关于智能家庭系统制作的一些步骤详情：
中国大学生计算机设计大赛
基于无线传感网的智能家庭管理系统
学校名称： 河南大学
队员： 李煜飞
队员： 唐家欣
2019年3月
目录
摘 要 I
第一章 设计需求分析 1
1.1 设计需求 1
1.2 设计思路 1
第二章 特色与创新 2
2.1 设计特色 2
2.2 设计创新 2
第三章 功能设计 3
3.1 功能划分 3
3.2 功能描述 3
3.2.1模式管理 3
3.2.2信息管理 5
3.2.3设备管理 6
第四章 系统实现 8
4.1 硬件组成 8
4.2 系统开发平台 8
4.3 系统运行平台 8
4.4 关键技术 8
第五章 系统安装及使用说明 10
5.1 系统结构设计 10
5.1.1 感知控制层 11
5.1.2 数据传输层 11
5.1.3 数据管理层 11
5.1.4 应用决策层 12
5.2 系统安装说明 12
5.2.1 软件安装 12
5.2.2 硬件安装 12
5.3 系统项目界面 12
参考文献 13
第一章设计需求分析
1.1设计需求
为了迎合日以增进的智能化家庭生活的潮流，满足用户可以数字化管理和操控家庭内的温度、湿度、家用电器的开关等需求。我们开发一个将家电控制、安防报警、远程控制、环境监测等多个子系统有机结合在一起的智能家庭管理系统，为用户打造一个安全、便利、舒适、高效的居住环境。
工信部引发的《促进新一代人工智能产业发展三年行动计划》也提出，要加大培育智能产品的力度，优先推动智能家居等产品的突破。国务院近日发布的《关于完善促进消费体制机构，进一步激发居民消费潜力的若干意见》特意提到升级智能化、高端化、融合化信息产品,重点发展适应消费升级的中高端移动通信终端、可穿戴设备、超高清视频终端、智慧家庭产品等新型信息产品，以及虚拟现实、增强现实、智能汽车、服务机器人等前沿信息消费产品。
1.2设计思路
智能家庭管理系统主要是通过各类型传感器（温湿度传感器、光照传感器等）、网络通讯单元（路由器、中继站）以及辅助单元（电源）等来实现收集数据、数据传递的目的。随后，客户可以通过网关内部所编译好的程序实现对这些信息的查看和操控管理。
第二章特色与创新
2.1设计特色
有关智能家居类产品，现在更多的还是传统的人工式操作家居环境，不仅繁琐费时安全性也不能得到保障。随着物联网的发展与普及，现在市场内销售的一般是具有联网功能的电器，而关于协调全屋智能的个人系统还没有推出和广泛发展。
因此，我们根据分布在家庭居住环境内的若干传感器节点，通过无线技术构成自组织网络，并利用传感器感知、采集和处理网络所覆盖家居中感知对象的各种信息，如温度、气体等，并将节点感知的信息传输到智能家居网关，之后通过互联网或 GPRS 到达 PC 机或智能手机，并通过管理设备界面显示出来。
用户可以通过语音、手动控制、自动设置等方式对设备进行管理和操作，收到指令后可进行远程控制和及时回应，切合的满足了用户需求，保障了家庭管理系统的智能化和人性化。
2.2设计创新
现阶段的智能家庭管理系统的主要不足有：
1、开发商将智能家庭系统与售房楼盘捆绑销售，一般只聚焦于高档住宅，并不能实现经济型智能家居，偏离了大众的现实生活需求。
2、现阶段的智能家居单品一般价格昂贵且操作独立，部分产品支持智能音箱的控制，不能将资源进行有效整合和利用，并且存在不了解用户的需求重点、设计能力不足、功能操作不方便等缺陷。
本智能家庭系统就这两方面的问题进行了优化：本作品主体使用传感器和家居网关进行信息传递，在网关上设计结合用户需求的程序，并且用户可以结合自身需求进行个人修改和个性化定制，满足用户的使用需求。该作品中也提出了智能单品与该智能家庭管理系统结合使用的方法，结合当下的潮流单品，既满足了单品的使用价值又降低了用户的使用费用，实现低碳环保节能化，降低了使用的成本。
第三章功能设计
3.1功能划分
3.2功能描述
3.2.1模式管理
1.白天模式：
1)用户进门刷（RFID）卡，房内自动由无人模式切换为白天模式。
2)应用时间：（默认）7:30——19:30
3)到达规定时间，步进电机开启窗帘。
2.夜晚模式：
1) 用户进门刷（RFID）卡，房内自动由无人模式切换为夜晚模式。
2) 应用时间：（默认）19:30——7:30
3）到达规定时间，步进电机关闭窗帘。
3.无人模式：
1)用户出门后可设置无人模式，无人模式。
2)无人模式部分家用电器断电，人体红外感应器和声光报警器开启，一旦未经过门禁卡，人体红外感应器检测到有人闯入，声光报警器开始报警，并且短信通知用户家庭环境异常。
传感器状态表：
注明：√：传感器开启
×：传感器关闭
4、家居安防功能
(1) 安全报警功能
本系统具有强大的安全报警功能，在本系统中报警可分为入侵报警、煤气泄漏、火警、和紧急按钮报警。只要其中任意一项报警事件触发，报警信号都会短信通知用户手机并且特定情况下通知有关部门，室内主机上也有相对应的语音播报。
(2)煤气泄漏报警
连接烟雾传感器，当传感器监测到有煤气泄漏时，室内主机上会提示“煤气泄漏！”并语音报警，同时报警指示灯闪烁，报警信号告知用户。
(3)入侵报警
当有人未刷卡进门时，人体红外传感器检测到有人闯进就会产生报警。入侵报警不限于门口，还步达窗口、阳台等区域发现意外闯入，可以根据具体情况设置。当任意传感器监测出非法闯入时，室内机会产生语音播报“非法闯入！”并且灯光报警并通知用户。
(4)紧急按钮报警
当有紧急情况或需要帮助时，用户可以设置紧急报警按钮，报警信号将被传到紧急联系人或物业报警中心。
3.2.2信息管理
1、实时数据显示
(1)通过表格形式将每组数据续中显示
(2)以建筑平面图形式按实际布点位置显示每个传感器的实时数据，使监测一目了然，监测数据与位置完全相对应。
2、实时曲线显示
可任意选择8个点温湿度传感器的数据进行实时曲线显示，以观察在某一时段内温湿度变化趋势。
3、温湿度监控系统历史曲线显示
通过历史曲线来查看在过去任意时段内发生过的数据变化，为科学统计与管理提供原始的数据记录依据。
4、闪烁、声音报要功能
软件支持报警设置功能，可以任意设置报警值，超限后根据相应温湿度传感器的数据会改变颜色并闪烁报警，同时运行声光报警器。
5、短信报警
通过配套的短信发送模块，当发生报警时，系统会自动向预先设置好的手机发送短信报警，不论我们身在问处，只要手机有信号就可以随时得到系统报警信息，大方便了对家庭环境监测与管理。
6、远程数据访问
通过系统软件，用户可通过互联网进行远端数据访问，方便实时监控数据。
7、数据自动存储记录
所有检测传感器的数据会自动存储在系统中并上传云备份，数据停电不丢失，可长期保存。
3.2.3设备管理
1、家电管理
(1)灯光控制
智能家庭系统对灯光的控制可简单分为开关控制或把灯光控制系统接入网关进行复杂的灯光控制，可实现对每个房间的亮度调节、开关控制和场景组合控制等等。
(2)电器控制
对于现在大多非智能电视/空调采用红外控制方式，信号转发器支持把RF/Zigbee信号转换成电视或者空调等其他电器能够识别的红外线信号；而对于现在新型的家用电器，使用网关的WI-FI模块直接与电器进行通信设置；不同家电设备间WiFi到ZigBee协议可相互转换。
2、个人设置
用户可以通过家用网关或者远程查看终端监控智能开关的状况（开/关），也可以远程打开/关闭智能开关，并且内置IIC存储器，所有设置自动记忆，用户在家庭内也可以通过语音控制。
3、增删设备
用户可以增加或者删除需要控制的家用电器设备。
第四章系统实现
4.1硬件组成
硬件开发板：Cortex-A9
硬件传感器：DS18B20(温度传感器)，MQ_2(烟雾传感器).DHT11(温湿度传感器)，TELESKY(光敏传感器),HC-SR501(人体红外感应模块)、BEEP(蜂鸣器)等
硬件电路：STM32F103C8T6单片机
4.2系统开发平台
开发系统：Windows10 64位
Ubuntu 14.04 32 位
软件版本：Qt 4.8.6
IAR .0
Altium Designer 13.0
工具链:arm-linux-gcc 4.4.3
4.3系统运行平台
运行主要在以下俩个平台：
Linux-redhat6.1
Cortex-A9
4.4关键技术
1、STM32下位机
(1) 应用了小型的嵌入式操作系统μC/OS-II；
(2) 各个传感器的数据以多任务的形式获取，实时性很好；
(3) 数据调试使用STM32串口1；
(4) 数据的发送使用STM32的串口3，并以任务的形式进行打包发送，具体数据帧格式请看代码；
(5) STM32接收数据采用终端方式，当有数据到来时会触发终端，进入数据接收解析过程，在此过程中会对数据的帧头等信息进行判断；
2、Zigbee无线通信
Zigbee部分的主要功能就是串口通信功能，使用STM32+zigbee形成无线自组网，用zigbee驱动各个传感器，然后组网后发送给协调器，在这里涉及到μC/OS-II系统的移植，用这种通信模式可以更加有效便捷的传输好数据。
3、ARM上位机
ARM上位机采用的SMART210开发板，自己后续移植了Qt4.8。上位机主要实现了一下几个功能：
(1) 模拟室内三个场景：卧室、客厅、厨房
(2) 分别对这个三个场景下的温度，湿度以及烟雾浓度进行一个测量并显示；
(3) 使用LED灯模拟室内照明灯；
(4) 使用人体红外传感器进行检测是否有人
(5) 屋门口处添加视频监控。
第五章系统安装及使用说明
5.1系统结构设计
图5.1 系统结构设计图
5.1.1感知控制层
利用烟雾传感器和温湿度传感器实时监测家庭内的温度、湿度和烟雾浓度，并将数据通过家庭 Wi-Fi上传到云服务器，客户可通过连接服务器使用手机APP达到监测家庭环境的目的。当传感器发现数据达到一定限制时，则说明家庭中可能出现意外事故，这时会触发火灾报警器，并即时通知客户和有关消防部门。
基于RFID技术，设计家庭的门禁系统，增加客户家庭的安全系数。若红外线探测器会检测到非法人员的强行闯入，并同时触发声光报警器，会自动通知业主有外来人员闯入，也会实现紧急呼救。
在家庭原有的电器设备的基础上连接红外线发射器，可实现对部分家具的智能控制；或者通过智能开关，设置模式自动实现电器的开关，用户也可以利用手机APP或者语音操控网关等方式控制家用电器，实现家电控制智能化。
5.1.2数据传输层
现在几乎每个家庭内都安装有路由器，所以传感器收集到的数据传输主要通过Wi-Fi上传到云服务器。家庭内部距离一般不会太远，基于这种考虑，我们在近距离通信时，使用ZigBee无线传感网络技术，实现节点与服务器的实时通讯和数据交换，再利用路由器与网关进行相连，也实现了数据的对接和可靠传输。
5.1.3数据管理层
用户有两种数据管理模式：
第一、用户可以通过家用网关连接路由器，查看自己家庭内部的相关数据并且可以操纵和设置设备状态。
第二、用户可以使用手机APP，查看家庭内部的安全情况，并且在有意外状况时可以实时收到提醒，保障用户的家庭安全，节约了大量的人力财力。
5.1.4应用决策层
家庭内的无线自组网通过路由器将数据给网关同时上传云服务器，用户通过手机APP连接云服务器就可以远程控制和管理家庭的家电设备，真正的做到家庭安全保障和便捷，实现智能家庭的使用。
5.2系统安装说明
5.2.1软件安装
首先在实体机中的Linux虚拟机上进行交叉编译，然后在虚拟机与网关之间建立NFS共享目录，最后通过超级终端执行共享目录中的源程序，将程序烧写入网关，保障客户的使用。
5.2.2硬件安装
第一步：执行ZigBee模块的烧写程序，建立无线传感网络，确保所有的传感器可通过ZigBee与网关通信。
第二步：将传感器安装到对应所需测量位置，确保所有传感器通电，调试传感器运行状态。
第三步：将网关与ZigBee协调器之间通过USB线连接，保障数据传输有效可靠。
5.3系统项目界面
（持续更新中）
参考文献
[1] 王智, 潘强, 邢涛. 面向物联网的实体实时搜索服务综述[D].中国科学院上海微系统与信息技术研究所. 2009.
