基于TCPIP的家居环境检测和家电控制系统王照

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1、目录编号 河南机电高等专科学校 毕业设计（论文）基于TCP/IP的家居环境检测和家电控制系统系 部: 自动控制系 专 业: 计算机控制技术 班 级: 计控121班 姓 名: 王 照 学 号: 121413134 指导老师: 王 琦 二零一五年五月 摘 要家居生活是人们日常生活中很重要的一部分。近几年，智能家居的出现颠覆了传统的住房概念，给人们带来了与众不同的家居体验。通过智能家居人们可以方便地控制家电，同时又能获得安全。它是由计算机技术、通信技术和自动化控制技术综合运用的结果，它的目的是致力于改善传统的生活方式，为人们提供一种现代化、舒适、便捷、智能化的生活环境。在此之前已经存在了一些不同类型

2、的家居控制系统，它们一般都没有提供接入网络的功能，无法通过网络提供远程控制的功能，有些系统虽然提供了远程控制的能力，但它们大多是通过电话或手机等设备经由电话网或者移动网来实现的，这样往往面临着带宽不足的问题，导致系统的业务拓展受到限制。考虑到近些年互联网的迅猛发展，已经成为全球应用范围最广、使用用户最多的广域网，并且网络的稳定性、安全性和网络带宽都有了长足的发展，由互联网提供的各种服务已经深入到人们生活的方方面面，因此将智能家居系统同互联网结合起来，为用户提供远程控制服务，延伸智能家居系统的使用空间，已经成为智能家居系统发展的一种趋势。因此在本课题中提出了一种新的智能家居系统的解决方案，在该方

3、案中，智能家居系统实现了数据采集模块、家电控制模块、安防报警模块以及三表抄送模块的功能，各个功能模块通过组网的方式连接起来接入中央控制系统，实现系统的集中化控制，系统的各个功能模块之间能够相互通信，完成模块间的协同工作、提供有效的、智能化的控制服务。在设计系统结构时，采用B/S(Browser/Server）的系统结构，通过在高性能的微处理器上实现Web服务器，并采用Linux操作系统自带的TCP/IP协议栈实现对上层协议的支持，采用支持以太网协议的网卡芯片经RJ-45接口接入以太网，最后再同互联网相连，实现智能家居系统接入互联网的功能，在此基础上，利用CGI(通用网关接口)标准开发CGI程序

4、实现动态网页，并采用HTTP（超文本传输协议）协议完成客户端同服务器之间应用层的数据交互，以此实现智能家居系统的远程控制功能。这样客户仅仅使用一台联网的个人计算机，通过Web浏览器登录到嵌入式Web服务器上，完成对家居设备的监控和控制。关键词：智能家居；TCP/IP；远程控制；环境监测；IABSTRACTHome life plays an important part of daily life. In recent years, smart home subverts the traditional housing concept and brings a different househ

5、old experience to people. People can easily control appliances and get a sense of security at the same time through smart home. it is by the computer technology, communication technology and the automation control technology result of the integrated use. It is purpose is to improve the traditional w

6、ay of life, providing people with a modern, comfortable, convenient, intelligent household life. Just like before, this is a different type of home control system, they usually do not have to provide access to network not through the network to provide remote control function, some systems while pro

7、viding the ability of remote control, but they are mostly through the phone or cell phone via telephone network equipment or mobile network implemented to such often faced with the problem of shortage of bandwidth, cause the system of business development limited. Considering the rapid development o

8、f Internet in recent years, it has become the the worlds most extensive network of application. the stability of the internet and network bandwidth had great development, the Internet provide all kinds of service of all aspects of peoples lives, so intelligent household system combined with the Inte

9、rnet, to provide remote control service ,extend the intelligent household system, use the space, it has become a development trending of intelligent household system. So in this topic, we put forward a kind of new intelligent household system solutions, In this scheme, intelligent household system a

10、chieves data acquisition module, home appliances control module, security alarm module and a copy of the function of the three table modules, each function module access the central control system through the network connecting, it realize the centralization of the control system. each function modu

11、le of the system can communication between each other, It makes function module between each othercan work together and provides effective and intelligent control services. The system design scheme adopts the B/S (Browser/Server) system structure, the realization of the web server by high performanc

12、e of the microprocessor to complete and uses the Linux operating system comes with the tcp/ip protocol stack to realize the support of the upper agreement, the Ethernet network card chip access to Ethernet through the RJ-45 interface and finally connected with the Internet, so the intelligent househ

13、old system can access to the Internet. On this basis, development CGI Iprogram achieve dynamic web pages through the CGI standards.Web server uses HTTP (hypertext transfer protocol) complete data communication between the client and server application layer to realize remote control function of inte

14、lligent household system. So customers use only a personal computer to log on to embedded Web server through the Web browser, it can complete detection and control of house equipment.Keywords:Smart home ;TCP/IP ;The remote control ;Environment detectionI目 录第1章 绪论11.1 智能家居系统研究的目的和意义11.2智能家居的发展现状和趋势21

15、.2.1国内外研究现状21.2.2目前存在的问题31.2.3未来的发展趋势51.3主要内容及实现目标51.3.1 研究内容51.3.2实现目标6第2章 系统的总体设计72.1系统设计目标和原则72.2总体设计72.2.1远程控制接口82.2.2室内控制接口92.3自动化系统的设计方案92.4通信协议102.4.1TCPIP协议栈102.4.2传输控制协议（TCP）102.4.3 IP协议142.4.4 UDP协议152.4.5 UIP协议15第3章 硬件设计173.1 主控制器的设计173.1.1 芯片的选择173.1.2 主要电路的介绍18第4章 软件设计25I4.1 软件介绍254.1.1

16、 STM32编程工具254.1.2 VC+编程工具254.1.3 Altium Desinger软件254.2 程序设计264.2.1主控制器程序设计264.2.2 VC+程序设计284.2.3 Altium Designer电路板设计29第5章 总结和展望30参考文献31致 谢32附录A ENC28J60功能实现程序33附录B LWIP协议移植部分程序36 I第1章 绪论1.1 智能家居系统研究的目的和意义 随着信息时代的到来及高速发展，电子产品在日常生活中的应用给人们带来的便利与快捷是有目共睹的。为人类开发更加舒适便捷、安全高效的产品成为信息社会发展的强有力动力。在公共场所和工作环境的不断

17、改善下，家庭居住环境也慢慢加入了生活品质的名单。如今人们的追求不再停留在单纯的物质上，对精神世界的寻求也日益增加。对于住宅，人们除了关注房屋的大小、外观、安全性，还希望得到更高层次的体验和享受。例如，在看书时不用起身就可以在光线渐弱的时候打开电灯等智能化控制。在日常生活中，偶尔也会发生出门前忘记关闭电器的事情，有时甚至发生电器自燃进而引发火灾的突发状况，不仅造成物质上的损失，更产生了心灵上的阴影和伤害。那么如何通过不断发展的网络设备和通讯设施来实现家居智能化，便成了当今科技领域努力的方向。智能家居，拥有家庭安全、舒适、信息交互与通信的能力。这些依赖于家居智能管理系统。通过网络技术的不断发展，多

18、功能、智能化的家电成了人们梦想拥有的物品之一。随后，便出现了智能冰箱、智能洗衣机。虽然各大电器生产商也推出了相应的产品，但在实际应用中的效果差强人意。这类智能家电看起来功能丰富，却相互分离开来，并没有实现人们预想的目标，反而给人一种累赘的感觉。怎么样才能使独立的电器联系起来成为一个网络呢？令人欣喜的是，物联网的出现为解决这一问题提供了有效途径。物联网是一个巨大智能网络，这个网络通过接入网与互联网将各种信息传感设备和系统结合起来。其中的信息系统可以是一维、二维条形码设备，也可以是射频识别系统等。物联网的概念最早出现于1991 年，是由麻省理工学院的一位教授提出。在这之后，该学院提出将“所有事物都

19、可以通过网络互相联系”作为物联网的基本含义。简单来说，设备以中介的作用联系了物与物、人与物从而实现物联网。在这个概念的基础上，将物联网应用于家居设备中，就可以通过网络设施将用户和这些无法表达的物体联系起来。通过物联网实现对家居环境的设置，具有安全性高、操作方便、准确高效的优点。智能家居在这样的背景下寻到突破口，不仅掀起社会的研究热潮，还逐步出现在人们的生活中。智能家居（Smart Home）可以称为智能住宅。从字面上看，自然而然令人联想到家庭生活。那么“智能”到底要如何体现呢？当用户通过终端电脑或手机，可以随时随地地控制家用电器或监控家庭环境，从而体验到安全放心、舒适美好的家居生活便是对“智能

20、”的最佳诠释。首先需要将控制因素，如各类电器组成一个内部网络，再通过I河南机电高等专科学校毕业设计论文外部网络有线或者无线与终端进行通信，从而构成一个完整的系统。智能家居的出现，改变人们的传统居住概念。上班一族可以在工作的时候时时监控家里，不必担心住所遭遇非法入侵；回家之前可以提前设置好室内环境，到家后就迅速感受舒适的生活；冬天的时候，再也不用为哪个房间的灯没有关而悔恨不已。智能家居不仅给人们带来方便快捷的家居体验，还大大节约家庭资源，与现今积极提倡的节能低碳社会遥相呼应。总而言之，智能家居的现实意义有以下几点： （1） 方便快捷的家居体验； （2） 安全的保障系统； （3） 节约资源、低碳生

21、活。 虽然，现在智能家居的发展脚步并不如人们事先预想的那样迅速。但眼下互联网、物联网正在迅猛发展，智能家居的发展也是指日可待。在不久的将来，普通住宅里也可以拥有如此智能化的家庭生活。1.2智能家居的发展现状和趋势 1.2.1国内外研究现状外国对智能家居的研究比较早，从上个世纪 80 年代开始，至今已有30 年历史。近几年，这一领域发展迅猛，各大国际公司都争相提出相关方案或者设计出具体产品。德国易能森有限公司（EnOcean）成立于 2001 年，由西门子无线无源部门剥离出来。也就是这个公司开发出为客户提供完成的即插即用系统，成为无线能量采集技术的开创者。这个系统通过采集机械能、光能、温度差等能

22、量，并最终转化为电能为无线模块供电。内部包括了无线信号发送器、能量管理器、软件及其开发工具。原始设备商通过 ISO/IEC14543-3-10（易能森国际无线通信标准）可以迅速方便地实现定制化的无线无源智能控制系统。目前，通过使用易能森技术，已经拥有超过 1000 种无线能量采集技术产品，它们之间能够互相兼容，且成功地应用于形形色色的建筑中。如今易能森联盟（EnOcean Alliance）在全球已经吸引了超过300 家的智能楼宇知名企业。 Whitbread是英国最大的酒店连锁，正在开创一系列新的经济型城市酒店，并将其命名为总理酒店（Premier Inn），将在 2014 年的伦敦科芬园正

23、式开启。总理酒店作为智能化旅店的代名词，将为客人提供个性化服务，内部配备免费的 WiFi、40 英寸智能电视等智能化设备。客人可以使用智能手机来选择预订和入住、并可在进入房间之前调节好房间的温度、灯光等，同时可以进行餐饮类的预览和预订。该公司预计3 年内在英国开设 5 家智能酒店，并在2018年扩展到40 个地区。 提到智能家居，不得不提的是 Honeywell（霍尼韦尔）。称它为智能家居技术的领导者也当之无愧，全球有超过一亿个家庭正在使用它的住宅产品，五百多万栋大型建筑在使用它的楼宇。HRIS-1000 系列是该公司近日发布的单户型智能家居产品，进一步推动了智能家居的技术发展和科技创新。这个

24、系列产品主要针对单户型，突破了智能家居只应用于大中型房子的格局。业主可以通过手机、互联网、WiFi 等设备设置和控制电动窗帘、空调等家电，并提供电子日历和不同场景。令人瞩目的是，该智能家居系统可以通过节能探测器有效减少损失节约能源。在一定地点的一定时间内，如果没有人在，系统根据设置的阈值来调整或关闭对应电器。具体阈值是业主根据自己的习惯和需要来设定的。 当然，霍尼韦尔在这一领域有所建树是合情合理的，但以汽车制造闻名世界的日本本田公司也开始研究智能家居就足够让人们大吃一惊了。目前，本田正在美国加州大学建设第一个零能耗概念的智能家居。该项目正在紧锣密鼓地进行着，多采用环保技术，如以太阳能及再生电池

25、等可再生能源作为部分家用电器的电源。与传统的家庭消耗来比较，新的环保科技技术将为大众节约近一半的资源，大大提高了能源的利用率。这所房子在采暖，通风和空调方面将采用高效率的 HVAC，而由加州大学戴维斯分校将完成照明系统设计。本田公司已与松下、西门子等公司成为合作伙伴，致力于建设下一代的绿色节能家庭，并在2020 年实现零能耗状态的目标。除此之外，全球最大的搜索引擎公司谷歌（Google）以及引领创新的苹果（Apple）公司也先后开始有关智能家居的计划。同样在国内，智能家居的发展也风生水起。自从国家十二五规划中对物联网重点发展领域的出台，公告中明确提出了智能家居作为 9 个重点物联网领域之一后，

26、这一趋势更是势不可挡，但主要还是集中在发展较好的城市。现如今，研究制作智能家居的大大小小公司数不胜数。就连刚在国内手机市场获取一定关注的小米也在 2013的夏天，高调推出智能家居控制中心项目，在微博中引起一阵轰动。而其中资历老、产品丰富的就要算海尔了。2013 年 7 月的中国国际消费电子博览会上，海尔凭借人性化的服务、超前的设计理念斩获创新奖。海尔 U-home 是海尔集团推出了将有线和无线网络结合起来的智能家居方案，通过传感设备把所有设备连接成一个网络，实现物与物之间的相连。该产品实现了物联网 3G 产品、安防监控、数字信息共享的家居系统。目前，该产品已经应用于青岛市黄岛开发区的“山海湾”

27、小区，反应良好。除了海尔，国内还有一些优秀的智能家居公司，如北京的中讯威易。1.2.2目前存在的问题综上，不难得知智能家居这个行业的发展时间已经不短，单单在国内的发展已经有十几年。这对日新月异的信息社会来说，足够进行几次的技术革命。但回头看看，智能家居的发展并不如人们的预期那样迅速和完善。原因在于现如今的智能家居行业的发展存在依然存在不少问题。（1）价格：这个问题是自智能家居发展以来人们最关心也最贴近生活的一个因素。即使这样，价格问题依然没有得到彻底解决。来自欧美国家的高端产品，在功能上完全能够满足大众的要求，产品质量也有保证，唯独价格让人望而却步。当然，相对于一开始的天文数字，如今的价格似乎

28、越来越贴近民心，特别是一些刚刚兴起的国内品牌。先不论这些产品的功能如何，就单从“价格优势”上来说，也只能相对而言。比如一个简单的智能插座大概上百元，看起来确实不贵。但对于一个三室一厅的房子来说，至少需要四五个，再加上其他一些设备，很容易就变成上千元。这对于普通的工薪家庭来说，大大小小也是一笔费用。更何况后期还需要进行维护、更新等工作，也需要一定的费用。（2）标准：各行各业都会有大大小小的标准，它不仅给生产厂家提供准则，也为消费者准备了一把量尺。对于智能家居这个行业，它不是没有标准，而是没有统一标准。国际上，现场总线标准有：CAN、X10、LonWorks等数百种标准；无线通信技术有：802.1

29、1b、802.11g、802.11n等标准。在国内，有海尔公司的“e家佳联盟” 、中国通信标准化协会发布的基于共用电信网的宽带用户网络技术总体要求、国家建设部制定的建筑及居住区数字化技术应用系列标准等。光是这些绕口的名字就足以让业外人士眼花缭乱。智能家居不仅使用到网络通信知识，还涉及到自动控制、综合布线、安全防范等多个领域，它必须采用不同领域的标准。现在市面上的智能家居产品也是五花八门，即使是同一公司的同一系列产品，有时也很难做到绝对的兼容。（3）性能：房子一直是国内人民的一个追求，近几年房地产的发展，使得智能家居企业如雨后春笋般涌现出来，产品更是丰富多样。国内的不少企业也是下足了血本将产品宣

30、传地天花乱坠，但真正到了消费者的手中，却是天上地下。首先，出于企业的责任，应该以最真诚的态度面对消费者；其次，企业应该从市场需求来设计适合一定人群的产品，这样才不至于失去大众对这个新兴产业的兴趣和信心。特别对于一个价格不低的产品，如果得到的功能不如预期将会打击人们的购买欲。同时，国内的企业也可以多借鉴一些国际品牌，学习他们人性化的设计理念和缜密的设计思维。 （4）服务：智能家居也算是一种特殊的行业，它不像食物、生活用品等，可以直接使用。在前期，需要工作人员进行安装，有些产品还需要对房子进行重新布线；在后期，需要进行产品维护。这就要求这个产业需要形成完善的售前-销售-售后服务链。从目前的市场来看

31、，人们在产品出了问题的时候，总是不知道或者找到可以处理的人，很多人在最后选择放弃这样高端的“科技产品”。1.2.3未来的发展趋势智能家居这个行业依然存在一些问题需要解决。但在科学技术高速发展的大环境下，智能家居也会朝着越来越好的方向发展，主要的发展趋势有以下几个方面（1）低成本。智能家居还做不到普及，最大的原因就是成本问题。随着电子元器件的不断更新、改进，未来的低成本产品也是必然的趋势； （2）标准化。无规矩不成方圆，没有一个统一业内标准的支持，智能家居的发展终究会受到阻碍。建立统一的标准，有利于新产品在旧版本的基础上进行下一步改进，形成良性的发展过程。 （3）稳定化。稳不稳定是客户使用产品最

32、直观的感受。如果一个产品花费大把时间安装完成，但在使用的第二天就出现奇奇怪怪的问题，这样的体验是任何人都不想要的。人们安装智能家居的目的就是期望能够享受到舒适安逸的家庭生活，稳定的系统也会成为这个行业努力发展的目标。 （4）低碳化。环境保护已经成为当今最热门的国际话题，全球性的气候变化也让人们开始反思发展与环境这道选择题。低碳环保的产品是未来的主旋律，包括智能家居这个新的领域。 （5）服务完善化。要想智能家居行业能够持续稳定地发展，就必须建立完善的服务体系为客户提供强有力的技术支持。 智能家居一方面是追求高品质生活的期望，另一方面是人们对智能生活向往的具体提现。这种愿望将会促使智能家居往更安全

33、、更舒适、更便利的方向发展。未来的智能家居能够完美地把安全防范、环境监测、娱乐措施这些点点滴滴融入到家庭生活中，让人们的居家生活得到根本地改善。1.3主要内容及实现目标 1.3.1 研究内容一个完整的智能家居控制系统的解决方案，需要研究和解决的内容主要包含以下几个方面：（1）如何实现控制系统的功能：包括系统的初始化，对子系统的调度和管理，用户管理，数据的接受发送及处理。（2）如何实现自动化系统的功能：包括对非法入侵的报警，对温度湿度等物理量的采集，对空调、灯光等家电设备的控制，对煤气泄漏的探测，以及三表抄送功能的实现。（3）如何实现智能家居系统接入互联网：包括采用什么样的方式接入网络，该方式的

34、实现方法，需要支持哪些网络协议，协议的工作原理等问题。（4）如何实现客户终端对远程系统设备的访问和控制功能:包括系统参数的设置，控制传感器进行温度湿度的采集，打开或关闭空调灯光等电器，读取水电气表的数据。（5）客户终端的设计，由于系统内嵌Web服务器，所以采用网页浏览器来作为系统的客户端，不用单独的开发客户端的应用程序。1.3.2实现目标智能家居控制系统能够接入网络，对控制系统进行远程访问，并且可以通过对图形界面参数的配置，实现对家电设备的实时监控和控制。（1）安防系统：红外探测器能够检测到非法入侵，启动报警器发出报警信号；煤气探测器可以探测到煤气泄漏的异常，进而启动报警器。（2）三表抄送系统

35、：能够定制时间采集三表的数据、也可以采用事件触发的方式随时对三表数据进行采集，并且具有存储的功能，方便查询。（3）家电控制系统：完成温度湿度数据采集，根据室内环境的变化自动调整空调、照明灯具和电动窗帘的状态。（4）智能家居系统能够接入互联网络，客户可以在任何一台联网的计算机上通过网络浏览器访问系统，设置室内温度湿度，查看空调电灯等电器的工作状态并进行控制，浏览系统日志，查询有无报警信息，对系统实现远程控制的功能。第2章 系统的总体设计本论文主要是根据国内市场需要,设计一套廉价实用的智能家居控制系统。因此在开发设计之前,必须明确系统设计的目标和原则,需要釆用哪些成熟的技术,以及这些技术各自的特点

36、。只有这样才能良好顺利的完成系统应用设计。2.1系统设计目标和原则在进行系统设计前,需要对整体的设计流程有合理科学的规划才能起到事倍工半的效果。通过分析对国内外市场上已有的智能家居系统的服务对象、功能对比,寻找市场的空白。本课题的设计目的是设计完成一套适合普通收入居民生活所需的智能家居系统。因此在设计的时候需要遵守以下的规则:（1）简单方便由于现在市面上大多数的智能家居系统主要定位于高收入者、公司高层管理人员者的住宅控制系统,方便金领的生活和工作。所以对于目前大多数普通家庭日常生活而言很多功能并不实用,操作的界面也过于花哨,并不方便普通家庭的生活需求。因此简单方便实用是本系统的主要原则。（2）

37、价格便宜智能化居家产品发展了 10多年,在我国使用率并不高,其中很重要的原因是价格过于昂贵,并不是普通家庭所能够消费的起。要做到价格实惠,必须在满足普通家庭生活所需的功能外,去掉多余的功能,减少研发成本。在器件选择上选用便宜,技术成熟,方便开发的模块。选择高性价比芯片和开源的软件。（3）维护方便维护方便就是要求用户在使用过程中不用太多的维护,可扩展性强。在用户需要新的功能时,方便进行日后的优化升级。所以在设计系统的时候设计的功能模块尽量进行模块化设计,在系统部件故障需要维修时,方便维护。（4）可靠性强一个成熟优秀的系统必须具有良好的可靠性,本论文所设计的系统也必须满足这个客观规律。开发系统时就

38、必须结构合理,稳定可靠软硬件资源,各个环节使用成熟的技术。2.2总体设计本系统是以基于Cortex-M3为内核的STM32微处理器为嵌入式控制器的核心CPU,通信协议选择TCP/IP协议族中的uip协议,上位机采用VC+实行监控,以此组建本论文家居控制系统的控制中心,向外部的设备模块收发信号来控制实际的外围设备,从而实现家电控制和对室内环境的监测。系统的结构原理图如下:图2-1智能家居系统结构框图本系统采用基于CMOS摄像头的异常监测模块对室内重点的环境进行监控,将拍摄到的图片通过图像的压缩模块和存储模块,将图片以JPEG的格式通过串口一传送到STM32F103处理器。处理器可以通过串口二直接

39、将图片通过GPRS模块传送给远程控制端的手机或者PDA。同时,处理器也可以对CMOS摄像头所传送的图片进行运算分析后,使用环境异常监测算法对所监测的室内环境范围进行识别判断。如果发生异常环境入侵情况,处理器立即向用户发送MMS报警信息,在用户查看图片授权确认后,处理器根据用户的设置,进行操作,如:联网报警、储存可疑人员图像、系统复位、更新系统背景图片等。而且本系统通过其他的家居感应器,如:对煤气、烟雾等危险因素进行监控,发生可疑情况时,系统通过SMS短息向用户报警。用户能够任意场地时间通过SMS短息向系统查询监测情况,也可以远程使用SMS短息控制家居灯光控制模块开启想要开启的灯、电风扇等设备。

40、2.2.1远程控制接口随着网络技术的不断发展，网络应用的不断普及，使得互联网已经深入到人们生活的每个角落，智能家居系统提供远程控制能力，已经成为家居系统必须具备的功能。目前主要有两种远程控制的方式，基于浏览器的PC访问和电话线的远端控制，前者其实现是通过以太网控制芯片提供RJ-45网络接口，经由双绞线接入网络，以太网控制芯片同ARM处理器一起可以提供10-100M的网络通道，然后在此硬件基础上安装Linux操作系统，在其上实现Web服务器的功能，并利用操作系统支持的TCP/IP协议，对系统的设备进行控制；后者是在中央控制系统中嵌入语音控制芯片，以此来实现电话语音控制功能，对系统的设备进行远程控

41、制。2.2.2室内控制接口为了给用户提供方便、快捷的近距离控制方式，中控系统需要支持多种通用的室内控制接口，其中有LCD显示接口，触摸屏的输入接口以及红外遥控接入接口。其中LCD接口是比较常见的用于图形界面显示的接口，并且在现行的微处理器上，都集成了该接口，简化了硬件电路的设计，为系统的开发带来了便利；触摸屏作为输入设备已经成为嵌入式设备应用的焦点，考虑到家居系统中控制按钮的种类繁多，按钮的形式和要求各不相同，因此在LCD（液晶显示器）上根据不同的场景，提供不同的触摸屏按键输入是符合智能家居系统实际应用需要的。对于红外遥控控制方式的支持主要是基于当前家居设备应用现状的考虑，因为传统的家电设备一

42、般不提供控制接口，即便有些新型家电提供了相关的控制接口，但是这些接口类型差异性也很大，无法做到控制接口类型的归一化，因此在一个平台上对多种不同类型接口的信息家电进行控制是很困难的，尽管如此，常用的家电设备一般都会提供红外控制接口，实现对家电设备的近距离控制，为智能家居系统提供统一的控制接口提供了一个很好的解决途径。2.3自动化系统的设计方案自动化系统实现智能家居系统的具体功能，主要实现温度湿度的采集，非法入侵报警，煤气泄漏检测，多表抄送，空调、照明灯具和电动窗帘等家用设备的控制。该系统包含四个子系统：安防子系统、三表抄送系统，数据采集系统、家电控制系统。其中安防系统是通过在出入口安装红外探测器

43、，当有人非法入侵时，可以发送报警信号触发声光报警器，提示用户有异常情况发生；采用煤气探测器来检测煤气浓度，判断煤气是否发生泄漏，若有异常则发出报警，控制系统则采取必要措施消除隐患；数据采集系统主要实现对模拟量和开关量进行采集，在该系统中采用温度湿度传感器对室内的温度湿度进行采集，在此选择了检测元件为铂电阻的温度传感器和测量元件为有阻性输送聚合物的湿度传感器，传感器通过模拟输入接口接入控制系统，实现模拟数据的采集和传输，开关量通过开关量输入/输出接入控制系统，实现控制系统对空调、照明灯具和电动窗帘等家电设备开关状态的监控和控制；家电控制系统由空调、照明灯具和电动窗帘等家用装置组成，来执行最后的功

44、能，改变室内的温度湿度，改变灯光的强度，窗帘的状态；三表抄送系统通过串口同中央控制系统相连，根据控制指令读取数字水电气表的数据，并将数据传送到显示终端，实现自动化抄表的功能。安防系统、三表抄送系统和家电控制系统中的各种类型的设备分别采用不同的接口接入中央控制系统，由中央控制系统进行统一管理和调度。2.4通信协议2.4.1TCPIP协议栈TCPIP协议栈是一个实现网络上通信的协议族，这组协议使得不同平台架构网络之间的互联成为可能，它是一个真正开放系统，最早起源于一个关于分组交换网络研究的项目，后来发展成为Internet事实上的通信标准。TCP/IP协议采用分层的结构形式，总共分成四层，是对OS

45、I结构的简化，包含应用层、传输层、网络层、链路层，它们每一层都实现了不同的功能模块和通信协议，并且每一层都为上一层提供支持。其结构如下图所示：图2-2 TCP/IP协议四层结构模型其中链路层主要实现了底层同物理介质相关的数据通信，它们采用数据帧的形式，完成物理介质间的数据传输；网络层主要实现了分组数据在网络上的数据传输，是TCP/IP协议的核心，该层的协议主要有IP协议、ICMP协议，能够对传输错误的数据进行简单的丢弃处理，并且产生一个错误信息反馈到发送端；传输层实现了两台主机之间端到端的数据通信，该层的协议主要有TCP协议和UDP协议；应用层负责处理特定的应用程序细节，应用层的协议一般有HT

46、TP（超文本传输协议）Telnet(远程登录协议)、FTP(文件传输协议)、SMTP(简单邮件传送协议)、SNMP(简单网络管理协议)等上层的应用，完成上层数据通信的需要。2.4.2传输控制协议（TCP）TCP传输控制协议是传输层的协议，对应于OSI第四层，它采用IP协议提供了一种面向连接、可靠的字节流传输服务，实现了在主机之间建立面向连接的数据传输，TCP协议不但提供了流量控制和错误重传机制，还可以对无序的数据进行重排。由于TCP协议是面向连接的通信协议，所以在主机间进行数据传送时，必须先建立连接，才可以提供数据传输服务，而数据传输的可靠性则由以下措施来保障：TCP发送端将要发送的数据分成多

47、个合适大小的数据块，然后把数据块传递给IP对数据进行封装，一般将TCP发送给IP的信息单元称为报文段；当TCP发送端发出一个报文段后，会激活一个定时器，如果在一定的时间内没有收到TCP接收端收到该报文段的确认，TCP发送端将会把该报文段重新发送一次；当TCP接受端接受到发送端发送的报文段后，会发送一个确认信息，一般这个确认信息将会延迟几分之一秒后才发送；发送的报文段中包含它首部和数据的校验和，用来验证数据在传送过程中是否发生异常，如果TCP接收端计算得出的数据校验和与报文段中的校验和不符，TCP接受端将会丢弃该报文段并且不发送接受确认信息，让TCP发送端重发该数据；由于TCP报文段是封装在IP

48、数据包中传输的，这就有可能导致TCP报文段不会顺序到达，TCP接收端需要对收到的数据进行重新排序，也有可能接受到重复的报文段，因此需要把多余的报文段丢弃，然后将正确的报文段提交给应用层。 经过上面的操作，TCP发送端和TCP接收端完成了数据的正确可靠的传输。除了以上的操作外，TCP协议还支持数据传输的流量控制，其实现原理是接收端和发送端都有固定大小的缓冲空间，TCP接收端只能接受其缓冲区允许大小的数据，发送端每次发送数据时，都要根据接收端反馈的信息来调整发送数据的大小，通过这种策略来防止数据传输阻塞和数据丢失现象的发生。另外，TCP对数据的传输是透明的，不会对数据内容进行解释，对字节流的解释工

49、作完全交由应用层来完成。TCP协议首部 TCP首部的格式如下图所示：16位的源端口号16位的目的端口号32位的序号32位的确认序号4位首部长度保留（6位）URGACKPSTSYNSTN16位的窗口大小16位校验和16位的紧急指针可选项封装的数据图2-3 TCP首部的格式从图中可知，TCP首部最少20个字节，主要包括以下各域：16位的源端口号和目标端口号：该域是用来指定发送方和接受方的端口号，TCP协议同UDP协议是不同的，在此TCP的源端口号必须指定，因为TCP协议是面向连接的，一个TCP连接的建立必须由发送和接收两方的IP地址和端口号组成，这是由于一个端口号可以被多个不同的连接所重用，因此两

50、个端口号都要设置，才能确认该数据段所属的TCP连接，否则无法确定处理数据的是哪个应用程序；32位的序列号：该域用来表示在某个报文段中的第一个字节，TCP协议采用序号对每个字节进行计数，这样接收端就可以使用这个序列号，补偿传输中数据传输的不一致，将分段的报文重组成发送时的报文段，以确保数据在传送过程中没有丢失数据、失序或者重复；32位的确认号字段：该域不仅仅用来向数据发送方确认它已经收到的数据，也用来标识下一个希望收到报文的第一个字节，收到ACK报文的源主机会知道特定的段已经被收到；4位的首部长度：该域指定了首部的大小，如果没有可选项，它的长度为20字节；6位标志域：该域中的每位标志都可以打开一

51、个对应的控制功能，比如URG用来设置紧急指针是否有效，ACK该位用来标识确认序号是否有效，SYN该位用来发起一个数据连接，FIN表明发送端完成发送任务；16位的窗口大小：该域的值是由发送端和接受端声明的窗口大小来决定的，该值表示接受端可以接受的字节数，起始于确认序号字段指明的值；16位的校验和是一个强制性的字段，其值经发送端计算并存储，最后由接受端来验证；紧急指针只有在URG置位时才有效，用来标识紧急数据，这时TCP的紧急方式将被启动，要求网络中的设备必须优先处理标识为紧急的数据，假如URG未被置位，则该域将作为填充；选项域：该域标识那个选项有效，如果没有选项，该域就清零，一般在通信的第一个报

52、文段中确定该域的值，选项域的值可以为以下几种情况：0说明选项域的结束，1表示无需再有操作，2表示下四个字节包括源机器的最大段长度；数据域并不是TCP首部的一部分，TCP报文段中的数据部分是可选的，因为有时允许发送不带任何数据的报文段。TCP连接的建立TCP连接的建立过程：（1）发送端发送一个SYN段指定接收端的端口，以及初始序号(ISN), （2）接收端发回一个包含该报文段初始序号的SYN报文段作它为对发送端的响应，标识SYN给发送端，询问它是否可以进行数据通信，并将确认序号设置设置成发送端的ISN加l来对发送端的SYN报文段进行确认；（3）发送端必须回应一个ACK报文段以对接收端的SYN报文

53、段进行确认。TCP连接的终止TCP连接是一个全双工的数据传输方式，在这两个方向上的数据传输需要单独的进行关闭，当一方数据发送完成后，需要向对方发送一个FIN信息，结束这个方向的连接，当一方收到一个FIN（发送结束符）时，就说明在这个方向上已经没有数据流动，就必须告知应用层连接已断开，因此结束一个TCP连接需要四次握手。TCP连接的终止过程：（1）发送端首先发送第一个FIN用来关闭这条数据连接上的数据传送；（2） 接收端收到这个FIN，就会返回一个ACK信息（确认标识符），确认序号为收到的序号加1；（3） 接收端传送一个文件结束符，关闭发送端的连接，使得接收端发送一个FIN（发送结束符）给发送端

54、；（4）发送端必须发回一个ACK（确认标识符）报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1 。TCP的超时和重传机制在TCP协议中，超时重传机制是对数据传输可靠性的重要保障。当接收端接受数据时，所得到的数据有可能会丢失，为了避免这种情况发生，就在发送端发送数据时启动一个定时器，如果定时器溢出时仍未收到接受端的确认信息，发送端就重新发送该数据，以确保数据的传输成功。2.4.3 IP协议IP是不可靠的无连接协议，负责源点到终点的交付。在IP层的分组叫做数据报。数据链路层有自己的帧格式，在这个格式中有一个字段是“数据字段最大长度”。当数据报封装成帧时，数据报的总长度必须小于这个数据字段最大长度(MTU)

55、。对数据报进行分割，叫做分片。源站通常不对IP分组进行分片。运输层会进行分片工作，把数据划分成IP和在使用的数据链路层都可能接纳的大小。数据报在到达终点之前可以经过多次分片，可以被源主机或在其路径上任何路由器进行分片。然而数据报的重组却只能在目的主机上进行。在IP分组中的检验和只在首部而不在数据部分心进行。因为，首先所有将数据封装在IP数据报中的高层协议，都有覆盖整个分组的检验和；其次，每经过一个路由器，IP数据报的首部就要改变一次，但数据部分不变。因此检验和只对发生变化的部分进行检验。普通的IP首部长为20个字节，除非含有选项字段。IP数据报的格式如图2-4所示：4位版本4位首部长度8位服务

56、类型16位总长度（字节数）16位标识3位标志13位片偏移8位生存时间8位协议16位首部校验和32位源IP地址32位目的IP地址选项（如果需要）图2-4 IP数据报格式及首部中的字段IP协议确保IP数据报在网络上采用最优的路径来传送，它是通过一套IP路由算法来实现的，其原理是如果目的主机同源主机是直接相连或者在同一个局域网内，IP数据报可以直接传送过去，否则就把该数据报发往一个默认的路由上，然后通过路由器来转发该数据报，实现数据报的传送服务。路由器转发数据报的工作原理是在内存中的IP层保存了一个路由表，每当它接收到一个来自网络的数据报时，就去查找一下路由表，来确定其下一个转发数据的最佳路径，并把

57、数据报转发到下一个节点。对于主机而言，每当收到一个数据报，IP协议就去核对数据报头的目的IP地址是否为该主机的IP地址，如果IP地址相符，就将数据报发送到指定的协议模块进行处理，否则就丢弃该数据报。2.4.4 UDP协议UDP协议是TCP/IP协议栈中的一个主机到主机的协议，它提供了一种基本的、低延时的、简单的面向数据报的数据传输机制。它没有计时机制、流量控制机制，也没有错误应答、紧急数据的加速传送等措施，只是尽力传送数据报，如果数据传输失败，数据将被丢弃而不再重传，这就需要上层应用来处理数据的重发、顺序重组等工作，确保数据能够可靠的传输。UDP的数据包的格式如图2-5所示：16位源端口号16

58、位目的端口号16位UDP长度16位UDP校验和数据（如果存在）图2-5 UDP首部从表中可以知道，16位的源端口号和16位的目的端口号分别为源计算机和目的主机上的连接号。前者用来指定报文的返回地址，后者则是把收到的报文转发给指定的应用程序，其实源端口号字段是可选的，如果不使用的话，将其设置为0即可；16位的校验和字段是一个错误检查域，该字段是用来保证UDP数据包的完整性的，是依据报文的内容计算出来的。但是该字段也是可选的，也就是说UDP协议可以计算校验和，也可以不计算，这主要是考虑到在可靠性很高的网络上进行数据传输时，传输的数据几乎不会出错，如果不计算校验和可以减少主机的工作量，如果不进行校验

59、和计算的话，一般将该字段设置为0。UDP数据报的封装如图2-6所示：20个字节的IP首部8个字节的UDP首部UDP数据报图2-6 UDP数据的封装2.4.5 UIP协议TCP/IP是网络通信中经常使用到的一个协议族，从上个世纪七十年代开发至今，为网络发展贡献了不可磨灭的力量。但对于小成本或非商业性的系统开发，往往希望有开源的协议栈，uIP正满足了这个条件。uIP是由瑞典计算机科学学院的Adam Dunkels等人开发的一款轻量级开源TCP/IP协议。该协议具有以下特点： （1）减少了代码的大小和内存 RAM 的使用量； （2）使用 C语言编写，兼容性强、便于移植； （3）支持 TCP/IP大部

60、分的协议如：ARP、IP、TCP、UDP、ICMP等； （4）详细的源码注释和丰富的应用例程，方便开发； （5）链接数等参数可自行设置。TCPTransmission Control Protocol（传输控制协议）属于传输层。TCP是面向连接的可靠传输协议。建立一个TCP连接需要进行三次握手：第一次握手源主机向目的主机发送建立连接请求，并等待确认；第二次握手目的主机向源主机发送确定建立连接的消息；第三次握手源主机对目的主机进行确认。这期间需要发送不同的 SYN 报文和 ISN 序列号。TCP 拥有固定大小的缓冲区间，当进行数据传输时，先将数据放入缓冲区；当数据传输失败时，可从缓冲区取出数据继

61、续传输。uIP为了节省内存的占用率，在发送的时候并不缓存数据，而是在内部设计重发事件，在数据发送失败的时候，直接调用重发事件。图2-7 uIP函数接口示意图uIP通过函数接口，向上可以跟应用层联系，向下可以与硬件打交道，具有强大的独立性和通用性，可以方便地移植到不同的系统中，其接口示意图如图2-7 所示。第3章 硬件设计一个稳定可靠的系统硬件平台是系统开发成功与否的关键。只有稳定可靠的硬件平台才能确保智能家居控制系统的正常平稳地运行。本章主要介绍系统的硬件平台,包括主控制器的设计以及外部硬件的连接。3.1 主控制器的设计3.1.1 芯片的选择芯片的选择往往影响着整个系统的优劣,要根据实际的设计

62、需求来谨慎选择。自从第一台电子计算机诞生后,微电子与半导体技术不断进步,逐步往小体积、低功耗发展。在这样的环境下,单片机出现于上世纪 70 年代。单片机是指,通过大规模集成电路技术把CPU和RAM、ROM以及其他IO口集成在一块芯片上形成的最小计算机系统。第一个单片机只有 4 位,随后在电子和计算机行业的不断发展下,逐渐出现 8 位、16 位甚至 32 位的单片机。虽然32位单片机的功能强大,但 8、16 位的单片机依然在价格上处于绝对的优势,对于一些小的应用厂家也会优先考虑性价比高的芯片。之后,为了提高系统的开发效率并增强系统的兼容性,人们提出了嵌入式操作系统的概念。嵌入式系统可以理解为在高

63、性能单片机的基础上嵌入操作系统。嵌入式芯片具有高速的处理速度、丰富的片上资源和寄存器,同时软件上有操作系统的支持,开发过程比较复杂,对开发环境的要求也比较高。相对于平时使用的个人计算机,它又有所不同,更注重专用性,具有精简的硬件资源。目前ARM系列芯片的使用率较其他芯片要高。表 3-1 为 8 位、16 位、32 位单片机的性能对比。表3-1 单片机性能价格接口抗干扰能力执行速度开发典型代表8位低少很差慢简单MCS-5116位低少较强一般简单ATmega1632位区间大多强快一般STM32可以看出,32位的单片机不论在抗干扰能力还是执行速度上都具有绝对的优势,并且满足多接口的要求。但在价格上,存在不确定因素。如果能挑选出价格较低的 32 位处理器就能满足本课题的设计要求。综上,选择STM32作为主控制器。STM32 具有 32 位处理器的各个优点,在价格上又可以跟 16 位单片机媲美,做到真正意义上的高性价比。它的内部是Cortex-M3 内核,在性能上更加突出。CM3 内部采用的是哈佛结构,大大提高执行能力;内部含两级嵌套优先级,支持中断嵌套,缩短中断延时;支持节电模式,逻辑门数少,适合低功耗应用;除了支持JTAG调试还支持串行调试接口等等。在CM3 内核的基础上,STM32适用于多方面的项目开发。目前,使用较多的是STM32F系列的处理器,它们的主要特性如图3-1 所示