EHS等.国内开发的闪联、e家佳等。毕业设计研究内容及任务研究内容C/OS-IIARM7电饭煲、淋浴器、微波炉等窗控制、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。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如下图示：. .客户端互联网客户端互联网无线路由器家庭网管服务器智能插座开关检测模块智能灯具洗衣机空调冰箱智能电表图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：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成部分.其主要功能包括：一、连接外网和内网。家庭网关通过对收到的信息重新打包.实现不同网络协议之间可以正确通信.即外部网络与内部网络可以正确通信；二、提供过滤和安全功能通过对接收到的信息进行判断.家庭网关可以滤掉不符合要求的信息以及一些不. .5号电灯命令.相应的智能终端则打开5收集和上传家电的工作信息。智能终端根据上位机客户的设置来收集家电信息.并且将信息上传给上位机；三、异常处理。智能终端通过分析家电工作信息.对工作异常的设备进行相应的异常处理.同时将异常上报给用户。软件包括客户控制端、服务器端两部分.运行于家庭计算机或者是智能终端上下位机方面的软件.是由家庭网关和智能控制终端两部分软件组成。家庭网关为上位机和智能终端建立通信桥梁；智能控制终端是控制命令的执行体。通常来说.家电的数量而定。可视化人机交互界面实现控制家电、查看家电数据信息。而与此对应.下位机的任务主要是以下几个：WIFIGPRSzigbee制命令完成对家电设备的控制.并且将操作结果经过家庭网关转发给客户终端。家庭网关起的是一个枢纽作用.它连接外部网络中的上位机和家庭内部网络中的下位机。是智能家居网络中连接上位机和智能终端的桥梁.作用是实现外部软件流程结构如下图所示：. .收到数据？有数据发运行异生成送？常？是是放入发送数据正重给下位机确？启的缓冲区开始初始化开始初始化与上位机通信与下位机通信监测模块调试模块数据分发自身处理接收处理模块发送处理模块接收处理模块发送看门狗检测接收Pc输出接收处理模块发送处理模块处理模块回复模块收到数据？有数据发送？判断反馈收到命令？打印开关已开？有数据待处理？有数据待处理？有回复？是是是是是数据正确？更新受监测模块信息是可以执否是输出打印信息否是命令？否是分发到相应模块否放入相应否缓冲 区是否是 执行是否执行放入放入反馈发送接收帧缓存发送生 更成 新回 信复 息家庭网关开机之后.首先进行系统配置和模块初始化。1）系统配置。主要包括.开时钟、配置管脚参数、开中断.等等。这一步的目的是.启动微处理器、2）WIFI模块、电力载波模块、内网协议栈.等。对WIFI、以太网、GPRS这三个与上工作模式.配置IP和MAC地址.选择通信速率.使用何种数据接收方式.以及与上位机的服务器建立连接和完成登录。对电力载波的配置和上面的类似.只是不量置为初始值。任务。关于家庭网关驱动程序的设计：GPRS驱动程序设计GPRS模块和ARM是通过串口1连接的.驱动模块通过给GPRS模块发送AT命令字符串来控制器其作业。. .AT命令AT指令目前已成为全球通用的标准.任何与Hayes兼容的调制解调器都可使用这些指令。驱动流程GPRS模块可以划分为三个部分.初始化、接收数据处理、发送数据处理。在初始化阶段.首先使用指令AT+IPR=115200来设置GPRS模块的通信速率为115200bps。设定好速率之后.发送ATI指令来启动GPRS模块.如果收到的回复为OK.则表示模块已经工作。否则.则继续发送ATI指令.直到超时退出。在GPRS开始工作后.发送指令AT+CIPSTART=“TCP”.“31”.“5638”.与服务器建立连接。返回OK表示连接成功。其中31是智能家居系统服务器的IP.5638GPRS的初始化阶段结束。接下来.进入GPRS+IPDxx:”其中xx表示该数据帧的长度.单位为字节。在找到帧头后.UTF8格式发送数UTF8格式转换到unicodeASC格式才能符合需要。数据转换完毕.需要改装成内部模块通信格式.并加上信道类型标志（WIFI.E：以太网GPRS中有数据.则取出一帧数据.然后转换成合适的格式发3. .开始接收到开始接收到数据？设定波特率是有数据发送？找到帧头？是ATi取一帧数据是否找到帧尾OK转换成发送格式提出数据是转换成Hex格式连接服务器有效帧？是是否从UTF8转换成unicode格式OK是机ASC请求登录否部格式发送处理登录成功？帧队列初始化接收处理图3GPRS通信模块工作流程图上一部分介绍了家庭网关软件设计.接下来将介绍智能家居下位机系统中另一个重要组成部分：控制终端的软件设计。控制终端的主要功能是.通过家庭内部网络接收控制指令、根据控制指令执行相应驱动程序、通过LCD屏幕显示设备运行信息。务。一、内网通信模块。该模块用于智能终端跟家庭网关通信.包括接收和发送果有数据.则每次发送一帧数据；否则.再次查询。二、显示模块。该模块用于将相关信息在LCD上显示。模块基于事件驱动.. .一旦发现事件有效.则根据事件属性确定待显示的内容以及相关信息.之后调用LCD驱动.以合适的格式显示内容。三、调试模块。智能控制终端上的调试模块与家庭网关上的核心一样.区别是.二者支持的命令不一样。开始内网通信模块显示模块调试模块控制模块接收处理模开始内网通信模块显示模块调试模块控制模块接收处理模块发送处理模块否事件有效？执行模块接收PC机命令输出调试信息获取执行结果是内网接收到数据？发送缓冲区有数据？根据事件确定显示内容有新命令？取到结果？是收到命令？打印开关已开？是是数据正确？是是根据命令调用驱动封装结果否是是否据放入可以执行？发送一帧数据否是放入发送缓冲区否执行输出打印信息否反馈图4智能控制模块软件流程图控制终端相关驱动程序的设计（1）电力计量模块驱动电力计量模块在智能家居系统中的作用就是.实时记录用电设备当前电参数。（a. .史数据即为将历史用电信息清零。通信协议：MODBUS中选择的计量模块产品支持MODBUS-RTU协议。所以.ARM和电力计量模块之MODBUS-RTU。控制过程：图5与智能电表通信原理图完整的交互过程如上图所示：家电终端发送请求信息给MODBUS协议栈.议栈将请求信息解析成对应的MODBUS-RTU数据帧发送给电力计量模块。电力量模块将用户终端请求的数据以MODBUS-RTU协议格式发送给MODBUS协议栈.协议栈再将数据封装成相应帧上传给用户终端。电灯、电视机和空调来控制电灯的开和关。控的编码如下表所示：表1电视遥控编码智能控制终端在接收到上述编码后.首先将其翻译成相应电视机的正确编码并且进行调制.然后通过红外发送给电视机.即完成对电视的控制。空调：控制空调的方式和电视一样.也是通过红外遥控。毕业设计拟采用方法和手段Ckeil4.使用proteus进行调试和在线仿真。芯片采用ARM7μC/OS-Ⅱ. .SMG240128AZigBee术.使用万维网作为远程接入技术。毕业设计工作计划及进度安排第1周第2周第3周第4周第5周第6周第7周第8周第9周第10周第11周第12周第13周第14周第15周第16周第17周第18周.

查阅相关文献、学习相关知识。查阅相关文献、开始撰写开题报告及翻译外文文献。撰写开题报告.确定课题设计方案。完成开题报告及外文翻译。裁剪操作系统并移植。裁剪操作系统并移植。结合系统硬件.编写相应的驱动程序。结合系统硬件.编写相应的驱动程序。结合系统硬件.编写相应的驱动程序。调试系统软件.修改软件。调试系统软件.修改软件。调试系统软件.修改软件。开始撰写毕业论文。撰写并修改毕业论文。完成毕业论文.准备答辩。.主要参考文献KennethPW.HomeAutomationandUtilityCustomerServices[J].CutterInformation Corporation,1999(13).[J]..2009(01)：92-98.吕京建．嵌入式因特网技术的兴起与前景．今日电子2000.(增刊)：16—18．[J[5]K.Ramamiritham,J.A.Stankovic.SchedulingAlgorithmsandOperatingSystemsSupportfor Real-timeSystems.ProceedingoftheIEEE.1994,82(1):55~67.JeanJ．Labrosse著.邵贝贝译．嵌入式实时操作系统μC/OS冉汉政．嵌入式实时操作系统μC/OS.2003.13：84-86．[J]..2008(5)：64-65.LiJ,DaYL,BoY.SMARTHOMERESERCH[C].ShanghaProceedingoftheInternationalConferenceonMachineLearningandCybernetics.2004(8).NektariosP,ApostolosM,DimitriosE.AConnectedHomePlatformandDevelopmentFrameworkforSmartHomeControlApplications[C].7thIEEEInternationalConferenceonIndustrialInformatics.2009.Dae-ManHan,Jae-HunLim.SmartHomeEnergyManagementSystemIEEE802.15.4andZigBee[J].ConsumerElectronics,PerumalT,Raml