【期刊】智能家居远程控制系统的设计.pdf

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1、 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第28卷 第7期2005年7月合肥 工 业 大 学 学 报(自 然 科 学 版)JOURNAL OF HEFE IUN I V ERSITY OF TECHNOLOGYVol.28 No.7Jul.2005收稿日期:2004209227;修改日期:2004211218基金项目:国家科技攻关计划资助项目(2001BA104C);合肥工业大学科学研究发展基金(040503F)和安徽省高等学校青年教师科研资助计划项目(2005

2、jq1011)作者简介:魏振春(1978-),男,宁夏青铜峡人,博士生,合肥工业大学讲师;韩江洪(1954-),男,安徽泾县人,合肥工业大学教授,博士生导师;张利(1955-),女,安徽蚌埠人,合肥工业大学教授,硕士生导师.智能家居远程控制系统的设计魏振春1,韩江洪1,张建军2,张利2(1.合肥工业大学 计算机与信息学院,安徽 合肥230009;2.合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥230009)摘要:文章介绍了一种新的智能家居远程控制系统的设计方案。系统采用蓝牙无线通信技术实现了方便、灵活的家庭内部组网,可以通过电话和网络远程控制连入家庭网络的网络家电,在家中通过无线控制终端实现对

3、家庭联网设备的集中控制。该系统简单易用,扩展性好。关键词:智能家居;远程控制;家庭网络;网络家电;蓝牙;智能电话中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:100325060(2005)0720751204Design of the remote control system in smart homeW E I Zhen2chun1,HAN Jiang2hong1,ZHAN G Jian2jun2,ZHAN G L i2(1.School of Computer and Information,HefeiU niversity of Technology,Hefei 230009,Chin

4、a;2.SchoolofM achinery and AutomobileEngineering,HefeiU niversity of Technology,Hefei 230009,China)Abstract:A new solution for the remote control system in smart home is introduced.W ith Bluetoothw ireless communication technology,this system realizes convenient and flexible home2networking.The remo

5、te control for network appliances through telephones or Internet is achieved,and the central2ized control for home2networked equipments based on w irless endpoints also implemented.This sys2tem is simple to use and easy to be extended.Key words:smart home;remote control;home network;network applianc

6、e;Bluetooth;smart phone0引言智能家居是一个新概念。随着计算机网络和数据通信技术的高速发展,人们对居住环境的要求不断提高,“信息化”的概念被引入到了住宅的建设当中,并由此掀开了家庭信息化和智能化的新篇章1,2。智能家居是利用先进的网络通讯技术、自动控制技术及计算机技术,将与家居生活有关的各种家庭设备有机地结合在一起,通过网络化的综合管理,让家居生活更轻松。随着各种新技术的不断涌现,智能家居也在动态变化中不断向前发展。本文介绍了一种新的智能家居远程控制系统的设计方案。1需求与目标智能家居系统所包含的范围较广,本文重点讨论其中远程控制子系统的设计与实现。系统所实现的功能及其目

7、标如下:方便、灵活的家庭内部组网方式。电话远程控制:在远地通过拨打家中的电话即可实现对家庭联网设备的控制。网络远程控制:在远地通过浏览指定的网页即可实现对家庭联网设备的控制。家庭内部集中无线遥控:在家中通过无线控制终端 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/实现对家庭联网设备的集中控制。低成本:从产品化的角度而言,成本是决定产品能否快速进入市场、被普通家庭所接受的至关重要的因素。易用性:考虑家庭用户的差异性,如老人、小孩等,人机界面应该简单易用。扩展性:为系统

8、今后的升级、扩展提供开放的平台。2总体设计(1)家庭网络。家庭网络的引入是智能家居系统的关键,智能家居系统的实现离不开家庭网络。利用家庭内部网络将以往彼此孤立的各个子系统以及家庭内部的各种设备、终端互连起来,实现信息交换和资源共享。有了家庭内部网,还要将内部网与外部网连起来,以满足家庭中的人和各种设备与外界进行信息沟通的需要3。如,宽带上网、视频点播、远程教育及电子商务等,以及家电的远程控制与远程维护、三表自动抄送及小区安防等。宽带接入技术正是要实现将千家万户接入Internet,使得家庭不再是信息化社会中的“孤岛”。通常,家庭内部网和外部网这两个不同网络的互连是通过一个网络连接设备实现的,这

9、个网络连接设备就是家庭网关,总体结构如图1所示。为了实现方便、灵活的家庭内部组网,本系统采用了蓝牙无线通信技术。图1家庭网络的总体结构(2)嵌入式家庭联网设备。在智能家居系统中,家庭内部将会出现大量联网的设备、终端。这些设备虽然功能和形态各异,但要想连入家庭网络,数字化将是其共同的发展趋势。随着嵌入式技术的发展,每个联网设备都是一个拥有计算、存储和通讯能力的智能结点4,其结构如图2所示。图2家庭联网设备的结构其中,控制单元由处理器单元和存储单元组成,通讯单元负责该结点的数据收发并将其连入家庭网络,执行单元负责执行具体的任务。根据该结点所完成功能的复杂性,控制单元本身可能就是一个包含嵌入式处理器

10、和嵌入式操作系统的嵌入式系统。本系统采用蓝牙无线收发模块作为通讯单元,将蓝牙模块嵌入家电等家庭联网设备中。(3)家庭网关。家庭网关实现家庭内部网和外部网的互连,完成协议转换和网络防火墙等功能。在本系统中,家庭网关还为各种联网设备集中管理和控制提供了一个统一的平台,称之为家居服务器。为了减少实现的复杂度,开发出一个快速原型系统,采用基于X86的PC作为家居服务器的硬件仿真实验平台。采用开放源码的L inux作为操作系统,采用C语言和Java作为主要的软件开发语言。(4)智能家居远程控制系统的总体结构。根据上述分析,基于家居服务器的智能家居远程控制系统的总体结构,如图3所示。系统由家居服务器、智能

11、电话模块、蓝牙网络家电及PDA等部分组成。智能电话模块通过串口与家居服务器相连,通过电话线连接市话网和本地电话机;网络家电通过蓝牙与家居服务器相连;PDA也通过蓝牙与家居服务器相连;家居服务器宽带接入Internet。每个家庭联网设备及其家居服务器中嵌入一个 蓝 牙 无 线 收 发 模 块,构 成 蓝 牙 微 微 网(Piconet)5,6,组成无线家庭内部网,通过家居服务器的网关功能将家庭内部网接入Internet。这样,网络家电的故障等运行状态信息可以通过In2257合肥工业大学学报(自然科学版)第28卷 1994-2009 China Academic Journal Electroni

12、c Publishing House.All rights reserved.http:/ternet送到家电厂商的技术维护中心,从而进行远程故障诊断和远程维护;用户在家庭以外的地方也可以通过接入Internet的网络终端对网络家电进行远程控制。在家庭内部,用户也可以通过嵌入了蓝牙模块的PDA,实现对家电等家庭联网设备随时随地的集中控制和管理。图3基于家居服务器的智能家居远程控制系统的总体结构3各功能模块的设计(1)智能电话系统。智能电话系统除了完成普通电话的基本通话功能以外,还可以实现以下功能:实现自动拨号,交互式语音答录,以及电话留言、录音、放音功能。作为远程控制的一种重要的手段,利用PS

13、TN网实现对家电等家庭联网设备的监测与控制。用户可以通过PDA管理通话记录、录音记录、用户留言及用户名片等;还可以进行系统的参数设置、升级管理及系统的数据维护。可以作为家庭安全防范系统的报警通道,提供电话报警接口。图3中带箭头的虚线显示了通过电话远程遥控网络家电的过程。智能电话系统由硬件模块和软件系统两大部分组成。硬件模块即图3中的智能电话模块,它连接PSTN市话线的入口和家庭本地电话机,并通过RS2232接口与家居服务器相连,可以把它看作是家居服务器的一个外设7。智能电话模块完成的功能主要有:语音的编解码、FSK调制和解调、检测各种电信信令和线路状态、DTM F检测和生成。智能电话系统的软件

14、在家居服务器上构建,包括4个部分,即总控模块、负责与智能电话硬件通信的模块、负责与PDA通信的模块以及交互式语音答录模块。与智能电话硬件通信的模块主要负责家居服务器和电话机的数据传输;与PDA通信模块完成电话机的状态信息向PDA的传递显示,以及从PDA接收用户设置命令;交互式语音答录模块,主要完成系统的自动答录;总控模块主要完成软件系统中各模块相互间的协调工作。(2)网络远程控制。家居服务器同时充当了家庭网关,可以接入Internet,因此用户也可以在家庭以外的地方通过Internet访问家居服务器。在家居服务器上构建一个WWW服务器,通过通用的浏览器以浏览网页的方式就可以实现对家居服务器的远

15、程控制。远程遥控空调的设计方案,如图4所示。图4远程遥控网络家电的设计用户在远地通过浏览器(Brow ser)以浏览网页的形式访问家居服务器上的W eb Server,通过HTTP协议向家居服务器发送控制或查询命令,W eb Server调用脚本语言提供的socket接口函数,将封装有用户控制或查询命令的数据递交给运行在家居服务器上的网络家电代理软件(Bridge),Bridge将该数据按照被控制的网络家电所要求的格式(由相应的控制协议定义),通过蓝牙发送给网络家电,由网络家电中的处理单元解释执行该指令,并将执行结果沿着相反的方向返回给远地的Brow ser,再由Brow ser将结果显示给用

16、户。家居服务器与网络家电之间利用蓝牙无线传357第7期魏振春,等:智能家居远程控制系统的设计 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/输数据,需要有相应的蓝牙硬件模块和协议栈。家居服务器上采用了BlueZ蓝牙协议栈。(3)蓝牙网络家电。本系统中以暖风机为例,示范蓝牙单片机在网络家电中的应用。对暖风机的控制功能包括:开、关、3档调温及15档定时。另外,鉴于蓝牙双向通讯的特点,增加了读取暖风机当前状态的功能。蓝牙子系统的硬件设计原理框图,如图5所示8。硬件的总体设计

17、分为3个模块:即蓝牙部分、M CU部分及调试部分。采用的蓝牙芯片是CSR的BC02,选用A T89S8252作为M CU。图5蓝牙子系统的硬件设计原理框图 在家居服务器端,蓝牙模块通过串口与家居服务器相连,家居服务器作为蓝牙主机。在网络家电端,通过蓝牙模块的串口外扩的一个M CU作为蓝牙的主机,同时也作为网络家电控制信号的处理中心。蓝牙模块接收到家居服务器的控制信号后传给M CU,经M CU处理后对家电进行相应的操作。通过家居服务器与网络家电之间的通信协议,实现对网络家电的命令控制和状态查询。(4)PDA无线、集中遥控。PDA是用户在家庭内部进行集中遥控和管理操作的无线终端,是主要的人机交互界

18、面。采用Pocket PC掌上电脑来实现PDA的功能,它采用W indow s CE 3.0操作系统,并带有CF(Compact Flash)卡扩展接口。蓝牙模块采用的是Socketcom的Socket Blue2tooth Connection Kit,它以CF卡的形式与Pock2et PC相连,其硬件部分完成了蓝牙无线层、基带、链路管理器和主机控制器层的蓝牙协议,并且以CF卡的形式提供给Pocket PC的用户使用,其软件部分实现了蓝牙协议栈的核心协议部分。家居服务器和Pocket PC之间的蓝牙通信,采用客户机2服务器模式。家居服务器作为服务器端,随时等待客户端的连接请求;Pocket

19、PC作为客户端,可以随时向服务器端发出请求。家居服务器首先建立socket,然后一直处于监听状态,等待操作板的连接请求,当操作板向家居服务器发出连接请求后,服务器接收请求,并建立一个接收线程专门处理与操作板的通信。4结束语本文提出了一种新的智能家居远程控制系统的设计方案。利用蓝牙技术实现了家庭内部无线组网,可以在远地通过电话和网络对家中的家电等家庭联网设备进行控制,在家中利用无线PDA实现对家庭联网设备的集中管理和控制。所构建的智能家居远程控制系统简单易用、稳定可靠、成本低并具有较好的扩展性。参考文献1韩江洪,黄丽,张利,等.家庭网络中蓝牙技术的研究与实施J.合肥工业大学学报(自然科学版),2

20、003,26(4):481-485.2黄丽.面向家庭网络的蓝牙技术研究与实践D.合肥:合肥工业大学计算机与信息学院,2003.3Satio T,Tomoda I,Takabatake Y,et al.Home gateway ar2chitecture and its implementationJ.IEEE Transactions onConsumer Electronics,2000,46(4):1 161-1 166.4Keller T,Pqczkow shi R,Modelski J.U sing Bluetooth in asystem for integrated control

21、 of home digital network de2vices A.Proc 14thInternational Conference on M i2crowaves,Radar and W ireless Communications:M IKON2002(Vol 1)(Gdansk,Poland,M ay 20-22,2002)C.2002.199-202.5金纯,许光辰,孙睿.蓝牙技术M.北京:电子工业出版社,2001.6-8.6蔡型,张思全.短距离无线通信技术综述J.现代电子技术,2004,27(3):65-67.7陈志雄.基于家居服务器的CT I研究D.合肥:合肥工业大学机械与汽车工程学院,2003.8韩江洪,段玲琳,张建军,等.嵌入式信息家电系统中蓝牙子系统的研究与开发J.系统仿真学报,2004,(12):2 825-2 827.(责任编辑张秋娟)457合肥工业大学学报(自然科学版)第28卷