嵌入式家居环境网络监控系统的设计与实现

西安科技大学硕士学位论文嵌入式家居环境网络监控系统的设计与实现姓名：王燕申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：王再英@论文题目：嵌入式家居环境网络监控系统的设计与实现专业：控制理论与控制工程硕士生：王燕（签名）指导教师：王再英（签名）摘要随着4C技术（计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术）的迅速发展以及生活水平的不断提高，人们对家居环境的要求越来越高，家居智能化已成为在现代生活的标志之一，而通过计算机网络进行家居环境的监控已成为智能家居行业研究的热点问题。与此同时，嵌入式系统的发展给智能家居系统发展带来了新的契机。嵌入式技术运用于智能家居，可使智能家居更加便捷、经济、高效。因此，采用嵌入式技术，实现智能家居的网络监控是当今研究的热点课题。选用了一种高档MCU+TCP/IP的Internet接入方案，设计了一款价格低廉，面向普通家庭且实用性较强的嵌入式家居网络监控系统。系统开发中，以ARM作为硬件开发平台。利用其较强的处理能力，不仅实现了家居环境的本地数据采集，而且完成了网络监控，并且减少了硬件设备成本，方便了系统扩展与二次开发。与此同时，选用μC/OS-Ⅱ为嵌入式操作系统，为实现系统的实时性提供可靠保证。网络监控的实现以嵌入式WebServer为技术核心，该模块以微处理器LPC2210和以太网控制芯片RTL8019AS为硬件组成，结合嵌入式Web的具体要求在ARM上实现了精简的TCP/IP协议栈，并通过CGI实现嵌入式WebServer与远程浏览器的动态交互，使用户可以在任何时间和地点利用标准的Web浏览器（如IE浏览器）进行远程访问和控制。论文在完成网络监控的基础上，进行了本地数据监控的软硬件设计。本地端监控包括参数采集模、四表抄送模块、LED显示模块、液晶显示模块以及驱动控制模块，不仅能完成家居设备的常规控制，还可实现与嵌入式WebSever模块的通信，接受上位机发送的命令，处理并返回相应参数，实现系统的远程监控功能。昀后，在以太网中对该网络监控系统进行了测试。结果表明，该系统操作灵活、性能稳定，具备良好的开发与应用前景，整个课题取得了预期的效果。关键词：ARM；家居环境；嵌入式Web；网络监控；TCP/IP；μC/OS-Ⅱ研究类型：应用研究Subject:TheDesignandRealizationofNetworkMonitoringSysteminHomeEnvironmentBasedonEmbeddedTechnologySpeciality:ControlTheoryandControlEngineeringName:WangYan(Signature)Instructor:WangZaiying(Signature)ABSTRACTWiththerapiddevelopmentof4Ctechnology(Computer,Control,CommunicationandCRT)andtheconstantimprovementofthelivingstandard,theSmartHomeIndustryhasoccupiedanimportantpositioninmodernlife,ithasbecomeahotproblemtomakethehomecontrolleraccessinternet.Atthesametimes,withtheembeddedsystemdevelopment,thesmarthomesystemshashadanewopportunitytobeendeveloped.Alargenumberofembeddedtechnologyusedinsmarthome,smarthometomakemoreconvenient,economic,andmature.Therefore,theuseofembeddedtechnology,intelligenthomenetworkmonitoringisahotresearchtopictoday.ThesolutionofAhigh-of-lineMCU+TCP/IPisselectedinSubjectsforInternetAccessing.SotheSmartHomeControllerwithlowpricesandhighusabilityhasbeendesignedforordinaryfamilies.ThesystemchoosesARMasahardwaredevelopmentplatform.Wihitsstrongcapabilities,notonlythehomeenvironmentoflocaldatacollectionhasbeenrealized,andthenetworkmonitoringiscompleted.Thismethodnotonlysolvestheproblemonthelackofresources,butalsoprovidesaconvenienceforsystemexpansionandtheseconddevelopment.Atthesametimes,μC/OS-Ⅱisusedasoperatingsystemforachievingreal-timesystemsprovideareliableguarantee.ByusingEmbeddedWeb,networkmonitoringisrealized.TheEmbeddedWebServermoduletakesLPC2210andRTL8019ASasthecore-processingunit,andrealizesaTidyTCP/IPStackbycombiningtheconcreterequirementofanEmbeddedWebServer.AccordingtocompletethedynamicalinteractivefunctiontotheWebbrowserwithCGI(CommonGatewayInterface),theusercanvisitandcontrolthissystembystandardWebbrowser(suchasInternetExplorer)inanytimeatanyplace.Onthebasisofthenetworkmonitoring,theLocalControllermodulehasbeendesigned.TheLocalControllerincludesparametercollectionmodule,4TableCCmoduleLEDmodule,LCDmoduleandthemoduleofdrivecontrol.Itnotonlycanaccomplishthegeneralcontrol,butalsocancommunicatewiththeEmbeddedWebServermoduletoreceivethecontrolmessages.ItdisposesandreturnsthecorrectlyparametersandrealizestheremotefunctionoftheSmartHomeController.Atlast,thewholesystemhasbeentestedinEthernet.Thetestingresultshowsthatthesystemoperateseasily,steadilyandhasagooddevelopmentandapplicationprospect.Thesubjecthasgottentheexpectedeffectfinally.Keywords:ARMHomeEnvironmentEmbeddedwebServerNetworkMonitoringTCP/IPμC/OS-ⅡThesis:ApplicationResearch1绪论1绪论1.1课题研究的背景随着计算机技术、现代通信技术和自动控制技术的迅速发展，建筑的智能化和信息化也应运而生。1984年1月，世界上第一座智能化大楼CityPlace在美国康涅狄格州哈特福特市诞生，它成功地将4C技术（Computer计算机技术、Control控制技术、Communication通信技术、CRT图形显示技术）应用于建筑当中，使建筑物具有通信、办公、建筑设备自动化和智能化的特点，并为人们提供了一个“高效、安全、舒适、经济、便捷”的工作、学习和生活环境，这一成果标志着智能建筑的形成，从此智能建筑便在美、日、欧及世界各地蓬勃发展起来[1]。伴随着智能建筑的发展，20世纪90年代初出现了智能家居，它的出现标志着智能化了迈进现代家庭。智能家居的英文是SmartHome，又可称为智能住宅、数码家庭、数码家居或网络家庭等。其目标就是：将家庭中各种与信息相关的通讯设备，家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术(HBS)连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、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。它是指在小区内部宽带网络己经普及的基础上利用小区内部的网络环境搭建的以家庭为单位的控制系统，并为住户提供以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理于一体的高效、舒适、安全、便利的居住环境。相对于智能建筑而言，智能家居除了提供个性化的家庭设备自动监控以外，还需要提供方便的用户操作界面和多种信息的输入、输出手段，让用户能够随时了解家庭内部的情况。它为人们提供了一个集信息安全、生活舒适、通信快捷为一体的居住空间，将住宅的智能化、信息化、数字化及网络化变成了现实。智能家居的发展不仅成为一个国家经济实力的体现，同时也是一个国家科学技术水平的综合标志之一。它是建筑艺术、生活理念与信息技术、电子技术等现代高科技手段完美结合的产物，它的出现满足了当今社会人们快节奏的生活方式以及对住宅高性能、智能化的要求[2]。1.2国内外研究开发现状和发展趋势1.2.1国内外研究动态⑴国外发展现状[3,4]自第一幢智能建筑在美国康涅狄格州建成，加拿大、欧洲、澳大利亚、日本和东1西安科技大学硕士学位论文南亚等经济比较发达的国家先后提出了多种智能家居的方案。1988年美国编制了世界上第一个适用于家庭住宅的电气设计标准，即《家庭自动化系统与通信标准》，也称家庭总线系统HBS标准。欧洲建筑智能化组织于1998年9月建造完成了一座样板别墅。在这样一个单体别墅建筑中，包括了许多特色：环保、节能、智能控制和低价格。智能控制系统采用分级方式提供集成控制，控制住宅的照明、热水、安全、温度、暖房的排风等。进入21世纪以后，国外智能家居技术的发展达到了鼎盛。2000年4月，德国弗劳恩霍夫研究会与11家公司联手合作，建成一座内部完全实现了电子化和网络化的样板智能住宅；2005年昀受关注的当属美国微软公司总裁比尔·盖茨花费巨资构建的智能家居系统，堪称当今智能家居的经典之作。由于智能家居的诱人前景和巨大市场，国外企业已经开始在智能家居市场展开激烈的研发竞争。美国、欧洲、日本、澳大利亚、加拿大等先进国家及地区纷纷提出了EHS、EIB、BatiBUS等家居网络的协议，同时将CAN、DROFIBUS、FF、LonWorks等现场总线技术成功应用于家居网络中。目前，国外已经产生了一批大型智能家居供应商，例如澳大利亚的Austrolon公司，加拿大的CABA公司，韩国的HyundaiAutonet公司，德国的Noclus公司，美国的AT&T公司等。他们不断地研制新产品、开发新技术，成为当今智能家居行业的领军企业。⑵国内发展现状[5]我国的智能家居行业起步较晚，始于上个世纪八十年代末，但国外相关技术的蓬勃发展为我国提供了坚实的基础，而我国政府对其的高度重视也从另一方面使得我国的智能家居行业从一开始便取得了迅速发展。1986年国家科委和国家计委将“智能化办