团队博客--2

互联网+智能家居

项目开发计划书

Version: 1.0

 

 

 

项目组成员：李敏、郭婷

                 朱慧敏、刘子晗

   编写日期：2016年9月1日

 

1引言

1.1编写目的

编写此计划的目的是为了合理安排组织成员，有效利用时间，以确保项目进度，预见项目风险等活动。使项目严格按照网站开发流程进行，遵循正规的顺序开展。同时，项目开发成员通过此计划书明确项目目标和各自职责。它说明系统的开发方法，是一种计划，以指导工作之用。

1.2项目简介

1.2.1项目名称

智能家居系统，作为家庭的统一控制平台,可以通过移动端和PC端对家庭的电气设备进行统一的监测、控制和楼宇监控对讲系统联系到一起实现家庭的安全保护防盗报警。

1.2.2项目背景

在远程（工作单位或回家的路上）通过手机，遥控家里的电饭锅自动启动、家里的空调自动启动并调整到合适的温度、电热水器开始加热；到家后可以通过手机开启电视或音乐等娱乐设备；如果有人来访按动对讲门铃可以通过手机和来访人视频对讲并且选择是否开门；当主人外出，可以通过手机或网络关闭家中的用电设备并开启安防系统，如出现漏气、漏水、和外人闯入时发出报警信息并快速通知主人。   

美国 1984 年建造的第一幢智能建筑标志着智能家居的开始，欧洲、新加坡、加拿大和澳大利亚等国家随后进行了深入的研究，许多代表性的方案应运而生。目前，新加坡、韩国、西班牙、德国和澳大利亚等国家智能家居的应用较多。 智能家居在初期研究中，代表性的观点是家庭智能化系统，集中研发设计三表抄送以及家庭监控等方面的内容。初期研发推向市场后，由于价钱的因素，并没有在市场上得到普遍的推广。随着技术的进步，设备费用的降低，智能家居系统逐步被市场所接受。市场研究公司 Juniper 报告中预测到，在 2012 年智能家居取得了 250 亿美元的收益，到 2013 年达到了 330 亿美元，预计到 2018 年可达到 710 亿美元。微软公司、摩托罗拉公司、IBM 公司都先后加入致力于智能家居的研究。ATT 和 Comcast Corp 已经宣布要进入智能家居行业当中，该公司重点针对于家庭安防系统的设计，并在此基础上研发移动远程控制。目前的智能家居市场上，美国、德国、日本、韩国和新加坡在此方面占据着技术上的优势。

1.2.3发展趋势

目前的家居市场的一个主要的问题就是没有一个统一的产品标准，产品兼容性较差。若是将产品采用统一的标准，可方便扩展和维护，也节省了开发测试的时间，因而标准化是未来发展的重要内容。

系统操作简单，无需培训学习，是扩展用户群的一个重要方面。系统整体的设计内容应更加贴近于人们日常生活，系统的设计应包括窗帘、灯光、电视、机顶盒、音响、天然气的阀门以及各种电器电源的通断，还应配备电话安防、现场视频报警等功能。智能化家居系统还应实现定制服务，简单操作即可完成个性化

定制。

系统售后服务的高成本，影响到智能家居系统的使用，考虑到这一主要的问题，应考虑将系统平台设计软硬件自检和软件升级的服务。通过程序的编写，定期的对系统的硬件的工作状态进行扫描，发现异常能迅速通知主控制器，启动系统修复操作，无法自动修复可将故障通知给 WEB 服务装置。系统软件也可通过互联网自动升级，无需人员上门服务。 系统设计还应注意家居系统的安全性和稳定性。系统设计时应采用本地信息应采用密码认证登录修改备份，支持长时间的连续运行；控制主机宽电压自适应；远程端采用密码访问机制，设定密码型端口，并应考虑设计远程防撤防监听。 单一的控制方式越来越不满足人们对产品的需要。人们需要随时随地的实现家居的控制，这就要求家居系统的控制形式多样化。除了传统的红外、射频、触摸屏之外，应将 3G 网络技术、声控技术也都应用到控制方式上，必将提升控制的品质。

2需求分析与实现

2.1需求分析

为了能够建造智能化的住宅设施与家庭管理系统，提供便利、安全、舒适以及节能的居住环境，智能家居的管理和监控系统运用无线网络技术、ARM 技术以及自动控制技术，将与家庭生活有关的设施通过各种方式控制。以人们对生活的功能需求为考虑，家居系统应向用户提供以下的功能。

2.1.1功能需求

家电管理包括家庭照明控制功能、家用电器远程测控等。家居环境的温度、湿度和光照度是人居家环境的舒适度的重要指标，采用智能无线传感模块，自动检测这些参数情况，并可将数据上传给智能控制器。智能控制器可根据参数的设置调整家电设备的运行和家庭照明的调整。

用户可远程访问网络服务器查询家庭情况，监控家电设备的使用、家庭照明情况等，也可由网络服务器修改家居系统的参数设置，实现远程的检测与控制。为了能够提高用户使用的方便性，智能家居的控制方式也是设计的重点。控制方式应不受地理位置和时间的限制，也不适于采用单一的控制模式，应该将家居的控制方式设置为多种形式，本地和远程控制均可，红外控制、触摸屏控制、语音控制、自动感应控制等。

默认的生活场景包括在家、离家、吃饭、休息、休闲、阅读、会客、聚会等，生活场景默认设置好家电设备的参数情况，主要包括灯光、家电设备、窗帘以及安防系统的设置。灯光方面，根据系统设定的家庭场景模式的不同，设置自动的灯光冷暖搭配，尽量做到既能满足需求又能节能环保的作用。洗手间、阳台以及门厅区域应采用红外感应技术，实现人走灯灭，人来灯亮的场景。灯光应缓慢开启以保护人的眼睛和延长电灯的使用寿命。家庭多媒体的控制包括家庭影院、音响等方面。家庭的每个房间都需配备安装扬声器，音乐播放系统宜采用多通道的功能，方可满足每个房间同时播放不同的音乐的需求。家用电器的控制操作应采用多种控制模式，方便用户的操作。

安防系统的设计内容包括防盗、防煤气等内容。为了保证家庭的安全，在设定安防模式下，一旦出现意外情况，包括坏人进入、火灾发生以及煤气泄漏等类似事件的发生，系统会自动拨打主人电话提醒意外发生。主人可根据 internet 网络查明情况，做出决策。家居系统应在设立防盗环境的模式下，自动识别坏人的进入，并可自动报警。当有火灾事故发生时，能自动电话报警。

2.1.2硬件需求分析

人们需要智能家居系统提高生活的品质，因而智能家居系统控制平台应该根据实际使用的需要应满足如下的需求：

低功耗的运行模式能够保证系统长期稳定的工作，并且从节能环保的角度也适用于家庭的选用。智能家居系统应采用多种控制模式，方便用户操作。系统设计时除了应考虑室内采用红外、射频控制之外，还应考虑触摸屏和手机控制模式，多模式的控制方式可极大地方便用户操作。智能家居系统的访问需要经由网关认证才可进行远程控制。家庭网关应能够抵御避免黑客的入侵和攻击，保证家庭内网运行的正常。

2.1.3系统软件需求分析

智能家居控制系统为了实现家居控制的便利性，应采用多种形式的控制方式，本系统采用红外、射频、触摸屏和网络控制等方式实现控制的目的。用户通过使用系统软件实现对硬件设备的操作，根据系统的功能需求和硬件需求，本系统的软件部分设计应包含三个部分：zigbee 网络软件、socket()接口程序和 WEB 服务器的软件实现。为了能够实现 zigbee 网络平台的搭建和使用，本系统采用 IAR EW8051 作为zigbee 网络组建的调试器，软件设计的内容包括网络管理、网络通信和中断处理等。 Zigbee 的软件功能图如下图所示。

                       

网络通信主要通过串口实现主控制器与终端设备间的数据传送，从而在家居系统中实现数据采集和无线控制的功能。 Zigbee 系统程序是死循环运行的，操作系统循环扫描系统程序，终端设备在无请求命令的状态下通常处于待机状态，协调器定时向外发送信号帧。由于外部中断和内部中断事件的发生使得系统停止当前系统程序的执行，转向中断处理程序，当中断程序执行完毕后，则返回到系统程序状态中。

2.2项目进度和资源

2.2.1已有开发设施

开发板是zigbee（板子需要带显示器）

温度传感器

湿度传感器

2.2.2需获取设施

烟雾传感器（防火）

摄像头

开门用的电机（一个）

红外线感应器（开关门）

摄像头（视频对讲）

开门用的电机（一个）

步进电机（窗帘）

光敏传感器

2.2.3可复用资源

系统软件

 

3智能家居系统的硬件设计

3.1网关系统的设计

系统采用 TI 公司开发的 CC2430 作为系统的网关芯片。 CC2430 芯片采用 smartRF03 技术，内嵌加强型 8051 控制芯片，需设计添加外围电路就能使其正常工作。

3.2灯光、窗帘等参数控制及设备选用

智能家居控制系统采用的灯光包括可调光和非可调光两类，灯光形式多种多样。其中荧光灯不适宜添加调光装置，故有些设备设定成为非调光装置；而射灯、筒灯以及吊灯目前采用的多为 led 灯，可安装调光装置，设定为可调光装置。因而灯光控制模块针对于所控灯光的类型分为可调光模块和非调光(开关量)模块； 荧光灯调光模块：如果不设定为可调光类，则将荧光灯与开关量控制模块连接在一起。如果设定为可调光源，则可调光模块外接可调光子镇流器控制荧光灯的亮度。 LED 灯调光模块：采用 PWM 模式，该技术适用于数字控制器的信息处理，其原理是通过改变脉冲恒流源的脉冲宽度，即改变恒流源脉冲信号的工作比，实现亮度的调节。

3.3插座模块

学习型遥控插座模块，带有自我学习功能，内置芯片，可以学习多组无线控制信号。断电重启后自动处于关闭状态，安装使用时，直接插在现有的插座上即可使用。

3.4安防系统模块

本监控系统安装的网络摄像头，采用无线通信、云台存储、红外夜视技术，摄像头可自由移动，实现多角度的记录，实时监听语音信息，可移动侦测可以信号，并发送报警短信给用户

3.5家电开关模块

家电开关电路的设计分为输入电路和输出电路两部分。输入电路采用继电器控制，输出电路采用全桥整流电路将交流电压整流后，经过光电耦合器输出。

4系统软件的设计

4.1 ZigBee软件

4.1.1网络管理

Zigbee 网络的组网由网络协调器启动，根据 ZigBee 协议中规定，未加入任何网络且属于 FFD 全功能的设备，可以组织建立一个新的局域网络。在组网的过程定义中，为了避免同频段设备间的信号干扰，以信道的能量表示信号干扰的情况，准备组网的协调器首先扫描协议规定的默认信道，低于阈值，表明为可用信道。从可用信道中选出能量最小的信道作为作为干扰最小的信道，确定该信道的 PAN ID, 协调器选择该信道建立子网。

4.1.2网络通信

Zigbee 网络通信一般通过串口 UART0 和 UART1 实现网络通信，以发送信号为例，网络通信的流程如图 5-6 所示。网络通信由串口中断开启，解析串口的命令请求，发送信号给相关设备。

 

4.1.3中断处理

协调器建立好个域网后，会定时的发送信号帧，并进入到等待中断信息的状态。中断信息分为三种类型，数据中断、入网请求中断和底层硬件中断。数据中断是中断设备上传数据信息的请求，协调器存储好数据信息和网络节点地址，将数据上传给主控制器，并应答回复给网络节点。入网请求中断，判定是否为新节点的入网，做出处理。底层硬件中断，则通过调用中断处理程序进行处理^[48]。当协调器判定中断请求不属于上述三种，则忽略该中断请求。

4.2网络通信软件

4.2.1网关通讯协议栈模型

WEB 服务器与网关之间用端到端的数据传输，终端设备节点与网关的传输层端口建立映射关系，网关通过 TCP/IP 与 zigbee 协议的转换操作实现了终端设备与 WEB 服务器的互联。网关内部装有两种网络的协议栈，网关协议栈模型如图 5-8 所示。 网关在传输层将 TCP/IP 网络和 zigbee 无线网络连接起来，TCP/IP 网络和 zigbee 无线网络的路由方式都是各自设定的。网关采用 64 位 IP 地址，互联网用户可根据 IP 地址进行数据传输。本系统的 Zigbee 无线网络采用树形的拓扑结构，根据路由的信息将报文传送至终端设备节点。

4.2.2内网与外网通信的实现

智能家居系统使用 socket()实现内网和外网的数据通信，利用 socket 接口，把网关接收到的 ZigBee 无线传感器数据上传到远程数据服务器端。Socket 接口是 zigbee 网络的 API，要想进行 zigbee 网络与互联网的通信，就必须做好 socket 通信程序的设计，网关通信程序就是在 socket 接口设计中编写自定义协议以保证数据的传输和控制。

4.2.1无线网关通信程序编译

Zigbee 无线网关程序提供了多种源文件，包括了 CC2420_driver.c(无线网关收发器驱动程序)、Main.c(网关主程序)、Zigbeetask.c、Zigbeetask.h(zigbee 协议任务处理函数)、Zigbee.h(zigbee 参数)、Phy.c、phy.h(zigbee 物理层协议栈)、Mac.c、 mac.h(mac 层协议栈)、Nwk.c、Nwk.c(网络层协议栈)。网关通信程序由多个模块部分组成，编译和管理采用 make 工具，根据 makefile 的定义自动管理软件，方便系统管理和编译系统程序。

5实施计划

5.1 项目选用的生命周期

本项目采用的是瀑布式模型。此模型的本质是每个阶段的活动只做一次。从上一阶段向下一阶段逐级过度，最终得到所要开发的产品。

5.2项目开发过程阶段划分

阶段名称	时间	工作内容	阶段产品
计划	2016-08-30到2016-08-31	编写各项计划书	《项目计划书》
需求	2016-09-01到 2016-09-02	获取需求	《需求说明说》
设计	2016-09-03到 2016-09-04	根据需求，系统架构分析，网站整体设计	《设计概要说明书》
实施	2016-09-05到 2016-09-18	检验开发区的网站是否符合需求	生成目标系统
结项	2016-09-19到 2016-09-20	生成目标系统；确认是否达成项目目标

 

5.3 项目进度安排

第一阶段完成项目计划，运行环境的配置等相关主要文档的编写。组员在组长的带领下进行充分的交流沟通。

第二阶段为项目实施测试阶段，项目实施前，所有的项目成员开会，讨论编成中的具体问题，规定统一的编程标准以及硬件搭建规范等，方便集成之后各小组分组讨论本小组需要解决的问题。（不懂之处及时提出，便于请教老师）

第三阶段，各成员保证自己功能模块的实现，集成之后，分配测试人员进行测试。

5.4 关键问题

           

风险排序	风险项名称	风险描述	风险缓解方案
1	项目时间短	资源风险	提高工作效率、合理安排开发计划
2	缺乏开发经验	技术风险	多问指导老师
3	对开发方法和硬件原理不熟悉	技术风险	通过资料和学习课件
4	时间安排不够合理	进度风险	对开发进度进行实时监控进行调整
5	计算机故障	资源风险	提前完成任务 尽快解决问题

 

6总结

本系统的设计结构简单明了，各个软件模块间协同工作。 由于本系统的设计涉及到系统硬件和软件，设计的可行性和有效性需经过实验验证方可实现，系统测试工作就尤为重要。由于实验条件的限制和自身能力的不足，在系统设计分析过程中，遇到了许多没有估计到的技术问题，增加了系统设计的难度，但是在整个课题的研究中，我们会进一步的完善自己的知识体系，从 zigbee软件的编写扩展到socket接口程序的设计工作，扩展了自己的知识面，也系统地得到了实践锻炼的机会。