智能家居系统中家电控制的研究与实现

南京邮电大学硕士学位论文智能家居系统中家电控制的研究与实现姓名：范丽娜申请学位级别：硕士专业：电子与通信工程指导教师：龚建荣2011-06南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文摘要I摘要随着现阶段科学技术的进步和物质文化生活水平的不断提高，人们开始期盼着拥有一个安全、舒适、节能和便捷的家居环境。智能家居系统通过整合计算机技术、嵌入式技术、传感器技术、网络通信技术以及自动控制技术，集中或远程监控家庭事务。信息化社会正在逐步改变人们的生活方式与工作习惯，智能家居的开发与建设是21世纪发展的必然趋势。本文探讨了智能家居的概况和发展趋势，分析了智能家居系统的原理及相关技术，着重对智能家居系统关键技术进行分析与研究，提出了一种智能家居系统的实现方案。本文将蓝牙技术与ARM技术相结合，以ARM微处理器为中心建立家庭网关硬件平台，对外通过Internet网络，对内将家用电器及其他联网设施通过家庭内部蓝牙无线局域网连接成一体，实现信息家电、安全防范的集中管理。依据对嵌入式系统构建的具体要求，探讨了嵌入式系统的体系以及开发流程，详细分析了系统硬件平台构建包括ARM微处理器的结构体系、基于ARM9核S3C2410的存储器、以太网芯片等外围电路。研究了Linux操作系统的工作原理、内核结构、相关设备驱动以及文件系统等软件设施，针对构建基于ARM的嵌入式控制系统，实施了对Linux系统内核和文件系统的裁剪和移植，并于文件系统中添加嵌入式Web服务器Boa、CGI服务。关键词：智能家居；家庭网关；嵌入式；ARM；嵌入式Linux；家庭网络南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文AbstractIIAbstractWiththeprogressoftechnologyandtheraiseofmaterialandculturallifeatthepresentstage,peoplearelookingforwardtohaveasafe,comfortable,energy-savingandconvenientlivingenvironment.Smarthomecanbecentralizedorremotemonitoringforfamilyaffairsbyintegratingthecomputertechnology,embeddedtechnology,sensortechnology,networkcommunicationtechnologyandcontroltechnology.Theinformationsocietyisgraduallychangingthewaypeopleliveandwork,sothedevelopmentandconstructionofsmarthomeistheinevitabletrendof21stcentury.Thispaperdiscussedgeneralsituationanddevelopmenttrendforsmarthome.Analyzedprincipleandrelatedtechniqueofthesmarthome,Analyzeanddesignthesmarthome,thengiveouttheprojectofthesmarthome.CombinedBluetoothtechnologywithARMtechnology，thisarticlecreatedthecentralgatewayhardwareplatform,whichbasedonARMmicroprocessor.WecanaccesstopublicnetworksthroughInternet,anddomesticappliancesandothernetworkingfacilitieswillbeconnectivityintoonethroughtheBluetoothWirelessLANtoachieveinformationappliancesandguaranteesecurity.Accordingtothespecificrequirementsofembeddedsystem,firstlythispaperdiscussestheembeddedsystemandthedevelopmentprocessbriefly,analysisofthesystemhardwareplatformdetailedlyincludingthestructureofARMmicroprocessor,thememoryofS3C2410andEthernetchipbasedonARM9nuclear.Secondlystudytheworkprinciple,kernelstructure,relateddevicedriversofoperatingsystemLinuxandfilesystem.CuttingandtransplantingLinuxkernelandfilesystembasedontheARM,andaddingtheembeddedWebserverBoa,CGI.Keywords：SmartHome;HomeGateway;Embedded;ARM;EmbeddedLinux;HomeNetworking南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。南京邮电大学学位论文使用授权声明南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院（筹）办理。研究生签名：_____________日期：____________研究生签名：____________导师签名：____________日期：_____________南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文第一章绪论1第一章绪论1.1课题研究背景21世纪是信息化的世纪，随着人们生活水平的提高以及房地产业的发展加上计算机技术、通信技术和网络技术的发展，智能家居逐渐成为未来家居生活的发展方向。智能家居不仅能给用户提供安全、健康和舒适的生活环境，而且用户能够远程监控自己的家居状态和控制家电设备。智能家居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。智能家居又称智能住宅，在国外常用SmartHome表示。与智能家居含义近似的有家庭自动化（HomeAutomation）、电子家庭（ElectronicHome、E-home）、数字家园（DigitalFamily）、家庭网络（HomeNet/NetworksforHome）、网络家居（NetworkHome）、智能家庭/建筑（IntelligentHome/Building），在我国香港和台湾等地区，还有数码家庭、数码家居等称法[1]。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适、安全、高品位且宜人的家庭生活空间，而且还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，增强家居生活的安全性。智能家居的开发与建设是21世纪发展的必然趋势。通过家庭设备的网络化，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。实现对各种家用电子设备的智能管理和对家庭安全环境的监控保护，从而达到提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的目的。随着无线通信和嵌入式系统的发展，短距离无线通信技术及嵌入式微控制器技术将在智能小区、智能家庭的建设和控制系统中有广泛的发展前景。因此，基于ARM和蓝牙技术的智能家居解决方案是实现家居智能化的一种建设性的提议，具有一定的现实意义且有较强的研究价值。1.2国内外研究现状20世纪80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面市，住宅电子化（HE,HomeElectronics）出现。80年代中期，将家用电器、通信设备与安保防灾设备各自独立的功能综合为一体后，形成了住宅自动化概念（HA,HomeAutomation）。1984年美国联合科技公司（UnitedTechnologiesBuildingSystem）在美国康奈迪克州（Conneticut）哈特南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文第一章绪论2佛市（Hartford）的CityPlaceBuilding中首次融入建筑设备信息化、整合化概念，出现了首栋智能型建筑，从此开启了智能家居系统发展的时代。80年代末，由于通信与信息技术的发展，出现了对住宅中各种通信、家电、安保设备通过总线技术进行监视、控制与管理的商用系统，这在美国称为SmartHome，也就是现在智能家居的原型。智能家居概念在中国出现始于20世纪90年代中后期。我国的智能化住宅和智能化小区建设，最初始于广州、深圳和上海等沿海开放城市，逐步向内地扩展。21世纪全世界智能化建筑的一半以上将兴建在中国大地上。智能家居的发展大致经历了四代：第一代主要是基于同轴线、两芯线进行家庭组网，实现灯光、窗帘控制和少量安防等功能。第二代主要是基于RS-485线、部分基于IP技术进行组网，实现可视对讲、安防等功能。第三代实现了家庭智能控制的集中化，控制主机产生，包括安防，控制、计量等业务。第四代基于全IP技术，末端设备基于Zigbee等技术，智能家居业务提供采用“云”技术，并可根据用户需求实现定制化、个性化[2]。目前智能家居大多属于第三代产品，一些国家，如美国，已经对第四代智能家居进行了初步探索，并已有相应产品。自1984年世界上第一幢智能家居在美国建成以来，欧美和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。智能家居在美国、日本、德国、法国、韩国的广泛应用，为世界范围内智能家居产业标准制定和业务模型探索起到了至关重要的作用。美国智能家居以数字家庭和数字技术改造为契机，偏重于豪华感，追求舒适和享受。但其能源消耗很大，不符合现阶段世界范围内低碳、环保和开源节流的理念。日本的智能家居是开发设计、施工规模化与集团化、以人为本、注重功能、兼顾未来发展与环境保护，大量采用新材抖新技术，充分利用信息、网络控制与人工智能技求，实现住宅技术现代化。德国的智能家居追求专项功能的开发，注重基本的功能性。韩国政府对智能小区和智能家居采取多项政策扶持，规定在汉城等大城市的新建小区必须具有智能家居系统。目前韩国全国80％以上的新建项目采用智能家居系统．产生了像三星、LG等知名的智能家居品牌[3]。中国智能化住宅的发展，在经历了近10年的探索之后．建筑面积目前已达到400亿平万米。预计到2020年还将新增300亿平方米。2010年中国的智能建筑将会达到9000幢，全国智能化住宅小区的建设数量，未来十年将达到上万个。中国智能家居产业中北京、上南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文第一章绪论3海、深圳发展相对超前：深圳的智能家居在布线方面做得比较好，前瞻性较强．考虑电源、空调、电话、电视、网络等方面较周全，预埋智能布线的观念比较超前；北京的智能家居在考虑功能和地方风格方面做得比较好；上海浦东新城区的城区规划和小区布置更符合上海这样一个商业化大都市的需求[4]。1.3研究内容及论文结构1.3.1研究意义及内容在21