基于无线传感网的智能家居软系统设计

论文摘要

现在的中国正迎来一个”数字城市”、”数字社区”建设与“低碳经济”发展的热潮,3G技术和物联网应用对智能家居的发展也起到很重要的推动作用,而智能家居能够有效实现“低碳经济、绿色经济”。基于无线传感器网络的智能家居系统,将有效解决普通无线产品面临的诸多问题。用户所安装的各产品设备根据实际安装情况组成具有安全保证的传输网络,保证了系统智能操作的正确性、检测上报数据和用户控制下行数据传输的有效性。有效实现多设备的协同处理及准确判断能力。本论文利用切合家庭应用场景的自组网协议,利用众多的传输设备,配合涵盖面极广的检测手段,结合移动网络和现场图像,设计了一种基于无线传感网的智能家居检测系统。论文首先详细介绍课题的研究背景和国内外研究的现状,阐述了选题的意义。其次概况介绍了无线智能家居系统的系统架构与系统硬件平台,提出了检测设备、传输设备和网关设备的总体设计方案。第三,重点介绍了整个系统协议设计的原则、拓扑结构、协议解释、Frame结构、各网络层的数据结构以及接口函数。确定系统应采用分层的网络协议、竞争的数据发送方式、自动更换频点、自动分配地址的四跳拓扑结构,实现检测上报数据和用户控制下行数据传输的有效性。第四,重点介绍了无线智能家居系统应用层的网关软件设计,包括用户交互层,逻辑判断层和物理功能模块层,介绍了SmartHouseUI, SmartHouseAPP, LibSinkControl, GsmGprsCom, Libcamera,各模块的设计以及数据接口。系统软件设计遵循接口明晰、组合灵活、扩展性强的准则,具有非常强的扩展功能。第五,对这个系统协议软件从功能测试、容错能力测试、性能测试三方面进行了全面测试与分析,并给出了网关上位机软件的九大界面图集,同时从功能测试(传感器组网功能、网络拓扑更新功能、用户查询功能、用户手机控制网关功能)、稳定性测试(系统稳定工作的能力)、可靠性测试(系统电磁辐射的抗干扰能力)、健壮性测试(无线传感器网络的抗变化性)几方面对整个系统进行了联调。结果表明该系统在检测信息采集与智能控制方面有较高的准确性和可靠性,具有较强的应用价值。最后,对所做的工作进行了总结并对日后该系统的发展提出了更加有利的想法与展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 无线传感网络的关键技术及分析
• 1.2.1 自组织组网技术
• 1.2.2 分布式处理技术
• 1.2.3 检测算法设计
• 1.2.4 图像传输技术
• 1.3 论文的研究重点及结构安排
• 1.3.1 论文研究内容
• 1.3.2 论文的结构安排
• 2 系统整体设计
• 2.1 系统架构
• 2.2 系统总体设计方案
• 2.2.1 检测设备
• 2.2.2 传输设备
• 2.2.3 网关设备
• 2.3 系统硬件平台
• 2.3.1 检测设备硬件设计平台
• 2.3.2 传输设备硬件设计平台
• 2.3.3 网关设备硬件设计平台
• 3 系统协议设计
• 3.1 设计原则
• 3.1.1 分层的网络协议
• 3.1.2 数据发送方式
• 3.1.3 频点选择
• 3.1.4 地址分配
• 3.1.5 BB时隙分配
• 3.1.6 传输延时估计
• 3.2 拓扑结构
• 3.3 协议说明
• 3.3.1 组网过程
• 3.3.2 网络维护过程
• 3.3.3 传感器数据上传过程
• 3.3.4 SINK网关发送控制命令给传感器节点过程
• 3.3.5 变频过程
• 3.4 发送竞争控制CSMA-CA
• 3.5 FRAME结构
• 3.6 数据结构
• 3.6.1 MAC层数据结构
• 3.6.2 PHY层数据结构
• 3.6.3 NWK层数据结构
• 3.6.4 MAC STATE数据结构
• 3.7 接口和函数定义
• 3.7.1 Mac层函数
• 3.7.2 CM节点的Mac函数
• 3.7.3 BB节点的相关函数
• 3.7.3.1 BB节点的Mac层函数
• 3.7.3.2 BB节点的NWK层函数
• 4 网关软件设计
• 4.1 智能家居网关软件整体架构
• 4.2 Sink控制模块libSinkControl
• 4.3 GSM通信模块控制GsmGprsCom
• 4.4 网关摄像头控制模块libcamera
• 4.5 网关逻辑控制核心SmartHouseAPP
• 4.6 用户界面SmartHouseUI
• 4.6.1 控件美化设计类图
• 4.6.2 网关界面设计
• 4.6.3 命令类列表
• 5 系统试验与性能分析
• 5.1 协议软件测试与分析
• 5.1.1 功能测试
• 5.1.2 健壮性测试
• 5.1.3 性能测试
• 5.2 网关软件界面结果图
• 5.2.1 登陆和密码设置界面
• 5.2.2 系统主界面
• 5.2.2.1 系统设置界面
• 5.2.2.2 房间设置界面
• 5.2.2.3 联动设置界面
• 5.2.2.4 网关信箱界面
• 5.2.2.5 情景模式界面
• 5.2.2.6 安防报警界面
• 5.2.2.7 功能控制——单一控制界面
• 5.3 系统联调测试
• 5.3.1 系统功能测试
• 5.3.2 系统性能测试
• 6 总结与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录