智能家居手机控制家电系统

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1、编号： 时间：2021年x月x日 书山有路勤为径，学海无涯苦作舟 页码：第26页 共26页 学士学位论文 题 目： 智能家居手机控制家电系统 分 院： 专 业： 班 级： 学 号： 姓 名：

2、 指导教师： 摘 要 随着人们生活水平逐渐的提高，大家对生活质量的要求也就越来越高，从而推动了智能家居的发展，随着普通家庭使用家电设备渐渐增多，迫切的需要集中控制家电设备。如此同时，智能手机性能的提升以及互联网的发展，使得智能手机已成为人们生活中不可缺少的一部分，以后将成为智能家电控制系统的主流控制终端。 在这样的背景下，本文研究智能家居手机控制家电系统，该系统以wifi通信技术为基础，以Android

3、智能手机作为终端控制，安装手机APP，向系统发送命令来达到对家电的控制。 因条件限制，本课题中手机对家电的控制将采用模拟的方法，即通过智能手机控制LED的亮灭来代替手机对家电的控制。 关键词：智能家居 智能手机 Android wifi 目 录 第一章 绪论5 1.1 课题背景5 1.1.1 课题来源5 1.1.2研究意义5 1.2国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）6 1.2.1国外研究现状：6 1.2.2国内研究现状 ：7 1.2

4、.3发展趋势及文献综述：7 1.3本课题研究内容10 1.4 章节安排10 第二章 相关技术研究及分析12 2.1 Wi-Fi 技术研究12 2.1.1 Wi-Fi 网络的基本结构12 2.1.2 Wi-Fi 网络工作原理14 2.2 本章小结15 第三章 基于智能手机的家居控制系统的总体分析与设计16 3.1 系统总体需求分析16 3.1.1 功能性需求16 3.1.2 非功能性需求17 3.2 系统的设计原则17 3.3 系统总体设计18 3.3.1系统网络结构设

5、计19 3.3.2系统体系结构设计及模块功能分析19 3.4 本章小结21 第四章 手机控制端的详细设计与实现22 4.1 家电控制22 4.1.1家电控制的实现23 4.2 入网设备注册23 4.3 手机控制端软件设计代码23 4.4 本章小结27 第五章 系统服务端的详细设计与实现28 5.1 网络服务的设计与实现28 5.1.1 Wi-Fi 网络服务模块28 5.2 命令解析的模块的作用29 5.3 命令处理的设计与实现29 5.4 用手机控制LED灯来模拟手

6、机控制家电系统电路图30 5.5 本章小结31 第六章 结束语33 6.1 本文工作33 6.2 总结与展望34 第一章 绪论 本章主要阐述本文写作的课题来源、研究现状、研究意义以及研究目的。 1.1 课题背景 1.1.1 课题来源 智能家居是物联网在家庭中的体现，不只是为人们提供了安全、便利、舒适的生活设施，而且还可以保证人们居住环境环保节能。随着越来越多的家电逐渐的走进了千家万户，所以很多家庭迫切的需要集中地对

7、家电进行控制，因此需要引入智能家居。智能家居主要是通过无线通信技术来控制家庭中的家电设备，如电灯设备、空调设备、电视设备、冰箱设备等。 目前，智能家居控制系统主要是采用以下三种控制方案：（1）键盘、红外线遥控器、触摸平板等作为控制终端，这些方式需要对控制终端的软硬件分别进行设计，设计成本较高，此外它们仅支持本地控制不能实现远程控制；（2）PC 机作为控制终端，这种方式存在非常明显的成本高、不易携带、体积大等问题，不能满足现代智能家居控制系统的需求；（3）手机作为控制终端，这种方式为用户提供方便的、快捷的、统一的控制终端，但是目前采用手机作为控制终端的系统大多采用按键的方式，用户体验不好，而

8、且操作复杂。 随着智能手机的日益普及，智能手机可通过自身的各种传感器、蓝牙、Wi-Fi、GSM 等多种方式控制智能家电，为用户提供多种交互方式，其成为智能家居的主流控制终端是智能家居控制系统未来发展的趋势。基于 Android 操作系统的智能手机发展迅速，据市场研究公司 IDC 发布最新的报告显示，安装 Android 操作系统的手机市场占有率已经达到 75%。2011 年 Google 在 I/O 年度开发者大会上公布Android@Home 项目，该项目使用 Android 手机或者平板电脑控制电灯、咖啡机、无线立体声系统，使基于 Android 系统的设备进入智能家居领域，可以预见基

9、于Android 系统的远程控制系统将成为智能家居控制系统的重要组成部分。 1.1.2研究意义 随着计算机和网络通信技术的迅速发展，家居的信息化程度越来越高，人们希望随时随地控制家居，创造更加智能化、自动化、人性化的居住环境。人们希望远程控制电饭煲、热水器等，回到家便可以吃饭洗澡；希望远程监控室内环境，随时了解家庭情况，尤其是家中有孤寡老人或小孩子；目前，智能家居已经可以与家庭外部环境进行信息的交互，使得这一切逐渐变为现实，正逐渐改变人们的工作方式和生活方式，家庭的自动化、智能化将逐步进入人们的日常生活。 伴随智能家居的不断发展，进入家庭中的智能家电也越来越多，对各种家居设备的控制越来越重

10、要，因此研究智能家居控制系统是非常必要的。智能家居控制系统的研究使用户更加方便控制家电设备，提高家居生活的便利性，已经成为智能家居系统中不可或缺的组成部分。 1.2国内外研究现状及发展趋势（含文献综述） 自 1998 年以来，信息、家电、通信厂商开始广泛关注智能家居控制领域，许多公司将智能家居控制系统作为公司的战略发展项目，如 IBM、Microsoft、HP、Intel、Cisco、3Com、Ericsson、Sony 等计算机软硬件、家电、通信厂商纷纷投资于智能家居控制产品的研发与设计。 经过多年的发展，智能家居控制系统经历以下三个阶段： （1）家庭电子化，主要是没有

11、构成网络的单个电器； （2）住宅自动化，部分的家电为了实现某个单一功能构建简单的网络； （3）家居智能化，所有家电通过网络相互连接、相互配合工作，为用户提供安全、舒适的家庭生活。 1.2.1国外研究现状： 在智能家居控制系统的研究和开发方面，欧美国家起步较早，目前处于领先地位。近年来，以谷歌、迪斯尼公司及国际商用机器公司（International Business Machines，IBM）等为首的多家国外知名企业，先后投身于智能家居控制系统的研究和开发中。例如：谷歌的 Android@Home 项目、迪斯尼公司与微软、惠普共同设计的 Innoventions Dream Ho

12、me、IBM 公司开发的 Home Director 等均以日趋稳定的技术和强大的研发能力设计和提供了智能家居控制系统的解决方案。 国外主要的产品有： 1. X-10 系统，X-10 系统将 220V 的电力线作为家庭网络的信息传输介质，通过电力线传播 X-10 信息来实现对智能家居的控制。由于该系统具有成本高、部署难度大的缺点，在国内一直没有打开市场。 2. 电气安装总线（Electrical Installation Bus，EIB）系统，该系统以预埋总线作为传输介质通过中央控制的方式进行家居控制。 3. 8X 系统 ，该系统使用预处理总线作为信息传输介质，通过集中控制

13、方式来实现家居控制，具有良好的扩展性并且技术比较成熟。 4. Android@Home，随着智能手机的日益普及，2011 年 Google 推出此智能家居控制方案，该方案利用 Android 智能终端与中央控制器进行通信，中央控制器通过 2.4GHz 转 900MHz 转换器将控制命令发送给相关装置，实现对灯、饮水机等设备的控制，可以播放无线立体声音响系统，目前该方案还在研发当中。 1.2.2国内研究现状 ： 智能家居控制系统在国内发展比较晚，目前也有一些企业使用国外提出的技术推出了自己的产品，主要有： 1. 海尔的“e 家庭”，该系统将海尔电脑和海尔手机分别作为控制中心和移动

14、数字控制中心，同时将网络家电设备作为终端设备。这样使用海尔的产品可以打造出一个完整的“e 家庭”。 2. 清华同方的 e-home 数字家园，该系统遵循国际家居控制系统的技术标准，采用嵌入式软硬件技术提供符合中国国情的家庭自动化产品。 3. 科龙集团的“现代家居信息服务集散控制系统”，该系统以基于 OSGi规范的家庭服务器为控制中心，在家庭内外兼容各种网络通信技术，为用户提供远程家电控制和家庭娱乐的服务。 目前，国内的智能家居控制系统产品具有操作复杂、价格高、部署难的特点，与国外同类产品相比还有一定的差距。不过相信随着对智能家居控制系统的研究，国内会设计出操作简单、成本低的智能家居

15、控制系统。 目前，国内的智能家居控制系统产品具有操作复杂、价格高、部署难的特点，与国外同类产品相比还有一定的差距。不过相信随着对智能家居控制系统的研究，国内会设计出操作简单、成本低的智能家居控制系统。 1.2.3发展趋势及文献综述： 智能家业的发展趋势:智能家居一直有着解决方案性能单一、价格高、难以规模推广的发展瓶颈,但随着国家经济的发展和人民生活水平的提高,物联网智能家居的应用需求日益增强,物联网智能家居行业将打开新的局面。智能家居涉及装修、通信、网络 电子传感器、家电等多个领域,渗透到生活的各个方面,可带动多个行业共同发展。之前的智能家居概念,各子系统不能统一控制,相互协调,网络的

16、潜能、优势尚未有效的开发,而物联网智能家居则会打破这一局面。所以只能家居的发展趋势非常好。 文献综述：浅析智能家居发展方向（千家网）：随着市场的逐步打开及时代的发展，智能家居的发展方向逐步从偏技术转向偏用户。家庭能源管理、用户体验、开放式的家庭信息平台以及个性化的增值服务逐渐成为各厂商重点投入的方向。 　　简单的无线部署 　　以往智能家居系统的综合布线使得智能家居产品一直悬于市场的高端。装修前需要专业人士的设计和布线也是制约智能家居发展的一大因素。为解决有线弊端，数字无线技术在全球得到大规模发展，其便利、灵活、无盲点等特征倍受青睐。也许几年之后，综合布线将会成为人们记忆中的往事。

17、 　　家庭能源管理 　　随着全球能源问题日渐突出，节能减排是必然的发展趋势。而智能家居系统能实现实时统计家电的用电情况，能够根据情况自动切断待机电器的电源，这样即方便我们控制家电又能做到节能环保。据统计，如果每个人都及时关闭待机电器的电源，节省的电能可以供应东北三省所有的家庭用电。以一户普通三室户为例，如果及时关闭待机电器电源，可以为其节省约33%左右的电。可见智能家居系统在家庭能源管理方面能为节能减排做出不小的贡献。 　　用户体验 　　随着iPhone的诞生，人们对手机的体验有了全新的认识和体验。逐渐地用户开始对产品的外观、使用提出了更高的需求，使得用户体验越来越占有智能家居产品的重要

18、地位。更快捷的控制方式、更简单的操作界面、更多平台的终端控制、更自然的人机交互过程给智能家居厂商提出了更高的要求。一个优秀的智能家居产品必需要一套优秀的用户体验方案来支撑。 　　针对拥有众多不同情况的用户就需要考虑更多的细节。比如软件的控制流程要尽可能简单，应用结构也要尽可能简单，让老人或小孩都能很方便的进行操作。同时，在界面设计中，按钮要尽量清晰，尽量大，并且按照符合人们日常习惯进行颜色的区分，比如红色代表警告，灰色代表取消等等。另外还要根据不同的终端设备设计不同的界面布局。比如触摸手机一般是单手操作，所以在界面布局时就要考虑单手操作的方便性，与平板电脑的界面就有所不同。 　　语言是人类

19、最基本最直接的交流方式。所以智能家居系统的发展必然会向着语音识别技术及传感识别技术的方向发展。最终达到人们与系统间可以进行越来越自然的交互，从而真正做到“智能”，真正使智能家居融入家庭，融入生活。 　　开放式的家庭信息平台 　　智能家居系统不能仅仅局限于感知与控制，而应该包含与家庭有关的任何信息的集中管理。所以智能家居系统需要开放式的家庭信息平台。平台上可以集成与家庭有关的缴费信息如水电煤的账单推送及在线缴费。也可以集成按家庭地理位置推送的周边商户的促销信息。如果与社区对接，可将社区信息、通知、活动信息等内容推送到家中的智能家居系统中。 1.3本课题研究内容 课题致力于

20、研究一套完整的智能家居控制系统，以实现各个子系统间的互联和信息通信，以及统一管理各个子系统，该系统主要由智能家居控制系统核心中央主控制器、子系统终端分控制器和移动手机控制端系统三部分组成，采用无线技术组建网络实现各系统间的信息通信，从而实现控制功能。本课题的具体研究内容如下： 1、智能家居系统核心控制平台的设计与实现 以12C5A60S2微处理器的硬件平台，结合WIFI无线通信模块 搭建中央主控制器开发平台，为操作系统提供必要的运行的环境，控制家电仪器。 2、移动手机控制端的设计与实现 设计以Android智能手机为平台，设计一款可通过WiFi向控

21、制器发送和接收命令的手机客户端。 本课题研究方案是： 因条件有限，家电的集成化，本课题中对家电的控制将采用模拟的方法，即控制LED的亮灭来代替对家电的控制。 研究方案： 1、搭建硬件平台：搭建好以12C5A60S2为核心处理器对LED的控制装置。 2、配置网络环境：驱动wifi模块 ，配置好网络环境。 3、手机客户端的实现与控制：安装手机APP，向系统发送命令。 4、系统运行：运行系统，看能否实现手机通过WiFi对LED的控制。 1.4 章节安排 本文其余章节安排如下： 第二章：对系统实现所需的相关技术进行研究和分析。首先介绍了 Wi-Fi 网络的基本结构、Wi

22、-Fi 网络的工作原理。 第三章：基于智能手机的家居控制系统的总体分析与设计。首先对系统进行总体的需求分析，然后对系统的网络结构和体系结构进行了设计，接着对系统各组成模块进行划分和设计。 第四章：手机控制端的设计与实现。 第五章：系统服务端的设计与实现 第六章：系统测试，本章首先介绍系统测试的软硬件环境，然后描述系统各组成模块的功能测试，最后对系统性能进行测试。 第七章：结束语。本章总结了本文的工作，讨论了本文需改进的地方。 第二章 相关技术研究及分析 本章介绍了实现系统所需的相关技术，Wi-Fi 网络的基本结构、Wi-Fi

23、 网络的工作原理。 2.1 Wi-Fi 技术研究 2.1.1 Wi-Fi 网络的基本结构 1.Wi-Fi 协议 Wi-Fi 即 IEEE 802.11 协议[15] ，是无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）技术—IEEE 802.11 系列标准的商用名称，是一种可将个人电脑、手机、平板电脑、掌上电脑（Personal Digital Assistant，PDA）等终端通过无线进行互连的技术；目前，IEEE 802.11 标准包括 IEEE 802.11a、IEEE 802.11b 以及 IEEE 802.11g三个标准，统称为 Wi-Fi

24、。 与其他网络协议类似，Wi-Fi 协议也是按照层次来组织的。Wi-Fi 网络协议包括逻辑链路控制层 (Logical Link Control，LLC)、介质访问控制层（Medium Access Control，MAC）、物理层，由 IEEE 802.11 协议定义。 1）物理层:802.11a 采用正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术，定义了工作在 5GHz 频段数据传输率为 54Mpbs 的物理层；802.11b 采用补码键控技术和直接序列扩频（Direct Sequence Sprea

25、d Spectrum，DSSS）技术，定义了工作在 2.4GHz 频段数据传输率为 11Mpbs 的物理层；而 802.11g 在 2.4GHz 的频段采用正交频分复用调制技术，使得物理层的数据传输速率可达到 54Mbps。 2）MAC 层：IEEE 802.11 工作组为所有物理层定义一个公共的 MAC 层，有利于对物理层进行管理。MAC 层除了处理物理层无线信道接入外，还具有如下的功能：采用载波侦听多点接入/冲突避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）协议解决数据冲突、网络信标同步、支持个人区

26、域网络（Personal Area Net，PAN）链路的建立和断开等。 3）LLC 层：对网络层提供抽象的链路层驱动，屏蔽底层不同类型的网络硬件，并根据 48 位的 MAC 地址为无线和有线网络之间的桥接提供方便。 2.Wi-Fi 网络的基本构成 Wi-Fi 网络由站点（Station）、基本服务单元（Basic Service Set，BSS）、分配系统（Distribution System，DS）、接入点（Access Point，AP）、扩展服务单元（Extended Service Set，ESS）、关口（Portal）等六部分组成，下面详细说明这些组成部分。

27、1）Station：网络最基本的组成部分，既可以是平板电脑、手机、PDA 等手持无线设备，也可以是一台普通的个人电脑。 2）BSS：Wi-Fi 协议规定的无线局域网的最小组成单元，由一个基站和若干个站点组成。一个 BSS 内的站点可以相互直接通信，但是当与此 BSS 外的站点进行通信时则需通过此 BSS 的基站。 3）DS：用于连接不同的 BSS。DS 通过逻辑服务给目标站点匹配站点，使得在多个 BSS 之间实现无缝整合。另外，尽管 DS 和 BSS 物理上可能会是同一个媒介，但 DS 使用的媒介在逻辑上和 BSS 是截然不同的。 4）AP：是 BSS 里面的基站，其作用与网桥相似

28、。 5）ESS：由 DS 和 BSS 组合而成。一个 BSS 即可单独存在，也可通过接入点接入到主干 DS 中与另一个 BSS 相连就构成一个 ESS。 6）Portal：是无线局域网与其他网络联系的桥接点。 2.1.2 Wi-Fi 网络工作原理 1.Wi-Fi 工作的基本原理 Wi-Fi 网络工作至少需要一个接入点和一个客户端。接入点每隔 100 毫秒会将服务单元标识（Service Set Identifier，SSID）经由信号台（beacons）封包广播一次，信号台封包的传输速率是 1 Mbps 且数据包长度非常短，因此广播动作对网络的影响可以忽略不计。由于 Wi

29、-Fi 协议指定的最小传输速率是 1 Mbps ，因此可保证所有的 Wi-Fi 客户端均可收到 SSID 广播封包，客户端可根据 SSID 的名称以及信号的强度选择与某个 SSID 连接。 2.Wi-Fi 的工作方式 Wi-Fi 提供了两种基本的工作模式：Infrastructure 模式和 Ad-hoc 模式。Infrastructure 模式由一个无线接入点和多个无线终端站点组成，主要为无线接入点覆盖范围内的各站点提供服务。Ad-hoc 模式也称为点对点模式（Pear to Pear 模式），由一组无线终端组成，作为独立的基本服务单元，此模式不需要其他额外设施的支持即可使覆盖范

30、围内的站点通信。 2.2 本章小结 本章主要介绍了系统设计与实现过程中使用的 Wi-Fi 通信技术，介绍了 Wi-Fi 网络的基本结构、工作原理。 第三章 基于智能手机的家居控制系统的总体分析与设计 3.1 系统总体需求分析 本文所设计的系统是以 Wi-Fi 通信技术为基础，以智能手机作为控制终端，用户只要使用手机终端简单地执行几个操作就可以方便地控制家庭中的家电设备，下面从功能与非功能两个方面来分析系统的需求。 3.1.1 功能性需求 1.家电控制功能：由于现在家庭中的家电设备比较

31、多，采用集中控制的方式是一个理想的选择。这里采用家居服务器作为家电控制中心，用户使用控制终端通过 Wi-Fi 网络与家居服务器进行信息交换，进而集中控制各种家电和设备，同时家居服务器还可接入 Internet，使得用户可以在家庭以外的地方通过 Internet 远程控制电灯、空调、热水器等家电设备。为了使用户方便、快捷地以一种自然的方 式进行家居控制。 2.Wi-Fi 设备配置功能：目前一个 Wi-Fi 设备接入 Wi-Fi 网络时，首先搜索附近的 Wi-Fi 网络信号，从搜索到的 Wi-Fi 网络列表中选中需要连接的无线网络，然后手动输入相应密码后建立网络连接，过程比较繁琐。在家

32、庭网络中，家电设备会经常更换、变动位置，使得这种配置方式难以用于家电设备。为此本文提出了一种使用移动终端通过 Wi-Fi 配置入网设备的简单方法，通过该方法手机控制终端可以一种简单的方式将 Wi-Fi 家电设备注册到家庭网络中。 结合上述功能给出的图例，如图3.1所示： 家电控制 Wifi设置配置 用户 图3.1 3.1.2 非功能性需求 本系统属于家庭控制领域，且与人们的日常生活密切相关，因此除了满足上述功能外，还需满足下列非功能性需求。 1.

33、操作方便：由于本系统将用于家庭中，因而需使得家庭中不同年龄段的人均能够方便地进行操作，否则会大大影响系统的适用范围。 2. 兼容性好：系统以手机作为控制终端，因此软件必须能够兼容不同品牌、不同型号的智能手机。 3.功耗低：目前手机的功耗问题主要集中在对电量、CPU 以及内存消耗等方面。本系统只需安装普通软件，不会占用太多内存。 3.2 系统的设计原则 设计智能家居控制系统需遵循的原则： 1. 可靠性：系统应用于家庭控制领域，可靠性是首先需要考虑的原则，因为智能家居控制与人们的生活息息相关，需要高可靠性，如果经常出现问题会对人们的生活带来很大的不便，会大大降低智能家居的实

34、用性，影响系统设计的初衷，故整个系统必须具有高可靠的工作能力。 2. 安全性：本文设计的系统与用户的家庭生活和家电设备相关，系统必须保证数据传输的安全性，为了保证数据传输的安全性，手机控制端和家居服务器进行通信时采用 WS-Security 规范，WS-Security 能够满足传输消息的完整性和机密性要求。 3. 实用性：即设计的系统必须要贴近人们的生活，不能漫无边际、天马行空脱离实际需求，同时还需考虑系统在应用过程中的便捷性、易操作性以及普及性。本文设计的系统使得用户可通过手机简单方便地操控家电设备，操作方式自然简单，易于推广。 4. 经济性：作为普通家庭使用的家居控制系统，经

35、济性是必须要考虑的因素，不能因为追求技术领先性和高端形象，使系统需要付出几倍于其他系统的代价。本系统在设计与实现中仅使用常见的 Android 手机和普通的 PC 机以及普遍存在的Wi-Fi 设备，与其他同类系统相比成本比较低。 5. 可扩展性：随着网络技术和智能设备的不断发展，家居控制的需求会不断发生变化，这就要求系统必须良好的可扩展性。为了方便添加新功能或修复现有功能，对本文的系统进行层次化设计，对功能进行模块划分，使得系统具有良好的扩展性。 3.3 系统总体设计 3.3.1系统网络结构设计 智能家居手机控制家电系统，整个系统使用普通的 PC 机作为智能家居控制系统的家居

36、服务器和 Web 服务器，以 Wi-Fi 协议作为基础构建家庭内部网络，Android智能手机作为控制终端。在家庭中时，Android 手机通过 Wi-Fi 向家居服务器发送控制命令，然后家居服务器通过 Wi-Fi 家庭网络将控制命令传送到相应的家电设备，从而实现控制家电设备的功能。 3.3.2系统体系结构设计及模块功能分析 根据系统的需求在结构上把系统分为手机控制端和服务端，并且手机控制端和服务端均采用模块化设计。其中，手机控制端包括家电控制、入网设备配置;服务端包括数据存取、网络服务、命令解析、命令处理模块，如图 3.2所示。 命令处理 命令解析 wifi服务模

37、块 入网设备配置 家电控制 Wifi家电设备 wifi Android内核wifiwifi 数据存取 数据库 手机控制端 服务端 图3.2 系统体系结构图 1.手机控制端 手机控制端软件基于 Android 系统开发，进行控制时首先将控制命令发送到服务端，服务端软件解析控制命令，然后再将控制指令发送给相应设备来完成用户的需求。手机控制端软件采用模块化的设计思想，各模块实现具体的

38、功能，各个模块之间的耦合度低。从图 3.2可以看出，手机控制端软件分为家电控制、入网设备配置。 家电控制模块：该模块为用户提供一种自然的手机控制方式来进行家电控制，识别用户发出的控制命令后，将识别出的控制命令发送到服务端，服务端根据这些控制命令为用户执行相关的操作。 入网设备配置模块：该模块负责将 Wi-Fi 家居设备注册到家居控制系统中，使得用户可以通过手机控制端软件控制新加入的家居设备，该模块通过 Wi-Fi 能方便简单地配置 Wi-Fi 家电入网设备，大大提高系统的实用性。 2.服务端 服务端软件分为四个模块，分别是数据存取模块、网络服务模块、命令解析模块、命

39、令处理模块。总体上采用模块化设计，以下对每个模块分别进行分析。 数据存取模块：该模块位于数据库管理系统和业务逻辑之间，向上为业务逻辑层提供数据存取服务，向下屏蔽不同数据库的差异。当前系统使用的数据库管理系统是 MySQL Server 5.6.10，为了保证系统扩展性和可维护性，当前在操作数据库时均采用标准的 SQL 语句，并将数据库操作均封装在本模块中，以函数方式提供给业务逻辑层。 网络服务模块：该模块是采用Wi-Fi 服务模块为用户提供 Wi-Fi 这种通信方式，使得用户在家里可以控制家电设备。该模块主要负责与手机控制端进行连接、身份认证以及接收控制命令。其中，手机控制端通过 Wi

40、-Fi 网络与Wi-Fi 服务模块建立TCP 连接，进而使用 Socket 技术向 Wi-Fi服务模块发送控制命令。 命令解析模块：该模块相当于一个控制器，对网络服务模块获得的数据包进行解析，在获取数据包中设备名称、设备地址以及控制命令等信息后，将这些信息传输给相应的命令处理子模块处理相应的命令。 命令处理模块：不同的控制命令实现不同的功能，该模块里面包含发现服务器、家电控制等子模块，而每个子模块又可以处理多个控制命令，该模块是系统主要的功能模块。 3.4 本章小结 本章首先对系统进行总体需求分析并给出系统的用例图，然后介绍了智能家居控制系统的设计原则，接着对系统的网络结构

41、和体系架构进行设计，在此基础上进行模块划分以及功能分析。 第四章 手机控制端的详细设计与实现 系统的手机控制端是基于 Android 平台开发实现的，Android 平台是 Google发布的基于 Linux 操作系统开发的移动设备开发平台，该平台由操作系统、中间件、用户界面和应用程序构成，是主流的移动开发平台。手机控制端由家电控制、入网设备注册、以及交互模块组成，下面对这些模块详细说明。 4.1 家电控制 手机控制端的家电控制模块使用基于智能手机设计的智能家居控制软件，用户通过手机页面操作来产生控制命令，然后根据控制命令对家电进行控制。其中，本文

42、的基于智能手机控制家电设计出来的软件，通过用户操作产生动作执行，这些过程再加上控制命令产生和设备执行相应操作就构成了家电控制的过程，如图 4.1 所示。 软件设计 用户 操作 设备执 行操作 产生控制命令 动作 执行 软 图4.1 手机端家电控制过程 首先对智能家居控制家电系统的软件进行设计，在设计软件时需要掌握两个基本原则：（1）软件应尽量简单，用户可以很轻松地掌握和使用；（2）软件设计应结合家电本身的特点。由于本系统主要用于控制电灯、电视、冰箱、空调等家电设备，所以需根据这些家电的特点设计软件。 4.1.1家电控制的实现 在用户Wi-Fi 成功登录后点击家电

43、控制，家电控制界面会列出注册的所有家电设备，选择其中的一个设备，就可以使用之前设计的软件进行控制，点开的设备会显示设备的当前工作状态。 4.2 入网设备注册 入网设备注册模块主要负责将 Wi-Fi 家电设备注册到家居控制系统中，在该模块中使用了一种简单的方法使用手机通过 Wi-Fi 配置入网设备，只要点击一次手机控制端的添加入网设备，然后再按下入网设备的配置按钮即可连接配置成功，并将入网设备的信息保存到数据库中，配置成功后手机控制端在家里就能够控制入网设备，简化了操作流程。 4.3 手机控制端软件设计代码 由于受条件限制，家电的集成化，本课题中对家电的控制将采用模拟的方法，即控制L

44、ED的亮灭来代替对家电的控制。所以所写代码也是控制LED亮灭的代码。 代码见附录： 4.4 本章小结 本章首先对手机控制端的家电控制模块进行了详细设计，然后对家电控制进行详细介绍，接着介绍了入网设备注册模块，最后写出了手机控制LED灯的软件代码。让我们直观的感受到智能家居手机控制家电的可行性。 第五章 系统服务端的详细设计与实现 系统服务端的功能模块主要由网络服务、命令解析以及命令处理等模块组成，下面对这三个模块分别进行详细说明。 5.1 网络服务的设计与实现 运行在服务端的网络服务模块用于网络数据的接收和发送，

45、具体作用包括：监听手机控制端的连接请求，并与手机控制端进行网络连接；接收手机控制端发送的控制信息并交给命令解析模块进行处理；为了在家里可以方便地进行家居控制，系统设计和实现了 WiFi网络服务模块。 5.1.1 Wi-Fi 网络服务模块 Wi-Fi 网络服务模块使用 Java 语言实现，并采用目前常用的用户数据包协议（User Datagram Protocol，UDP）和传输控制协议（Transmission Control Protocol ，TCP）进行数据传输。Java 编程语言能很好地支持 UDP 和 TCP 协议，对于 UDP 协议，Java 提供了类 Datagram

46、Socket、DatagramPacket、MulticastSocket；对于 TCP 协议，Java 提供了套接字（Socket）和 ServerSocket。UDP 协议是一种面向无连接的传输层协议，不提供数据包分组、排序和组装的功能，无法获知发送的数据包是否被接收者完整地接收，提供简单不可靠的信息传输服务，适合传输数据较少的应用场景，具有消耗额外资源少、传输速度快的特点；相反，TCP 是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输控制协议，使用 TCP 进行通信需要经过建立连接、传输数据、释放连接三个过程，提供端到端全双工传输的通信方式，具有面向连接、可靠性高、传输速度慢的特点。Wi-Fi

47、 网络服务模块是手机控制端和家居服务器通信的桥梁，用于交换两者之间的数据，其将 TCP 和 UDP 协议作为其通信的底层传输协议。 5.2 命令解析的模块的作用 命令解析模块主要负责解析网络服务模块收到的数据报文，然后根据数据报文中包含的命令执行命令处理模块中相应的功能。由于网络服务模块会收到 UDP数据包、TCP 数据包两种报文，因此命令解析模块必须能够解析这两种报文。 5.3 命令处理的设计与实现 命令处理模块根据命令解析模块解析的结果，执行相应的功能模块。根据系统的功能需求分析，系统将命令处理模块化分为发现服务器、家电控制等功能。 1. 发现服务器 用户在家庭内通过手机控

48、制端软件控制家电设备时，必须要先找到家居服务器。手机控制端软件首先在家庭 Wi-Fi 网络中广播包含发现服务器命令的 UDP 数据包，当服务端 Wi-Fi 服务模块收到广播的 UDP 数据包后，经过命令解析模块获得 UDP 数据包中的发现服务器命令，接着执行发现服务器模块将家居服务器的信息发送给手机控制端。发现服务器模块首先从 UDP 数据包的数据部分提取手机控制端用来接收 UDP 数据包的端口号，然后获取家居服务器上所有的 IP 地址（一台机器上可能有多个 IP 地址），接着为每一个 IP 地址分配一个可用的端口号，最后使用每个 IP 地址及其端口号构造一个 UDP 数据包，并根据前面获取的

49、手机端接收UDP 数据包的端口号，将构造的 UDP 数据包发送给手机控制端。 2. 家电控制 当用户在手机控制端点击家电控制时，系统服务端软件会将家居控制系统中注册的所有家电设备发送给手机控制端，然后用户可选择其中的某一个设备进行控制。用户对某一设备控制时会将设备的标识符、控制命令以及控制参数会传递给家电控制模块，家电控制模块通过设备的标识符从数据库中找到设备的网络地址以及端口号，然后根据网络地址和端口号将控制命令及其参数发送给相应的设备。 5.4 用手机控制LED灯来模拟手机控制家电系统电路图 由于条件限制，所以采用LED灯来代替家电，模拟手机控制家电系统，电路图如图5.1。

50、图5.1 5.5 本章小结 本章对系统服务端进行详细的设计和实现，首先对与手机控制端直接交互的网络服务模块进行设计与实现，该模块由 Wi-Fi 网络服务模块组成，接着详细分析了对 UDP 数据包、TCP 数据包的解析，然后对系统的命令处理模块的设计与实现进行说明，最后画出用手机控制LED灯来模拟手机控制家电系统电路图。 第六章 结束语 6.1 本文工作 本文首先介绍智能家居控制系统的发展现状，然后讨论了智能手机的快速发展对智能家居控制方式的影响，虽然已经可预见

51、未来手机将会成为智能家居系统的主流控制终端，但由于目前市面上基于手机提供的控制方式不够便捷、自然，大大影响了用户的使用体验。在这样的背景下，本文设计和实现了基于智能手机的智能家居控制系统，该系统综合使用手机的加速度传感器、陀螺仪进行用户手势识别，为用户提供一种自然便捷的控制方式来提高使用体验，同时采用 Wi-Fi网络作为家庭网络将智能家电设备组织在一起，并将家居服务器作为连接手机和家电的纽带，使得用户可以远程控制家电。 本文接着对系统实现过程中用到的相关技术进行研究，介绍了 Wi-Fi 网络，然后对系统总体需求以及设计原则进行说明，并根据系统总体需求以及设计原则对系统进行总体设计，给出了系

52、统网络结构图以及模块化设计的系统体系结构；接着对手机控制端进行设计。对系统进行总体设计后，本文对系统手机控制端的设计与实现分模块进行详细说明：首先介绍家电控制模块，接着对手机端入网设备注册模块进行设计与实现。在对系统手机控制端的设计与实现详细介绍后，本文对系统服务端的设计与实现进行介绍，首先介绍为用户提供 Wi-Fi网络服务模块，接着介绍对 UDP 数据包、TCP 数据包进行解析的命令解析模块，最后对命令处理模块进行详细说明。由于条件限制本文采用手机控制LED灯亮灭，来模拟智能家居手机控制家电系统。 6.2 总结与展望 本文设计并模拟了基于智能手机的智能家居控制系统，可以使用户便捷地对家

53、电进行控制，但系统中还存在一些问题需要进一步解决和完善，主要包括以下几个方面： 控制距离短，目前还不能实现远程控制。不能在现有家电上直接进行操作，目前还不能普及。 致谢 四年多的大学生活将要结束，这期间收获很多，学到很多，在此由衷感谢大学期间关心我和帮助我的人，是你们让我的大学生活更加精彩。 在这里我要感谢我敬爱的导师——陈鼎导师，陈老师负责的教学态度，平易近人的风格，深深感染着我，在学习和工作上使我受益匪浅。在此向陈老师表示真诚地谢意！ 由衷感谢我的家人，你们的鼓励是我前进的动力！ 最后，衷心感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授！ 参考文献

54、[1] 王明秋.智能控制家居的设计与实现[D].武汉:华中师范大学.2006. [2] 韩洪江,张建军等.智能家居系统与技术[M].合肥:合肥工业大学出版社.2011年. [3] 向忠宏.智能家居[M].北京:人民邮电出版社. 2001 年. 附 录 #include typedef unsigned char uint8; typedef unsigned int uint16; sbit LED1 = P2^0; sbit LED2 = P2^1; sbit

55、LED3 = P2^2; sbit LED4 = P2^3; uint8num,Buf[] = "akhsdkasd\n"; void UART_init(void)//115200bps@11.0592MHz {PCON &= 0x7F;//波特率不倍速SCON = 0x50;//8位数据,可变波特率AUXR |= 0x04;//独立波特率发生器时钟为Fosc,即1TBRT = 0xFD;//设定独立波特率发生器重装值AUXR |= 0x01;//串口1选择独立波特率发生器为波特率发生器AUXR |=

56、0x10;//启动独立波特率发生器ES = 1;EA = 1; } void send_byte(uint8 date) {SBUF = date;while(TI == 0);TI = 0; } void send_string(uint8 *buf) {while(*buf != '\0'){send_byte(*buf++);} } void delay(uint16 n) {while(n--); } void main() {UART_init(); whi

57、le(1); //{ //send_string(Buf); //delay(20000); //} } void interrupt_UART() interrupt 4 {if(TI){TI = 0;REN =1;}if(RI){RI = 0;num = SBUF;switch(num){case '1':LED1 = 0 ;break;case '2':LED2 = 0 ;break;case '3':LED3 = 0 ;break;case '4':LED4 = 0 ;break; case '5':LED1 = 1 ;break;case '6':LED2 = 1 ;break;case '7':LED3 = 1 ;break;case '8':LED4 = 1 ;break;default:break;}num++;SBUF = num;REN = 0;} } 第 26 页 共 26 页

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