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现代人的家居生活正随着科技的发展而发生着巨大的变化，各种高科技产品不断出现在人们的家中，使得人们的生活方式变得越加舒适、方便、快捷，智能家居的出现为提升人们的生活品质做出了巨大的贡献。但是智能家居发展过程中因其功能不够人性化、高昂的价格让人望而却步，整体发展不容乐观，进而有了本文针对智慧家居的研究。智慧家居更加关注设备与设备、人与设备之间的交流沟通，本文研究的重点是如何在充分利用现有家庭网络资源的基础上实现数据共享、智慧交互。
本文在分析传统智能家居系统结构的基础上，分析比较现有家庭内部的各种组网技术，明确了智慧家居的组网是对家庭现有网络资源进行合理整合与利用，实现网络互通。结合云计算与大数据技术，给出了智慧家居系统架构。以联合检测、联合控制、数据共享、智慧应用的设计思想对智慧家居系统进行需求分析，确定了智慧家居系统的总体组网方案。组网时利用家庭现有WiFi、以太网、蓝牙、红外、ZigBee等网络资源，通过智慧网关使它们形成一个整体，实现网络互通。
围绕系统需求和组网方案，从硬件实现、软件实现两个方面分别对系统进行设计。根据硬件总体设计方案，设计了智慧网关和智慧终端节点硬件，完成了原理图和PCB（Printed Circuit Board，印制电路板）图的绘制、电路焊接和实物的组装。按照软件总体设计方案，分析了ZigBee网络中协调器建立网络和路由器、智慧终端节点加入网络的流程，并对各智慧终端节点的驱动程序进行编程实现；设计并实现了智慧网关管理软件和数据库，重点分析了多线程服务器的设计和信号—槽的设计，实现了家居设备联合检测和联合控制功能。最后对智慧家居系统的性能和功能进行测试，测试结果表明系统能够稳定运行，达到了预期设计目标。
关键词：智慧家居，联合检测，联合控制，互联互通
Abstract
With the development of science and technology, modern people’s life is undergoing great changes. All kinds of high-tech products constantly appear in people’s homes, making people’s life more comfortable, convenient and fast. The emergence of the smart home has made great contribution to improving the quality of people’s life. However, in the development process of smart home, its function is not humanizing and its price is high, which result in that the overall development is not optimistic, so the wisdom home studied in this thesis. Wisdom home pays more attention to the communication between people and facilities, and among facilities. This thesis focuses on how to realize the data sharing and wisdom interaction based on the full use of the existing home network resources.
Based on the analysis of traditional architecture of the smart home system, the existing domestic various networking technologies are analyzed and compared. And it’s clear that the networking of wisdom home is to reasonable integrate and utilize the existing home network resources, and to realize network communication. Combining with cloud computing and big data technology, wisdom home system architecture is presented. Based on the design thinking of joint detection, joint control, data sharing, and wisdom application, the requirements of the wisdom home is analyzed, and the overall network scheme of wisdom home system is determined. The intelligent gateway makes the existing network resource like WiFi, Ethernet, Bluetooth, infrared, ZigBee a whole, achieving network interoperability.
Based on the system requirements and network scheme, the system is designed from hardware and software. Depending on the overall scheme of hardware, the hardware of the wisdom gateway and wisdom terminal node are designed, the drawing of the schematic diagram and the Printed Circuit Board(PCB), the circuit welding, and the physical assembly are completed. Depending on the overall software scheme, the process of the establishing of ZigBee network with coordinators and the process of the routers and wisdom terminal nodes joining the network are analyzed. And the drivers of the wisdom terminal nodes are programmed. Wisdom gateway management software and the database are designed and implemented, focusing on the analysis of the design of multi thread server and signal-slot. Household equipment joint detection and joint control function are implemented. Finally, performance and function of the wisdom system are tested, the test results show that the system can run stably, and the desired design goals are achieved.
Keywords: wisdom home, joint detection, joint control, interconnection
目录
图录 VII
表录 IX
注释表 X
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 国内外发展现状及其趋势 2
1.2.1 国内外发展现状 2
1.2.2 智慧家居发展趋势 3
1.3 课题研究内容及意义 4
1.4 论文组织结构 5
第2章 智慧家居系统组网关键技术分析 6
2.1 传统智能家居与智慧家居对比分析 6
2.1.1 传统智能家居系统分析 6
2.1.2 智慧家居系统分析 7
2.2 智慧家居系统分层结构 8
2.3 智慧家居系统的组网方式 10
2.3.1 家庭有线组网技术 11
2.3.2 家庭无线组网技术 12
2.4 本章小结 14
第3章 智慧家居系统组网方案设计 15
3.1 智慧家居系统需求分析 15
3.1.1 智慧家居系统功能需求 15
3.1.2 智慧家居系统性能需求 17
3.2 智慧家居系统组网总体设计方案 18
3.3 智慧网关介绍 20
3.3.1 智慧网关功能分析 20
3.3.2 智慧网关多协议适配设计 22
3.4 智慧家居系统数据通信协议设计 23
3.4.1 通用数据帧定义 23
3.4.2 应用命令设计 26
3.5 本章小结 28
第4章 智慧家居系统硬件设计 29
4.1 硬件电路总体设计方案 29
4.2 智慧网关硬件设计 30
4.2.1 嵌入式核心处理模块 30
4.2.2 以太网、串口等接口模块 31
4.3 ZigBee无线模块硬件设计 35
4.3.1 ZigBee核心板电路设计 36
4.3.2 ZigBee功能底板电路设计 36
4.4 WiFi视频监控节点硬件设计 37
4.5 智慧家居传感控制模块硬件设计 38
4.5.1 温湿度传感模块电路设计 39
4.5.2 光敏传感模块电路设计 39
4.5.3 继电器模块电路设计 40
4.5.4 烟雾传感模块电路设计 41
4.5.5 热释红外模块电路设计 42
4.6 智慧终端节点硬件设计 42
4.7 本章小结 43
第5章 智慧家居系统软件设计 44
5.1 智慧家居系统软件总体设计 44
5.2 Z-stack协议栈开发 45
5.2.1 开发环境搭建 46
5.2.2 ZigBee组网实现 47
5.2.3 智慧终端节点驱动程序设计 50
5.3 智慧网关软件设计 53
5.3.1 开发环境搭建 53
5.3.2 WiFi驱动移植 54
5.3.3 智慧网关管理软件设计 55
5.4 本章小结 60
第6章 智慧家居系统测试与验证 61
6.1 测试环境搭建 61
6.2 ZigBee网络性能测试 62
6.3 智慧家居系统功能测试 63
6.4 本章小结 68
第7章 总结与展望 69
7.1 全文总结 69
7.2 展望 69
参考文献 71
致谢 75
攻读硕士学位期间从事的科研工作及取得的成果 76
图录
图2.1 智慧家居系统总体架构 8
图2.2 智慧家居系统分层结构 9
图3.1 智慧家居系统总体功能 16
图3.2 智慧家居系统网络架构 19
图3.3 智慧网关内部逻辑架构 21
图3.4 多协议适配流程 22
图3.5 通用数据帧结构 24
图4.1 智慧家居系统硬件电路总体设计方案 29
图4.2 智慧网关硬件组成 30
图4.3 以太网模块电路 32
图4.4 串口模块接口电路 32
图4.5 CAN总线模块电路 33
图4.6 RS485总线模块电路 34
图4.7 WiFi模块接口电路 34
图4.8 ZigBee核心板电路 36
图4.9 ZigBee功能底板硬件框图 37
图4.10 WiFi视频监控节点硬件框图 38
图4.11 WiFi视频监控节点实物图 38
图4.12 温湿度传感模块电路 39
图4.13 光敏传感模块电路 40
图4.14 继电器模块电路 40
图4.15 烟雾传感模块电路 41
图4.16 热释红外模块电路 42
图4.17 智慧开关硬件构成 43
图4.18 开关底板实物图 43
图5.1 智慧家居系统软件总体架构 45
图5.2 HomeAPP开发流程 46
图5.3 IAR工作界面与配置界面 46
图5.4 ZigBee协调器工作流程 47
图5.5 路由器/智慧终端节点加入网络流程 49
图5.6 DHT11输出数据格式 50
图5.7 DHT11驱动流程 51
图5.8 智慧网关软件分层结构 53
图5.9 嵌入式开发平台搭建流程 54
图5.10 WiFi驱动文件 54
图5.11 智慧网关管理软件结构 56
图5.12 智慧网关管理软件界面跳转流程 57
图5.13 灯光自动控制信号—槽实现流程 59
图5.14 传感器数据表 60
图6.1 智慧家居系统实物图 61
图6.2 ZigBee节点发射功率测试 62
图6.3 ZigBee节点丢包率测试 63
图6.4 ZigBee协调器与ARM板连通性测试 64
图6.5 ZigBee网络组网测试 65
图6.6 智慧家居系统登录界面和主界面 65
图6.7 我的房间显示界面 66
图6.8 温度历史记录显示 67
图6.9 智能手机与智慧网关连通性测试 67
表录
表3.1 通用数据帧帧格式 24
表3.2 网络号分配 25
表3.3 设备号分配 25
表3.4 入网反馈信息 26
表3.5 采集信息 26
表3.6 状态信息 27
表3.7 控制单个模块 27
表3.8 控制所有同类型模块 27
表3.9 查询模块状态 27
表3.10 控制命令反馈 28
表4.1 主流ZigBee芯片对比 35
表5.1 ZigBee协议栈分层架构与Z-stack协议栈代码文件夹对应表 45
注释表
PCB Printed Circuit Board，印制电路板
NLP Natural Language Processing，自然语言处理技术
TEA TV Entertainment Alien，智慧家庭娱乐联盟
CAN Controller Area Network，控制器局域网总线
3G 3rd Generation，第三代移动通信
HomePNA Home Phoneline Network Alliance，家庭电话线网络联盟
PLC Power Line Communication，电力线通信
PAD Portable Android Device，平板电脑
TCM Tightly Coupled Memories，紧耦合内存
MFC Multi-Format video Codec，多格式媒体编解码器
NTSC National Television Standards Committee，美国国家电视系统委员会
PAL Phase Alteration Line，逐行倒相
ESD Electro Static Discharge，静电释放
EIA Electronic Industries Association，美国电子工业协会
AES Advanced Encryption Standard ，高级加密协议
NTC Negative Temperature Coefficient，负温度系数
第1章 绪论
1.1 课题研究背景
网络技术和信息技术的迅猛发展给人们的生活带来了巨大的改变，在这个数字化的时代，科学技术不断改变着人们的生活方式，影响着人们的生活理念，人们无时无刻不在设法利用各种高新技术来为人类服务，智能家居诞生在这样的大潮流下。经过多年的发展，智能家居已经有了长足的进步，但是我们不难发现智能家居在发展的过程中存在着：各产品独立控制，互不连通，不够智能，仅仅是简单的机械控制等问题。
随着人们生活理念的改变、需求的增多，传统的智能家居逐渐不能满足人们的要求，伴随而来的是智慧家居的长足发展。智慧家居一词来源于目前发展火热的智能家居技术，智慧家居带来的不仅是生活品质的提升，更是现代家庭人们维系亲情关系的纽带。智慧家居是物联网技术、互联网技术、移动通信技术、云计算技术及大数据技术的综合应用，让家庭现有的以及未来可能添置的家电/应用能高效、安全、可靠、人性化的为居民提供服务。不同于智能家居是对一个独立的区域进行智能控制和管理，智慧家居提供的是一种随时随地、随心掌控的应用服务，它是人们维系家庭生活的基本方式。
为缓解现代城市发展过程中遇到的各种问题，全国多个城市开始智慧城市试点建设，智慧城市试点建设的施行表明我国智慧城市建设进入了实战阶段。智慧家居作为智慧城市的最小单元，是智慧城市建设实施的基础。在国家大力投入智慧城市建设时期，智慧家居也迎来了它的发展机遇期。国家发改委、工业和信息化部及地方城市也纷纷设立专项支持物联网、云计算、大数据等高新技术在智慧家居领域的关键技术及产品的研究、开发、标准制定等工作。建设智慧家居，目的是让居民享受科学技术带来的便利，提升国民生活水平，也是推进智慧小区建设、国家智慧城市建设、加快提升我国信息化水平与综合国力的迫切需要[1]。
家庭内部的家用电器与电子设备通过家庭网络实现互联互通，因此智慧家居系统组网在智慧家居建设过程中起着举足轻重的作用。研究家庭内部网络通信技术，解决家居设备间联合检测、联合控制问题，实现各种智慧应用，促进了我国信息化建设进程。
1.2 国内外发展现状及其趋势
1.2.1 国内外发展现状
智能家居概念起源很早，1966年美国西屋公司的工程师Jim Sutherland自行组装了第一个实验性的智能家居系统。自1984年世界上首栋智能建筑在美国诞生之日起，智能家居在世界范围内迎来了全面发展时期，美国、欧洲、日本等发达国家争相跻身于智能家居的研发中，提出了各种智能家居系统方案，经过多年的技术实践，已经取得了广泛的应用[2]。国外智能家居系统如韩国三星公司的SmartHome，该系统可以通过触控或语音的方式对家中的各种智能设备进行监视和控制；LG的Home Chat智能家居系统应用，Home Chat采用NLP（Natural Language Processing，自然语言处理技术），家中的智能设备可以通过网络或移动通讯工具与用户进行交流。
上世纪末智能家居开始进入中国，随着国民收入水平的提高，使得人们有更多的精力去追求生活品质的全面提升，智能家居在中国开始步入快速发展时期。和美国等发达国家相比我国智能家居行业不管在技术水平还是产品质量上都还有一定的差距，国内智能家居研究基本上都是以引进技术和模仿产品的方式进行，虽然自主创新的产品极少，但还是有不少产品值得关注。国内科研机构和相关企业投入大量的资源进行智能家居技术和产品的研发设计，在国内市场上，智能家居炙手可热，不少知名企业陆续加入智能家居相关产品的开发生产行列。小米通过合作与投资的方式介入智能家居创业团队孵化和众筹，2013年7月，小米与点名时间合作投资100万元用来资助优秀的硬件项目，而且小米自主开发生产了一系列的智能家居产品，如：小米盒子、小米电视、小米路由器[3]；阿里巴巴与飞利浦合作推出首款智控空气净化器；百度推出百度眼镜、百度筷搜、百度影棒等智能家居产品；华为联合Unity、优酷土豆集团、国广东方发起TEA（TV Entertainment Alien，智慧家庭娱乐联盟），该联盟汇聚了国内视频内容领头羊、国际化游戏平台话语者、互联网电视牌照商、中国软硬件标杆企业，旨在以电视游戏为撬动点，为整个家庭数字娱乐化制定一套“开放、可行”的标准[4]。
2014年智能家居领域热度不减，市场竞争更为激烈。国外一系列创新产品诸如：飞利浦的智能LED灯泡，该灯泡通过无线方式控制并能够调光调色；会自动学习的Nest家庭温控器；贝尔金公司的可用于Android设备的新WeMo智能家居遥控系统[5]。国内创新产品有欧瑞博的WiFi智能插座，该插座具备远程遥控、定时开关、充电保护等功能；北京超感时空科技的iKair家庭环境管家，基于WiFi通信，能24小时监测室内的环境状况。
伴随着互联网、移动通信快速发展的步伐，物联网、云计算等新兴技术的崛起，语音识别、体感控制、全息投影、人脸识别、虚拟现实等各种技术的不断完善以及新技术的出现[6]。可以看出各种高新技术正向着网络化、智慧化方向转变，作为日常生活中最常见的家电、家居产业，也在逐渐由“智能家居”向“智慧家居”的方向迈进，智慧家居是今后家居领域发展的趋势[7]。
1.2.2 智慧家居发展趋势
物联网、云计算在智慧家居领域的应用使得智慧家居迎来了新的发展机遇期，云计算使智慧家居系统真正成为一个互通有无的大系统，为个性化的需求提供了丰富的产品和体验[8]。根据近些年通信技术的发展方向，结合智慧家居系统设计需要考虑的主要相关因素和现代人的生活理念，可知未来智慧家居发展的几个主要趋势：
1. 数据传输方式单一化：传输方式逐步走向多网合一，音、视频等高速业务趋于统一的高速以太网连接，传感器采集、家居控制趋于使用无线网络。多网合一不仅大大减少了施工、维护的复杂度，而且提高了数据传输的可靠性[9]；
2. 组网技术无线化：有线组网施工复杂、成本高，更新升级困难，无线网络技术具有无需布线、安装周期短、移动性和扩展性强等优点，组网技术从有线向无线发展是智慧家居市场未来发展的必然方向[10]；
3. 逐步实现物物联网：传感器技术的发展和组网技术的不断完善使得家庭内部的电器设备将不断被纳入家庭网络中，逐步实现家庭内部所有物体的相互通信；
4. 绿色环保：“绿色、环保”的时代主题永不过时。处理器和组网技术正不断朝着低功耗、高性能的方向发展，使得智慧家居系统整体能耗不断降低，符合人们绿色环保的生活理念；
5. 系统智慧化：当前的智慧家居系统可以通过自学习将用户的习惯性操作保存下来，按一定的方式触发，这还不能称之为智慧。智慧化的典型代表就是具有自我思考的能力，这涉及到人工智能相关知识，是我们追求的终极目标。相信随着科学技术的发展智慧家居系统将越来越“智慧”，不断向着智慧化方向发展，智慧化是未来技术的发展方向。
1.3 课题研究内容及意义
本课题来源于重庆邮电大学和重庆艾申特电子科技有限公司合作的校企合作项目“基于物联网的智慧家居设备开发”。
在研究国内外智能家居方案和家庭组网技术的基础上，针对当前智能家居控制系统的不足，为了发挥当前各种通信技术的优势，明确一种多种通信方式相结合的智慧家居组网方案。智慧家居的终极目标是让用户忘记控制设备的存在，通过语音识别、传感器、专用设备、智能表面等技术，将智慧融合到我们周围的环境中去，比如桌子、墙壁以及各个屏幕，打造一个看不见，却又无处不在的智慧家居环境，一个特定的手势或声音就能随意控制自己想要控制的事物[11]。这才是真正的便捷生活、服务于民。研究的具体内容有：
1. 对家庭内部的通信方式进行研究，主要研究现有的各种通信技术，将现有的家庭以太网网络、WiFi网络、3G（3rd-Generation，第三代移动通信）网络、红外网络、总线网络、蓝牙网络和ZigBee网络组合，形成一个混合的网络系统；
2. 分析比较国内外智能家居系统方案，结合国内住房的实际网络环境给出智慧家居系统的组网方案；
3. 研究一种家庭内部数据融合和共享的技术，并设计出数据通信协议；
4. 智慧家居混合组网的实现，主要包括ZigBee网络模块、WiFi视频监控模块、智慧终端、智慧网关模块等模块的软硬件实现，它们分别负责家庭内无线信息传递、视频数据通信、采集控制操作以及家庭数据的分析与处理；
5. 智慧家居系统测试验证，完成系统设计的正确性与完整性验证。
1.4 论文组织结构
本文通过对家庭内部组网技术进行分析比较，给出了智慧家居系统组网方案，详细的章节安排如下：
第一章：绪论。介绍了课题研究背景并引出智慧家居概念，阐述智慧家居国内外发展现状，说明本课题研究内容和意义。
第二章：智慧家居系统组网关键技术分析。说明了传统智能家居发展存在的问题，并与智慧家居进行对比分析。给出了一个比较完整的智慧家居系统的系统架构，并对智慧家居系统采用的组网技术进行分析说明。
第三章：智慧家居组网方案设计。结合实验室条件，对智慧家居系统进行需求分析，给出了本文智慧家居系统组网方案，其中对智慧网关进行了重点介绍，并分析设计了智慧家居系统的数据通信协议。
第四章：智慧家居系统硬件设计。对智慧家居系统硬件总体方案进行设计，然后分别对智慧网关硬件、ZigBee无线模块硬件、智慧家居传感控制节点硬件、WiFi视频监控节点硬件和智慧终端节点硬件进行详述。
第五章：智慧家居系统软件设计。在硬件电路设计的基础上，完成了相关重点模块的软件编程实现，如ZigBee组网实现、智慧终端节点驱动程序编程、智慧网关软件设计。
第六章：智慧家居系统测试与验证。
第七章：总结与展望。总结本课题所做工作，并对下一步工作进行展望。
第2章 智慧家居系统组网关键技术分析
互联网、移动互联网、物联网、云计算、大数据等高新技术不断为智慧家居行业注入活力，智慧家居系统方案层出不穷，本章结合云计算、大数据技术介绍了智慧家居系统架构，并对智慧家居系统所用到的组网技术进行了分析。
2.1 传统智能家居与智慧家居对比分析
2.1.1 传统智能家居系统分析
传统智能家居更多体现的是家庭自动化，它利用互联网技术、移动通信技术和自动控制技术通过家庭控制中心来对家电设备进行统一管理。智能家居根据体系结构不同可以将其划分为拼凑型智能家居、集中控制型智能家居和总线型智能家居[12]。
1. 拼凑型智能家居
拼凑型智能家居也即整个系统是由一个个单一的、相互独立的子系统拼凑而成，各个子系统独立工作、单独设计安装。例如：视频监控子系统、可视对讲子系统、影音娱乐子系统等子系统之间互不通信，没有数据交互[13]。这样的拼凑型智能家居实际上算不上一个完整的系统，由于各子系统产自于不同厂家，导致各子系统之间不能联动操作，且产品兼容性不好，严重影响用户体验。
2. 集中控制型智能家居
集中控制型智能家居在每个住户内安装一台“控制中心”，“控制中心”可以是一台普通的PC、单片机系统或者嵌入式终端，系统网络通常为星型拓扑，遍布于家庭内部各处的节点直接连接至“控制中心”，各节点仅仅具备简单的开关控制功能[14]。这种类型的智能家居系统功能简单，系统更新升级困难。
3. 总线型智能家居
总线型智能家居采用现场总线控制技术，常用的总线技术有：LonWorks、CAN（Controller Area Network，控制器局域网总线）、RS485、X10等现场总线。现场总线技术通常在建筑物设计开发时就需要跟进铺设，安装技术复杂，更新扩展难度大，无法适应人们日益变化的需求。
上述类型的智能家居进入我国已有多年，由于各种原因目前还远未普及，经过这些年的发展发现智能家居存在很多不足之处：
1. 没有统一的行业标准
家庭内部复杂的网络环境，使各类组网技术共存于家庭环境中，很难用一种技术统筹全局。至今国内外都没有统一的标准，各厂商根据各自利益开发自己的产品，使各企业产品互不兼容，致使行业发展受限[15]。因此我国家居行业的发展需要各产业链携手，加强企业间的合作，共同推进一致的标准体系，搭建开放合作的系统平台。
2. 产品为了智能而智能，实用性不够
当前国内市面上的各种智能家居产品大多都被冠以智能的名头，如智能灯泡、智能插座、智能冰箱、智能电视、智能路由器等，通过智能的称号为产品披上科技的外衣，致使智能家居产品的发展陷入为了智能而智能，实用性不够的尴尬境地[16, 17]。除了为用户带来一定程度上的新鲜感外，并不能激发用户的购买使用欲望，因此智能家居产品需要从表面上的华而不实转到实用性设计方面。
3. 产品价格不够亲民
各厂商独立研发致使研发成本过高，智能家居产品价格居高不下，当前一套比较完善的智能家居系统一般包括智能照明、智能窗帘空调控制、家庭娱乐系统、家庭安防系统等子系统[18]。三室二厅的安装费用国内产品一般需要5万左右，国际产品则不低于10万，相对偏高的价格使得普通民众对其望而却步。
2.1.2 智慧家居系统分析
