嵌入式智能家居控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1、博名N4大挈本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告論文題目：嵌入式智能家居控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)學(xué)院：電氣工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：自動(dòng)化1204學(xué)生姓名：劉芳春學(xué)號(hào):120302433導(dǎo)師姓名：王通開題時(shí)間：2016年3月18日1 .課題背景及意義1.1 課題研究背景、目的及意義目前，幾乎所有家庭都有使用各種電器設(shè)備，電視、電燈、空調(diào)、冰箱等。然而，就當(dāng)前情況來(lái)說(shuō)，這些設(shè)備總是被看成單個(gè)的、獨(dú)立的個(gè)體使用，而極少出現(xiàn)一個(gè)專門的系統(tǒng)來(lái)管理它們、或是將它們糅合為一個(gè)具有一定“智慧”的設(shè)備集合體。這不僅使得設(shè)備使用者不得不在控制和管理這些設(shè)備上消耗大量時(shí)問(wèn)和精力，而且容易造成設(shè)備使用效率不高，浪費(fèi)寶貴的能源，這不符合節(jié)

2、能環(huán)保的國(guó)家政策方針?；谶@個(gè)事實(shí)，智能家居的概念應(yīng)運(yùn)而生。智能家居又被人們稱智能住宅1,在國(guó)外也叫做SmartHome。智能家居是以個(gè)人住所為單位，以控制技術(shù)、通信技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，以提升人們的日常家居生活為目的的家居控制和管理系統(tǒng)2。由于智能家居是一個(gè)最近才得到快速發(fā)展的行業(yè)，當(dāng)前有許多地方并未得到充分的研究，也有許多研究成果并未能轉(zhuǎn)化成為實(shí)際產(chǎn)品。探尋其本質(zhì)因素有兩個(gè)。其一，大多數(shù)已有的智能家居產(chǎn)品是針對(duì)高消費(fèi)人群設(shè)計(jì)和開發(fā)的，而沒(méi)有顧及到占人口絕大多數(shù)的低端消費(fèi)人群。因此，其市場(chǎng)本身就不會(huì)太大。其二，許多開發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品在性能上并不完全讓消費(fèi)者滿意。當(dāng)前已有的產(chǎn)品中的大多數(shù)，或是存在

3、功能單調(diào)、或是存在使用不方便等各種缺乏吸引力的不足之處。為了改善這一現(xiàn)狀，軟件部分設(shè)計(jì)就成了必不可少的工作，軟件部分以軟件開發(fā)平臺(tái)為核心，向上提供應(yīng)用編程接口，向下屏蔽具體硬件特性的板級(jí)支持包。嵌入式系統(tǒng)中，軟件和硬件緊密配合，協(xié)調(diào)工作，共同完成系統(tǒng)預(yù)定的功能。嵌入式軟件是應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)兩種軟件的一體化程序。對(duì)于嵌入式軟件而言，系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的界限并不明顯，原因在于嵌入式環(huán)境下應(yīng)用系統(tǒng)的配置差別較大，所需操作系統(tǒng)裁剪配置不同，I/O操作沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化，驅(qū)動(dòng)程序通常需要自行設(shè)計(jì)3,4。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在目前的嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其在功能復(fù)雜、系統(tǒng)龐大的應(yīng)用中5。它與實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件相

4、結(jié)合成為有機(jī)的整體起著核心作用，由它來(lái)管理和協(xié)調(diào)各項(xiàng)工作，為應(yīng)用軟件提供良好的運(yùn)行軟件環(huán)境和開發(fā)環(huán)境。cC/OSI是一個(gè)完整的，可移植、固化、裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。它通過(guò)了美國(guó)聯(lián)邦航空管理局商用航行器的認(rèn)可，符合航空無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)對(duì)用于航空設(shè)備方面所使用的軟件性能提出的DO-178BS準(zhǔn)認(rèn)可。目前已有數(shù)百個(gè)商業(yè)應(yīng)用的nC/OS該操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性得到了充分的肯定6,7。該操作系統(tǒng)在智能家居領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。因此對(duì)于嵌入式智能家居操作系統(tǒng)的研究也越來(lái)越有必要。1.2 課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)隨著全球化信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮的興起，智能家居出現(xiàn)在普通人們的視野之中。上個(gè)世紀(jì)八十年

5、代，隨著電子技術(shù)的提升和成熟，非常多的上市家用電器都采用了電子技術(shù)。面對(duì)日益增多的家用電器，人們迫切希望出現(xiàn)一種自動(dòng)化或者是智能化的家電管理系統(tǒng)。八十年代中期，出現(xiàn)了住宅自動(dòng)化概念（HA,HomeAutomation,即，將家用電器、通信設(shè)備和安防設(shè)備這些傳統(tǒng)上認(rèn)為獨(dú)立的功能整合為一個(gè)整體。八十年代末期，由于通信與信息技術(shù)出現(xiàn)突破性發(fā)展，開始逐漸出現(xiàn)了一些專門的商用系統(tǒng)，系統(tǒng)利用總線技術(shù)對(duì)住宅中的各種家電、安防和通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制、監(jiān)視和管理。1984年，美國(guó)聯(lián)合科技公司（UnitedTechnologiesBuildingSystem建成了全世界首棟類似于智能家居的“智能型建筑"Ci

6、tyPlaceBuilding,這是人們第一次見識(shí)到的建筑設(shè)備信息化、整合化的建筑物。從此以后，許多公司和機(jī)構(gòu)紛紛加入搭建智能家居隊(duì)列之中。比如，MIT、西門子、思科、舊M、Xerox、微軟等國(guó)際巨頭。2003年，HousingLearning&ImprovementNetwork發(fā)布了一種對(duì)智能j家居的定義，并開展了DTI智能家居項(xiàng)目9oNektariosPapadopoulos等提出并研究了一種連接家庭平臺(tái)（CHP和智能家居應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)的架構(gòu)10。Dae-ManHan和Jae-HunLim提出和研究了一種基于ZigBee技術(shù)的智能家居能量管理系統(tǒng)110有學(xué)者描述了一種智能家居系統(tǒng)管

7、理協(xié)議的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)120還有人使用ZigBee或者藍(lán)牙作為局域聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使用萬(wàn)維網(wǎng)作為遠(yuǎn)程接入技術(shù)同智能家居在國(guó)內(nèi)的發(fā)展時(shí)間雖然較短，但是也取得了很大進(jìn)步。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)智能家居行業(yè)雖然正處于初步發(fā)展階段，但是目前的發(fā)展非常迅速1402003年，由聯(lián)想帶頭、眾多單位參與的“信息設(shè)備資源共享協(xié)同服務(wù)”標(biāo)準(zhǔn)工作組正式成立，這就是大家都耳熟能詳?shù)摹伴W聯(lián)”1516o2004年，海爾公司率領(lǐng)多個(gè)廠家協(xié)同推出新網(wǎng)絡(luò)家電標(biāo)準(zhǔn)“e家佳”171819。此后不到一年，信息產(chǎn)業(yè)部確定“閃聯(lián)”和“e家佳”為行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)。2012年，長(zhǎng)虹公司推出自主研發(fā)的具有5種場(chǎng)景的智能家居體驗(yàn)館，系統(tǒng)將多種應(yīng)用場(chǎng)景和設(shè)備智能控制

8、方式有機(jī)結(jié)合，形成一個(gè)家庭控制系統(tǒng)20。市場(chǎng)上其它比較成熟的解決方案有海爾家庭系統(tǒng)，TCL的智能家居系統(tǒng)等。經(jīng)過(guò)這些年的發(fā)展，我國(guó)的智能家居已經(jīng)有了自己的特色。從最開始只能控制單一的設(shè)備，如控制燈光、遠(yuǎn)程抄表，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)將多個(gè)控制單元融入一個(gè)系統(tǒng)，方便統(tǒng)一管理。從最開始各公司各自制定私有接口協(xié)議、開發(fā)自己私有的產(chǎn)品，到智能家居聯(lián)盟開始著手起草通用接口和協(xié)議。從最初一些能力有限小公司的小規(guī)模投入，發(fā)展到聯(lián)想集團(tuán)、海爾等大公司開始大力投入該領(lǐng)域?，F(xiàn)今，在智能家居領(lǐng)域中有幾款杰出的產(chǎn)品Honeywell Smart Home 在中國(guó)大陸名叫MoMas,隨著數(shù)字技術(shù)和移動(dòng)控制成為當(dāng)今的主流，該公司

9、生產(chǎn)的產(chǎn)品具有豐富的、時(shí)髦的控制終端應(yīng)用。用戶只需要將應(yīng)用安裝到支持WIFI的手機(jī)或平板電腦燈移動(dòng)終端上，然后動(dòng)動(dòng)手指便可以輕松控制電燈、空調(diào)等家用設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了一鍵控制多種設(shè)備的目的。Control4是一家專業(yè)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)家庭自動(dòng)化控制產(chǎn)品及其解決方案的公司。由于開發(fā)的產(chǎn)品大多是基于IP技術(shù)，因此其產(chǎn)品具有性能好、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、并且支持很多時(shí)髦的技術(shù)。其家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)一般采用Zigbee或者WIFI,很方便在那些房屋已經(jīng)裝修好的家庭使用。目前，智能家具在全球都呈現(xiàn)良好的發(fā)展趨勢(shì)，嵌入式智能家具在美國(guó)、德國(guó)、新加坡、日本等都有廣泛的應(yīng)用21,在國(guó)內(nèi)，智能家具也已經(jīng)走過(guò)了概念期，正是基于對(duì)智能家具市場(chǎng)發(fā)展

10、前景的展望，使得越來(lái)越多的企業(yè)介入智能家具這個(gè)行業(yè)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和嵌入式技術(shù)的不斷提高，我國(guó)的嵌入式智能家具系統(tǒng)也會(huì)越來(lái)越完善，嵌入式智能家具系統(tǒng)軟件技術(shù)也會(huì)不斷提高。今天嵌入式系統(tǒng)帶來(lái)的工業(yè)年產(chǎn)值已超過(guò)了1萬(wàn)億美元，在國(guó)內(nèi)，“維納斯計(jì)劃”和“女蝸計(jì)劃”一度鬧得沸沸揚(yáng)揚(yáng)，機(jī)頂盒、信息加電這兩年更成了IT熱點(diǎn)，而實(shí)際上這些都是嵌入式系統(tǒng)在特定環(huán)境下的一個(gè)特定應(yīng)用。據(jù)調(diào)查，目前國(guó)際上已有兩百多種嵌入式操作系統(tǒng)，而各種各樣的開發(fā)工具、應(yīng)用于嵌入式開發(fā)的儀器設(shè)備更是不可勝數(shù)。我國(guó)信息化與全面小康社會(huì)建設(shè)對(duì)嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)提出巨大需求，信息家電產(chǎn)品年需求量幾億臺(tái)，每一類數(shù)字化家電產(chǎn)品都有千萬(wàn)臺(tái)市

11、場(chǎng)需求量，工業(yè)控制用嵌入式系統(tǒng)有百十萬(wàn)臺(tái)套需求量，商用嵌入式系統(tǒng)需求量幾百萬(wàn)臺(tái)。我國(guó)己有集成電路及PC琬刷電路板產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)能力，出口的嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品亦將逐步增長(zhǎng)，在全球市場(chǎng)也可占有一席之地。2005年我國(guó)嵌入式計(jì)算機(jī)創(chuàng)造上千億元的效益，嵌入式計(jì)算機(jī)是信息、產(chǎn)業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外的市場(chǎng)為我國(guó)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)提供大有作為的廣闊天地2223o隨著嵌入式應(yīng)用的日益普及，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也受到普遍關(guān)注，越來(lái)越多的公司開始開發(fā)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，而且越來(lái)越多的工程師使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。如今已有二百多種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在長(zhǎng)期應(yīng)用與商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中己逐漸形成了一些較為成功的嵌入式操作系統(tǒng)。據(jù)

12、統(tǒng)計(jì)，僅用于信息電器的嵌入式操作系統(tǒng)就有40種左右，其中較為流行的主要有：WindowsCE、PalmOS、Real-TimeLinux、VxWorks、PSOSPowerTV以及仙C/OS仙C/OSt源碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，后來(lái)推出的nC/OSII是nC/S的升級(jí)版本。在智能家居領(lǐng)域中，主流的系統(tǒng)架構(gòu)主要有C/S、B/S兩種方案。網(wǎng)絡(luò)通信方面主要是基于以太網(wǎng)、ZigBee、GPRS、WIFI、電力線載波、紅外、藍(lán)牙等。協(xié)議方面，國(guó)內(nèi)主要使用的有，國(guó)外開發(fā)的X1024、EIB、CEbus25、LonWork26、EHS等，國(guó)內(nèi)開發(fā)的閃聯(lián)、e家佳等。2畢業(yè)設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容及任務(wù)2.1 研究?jī)?nèi)容

13、嵌入式系統(tǒng)通常包括軟件和硬件兩部分。本文正是基于嵌入式系統(tǒng)的硬件部分開發(fā)相關(guān)的軟件部分。根據(jù)硬件功能編寫對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，及在操作系統(tǒng)上編寫應(yīng)用程序及界面。主要工作是將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)心/OS-II移植到基于ARM7核的微控制器上，為微控制器上的軟件開發(fā)提供一個(gè)操作系統(tǒng)平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭提供電源控制、家電控制（如電視機(jī)、空調(diào)、冰箱、電飯煲、淋浴器、微波爐等）、門窗控制、檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)、燈光控制等。本課題提出了一種基于nC/OSR的嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。首先是要在目標(biāo)平臺(tái)上成功移植nC/OSR操作系統(tǒng)，然后在該操作系統(tǒng)上運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。其中仙C/OSR操作系統(tǒng)在移植過(guò)程中根據(jù)控制系統(tǒng)的需要來(lái)進(jìn)行剪裁。以便

14、精簡(jiǎn)操作系統(tǒng)，減少不必要的代碼。2.2 設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)方案根據(jù)前面的分析，本文中的智能家居系統(tǒng)總體架構(gòu)為C/S模型，上位機(jī)服務(wù)器是整體系統(tǒng)的服務(wù)器，上位機(jī)客戶端和家庭網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)中的客戶端。用戶操作上位機(jī)軟件，通常安裝在PC機(jī)、平板電腦和智能手機(jī)等終端上選擇受控設(shè)備及其控制目的。軟件將用戶的操作編碼并形成具有一定格式的據(jù)幀，并且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給家庭網(wǎng)關(guān)。家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)一步將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給相應(yīng)的智能控制終端，智能終端再對(duì)接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的命令來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的控制動(dòng)作，從而完成對(duì)目標(biāo)受控設(shè)備的控制?？刂平Y(jié)果會(huì)被反饋給用戶端軟件，并通過(guò)友好的界面呈現(xiàn)給用戶觀看。系統(tǒng)由這幾個(gè)部分構(gòu)成：客戶端、服務(wù)器

15、、家庭網(wǎng)關(guān)、智能控制終端。其中客戶端和服務(wù)器處于上位機(jī)側(cè)，以安裝在智能手機(jī)、平板、家用電腦等設(shè)備上的軟件的形式出現(xiàn)。而家庭網(wǎng)關(guān)和智能控制終端屬于下位機(jī)部分，以實(shí)體形式存在。如下圖示：無(wú)線路由?？蛻舳酥悄懿遄_關(guān)檢測(cè)模塊洗衣機(jī)冰箱智 能 電 表圖1智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)共有四個(gè)部分四個(gè)部分在系統(tǒng)中所充當(dāng)?shù)慕巧约肮δ芊謩e如下：客戶端軟件：客戶端軟件屬于整個(gè)系統(tǒng)的上位機(jī)側(cè)，其主要作用有以下幾個(gè)。一、為用戶提供一個(gè)友好的用戶界面，在整個(gè)智能家居系統(tǒng)中，用戶通過(guò)這個(gè)用戶界面便可以控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。二、將用戶的操作轉(zhuǎn)換成便于機(jī)器處理和便于通信的數(shù)據(jù)，并通過(guò)相應(yīng)通信方式傳遞給家庭網(wǎng)關(guān)。三、從家庭網(wǎng)

16、關(guān)接受數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為便于用戶觀看的格式。四、記錄和統(tǒng)計(jì)歷史數(shù)據(jù)，便于查閱。服務(wù)器軟件：服務(wù)器軟件也是上位機(jī)側(cè)的一個(gè)重要的組成部分，其主要作用如下。一、處理用戶上下線請(qǐng)求。如，與上線用戶建立連接，與離線用戶斷開連接；二、可以多用戶同時(shí)上線。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)家庭的成員不會(huì)只有一個(gè)，因此系統(tǒng)支持多個(gè)用戶同時(shí)登陸是很有意義的；三、管理在線用戶，記錄用戶日志；四、便于實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)穿越。單獨(dú)設(shè)計(jì)的服務(wù)器具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，有效地避開內(nèi)網(wǎng)防火墻對(duì)客戶端通信的阻礙，實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)穿越。家庭網(wǎng)關(guān)：家庭網(wǎng)關(guān)屬于下位機(jī)側(cè)的重要組成部分，其主要功能包括：一、連接外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)。家庭網(wǎng)關(guān)通過(guò)對(duì)收到的信息重新打包，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間

17、可以正確通信，即外部網(wǎng)絡(luò)與內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)可以正確通信；二、提供過(guò)濾和安全功能通過(guò)對(duì)接收到的信息進(jìn)行判斷，家庭網(wǎng)關(guān)可以濾掉不符合要求的信息以及一些不安全的信息；三、支持通過(guò)多種外網(wǎng)協(xié)議與上位機(jī)通信。從；四、有利于維護(hù)外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)的獨(dú)立性。加入家庭網(wǎng)關(guān)后，內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)通信協(xié)議和技術(shù)完全獨(dú)立，彼此影響變小。這樣做可以避免內(nèi)網(wǎng)協(xié)議發(fā)生變動(dòng)時(shí)影響到外網(wǎng)通信的正確性，或者是外網(wǎng)協(xié)議發(fā)生變化后影響到內(nèi)網(wǎng)通信的正確性。智能控制終端：智能控制終端是下位機(jī)的主要組成部分之一，其主要功能是：一、控制家用電器的工作狀態(tài)。智能控制終端根據(jù)接收到的命令來(lái)控制電器的工作狀態(tài)。比如，接收到打開5號(hào)電燈命令，相應(yīng)的智能終端則打開5號(hào)電燈

18、；二、收集和上傳家電的工作信息。智能終端根據(jù)上位機(jī)客戶的設(shè)置來(lái)收集家電信息，并且將信息上傳給上位機(jī)；三、異常處理。智能終端通過(guò)分析家電工作信息，對(duì)工作異常的設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的異常處理，同時(shí)將異常上報(bào)給用戶。整個(gè)系統(tǒng)的軟件部分是由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分軟件組成。其中上位機(jī)方的軟件包括客戶控制端、服務(wù)器端兩部分，運(yùn)行于家庭計(jì)算機(jī)或者是智能終端上下位機(jī)方面的軟件，是由家庭網(wǎng)關(guān)和智能控制終端兩部分軟件組成。家庭網(wǎng)關(guān)為上位機(jī)和智能終端建立通信橋梁；智能控制終端是控制命令的執(zhí)行體。通常來(lái)說(shuō)，在一個(gè)智能家居系統(tǒng)中，只需要一臺(tái)家庭網(wǎng)關(guān)；智能家電終端的數(shù)量，則根據(jù)受控家電的數(shù)量而定。上位機(jī)的主要任務(wù)是提供家電控制界面

19、和家電數(shù)據(jù)管理功能。用戶通過(guò)操作可視化人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)控制家電、查看家電數(shù)據(jù)信息。而與此對(duì)應(yīng)，下位機(jī)的任務(wù)主要是以下幾個(gè)：(1)家庭網(wǎng)關(guān)。主要任務(wù)是，為上位機(jī)和智能控制終端之間建立通信的橋梁。家庭網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)之間通過(guò)以太網(wǎng)、WIFI、GPRS真塊進(jìn)行通信，與下位機(jī)之間通過(guò)zigbee進(jìn)行通信。(2)智能控制終端。主要任務(wù)是，接收家庭網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的控制命令，根據(jù)控制命令完成對(duì)家電設(shè)備的控制，并且將操作結(jié)果經(jīng)過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)給客戶終端。家庭網(wǎng)關(guān)起的是一個(gè)樞紐作用，它連接外部網(wǎng)絡(luò)中的上位機(jī)和家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的下位機(jī)。是智能家居網(wǎng)絡(luò)中連接上位機(jī)和智能終端的橋梁，作用是實(shí)現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)和家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的通信。除了

20、系統(tǒng)必要的軟件外，其主要軟件模塊是通信模塊，包括外部聯(lián)網(wǎng)通信模塊和家庭內(nèi)網(wǎng)通信模塊。根據(jù)以上所述，家庭網(wǎng)關(guān)整體軟件流程結(jié)構(gòu)如下圖所示：開始與下位機(jī)通信調(diào)試模塊. 數(shù)據(jù)分發(fā)初始化自身處理與上位機(jī)通信監(jiān)測(cè)模塊發(fā)送 處理 模塊發(fā)送 處理 模塊接收 處理 模塊接收 處理 模塊發(fā)送 處理 模塊放入 發(fā)送 給下 位機(jī) 的緩 沖區(qū)更新 受監(jiān) 測(cè)模 塊信 息接收Pc機(jī)命令輸出 調(diào)試 信息接收 處理 模塊處理 模塊回復(fù) 模塊圖2家庭網(wǎng)關(guān)軟件流程圖家庭網(wǎng)關(guān)開機(jī)之后，首先進(jìn)行系統(tǒng)配置和模塊初始化。1）系統(tǒng)配置。主要包括，開時(shí)鐘、配置管腳參數(shù)、開中斷，等等。這一步的目的是，啟動(dòng)微處理器、配置芯片和外設(shè)參數(shù)。2）相關(guān)模

21、塊初始化。主要包括，WIFI、以太網(wǎng)、GPRS模塊、電力載波模塊、內(nèi)網(wǎng)協(xié)議棧，等。對(duì)WIFI、以太網(wǎng)、GPRSS三個(gè)與上位機(jī)通信的模塊而言，初始化過(guò)程的工作是對(duì)其各自的協(xié)議棧初始化，比如，選擇工作模式，配置IP和MAC地址，選擇通信速率，使用何種數(shù)據(jù)接收方式，以及與上位機(jī)的服務(wù)器建立連接和完成登錄。對(duì)電力載波的配置和上面的類似，只是不用與對(duì)方建立連接和登錄。對(duì)內(nèi)網(wǎng)協(xié)議和調(diào)試模塊的初始化主要是將一些相關(guān)變量置為初始值。初始化完成之后，家庭網(wǎng)關(guān)開始正常工作。六個(gè)模塊并行，分別執(zhí)行各自的任務(wù)。關(guān)于家庭網(wǎng)關(guān)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)：GPRS驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)GPRS模塊和ARM是通過(guò)串口1連接的，驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)給GPR

22、S模塊發(fā)送AT命令字符用來(lái)控制器其作業(yè)。(a) AT命令A(yù)T指令目前已成為全球通用的標(biāo)準(zhǔn)，任何與Hayes兼容的調(diào)制解調(diào)器都可使用這些指令。(b)驅(qū)動(dòng)流程GPRS模塊可以劃分為三個(gè)部分，初始化、接收數(shù)據(jù)處理、發(fā)送數(shù)據(jù)處理。在初始化階段，首先使用指令A(yù)T+IPR=11520味設(shè)置GPRS模塊的通信速率為115200bps。設(shè)定好速率之后，發(fā)送ATI指令來(lái)啟動(dòng)GPRS模塊，如果收到的回復(fù)為OK,則表示模塊已經(jīng)工作。否則，則繼續(xù)發(fā)送ATI指令，直到超時(shí)退出。在GPRS開始工作后，發(fā)送指令A(yù)T+CIPSTART=TCP”，“31”,“5638”,與服務(wù)器建立連接。返回OK表示連

23、接成功。其中31是智能家居系統(tǒng)服務(wù)器的IP,5638是其端口號(hào)。一且連接成功，下一步則是發(fā)送登錄數(shù)據(jù)向服務(wù)器請(qǐng)求登錄。在成功登錄之后，GPRS勺初始化階段結(jié)束。接下來(lái)，進(jìn)入GPRS接收和發(fā)送數(shù)據(jù)處理部分。在接收處理階段，首先查詢是否有數(shù)據(jù)需要處理，如果沒(méi)有則進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)處理階段，如果有，第一步則是找到幀頭"+IPDxx:"其中xx表示該數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度，單位為字節(jié)。在找到幀頭后，提出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)幀的有效性進(jìn)行判斷。如果不是有效幀，則繼續(xù)上面的過(guò)程；如果是，則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。由于上位機(jī)按照UTF8格式發(fā)送數(shù)據(jù)，故先將數(shù)據(jù)從UTF8格式轉(zhuǎn)換到

24、unicode格式。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)是字符形式的數(shù)據(jù)，還需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成ASC格式才能符合需要。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢，需要改裝成內(nèi)部模塊通信格式，并加上信道類型標(biāo)志(G:GPRSW:WIFI,E:以太網(wǎng))。最后，放入接收數(shù)據(jù)幀隊(duì)列中，交由中心控制器的數(shù)據(jù)分發(fā)模塊處理。在發(fā)送階段的處理類似于接收處理的逆過(guò)程。如果GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)隊(duì)列g(shù)_GPRSSendFrameQuene中有數(shù)據(jù)，則取出一幀數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)換成合適的格式發(fā)送給上位機(jī)。具體流程如下圖3所示：開始圖3GPRS通信模塊工作流程圖上一部分介紹了家庭網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)，接下來(lái)將介紹智能家居下位機(jī)系統(tǒng)中另一個(gè)重要組成部分：控制終端的軟件設(shè)計(jì)?？刂平K端的主要功能是

25、，通過(guò)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)接收控制指令、根據(jù)控制指令執(zhí)行相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序、通過(guò)LCD屏幕顯示設(shè)備運(yùn)行信息。初始化完成之后，家庭網(wǎng)關(guān)開始正常工作。四個(gè)模塊并行，分別執(zhí)行各自的任務(wù)。一、內(nèi)網(wǎng)通信模塊。該模塊用于智能終端跟家庭網(wǎng)關(guān)通信，包括接收和發(fā)送兩部分。接收部分的工作是，對(duì)受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。如果數(shù)據(jù)正確，則放入接收緩沖區(qū)；否則，刪除數(shù)據(jù)。發(fā)送部分的工作是，查詢發(fā)送緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)，則每次發(fā)送一幀數(shù)據(jù)；否則，再次查詢。二、顯示模塊。該模塊用于將相關(guān)信息在LCD上顯示。模塊基于事件驅(qū)動(dòng)，一旦發(fā)現(xiàn)事件有效，則根據(jù)事件屬性確定待顯示的內(nèi)容以及相關(guān)信息，之后調(diào)用LCD驅(qū)動(dòng)，以合適的格式顯示內(nèi)容。三、調(diào)

26、試模塊。智能控制終端上的調(diào)試模塊與家庭網(wǎng)關(guān)上的核心一樣，區(qū)別是，二者支持的命令不一樣。四、控制模塊?？刂颇K是智能終端上最為核心的部分，所有對(duì)設(shè)備的操作最終都需要由該模塊來(lái)完成。該模塊分為執(zhí)行命令和獲取執(zhí)行結(jié)果兩部分。執(zhí)行命令部分的工作是，查詢是否有新命令需要執(zhí)行，如果有，則根據(jù)命令調(diào)用相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序；如果沒(méi)有，則繼續(xù)查詢。由于每一條命令執(zhí)行完之后，都要反饋執(zhí)行結(jié)果。所以，獲取執(zhí)行結(jié)果部分的工作是，在每條命令執(zhí)行完之后獲取對(duì)應(yīng)的執(zhí)行結(jié)果。并且將執(zhí)行結(jié)果封裝打包，然后放入內(nèi)網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū)中。其內(nèi)部程序總體流程圖，如下圖所示:開始接收式理模發(fā)送處鈿模塊塊圖4智能控制模塊軟件流程圖控制終端相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序的

27、設(shè)計(jì)(1)電力計(jì)量模塊驅(qū)動(dòng)電力計(jì)量模塊在智能家居系統(tǒng)中的作用就是，實(shí)時(shí)記錄用電設(shè)備當(dāng)前電參數(shù)。(a)模塊功能：當(dāng)前，支持的功能有以下幾個(gè)模塊，分別是：讀取當(dāng)前電參數(shù)、讀寫設(shè)備號(hào)、讀寫波特率、清除歷史用電數(shù)據(jù)。其中，當(dāng)前電參數(shù)包含電壓、電流、功率、因素、電量，均為瞬時(shí)值；讀寫設(shè)備號(hào)含有讀取和修改本電力計(jì)量模塊的設(shè)備號(hào)；讀寫波特率包括查詢當(dāng)前通信波特率和修改通信波特率；消除歷史數(shù)據(jù)即為將歷史用電信息清零。(b)通信協(xié)議：MODBUS、議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言，系統(tǒng)中選擇的計(jì)量模塊產(chǎn)品支持MODBUSRTU協(xié)議。所以，ARM和電力計(jì)量模塊之間的通信協(xié)議采用MODBUS-RTU(c)控制過(guò)

28、程：圖5與智能電表通信原理圖完整的交互過(guò)程如上圖所示：家電終端發(fā)送請(qǐng)求信息給MODBUSJ、議棧，議棧將請(qǐng)求信息解析成對(duì)應(yīng)的MODBUS-RTUt據(jù)幀發(fā)送給電力計(jì)量模塊。電力量模塊將用戶終端請(qǐng)求的數(shù)據(jù)以MODBUS-RTUB議格式發(fā)送給MODBU助、議棧，協(xié)議棧再將數(shù)據(jù)封裝成相應(yīng)幀上傳給用戶終端。(2)電燈、電視機(jī)和空調(diào)(a)電燈：電燈是由家電終端上的繼電器控制，繼電器打開和關(guān)閉分別代表開燈和關(guān)燈。收到開燈指令后，軟件通過(guò)設(shè)置繼電器控制管腳上輸出電平的高低來(lái)控制電燈的開和關(guān)。(b) 電視：電視是通過(guò)智能控制終端上的紅外遙控來(lái)控制。我們對(duì)電視遙控的編碼如下表所小：號(hào)碼功能號(hào)碼功能號(hào)碼功能號(hào)碼功能

29、0x00技健00x0A0x16屏顯0*47top0x01按侵1OxUB殳擰(1x17圖像模犬0x4Wbutlorn0x02排健20x0C開機(jī)OxlK聲音模式0x49pause0x03按鍵3OxUD靜音0x19靜像0x4Astop0x04技援4OxOP信號(hào)源OxlCV-JJ(A4F顯示模式0x05按鍵50x11菜單0x42上0x51快捷健0x06按健60x12頻道+0x43下返回1)x07按犍70x13頓道.0x44右0x08按犍B音星+0x45左0x0按鍵90x15音量-0x46確定表1電視遙控編碼智能控制終端在接收到上述編碼后，首先將其翻譯成相應(yīng)電視機(jī)的正確編碼并且進(jìn)行調(diào)制，然后通過(guò)紅外發(fā)送

30、給電視機(jī)，即完成對(duì)電視的控制。(c) 空調(diào)：控制空調(diào)的方式和電視一樣，也是通過(guò)紅外遙控。2.3 畢業(yè)設(shè)計(jì)擬采用方法和手段實(shí)現(xiàn)手段：軟件編程采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，編譯軟件采用keil4,使用proteus進(jìn)行調(diào)試和在線仿真。芯片采用ARM7核微控制器，采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)血/OS-R進(jìn)行裁剪、移植，顯示方面采用SMG240128A液晶屏，采用ZigBee作為局域聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使用萬(wàn)維網(wǎng)作為遠(yuǎn)程接入技術(shù)。3.畢業(yè)設(shè)計(jì)工作計(jì)劃及進(jìn)度安排第1周查閱相關(guān)文獻(xiàn)、學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。第2周查閱相關(guān)文獻(xiàn)、開始撰寫開題報(bào)告及翻譯外文文獻(xiàn)。第3周撰寫開題報(bào)告，確定課題設(shè)計(jì)方案。第4周完成開題報(bào)告及外文翻譯。第5周收集資料，確定控

31、制平臺(tái)的操作系統(tǒng)功能。第6周裁剪操作系統(tǒng)并移植。第7周裁剪操作系統(tǒng)并移植。第8周結(jié)合系統(tǒng)硬件，編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。第9周結(jié)合系統(tǒng)硬件，編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。第10周結(jié)合系統(tǒng)硬件，編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。第11周根據(jù)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，編寫應(yīng)用程序及操作界面。第12周根據(jù)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，編寫應(yīng)用程序及操作界面。第13周根據(jù)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，編寫應(yīng)用程序及操作界面。第14周調(diào)試系統(tǒng)軟件，修改軟件。第15周調(diào)試系統(tǒng)軟件，修改軟件。第16周調(diào)試系統(tǒng)軟件，修改軟件。開始撰寫畢業(yè)論文。第17周撰寫并修改畢業(yè)論文。第18周完成畢業(yè)論文，準(zhǔn)備答辯。4.主要參考文獻(xiàn)1KennethPW.HomeAutomati

32、onandUtilityCustomerServicesJ.CutterInformationCorporation,1999(13).2花鐵森.智能家居系統(tǒng)核心技術(shù)探討J.智能建筑電氣技術(shù)，2009(01):92-98.3呂京建.嵌入式因特網(wǎng)技術(shù)的興起與前景.今日電子2000,(增刊)：1618.4徐士良，葛冰.計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)基礎(chǔ)J.清華大學(xué)業(yè)出版社.2007-7.5 K.Ramamiritham,J.A.Stankovic.SchedulingAlgorithmsandOperatingSystemsSupportforReal-timeSystems.ProceedingoftheIEE

33、E.1994,82(1):5567.6 JeanJ.Labrosse著，邵貝貝譯.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)科C/OSI(第二版).北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2003.7冉漢政.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)科C/OSI在控制工程中的應(yīng)用.現(xiàn)代電子技，2003,13:84-86.8范文.淺談現(xiàn)在家居的智能化系統(tǒng)J.安徽建筑，2008(5):64-65.9 LiJ,DaYL,BoY.SMARTHOMERESERCHC.Shanghai:ProceedingoftheThirdInternationalConferenceonMachineLearningandCybernetics.2004(8).10 NektariosP,ApostolosM,DimitriosE.AConnectedHomePlatformandDevelopmentFrameworkforSmartHomeControlApplications