智能家居手機控制家電系統(tǒng)

1、學士學位論文題目：智能家居手機控制家電系統(tǒng)分院：專業(yè)：班級：學號：姓名：指導教師：隨著人們生活水平逐漸的提高，大家對生活質(zhì)量的要求也就越來越高，從而推動了智能家居的發(fā)展，隨著普通家庭使用家電設備漸漸增多，迫切的需要集中控制家電設備。如此同時，智能手機性能的提升以及互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使得智能手機已成為人們生活中不可缺少的一部分，以后將成為智能家電控制系統(tǒng)的主流控制終端。在這樣的背景下，本文研究智能家居手機控制家電系統(tǒng)，該系統(tǒng)以wifi通信技術為基礎，以Android智能手機作為終端控制，安裝手機APP向系統(tǒng)發(fā)送命令來達到對家電的控制。因條件限制，本課題中手機對家電的控制將采用模擬的方法，即通過智能手

2、機控制LED的亮滅來代替手機對家電的控制。關鍵詞：智能家居智能手機Androidwifi第一章緒論51.1 課題背景51.1.1 課題來源51.1.2 研究意義51.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）61.2.1 國外研究現(xiàn)狀：61.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀：61.2.3 發(fā)展趨勢及文獻綜述：71.3 本課題研究內(nèi)容81.4 章節(jié)安排8第二章相關技術研究及分析92.1 Wi-Fi技術研究92.1.1 Wi-Fi網(wǎng)絡的基本結構102.1.2 Wi-Fi網(wǎng)絡工作原理102.2 本章小結11第三章基于智能手機的家居控制系統(tǒng)的總體分析與設計123.1 系統(tǒng)總體需求分析123.1.1 功能性需求12

3、3.1.2 非功能性需求123.2 系統(tǒng)的設計原則133.3 系統(tǒng)總體設計133.3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構設計133.3.2 系統(tǒng)體系結構設計及模塊功能分析143.4 本章小結15第四章手機控制端的詳細設計與實現(xiàn)154.1 家電控制154.1.1 家電控制的實現(xiàn)164.2 入網(wǎng)設備注冊164.3 手機控制端軟件設計代碼164.4 本章小結16第五章系統(tǒng)服務端的詳細設計與實現(xiàn)175.1 網(wǎng)絡服務的設計與實現(xiàn)175.1.1 Wi-Fi網(wǎng)絡服務模塊175.2 命令解析的模塊的作用185.3 命令處理的設計與實現(xiàn)185.4 用手機控制LED燈來模擬手機控制家電系統(tǒng)電路圖195.5 本章小結19第六章結束語

4、216.1 本文工作216.2 總結與展望21第一章緒論本章主要闡述本文寫作的課題來源、研究現(xiàn)狀、研究意義以及研究目的1.1 課題背景1.1.1 課題來源智能家居是物聯(lián)網(wǎng)在家庭中的體現(xiàn)，不只是為人們提供了安全、便利、舒適的生活設施，而且還可以保證人們居住環(huán)境環(huán)保節(jié)能。隨著越來越多的家電逐漸的走進了千家萬戶，所以很多家庭迫切的需要集中地對家電進行控制，因此需要引入智能家居。智能家居主要是通過無線通信技術來控制家庭中的家電設備，如電燈設備、空調(diào)設備、電視設備、冰箱設備等。目前，智能家居控制系統(tǒng)主要是采用以下三種控制方案：（1）鍵盤、紅外線遙控器、觸摸平板等作為控制終端，這些方式需要對控制終端的軟硬

5、件分別進行設計，設計成本較高，此外它們僅支持本地控制不能實現(xiàn)遠程控制；（2）PC機作為控制終端，這種方式存在非常明顯的成本高、不易攜帶、體積大等問題，不能滿足現(xiàn)代智能家居控制系統(tǒng)的需求；（3）手機作為控制終端，這種方式為用戶提供方便的、快捷的、統(tǒng)一的控制終端，但是目前采用手機作為控制終端的系統(tǒng)大多采用按鍵的方式，用戶體驗不好，而且操作復雜。隨著智能手機的日益普及，智能手機可通過自身的各種傳感器、藍牙、Wi-Fi、GSM等多種方式控制智能家電，為用戶提供多種交互方式，其成為智能家居的主流控制終端是智能家居控制系統(tǒng)未來發(fā)展的趨勢?；贏ndroid操作系統(tǒng)的智能手機發(fā)展迅速，據(jù)市場研究公司IDC發(fā)

6、布最新的報告顯示，安裝Android操作系統(tǒng)的手機市場占有率已經(jīng)達到75%。2011年Google在I/O年度開發(fā)者大會上公布AndroidHome®目，該項目使用Android手機或者平板電腦控制電燈、咖啡機、無線立體聲系統(tǒng)，使基于Android系統(tǒng)的設備進入智能家居領域，可以預見基于Android系統(tǒng)的遠程控制系統(tǒng)將成為智能家居控制系統(tǒng)的重要組成部分。1.1.2研究意義隨著計算機和網(wǎng)絡通信技術的迅速發(fā)展，家居的信息化程度越來越高，人們希望隨時隨地控制家居，創(chuàng)造更加智能化、自動化、人性化的居住環(huán)境。人們希望遠程控制電飯煲、熱水器等，回到家便可以吃飯洗澡；希望遠程監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境，隨時了

7、解家庭情況，尤其是家中有孤寡老人或小孩子；目前，智能家居已經(jīng)可以與家庭外部環(huán)境進行信息的交互，使得這一切逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實，正逐漸改變?nèi)藗兊墓ぷ鞣绞胶蜕罘绞?，家庭的自動化、智能化將逐步進入人們的日常生活。伴隨智能家居的不斷發(fā)展，進入家庭中的智能家電也越來越多，對各種家居設備的控制越來越重要，因此研究智能家居控制系統(tǒng)是非常必要的。智能家居控制系統(tǒng)的研究使用戶更加方便控制家電設備,提高家居生活的便利性，已經(jīng)成為智能家居系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(含文獻綜述)自1998年以來，信息、家電、通信廠商開始廣泛關注智能家居控制領域，許多公司將智能家居控制系統(tǒng)作為公司的戰(zhàn)略發(fā)展項目

8、，如舊M、Microsoft、HRIntel、Cisco、3comEricsson、Sony等計算機軟硬件、家電、通信廠商紛紛投資于智能家居控制產(chǎn)品的研發(fā)與設計。經(jīng)過多年的發(fā)展，智能家居控制系統(tǒng)經(jīng)歷以下三個階段：(1)家庭電子化，主要是沒有構成網(wǎng)絡的單個電器；(2)住宅自動化，部分的家電為了實現(xiàn)某個單一功能構建簡單的網(wǎng)絡；(3)家居智能化，所有家電通過網(wǎng)絡相互連接、相互配合工作，為用戶提供安全、舒適的家庭生活。1.2.1國外研究現(xiàn)狀：在智能家居控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)方面，歐美國家起步較早，目前處于領先地位。近年來，以谷歌、迪斯尼公司及國際商用機器公司(InternationalBusinessM

9、achines,IBM)等為首的多家國外知名企業(yè)，先后投身于智能家居控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)中。例如：谷歌的AndroidHome項目、迪斯尼公司與微軟、惠普共同設計的InnoventionsDreamHome、IBM公司開發(fā)的HomeDirector等均以日趨穩(wěn)定的技術和強大的研發(fā)能力設計和提供了智能家居控制系統(tǒng)的解決方案。國外主要的產(chǎn)品有：1. X-10系統(tǒng)，X-10系統(tǒng)將220V的電力線作為家庭網(wǎng)絡的信息傳輸介質(zhì)，通過電力線傳播X-10信息來實現(xiàn)對智能家居的控制。由于該系統(tǒng)具有成本高、部署難度大的缺點，在國內(nèi)一直沒有打開市場。2. 電氣安裝總線(ElectricalInstallationB

10、us,EIB)系統(tǒng),該系統(tǒng)以預埋總線作為傳輸介質(zhì)通過中央控制的方式進行家居控制。3. 8X系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用預處理總線作為信息傳輸介質(zhì)，通過集中控制方式來實現(xiàn)家居控制，具有良好的擴展性并且技術比較成熟。4. AndroidHome隨著智能手機的日益普及，2011年Google推出此智能家居控制方案，該方案利用Android智能終端與中央控制器進行通信，中央控制器通過2.4GHz轉900MHz轉換器將控制命令發(fā)送給相關裝置，實現(xiàn)對燈、飲水機等設備的控制，可以播放無線立體聲音響系統(tǒng)，目前該方案還在研發(fā)當中。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀：智能家居控制系統(tǒng)在國內(nèi)發(fā)展比較晚，目前也有一些企業(yè)使用國外提出的技術推

11、出了自己的產(chǎn)品，主要有：1 .海爾的“e家庭”，該系統(tǒng)將海爾電腦和海爾手機分別作為控制中心和移動數(shù)字控制中心，同時將網(wǎng)絡家電設備作為終端設備。這樣使用海爾的產(chǎn)品可以打造出一個完整的“e家庭”。2 .清華同方的e-home數(shù)字家園，該系統(tǒng)遵循國際家居控制系統(tǒng)的技術標準，采用嵌入式軟硬件技術提供符合中國國情的家庭自動化產(chǎn)品。3 .科龍集團的“現(xiàn)代家居信息服務集散控制系統(tǒng)”，該系統(tǒng)以基于OSGi規(guī)范的家庭服務器為控制中心，在家庭內(nèi)外兼容各種網(wǎng)絡通信技術，為用戶提供遠程家電控制和家庭娛樂的服務。目前，國內(nèi)的智能家居控制系統(tǒng)產(chǎn)品具有操作復雜、價格高、部署難的特點，與國外同類產(chǎn)品相比還有一定的差距。不過相

12、信隨著對智能家居控制系統(tǒng)的研究，國內(nèi)會設計出操作簡單、成本低的智能家居控制系統(tǒng)。目前，國內(nèi)的智能家居控制系統(tǒng)產(chǎn)品具有操作復雜、價格高、部署難的特點，與國外同類產(chǎn)品相比還有一定的差距。不過相信隨著對智能家居控制系統(tǒng)的研究，國內(nèi)會設計出操作簡單、成本低的智能家居控制系統(tǒng)。1.2.3發(fā)展趨勢及文獻綜述：智能家業(yè)的發(fā)展趨勢:智能家居一直有著解決方案性能單一、價格高、難以規(guī)模推廣的發(fā)展瓶頸，但隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，物聯(lián)網(wǎng)智能家居的應用需求日益增強，物聯(lián)網(wǎng)智能家居行業(yè)將打開新的局面。智能家居涉及裝修、通信、網(wǎng)絡電子傳感器、家電等多個領域，滲透到生活白各個方面，可帶動多個行業(yè)共同發(fā)展。之前

13、的智能家居概念，各子系統(tǒng)不能統(tǒng)一控制，相互協(xié)調(diào)，網(wǎng)絡的潛能、優(yōu)勢尚未有效的開發(fā)，而物聯(lián)網(wǎng)智能家居則會打破這一局面。所以只能家居的發(fā)展趨勢非常好。文獻綜述：淺析智能家居發(fā)展方向（千家網(wǎng)）：隨著市場的逐步打開及時代的發(fā)展，智能家居的發(fā)展方向逐步從偏技術轉向偏用戶。家庭能源管理、用戶體驗、開放式的家庭信息平臺以及個性化的增值服務逐漸成為各廠商重點投入的方向。簡單的無線部署以往智能家居系統(tǒng)的綜合布線使得智能家居產(chǎn)品一直懸于市場的高端。裝修前需要專業(yè)人士的設計和布線也是制約智能家居發(fā)展的一大因素。為解決有線弊端，數(shù)字無線技術在全球得到大規(guī)模發(fā)展，其便利、靈活、無盲點等特征倍受青睞。也許幾年之后，綜合布線

14、將會成為人們記憶中的往事。家庭能源管理隨著全球能源問題日漸突出，節(jié)能減排是必然的發(fā)展趨勢。而智能家居系統(tǒng)能實現(xiàn)實時統(tǒng)計家電的用電情況，能夠根據(jù)情況自動切斷待機電器的電源，這樣即方便我們控制家電又能做到節(jié)能環(huán)保。據(jù)統(tǒng)計，如果每個人都及時關閉待機電器的電源，節(jié)省的電能可以供應東北三省所有的家庭用電。以一戶普通三室戶為例，如果及時關閉待機電器電源，可以為其節(jié)省約33%£右的電?？梢娭悄芗揖酉到y(tǒng)在家庭能源管理方面能為節(jié)能減排做出不小的貢獻。用戶體驗隨著iPhone的誕生，人們對手機的體驗有了全新的認識和體驗。逐漸地用戶開始對產(chǎn)品的外觀、使用提出了更高的需求，使得用戶體驗越來越占有智能家居產(chǎn)品

15、的重要地位。更快捷的控制方式、更簡單的操作界面、更多平臺的終端控制、更自然的人機交互過程給智能家居廠商提出了更高的要求。一個優(yōu)秀的智能家居產(chǎn)品必需要一套優(yōu)秀的用戶體驗方案來支撐。針對擁有眾多不同情況的用戶就需要考慮更多的細節(jié)。比如軟件的控制流程要盡可能簡單，應用結構也要盡可能簡單，讓老人或小孩都能很方便的進行操作。同時，在界面設計中，按鈕要盡量清晰，盡量大，并且按照符合人們?nèi)粘Ａ晳T進行顏色的區(qū)分，比如紅色代表警告，灰色代表取消等等。另外還要根據(jù)不同的終端設備設計不同的界面布局。比如觸摸手機一般是單手操作，所以在界面布局時就要考慮單手操作的方便性，與平板電腦的界面就有所不同。語言是人類最基本最直

16、接的交流方式。所以智能家居系統(tǒng)的發(fā)展必然會向著語音識別技術及傳感識別技術的方向發(fā)展。最終達到人們與系統(tǒng)間可以進行越來越自然的交互，從而真正做到“智能”，真正使智能家居融入家庭，融入生活。開放式的家庭信息平臺智能家居系統(tǒng)不能僅僅局限于感知與控制，而應該包含與家庭有關的任何信息的集中管理。所以智能家居系統(tǒng)需要開放式的家庭信息平臺。平臺上可以集成與家庭有關的繳費信息如水電煤的賬單推送及在線繳費。也可以集成按家庭地理位置推送的周邊商戶的促銷信息。如果與社區(qū)對接，可將社區(qū)信息、通知、活動信息等內(nèi)容推送到家中的智能家居系統(tǒng)中。1.3本課題研究內(nèi)容課題致力于研究一套完整的智能家居控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)各個子系統(tǒng)間

17、的互聯(lián)和信息通信，以及統(tǒng)一管理各個子系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由智能家居控制系統(tǒng)核心中央主控制器、子系統(tǒng)終端分控制器和移動手機控制端系統(tǒng)三部分組成，采用無線技術組建網(wǎng)絡實現(xiàn)各系統(tǒng)間的信息通信，從而實現(xiàn)控制功能。本課題的具體研究內(nèi)容如下：1 、智能家居系統(tǒng)核心控制平臺的設計與實現(xiàn)以12C5A60S2散處理器的硬件平臺，結合WIFI無線通信模塊搭建中央主控制器開發(fā)平臺，為操作系統(tǒng)提供必要的運行的環(huán)境，控制家電儀器。2 、移動手機控制端的設計與實現(xiàn)設計以Android智能手機為平臺，設計一款可通過WiFi向控制器發(fā)送和接收命令的手機客戶端。本課題研究方案是：因條件有限，家電的集成化，本課題中對家電的控制將采用

18、模擬的方法，即控制LED的亮滅來代替對家電的控制。研究方案：1、搭建硬件平臺：搭建好以12C5A60S協(xié)核心處理器對LED的控制裝置。2、配置網(wǎng)絡環(huán)境：驅(qū)動wifi模塊，配置好網(wǎng)絡環(huán)境。3、手機客戶端的實現(xiàn)與控制：安裝手機APP向系統(tǒng)發(fā)送命令。4、系統(tǒng)運行：運行系統(tǒng)，看能否實現(xiàn)手機通過WiFi對LED的控制。1.4章節(jié)安排本文其余章節(jié)安排如下：第二章：對系統(tǒng)實現(xiàn)所需的相關技術進行研究和分析。首先介紹了Wi-Fi網(wǎng)絡的基本結構、Wi-Fi網(wǎng)絡的工作原理。第三章：基于智能手機的家居控制系統(tǒng)的總體分析與設計。首先對系統(tǒng)進行總體的需求分析，然后對系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構和體系結構進行了設計，接著對系統(tǒng)各組成模塊

19、進行劃分和設計。第四章：手機控制端的設計與實現(xiàn)。第五章：系統(tǒng)服務端的設計與實現(xiàn)第六章：系統(tǒng)測試，本章首先介紹系統(tǒng)測試的軟硬件環(huán)境，然后描述系統(tǒng)各組成模塊的功能測試，最后對系統(tǒng)性能進行測試。第七章：結束語。本章總結了本文的工作，討論了本文需改進的地方。第二章相關技術研究及分析本章介紹了實現(xiàn)系統(tǒng)所需的相關技術，Wi-Fi網(wǎng)絡的基本結構、Wi-Fi網(wǎng)絡的工作原理。2.1 Wi-Fi技術研究2.1.1 Wi-Fi網(wǎng)絡的基本結構1） Wi-Fi協(xié)議Wi-Fi即IEEE802.11協(xié)議15，是無線局域網(wǎng)（WirelessLocalAreaNetworks,WLAN技術一IEEE802.11系列標準的商用名

20、稱，是一種可將個人電腦、手機、平板電腦、掌上電腦（PersonalDigitalAssistant,PDA等終端通過無線進行互連的技術；目前，IEEE802.11標準包括IEEE802.11a、IEEE802.11b以及IEEE802.11g三個標準，統(tǒng)稱為Wi-Fi。與其他網(wǎng)絡協(xié)議類似，Wi-Fi協(xié)議也是按照層次來組織的。Wi-Fi網(wǎng)絡協(xié)議包括邏輯鏈路控制層（LogicalLinkControl,LLC）、介質(zhì)訪問控制層（MediumAccessControl,MAC、物理層，由IEEE802.11協(xié)議定義。1）物理層:802.11a采用正交頻分復用技術（OrthogonalFrequenc

21、yDivisionMultiplexing,OFDM技術，定義了工作在5GHz頻段數(shù)據(jù)傳輸率為54Mpbs的物理層；802.11b采用補碼鍵控技術和直接序列擴頻（DirectSequenceSpreadSpectrum,DSSS技術，定義了工作在2.4GHz頻段數(shù)據(jù)傳輸率為11Mpbs的物理層；而802.11g在2.4GHz的頻段采用正交頻分復用調(diào)制技術，使得物理層的數(shù)據(jù)傳輸速率可達到54Mbps。2） MAC層：IEEE802.11工作組為所有物理層定義一個公共的MAC層，有利于對物理層進行管理。MAC層除了處理物理層無線信道接入外，還具有如下的功能：采用載波偵聽多點接入/沖突避免（Carr

22、ierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance,CSMA/CA協(xié)議解決數(shù)據(jù)沖突、網(wǎng)絡信標同步、支持個人區(qū)域網(wǎng)絡（PersonalAreaNet,PAN鏈路的建立和斷開等。3） LLC層：對網(wǎng)絡層提供抽象的鏈路層驅(qū)動，屏蔽底層不同類型的網(wǎng)絡硬件，并根據(jù)48位的MAC地址為無線和有線網(wǎng)絡之間的橋接提供方便。2.Wi-Fi網(wǎng)絡的基本構成Wi-Fi網(wǎng)絡由站點（Station）、基本服務單元（BasicServiceSet,BSS、分配系統(tǒng)（DistributionSystem,DS、接入點（AccessPoint,AP）擴展服務單元（ExtendedServi

23、ceSet,ESS、關口（Portal）等六部分組成，下面詳細說明這些組成部分。1） Station:網(wǎng)絡最基本的組成部分，既可以是平板電腦、手機、PDA等手持無線設備，也可以是一臺普通的個人電腦。2） BSSWi-Fi協(xié)議規(guī)定的無線局域網(wǎng)的最小組成單元，由一個基站和若干個站點組成。一個BSS內(nèi)的站點可以相互直接通信，但是當與此BSS外的站點進行通信時則需通過此BSS的基站。3） DS用于連接不同的BSS。DS通過邏輯服務給目標站點匹配站點，使得在多個BSS之間實現(xiàn)無縫整合。另外，盡管DS和BSS物理上可能會是同一個媒介，但DS使用的媒介在邏輯上和BSS是截然不同的。4） AR是BSS里面的基

24、站，其作用與網(wǎng)橋相似。5） ESS由DS和BSS組合而成。一個BSS即可單獨存在，也可通過接入點接入到主干DS中與另一個BSS相連就構成一個ESS。6） Portal:是無線局域網(wǎng)與其他網(wǎng)絡聯(lián)系的橋接點。2.1.2Wi-Fi網(wǎng)絡工作原理1 .Wi-Fi工作的基本原理Wi-Fi網(wǎng)絡工作至少需要一個接入點和一個客戶端。接入點每隔100毫秒會將服務單元標識（ServiceSetIdentifier,SSID）經(jīng)由信號臺（beacons）封包廣播一次，信號臺封包的傳輸速率是1Mbps且數(shù)據(jù)包長度非常短，因此廣播動作對網(wǎng)絡的影響可以忽略不計。由于Wi-Fi協(xié)議指定的最小傳輸速率是1Mbps,因此可保證所

25、有的Wi-Fi客戶端均可收到SSID廣播封包，客戶端可根據(jù)SSID的名稱以及信號的強度選擇與某個SSID連接。2 .Wi-Fi的工作方式Wi-Fi提供了兩種基本的工作模式：Infrastructure模式和Ad-hoc模式。Infrastructure模式由一個無線接入點和多個無線終端站點組成，主要為無線接入點覆蓋范圍內(nèi)的各站點提供服務。Ad-hoc模式也稱為點對點模式（PeartoPear模式），由一組無線終端組成，作為獨立的基本服務單元，此模式不需要其他額外設施的支持即可使覆蓋范圍內(nèi)的站點通信。2.2本章小結本章主要介紹了系統(tǒng)設計與實現(xiàn)過程中使用的Wi-Fi通信技術，介紹了Wi-Fi網(wǎng)絡的

26、基本結構、工作原理。第三章基于智能手機的家居控制系統(tǒng)的總體分析與設計3.1 系統(tǒng)總體需求分析本文所設計的系統(tǒng)是以Wi-Fi通信技術為基礎，以智能手機作為控制終端，用戶只要使用手機終端簡單地執(zhí)行幾個操作就可以方便地控制家庭中的家電設備，下面從功能與非功能兩個方面來分析系統(tǒng)的需求。3.1.1 功能性需求1 .家電控制功能：由于現(xiàn)在家庭中的家電設備比較多，采用集中控制的方式是一個理想的選擇。這里采用家居服務器作為家電控制中心，用戶使用控制終端通過Wi-Fi網(wǎng)絡與家居服務器進行信息交換，進而集中控制各種家電和設備，同時家居服務器還可接入Internet,使得用戶可以在家庭以外的地方通過Internet

27、遠程控制電燈、空調(diào)、熱水器等家電設備。為了使用戶方便、快捷地以一種自然的方式進行家居控制。2 .Wi-Fi設備配置功能：目前一個Wi-Fi設備接入Wi-Fi網(wǎng)絡時，首先搜索附近的Wi-Fi網(wǎng)絡信號，從搜索到的Wi-Fi網(wǎng)絡列表中選中需要連接的無線網(wǎng)絡，然后手動輸入相應密碼后建立網(wǎng)絡連接，過程比較繁瑣。在家庭網(wǎng)絡中，家電設備會經(jīng)常更換、變動位置，使得這種配置方式難以用于家電設備。為此本文提出了一種使用移動終端通過Wi-Fi配置入網(wǎng)設備的簡單方法，通過該方法手機控制終端可以一種簡單的方式將Wi-Fi家電設備注冊到家庭網(wǎng)絡中。結合上述功能給出的圖例，如圖3.1所示：家電控制Wifi設置配置圖3.13

28、.1.2非功能性需求本系統(tǒng)屬于家庭控制領域，且與人們的日常生活密切相關，因此除了滿足上述功能外，還需滿足下列非功能性需求。1 .操作方便：由于本系統(tǒng)將用于家庭中，因而需使得家庭中不同年齡段的人均能夠方便地進行操作，否則會大大影響系統(tǒng)的適用范圍。2 .兼容性好：系統(tǒng)以手機作為控制終端，因此軟件必須能夠兼容不同品牌、不同型號的智能手機。3 .功耗低：目前手機的功耗問題主要集中在對電量、CPU以及內(nèi)存消耗等方面。本系統(tǒng)只需安裝普通軟件，不會占用太多內(nèi)存。3.2系統(tǒng)的設計原則設計智能家居控制系統(tǒng)需遵循的原則：1 .可靠性：系統(tǒng)應用于家庭控制領域，可靠性是首先需要考慮的原則，因為智能家居控制與人們的生活

29、息息相關，需要高可靠性，如果經(jīng)常出現(xiàn)問題會對人們的生活帶來很大的不便，會大大降低智能家居的實用性，影響系統(tǒng)設計的初衷，故整個系統(tǒng)必須具有高可靠的工作能力。2 .安全性：本文設計的系統(tǒng)與用戶的家庭生活和家電設備相關，系統(tǒng)必須保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕謾C控制端和家居服務器進行通信時采用WS-Security規(guī)范，WS-Security能夠滿足傳輸消息的完整性和機密性要求。3 .實用性：即設計的系統(tǒng)必須要貼近人們的生活，不能漫無邊際、天馬行空脫離實際需求，同時還需考慮系統(tǒng)在應用過程中的便捷性、易操作性以及普及性。本文設計的系統(tǒng)使得用戶可通過手機簡單方便地操控家電設備，操作方式

30、自然簡單，易于推廣。4 .經(jīng)濟性：作為普通家庭使用的家居控制系統(tǒng)，經(jīng)濟性是必須要考慮的因素，不能因為追求技術領先性和高端形象，使系統(tǒng)需要付出幾倍于其他系統(tǒng)的代價。本系統(tǒng)在設計與實現(xiàn)中僅使用常見的Android手機和普通的PC機以及普遍存在的Wi-Fi設備，與其他同類系統(tǒng)相比成本比較低。5 .可擴展性：隨著網(wǎng)絡技術和智能設備的不斷發(fā)展，家居控制的需求會不斷發(fā)生變化，這就要求系統(tǒng)必須良好的可擴展性。為了方便添加新功能或修復現(xiàn)有功能，對本文的系統(tǒng)進行層次化設計，對功能進行模塊劃分，使得系統(tǒng)具有良好的擴展性。3.3系統(tǒng)總體設計3.3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構設計智能家居手機控制家電系統(tǒng)，整個系統(tǒng)使用普通的PC

31、機作為智能家居控制系統(tǒng)的家居服務器和Web服務器，以Wi-Fi協(xié)議作為基礎構建家庭內(nèi)部網(wǎng)絡，Android智能手機作為控制終端。在家庭中時，Android手機通過Wi-Fi向家居服務器發(fā)送控制命令，然后家居服務器通過Wi-Fi家庭網(wǎng)絡將控制命令傳送到相應的家電設備，從而實現(xiàn)控制家電設備的功能。3.3.2 系統(tǒng)體系結構設計及模塊功能分析根據(jù)系統(tǒng)的需求在結構上把系統(tǒng)分為手機控制端和服務端，并且手機控制端和服務端均采用模塊化設計。其中，手機控制端包括家電控制、入網(wǎng)設備配置；服務端包括數(shù)據(jù)存取、網(wǎng)絡服務、命令解析、命令處理模塊，如圖3.2所示。手機控制端服務端圖3.2系統(tǒng)體系結構圖1 .手機控制端手機

32、控制端軟件基于Android系統(tǒng)開發(fā)，進行控制時首先將控制命令發(fā)送到服務端，服務端軟件解析控制命令，然后再將控制指令發(fā)送給相應設備來完成用戶的需求。手機控制端軟件采用模塊化的設計思想，各模塊實現(xiàn)具體的功能，各個模塊之間的耦合度低。從圖3.2可以看出，手機控制端軟件分為家電控制、入網(wǎng)設備配置。家電控制模塊：該模塊為用戶提供一種自然的手機控制方式來進行家電控制，識別用戶發(fā)出的控制命令后，將識別出的控制命令發(fā)送到服務端，服務端根據(jù)這些控制命令為用戶執(zhí)行相關的操作。入網(wǎng)設備配置模塊：該模塊負責將Wi-Fi家居設備注冊到家居控制系統(tǒng)中，使得用戶可以通過手機控制端軟件控制新加入的家居設備，該模塊通過Wi-

33、Fi能方便簡單地配置Wi-Fi家電入網(wǎng)設備，大大提高系統(tǒng)的實用性。2 .服務端服務端軟件分為四個模塊，分別是數(shù)據(jù)存取模塊、網(wǎng)絡服務模塊、命令解析模塊、命令處理模塊?？傮w上采用模塊化設計，以下對每個模塊分別進行分析。®數(shù)據(jù)存取模塊：該模塊位于數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和業(yè)務邏輯之間，向上為業(yè)務邏輯層提供數(shù)據(jù)存取服務，向下屏蔽不同數(shù)據(jù)庫的差異。當前系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是MySQLServer5.6.10,為了保證系統(tǒng)擴展性和可維護性，當前在操作數(shù)據(jù)庫時均采用標準的SQL語句，并將數(shù)據(jù)庫操作均封裝在本模塊中，以函數(shù)方式提供給業(yè)務邏輯層。網(wǎng)絡服務模塊：該模塊是采用Wi-Fi服務模塊為用戶提供Wi-F

34、i這種通信方式，使得用戶在家里可以控制家電設備。該模塊主要負責與手機控制端進行連接、身份認證以及接收控制命令。其中，手機控制端通過Wi-Fi網(wǎng)絡與Wi-Fi服務模塊建立TCP連接，進而使用Socket技術向Wi-Fi服務模塊發(fā)送控制命令。命令解析模塊：該模塊相當于一個控制器，對網(wǎng)絡服務模塊獲得的數(shù)據(jù)包進行解析，在獲取數(shù)據(jù)包中設備名稱、設備地址以及控制命令等信息后，將這些信息傳輸給相應的命令處理子模塊處理相應的命令。命令處理模塊：不同的控制命令實現(xiàn)不同的功能，該模塊里面包含發(fā)現(xiàn)服務器、家電控制等子模塊，而每個子模塊又可以處理多個控制命令，該模塊是系統(tǒng)主要的功能模塊。3.4本章小結本章首先對系統(tǒng)進

35、行總體需求分析并給出系統(tǒng)的用例圖，然后介紹了智能家居控制系統(tǒng)的設計原則，接著對系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構和體系架構進行設計，在此基礎上進行模塊劃分以及功能分析。第四章手機控制端的詳細設計與實現(xiàn)系統(tǒng)的手機控制端是基于Android平臺開發(fā)實現(xiàn)的，Android平臺是Google發(fā)布的基于Linux操作系統(tǒng)開發(fā)的移動設備開發(fā)平臺，該平臺由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面和應用程序構成，是主流的移動開發(fā)平臺。手機控制端由家電控制、入網(wǎng)設備注冊、以及交互模塊組成，下面對這些模塊詳細說明。4.1 家電控制手機控制端的家電控制模塊使用基于智能手機設計的智能家居控制軟件，用戶通過手機頁面操作來產(chǎn)生控制命令，然后根據(jù)控制命令對

36、家電進行控制。其中，本文的基于智能手機控制家電設計出來的軟件，通過用戶操作產(chǎn)生動作執(zhí)行，這些過程再加上控制命令產(chǎn)生和設備執(zhí)行相應操作就構成了家電控制的過程，如圖4.1所示。設計用戶操作動作 執(zhí)行產(chǎn)生控 制命令設備執(zhí) 行操作圖4.1手機端家電控制過程首先對智能家居控制家電系統(tǒng)的軟件進行設計，在設計軟件時需要掌握兩個基本原則：（1）軟件應盡量簡單，用戶可以很輕松地掌握和使用；（2）軟件設計應結合家電本身的特點。由于本系統(tǒng)主要用于控制電燈、電視、冰箱、空調(diào)等家電設備，所以需根據(jù)這些家電的特點設計軟件。4.1.1 家電控制的實現(xiàn)在用戶Wi-Fi成功登錄后點擊家電控制，家電控制界面會列出注冊的所有家電設

37、備，選擇其中的一個設備，就可以使用之前設計的軟件進行控制，點開的設備會顯示設備的當前工作狀態(tài)。4.2 入網(wǎng)設備注冊入網(wǎng)設備注冊模塊主要負責將Wi-Fi家電設備注冊到家居控制系統(tǒng)中，在該模塊中使用了一種簡單的方法使用手機通過Wi-Fi配置入網(wǎng)設備，只要點擊一次手機控制端的添加入網(wǎng)設備，然后再按下入網(wǎng)設備的配置按鈕即可連接配置成功，并將入網(wǎng)設備的信息保存到數(shù)據(jù)庫中，配置成功后手機控制端在家里就能夠控制入網(wǎng)設備，簡化了操作流程。4.3 手機控制端軟件設計代碼由于受條件限制，家電的集成化，本課題中對家電的控制將采用模擬的方法，即控制LED的亮滅來代替對家電的控制。所以所寫代碼也是控制LED?滅的代碼。

38、代碼見附錄：4.4 本章小結本章首先對手機控制端的家電控制模塊進行了詳細設計，然后對家電控制進行詳細介紹，接著介紹了入網(wǎng)設備注冊模塊，最后寫出了手機控制LEW的軟件代碼。讓我們直觀的感受到智能家居手機控制家電的可行性。第五章系統(tǒng)服務端的詳細設計與實現(xiàn)系統(tǒng)服務端的功能模塊主要由網(wǎng)絡服務、命令解析以及命令處理等模塊組成，下面對這三個模塊分別進行詳細說明。5.1 網(wǎng)絡服務的設計與實現(xiàn)運行在服務端的網(wǎng)絡服務模塊用于網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，具體作用包括：監(jiān)聽手機控制端的連接請求，并與手機控制端進行網(wǎng)絡連接；接收手機控制端發(fā)送的控制信息并交給命令解析模塊進行處理；為了在家里可以方便地進行家居控制，系統(tǒng)設計和

39、實現(xiàn)了WiFi網(wǎng)絡服務模塊。5.1.1 Wi-Fi網(wǎng)絡服務模塊Wi-Fi網(wǎng)絡服務模塊使用Java語言實現(xiàn)，并采用目前常用的用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議（UserDatagramProtocol,UDP和傳輸控制協(xié)議（TransmissionControlProtocol,TCP進行數(shù)據(jù)傳輸。Java編程語言能很好地支持UDP和TCP協(xié)議，對于UDP協(xié)議，Java提供了類DatagramSocket、DatagramPacket、MulticastSocket;對于TCP協(xié)議，Java提供了套接字（Socket）和ServerSocket。UDP協(xié)議是一種面向無連接的傳輸層協(xié)議，不提供數(shù)據(jù)包分組、排序和組裝的

40、功能，無法獲知發(fā)送的數(shù)據(jù)包是否被接收者完整地接收，提供簡單不可靠的信息傳輸服務，適合傳輸數(shù)據(jù)較少的應用場景，具有消耗額外資源少、傳輸速度快的特點；相反，TCP是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸控制協(xié)議，使用TCP進行通信需要經(jīng)過建立連接、傳輸數(shù)據(jù)、釋放連接三個過程，提供端到端全雙工傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，具有面向連接、可靠性高、傳輸速度慢的特點。Wi-Fi網(wǎng)絡服務模塊是手機控制端和家居服務器通信的橋梁，用于交換兩者之間的數(shù)據(jù)，其將TCP和UDP協(xié)議作為其通信的底層傳輸協(xié)議。5.2 命令解析的模塊的作用命令解析模塊主要負責解析網(wǎng)絡服務模塊收到的數(shù)據(jù)報文，然后根據(jù)數(shù)據(jù)報文中包含的命令執(zhí)行命令處理模

41、塊中相應的功能。由于網(wǎng)絡服務模塊會收到UDP數(shù)據(jù)包、TCP數(shù)據(jù)包兩種報文，因此命令解析模塊必須能夠解析這兩種報文。5.3 命令處理的設計與實現(xiàn)命令處理模塊根據(jù)命令解析模塊解析的結果，執(zhí)行相應的功能模塊。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求分析，系統(tǒng)將命令處理模塊化分為發(fā)現(xiàn)服務器、家電控制等功能。1 .發(fā)現(xiàn)服務器用戶在家庭內(nèi)通過手機控制端軟件控制家電設備時，必須要先找到家居服務器。手機控制端軟件首先在家庭Wi-Fi網(wǎng)絡中廣播包含發(fā)現(xiàn)服務器命令的UDP數(shù)據(jù)包，當服務端Wi-Fi服務模塊收到廣播的UDP數(shù)據(jù)包后，經(jīng)過命令解析模塊獲得UDP數(shù)據(jù)包中的發(fā)現(xiàn)服務器命令，接著執(zhí)行發(fā)現(xiàn)服務器模塊將家居服務器的信息發(fā)送給手機控制

42、端。發(fā)現(xiàn)服務器模塊首先從UDP數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部分提取手機控制端用來接收UDP數(shù)據(jù)包的端口號，然后獲取家居服務器上所有的IP地址（一臺機器上可能有多個IP地址），接著為每一個IP地址分配一個可用的端口號，最后使用每個IP地址及其端口號構造一個UDP數(shù)據(jù)包，并根據(jù)前面獲取的手機端接收UDP數(shù)據(jù)包的端口號，將構造的UDP數(shù)據(jù)包發(fā)送給手機控制端。2 .家電控制當用戶在手機控制端點擊家電控制時，系統(tǒng)服務端軟件會將家居控制系統(tǒng)中注冊的所有家電設備發(fā)送給手機控制端，然后用戶可選擇其中的某一個設備進行控制。用戶對某一設備控制時會將設備的標識符、控制命令以及控制參數(shù)會傳遞給家電控制模塊，家電控制模塊通過設備的標識

43、符從數(shù)據(jù)庫中找到設備的網(wǎng)絡地址以及端口號，然后根據(jù)網(wǎng)絡地址和端口號將控制命令及其參數(shù)發(fā)送給相應的設備。5.4 用手機控制LED燈來模擬手機控制家電系統(tǒng)電路圖由于條件限制，所以采用LED燈來代替家電，模擬手機控制家電系統(tǒng)，電路圖如圖5.1_LL'. ：i電片機最小系統(tǒng):A"'其nmujciiuxurn!Fi IjUjCJ M mc3*ni加上血:UUIUM r-iJwAJjCcMBu圖5.1H 標 XHCLX電濕折示燈PL.普，ft g.'ADi 用1班E 用 用RJADd P6n wx&tEi/T 小KrijnrriifiiminiM1yEixwHi

44、FMMWZ 堂1 曲511n：l Nrk?du>n-MUM ijjojrmMMG穌 uuw0r«肉弱3嗎.一.IL5.5 本章小結本章對系統(tǒng)服務端進行詳細的設計和實現(xiàn)，首先對與手機控制端直接交互的網(wǎng)絡服務模塊進行設計與實現(xiàn)，該模塊由Wi-Fi網(wǎng)絡服務模塊組成，接著詳細分析了對UDP數(shù)據(jù)包、TCP數(shù)據(jù)包的解析，然后對系統(tǒng)的命令處理模塊的設計與實現(xiàn)進行說明，最后畫出用手機控制LED燈來模擬手機控制家電系統(tǒng)電路圖。第六章結束語6.1 本文工作本文首先介紹智能家居控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，然后討論了智能手機的快速發(fā)展對智能家居控制方式的影響，雖然已經(jīng)可預見未來手機將會成為智能家居系統(tǒng)的主流控

45、制終端，但由于目前市面上基于手機提供的控制方式不夠便捷、自然，大大影響了用戶的使用體驗。在這樣的背景下，本文設計和實現(xiàn)了基于智能手機的智能家居控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合使用手機的加速度傳感器、陀螺儀進行用戶手勢識別，為用戶提供一種自然便捷的控制方式來提高使用體驗，同時采用Wi-Fi網(wǎng)絡作為家庭網(wǎng)絡將智能家電設備組織在一起，并將家居服務器作為連接手機和家電的紐帶，使得用戶可以遠程控制家電。本文接著對系統(tǒng)實現(xiàn)過程中用到的相關技術進行研究，介紹了Wi-Fi網(wǎng)絡,然后對系統(tǒng)總體需求以及設計原則進行說明，并根據(jù)系統(tǒng)總體需求以及設計原則對系統(tǒng)進行總體設計，給出了系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖以及模塊化設計的系統(tǒng)體系結構；接著對手機控制端進行設計。對系統(tǒng)進行總體設計后，本文對系統(tǒng)手機控制端的設計與實現(xiàn)分模塊進行詳細說明：首先介紹家電控制模塊，接著對手機端入網(wǎng)設備注