基于WEB的智能家居远程监控系统

LOGO答辩人：****专业：控制科学与工程指导教师:****教授智能家居远程监控系统的研究与设计2目录研究背景12研究内容系统架构设计4系统软件和硬件设计总结35现状分析成本高可扩展性差标准不统一虽然目前市面上存在很多关于智能家居监控的解决方案，但没有一种通用、标准、灵活、先进的远程控制手段。传统家具设备控制系统配置和管理复杂；资源不能自组织和协同工作；系统硬件、软件升级和功能扩展。传统的智能家居监控系统须根据不同用户需求，开发不同硬件和软件，成本较高。4目录研究背景12研究内容系统架构设计4系统软件和硬件设计总结355研究内容研究设计一种智能家居设备远程监控系统，可实现用户通过不同智能终端对家居设备的远程监视、报警、控制等功能。系统须具有升级容易、维护成本低廉、客户端操作方便、可扩展性好、可移植性强等特点，体现出智能家居的方便性和实用性，以及广泛的应用前景。研究提出智能家居设备监控系统相关软件和硬件设计思路，在现有家居设备的基础上实现家居设备的智能化、网络化，降低系统开发成本。6目录研究背景与意义12研究内容远程监控系统架构设计4系统软件和硬件设计总结35系统总体架构设计浏览器Internet数据服务器应用服务器网络协调器智能安防系统智能家居控制系统智能环境监控系统智能火灾监控系统智能煤气监控系统智能入侵防范系统家用电器开关控制家用电器信息控制家用节能装置自动控制智能温度监控系统智能湿度监控系统智能光照监控系统智能手机个人电脑IPAD路由、防火墙智能社区控制中心智能社区控制系统社区防盗报警系统智能三表查抄系统社区其他应用系统串行通信无线通信无线通信无线通信硬件架构设计本文智能家居系统的设计方案主要包括四个部分：中央服务器、网络控制器、传感器终端和控制终端。其中中央服务器作为远程监控系统的部署平台，网络控制器是家庭内部网络的控制中心，而传感器终端和控制终端作为无线网络的终端节点。终端节点架构设计传感器模块主处理器无线通信模块网络协调器家居设备其他模块传感器模块主处理器无线通信模块家居设备其他模块终端节点由传感器模块、主处理器、无线通信模块、家居设备和其他模块构成，传感器模块负责采集的家居设备运行物理参数；无线通信单元负责发送家居设备的运行状态数据，同时，接收来自用户的操作控制指令；主处理器主要是负责对各种数据和命令进行解析和处理，对整个终端节点的控制和管理；其他模块主要包括按键、显示设备和各种接口。10软件架构设计*智能家居远程监控系统采用浏览器/服务器模式（Browser/Server，B/S），是对C/S模式结构的一种改进模式。运用这种系统架构模式，用户可以快捷、方便获取家居设备数据和发送控制命令。B/S模式采用三层架构结构，即整个智能家居远程监控系统划分为客户端、服务端、数据访问层，通过远程Web浏览器获取用户的系统交互界面。11软件架构设计*显示用户界面、收集用户触发事件用户请求的传输通道用户请求的业务逻辑处理，向用户返回响应结果存储设备数据、系统运行数据等12目录研究背景与意义12研究内容远程监控系统架构设计4系统软件和硬件设计总结35多个服务器家庭内部网络协调器（主节点）RS232串口无线通信模块无线通信模块无线通信模块无线通信模块无线通信模块无线通信模块光强传感器湿度传感器温度传感器无线通信模块无线通信模块无线通信模块红外传感器煤气传感器防盗控制摄像机热水器音箱无线通信模块无线通信模块无线通信模块……无线通信模块无线通信模块火灾处理无线通信模块环境控制无线通信模块……无线通信模块……环境监控家居设备控制安全防护13硬件详细设计*主要包括接口电路、无线通信电路和终端节点电路三个部分:RS232接口设计无线通信电路设计传感器节点电路和控制节点电路RS232串行端口电路由于RS232串行通信接口采用EIA-IIS-232电平标准，无线终端节点上采用的是LVTTL电平标准，即2V～3.3V表示逻辑1，0V～0.4V表示逻辑0。由于两者的逻辑状态不统一，所以需对电平信号进行转换才能实现二者之间的通信，本文选用MAX3232芯片实现电平信号的转换，具体电路如下图所示。R1IN13T2IN10T1IN11R2IN8R1OUT12R2OUT9T1OUT14T2OUT7C1+1C2+4GND15C1-3VCC16C2-5V-6V+2U103MAX3232CSE0.1uFC1190.1uFC1200.1uFC1180.1uFC1210.1uFC117VCC_3.3_2VRS232_RXDRS232_TXD232_TX232_RX12345JP104VCC_3.3_2V图4.3RS232串行通信接口电路USB端口电路USB接口在传输数据的时候提供+5V的工作电压，因此在无外接电源的情况下就可正常通讯。本文使用USB接口作为程序烧写电路和调试接口，选用CP2102芯片作为USB接口电路的主要转换芯片，电路如下图所示：012345VBUSD-D+GNDSHELL1SHELL2J1USB0.1uFC140.1uFC15GNDVCCGND0123456RSTREGINVBUSVDDD-D+GNDTXD7RXD8910111213141516TXDRXDDTRDSRRTSCTSRIDCD/SUSPENDSUSPENDU15CP2102图4.4CP2102芯片电路图16*无线射频电路在ZigBee无线网络的实际应用过程中，无线网络协调器为了扩展网络通信距离，通常会增加一个功率放大电路，采用C2591可以增加节点问的传输距离，可以减少路由器的个数，缩短延迟及扩展家庭网络覆盖范围。CC2591与CC2530连接电路如下图所示。56KR11uFC1100nFC218pFC318pFC418pFC718pFC80.3pFC927pFC1127pFC1215pFC1315pFC181uFC2510KR22.2nHL1GNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDOUT2OUT2DCDDRESET_NP2_0P1_1P0_0P0_5P0_6P0_71232KY2GND1uFC10DGND_USB1USB_M2USB_P3DVDD_USB4P1_55P1_46P1_37P1_28P1_19DVDD10P1_011P0_712P0_613P0_514P0_415P0_316P0_217P0_118P0_019RESET_N20AVDD5/AVDD_SOC21XXOSC__Q122XXOSC__Q223AVDD324RF_P25RF_N26AVDD227AVDD128AVDD429RBIAS30AVDD_GUARD31P2_4/XOSC32_Q132P2_3/XOSC32_Q233P2_234P2_135P2_036P1_737P1_638AVDD_DREG39DCOUPL40GNDExposed41U1CC253013Y132MA1SMAP1_0RXTX2.2nHL218pFC618pFC5GND4.3KGND0123456RF_NRF_PBIASANTPAENENHGM*CC2591P0_7P1_4P1_4P1_1图4.5CC2591与CC2530连接电路图家居设备控制软件实现用户用户通过前端界面控制、监视智能家居设备时，向智能家庭网关中的应用服务器发送对智能家居设备的远程命令请求。智能网关智能家庭网关通过RS232串口，将接收到的用户命令数据根据ZigBee通信协议经由无线家庭内部网络发送至终端设备。无线传感ZigBee终端节点接受到协调器的相关命令数据包解析、发送至目标设备执行单元，并将控制结果沿反向返回至用户界面。18*设备控制程序用户应用服务器数据服务器串口管理Zigbee协调器家居终端节点设备查询程序设备参数接收响应程序用户控制请求用户查询请求控制结果返回给用户查询控制设备的信息返回控制设备信息发送控制命令查询设备状态返回查询设备信息控制结果写入数据库设备控制程序设备参数上传程序返回控制结果发送控制命令设备控制响应程序发送控制命令返回控制结果系统后台设备控制程序协调器设备控制程序设备控制响应程序系统前端程序设备信息返回给用户图5.4家居设备控制模块程序实现流程图家居设备控制程序19家居设备参数采集程序数据服务器串口管理Zigbee协调器家居终端节点设备参数接收响应程序家居设备状态参数设备参数上传程序返回设备参数设备控制响应程序返回设备参数图5.5家居设备参数采集模块程序实现20家居设备查询程序家居设备查询程序应用服务器数据服务器设备查询请求设备信息返回查询家居设备信息返回设备信息家居设备查询模块用户系统前端程序图5.6家居设备查询模块程序实现流程图21目录研究背景与意义12研究内容系统架构设计4系统软件和硬件设计总结3522遇到的问题本文初步实现了基于无线通信技术和Web服务技术的智能家居监控系统，但功能过于单一，缺少智能家居娱乐和智慧家庭医疗等新型应用，需日后进行更深一步的研究。在控制节点的设计问题上，由于各厂商的家居设备缺乏统一、标准的通信接口，造成系统应用范围相对狭窄，是智能家居系统研究的难点和重点。23创新点和亮点可扩展性强：基于Web的智能家居远程监控平台能轻易与诸如小区综合信息系统实现对接。维护、升级简单：由于采用B/S的软件架构设计，系统各模块互相分离，各部分升级、维护简单。成本低：系统无需对不同操作系统中的客户端程序进行专门的设计开发，只需通过浏览器对远程的服务器端进行访问来实现需求任务，支持各种智能手机、设备和个人电脑，降低系统开发成本。LOGO