第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着现代科技的快速发展，进一步加快了社会信息化的创新发展，在日常的生活与工作中，人们和信息、通讯的关系越来越紧密。对于传统的住宅方式而言，社会信息化的创新发展无疑是一个新的挑战，不但改变了人们的生活方式、工作习惯，社会、经济和科技技术的不断创新也逐渐改变了人们的各种居住观念[1]。目前，对于家居的要求，人们早已脱离传统的物理空间需要，而是关注居家环境是否更为舒适、安全以及智能化。于是，快速发展的互联网技术较好的实现了人们对于家居的这种需求，与此同时，不断创新的现代互联网技术，也带动了通信技术、无线和有线传感器网络发展、大数据的发展等相关科学技术的发展。在互联网时代，通过这些技术的融合不但会实现智能家居的预期目标，还能通过这些技术达到智慧家庭目标的实现，让家变成一个有思考能力的事物。家用电器、智能化设备、家庭安防等各种综合性需求，都可以通过科学的智能化的运作方式对其进行控制，通过现代通讯技术远程监控这些设备状态，让人们从容惬意地居住在一个舒适、安全的家居环境中。
目前，作为一个新兴的行业，智能家居的智能化尚未达到最先进的技术水平，只是处在摸索、发展的初级阶段，因此存在一些问题，譬如实质性的内容缺乏，较多地炒作概念，涉及面相对较窄，未制订统一标准。最早智能家居的概念源于美国，综合了集建筑、智能化、自动化为一体的安全、方便、舒适的家居环境。随着科技智能化进程的不断提升发展，人们高度认可智能家居，对智能家居的要求也越来越高，使其成为当前最关注的焦点之一。智慧家居主要是通过网络等信息通信技术手段智能控制家用电器等，让其可以不论距离远近都能够按照设定的工作运行，为人们提供最大化的家居方便。智能家居最重要的两大特点就是远程控制以及智能化[2]。
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1.2 国内外智能家居控制系统现状
现代科技的快速发展推动了社会信息化的发展，人们逐渐接受智能家居的概念，高度关注居家环境是否更为舒适、安全。
（1） 国外智能家居情况
1984 年，美国成功建设了世界上第一幢智能建筑[4]。之后，欧洲、美国、澳大利亚、加拿大等发达国家逐渐提出了各类智能家居方案。德国、美国、日本等发达国家开始大力推广应用智能家居。
智能家居和智能大厦的概念基本相同，但目前尚未取得统一认可。1988 年美国编制了《家庭自动化系统与通讯标准》，即世界上第一个家庭住宅的电气设计标准[5]。1997 年，通过众多学者专家的反复研究、论证，中国制定了《小康住宅电气设计（标准）导则》[6]，根据本国国情和民情在小康住宅的家庭设备自动化等方面提出三级设计标准， “最低目标” 是第三级， “普及目标” 是第二级“理想目标” 是第一级[7]。
随着经济的快速发展，人类的消费需求也进一步提高，从而也推动了住宅智能化的发展。因此，现代智能家居就是让家居更方便、更舒适、更安全。智能家居系统能够将家庭的居住环境监测模块、消防模块、网络通信模块、家电控制模块、视频监控模块等进行有效的结合，实现更加先进和丰富的智能家居内容[8]。
（2） 智能家居国内现状
目前，中国住宅小区智能化充分地运用了 4C 技术[9]，通过网络传输把安防和物业管理、多元信息管理和服务、住宅智能化系统集成，运用高科技的智能化手段实现住宅小区快捷高效的管理和超值服务，实现家居更方便、更舒适、更安全的目的。
智能家居目前要求具备三大功能单元：必须有一个兼容性强的智能家居中央处理平台（家庭信息平台）；必须拥有一个家庭布线系统；至少有家庭互联网、家庭控制网络、宽带互联网支持。当前，经过科技的大力推动，智能家居已发展成为可以选择不同上网方式的各类家用电器的信息收集处理综合平台，通过和各类家用电器以无线联网的方式组合在一起，实现更多更强的功能。这样的平台也适合我国现阶段的实际需求。
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第二章 智能家居控制系统无线网络技术基础
2.1 IEEE802.15.4 协议的选择
考虑到家居环境监测点分散且多杂的特点，拟将采集到的数据采用无线的方式进行传输，与目前采用的其他几种（包括蓝牙、Wi-Fi）[11]等短距离无线通信协议方式相比较，具体的性能指标见表 2-1。
其中蓝牙采用的是 802.15.1 协议，Wi-Fi 采用的是 802.11 协议[12]，ZigBee 采用的是 IEEE802.15.4 协议。蓝牙距离过小，且网络节点数只有七个，在居住区域较大需要安装很多节点时候或者有墙壁隔离的角落，布置的传感器节点无法和汇聚节点实现无丢包的通讯，而 Wi-Fi 方式对于能耗要求高，在智能家居环境中，往往需要普通干电池持续工作数年甚至更久的要求[13]，从减少维护成本考虑，IEEE802.15.4 协议更适用于本系统的开发。
...........................2.2 IEEE802.15.4 协议架构、技术特征
IEEE802.15.4 作为通信的标准，是对低速率无线个域网（LR-WPAN）的协议[15]。针对物理层和 MAC 层该模型予以定义，如图 2-1 所示。
在智能家居中 ZigBee 应用了多个 LLC 标准并在基于 IEEE802.15.4 的 MAC 层获得支持；基于 IEEE802.2 类型 1 LLC 标准则是通过 SSCS（服务特定的融合子层）协议来承担，而其他 LLC 标准可直接应用 IEEE802.15.4 的 MAC 层服务[16]。对数据包的重组与分段予以有效控制并切实保障系统数据传输的可靠性是 LLC 子层主要应用功能。IEEE802.4.15 的 MAC 协议功能：实现对帧数据的接收和发送；对设备之间的通讯链路进行建立、维护、帧检查、终止，广播时隙和预留时隙管理；明确传输数据包传输顺序并对通道访问予以控制。IEEE802.15.4 对包括 2.4GHz 和868 / 915MHz 两个物理层标准予以定义[17]。它们使用相同的物理层数据包格式并全部基于直接序列扩频技术，具有不同的工作频率、传输速率、扩展码片长度、调制技术。全球统一的 2.4GHz ISM 频段对于 ZigBee 而言无需调节即可直接应用，
从而促使 ZigBee 设备的生产成本得以大大降低并有效推动了 ZigBee 技术的应用。基于高阶调制技术的应用，采用 2.4GHZ 频段可以实现 250kbps 传输速率，且网络的延时大大缩短，提高了网络的实时性指标，也能够降低了整个网络的功耗水平。
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第三章 智能家居控制系统总体框架 ............................. 13
3.1 智能家居控制系统需求分析 ............................. 13
3.2 智能家居控制系统整体结构 .............................. 13
第四章 智能家居控制系统详细设计与实现 ................................ 21
4.1 家庭控制子网的设计与实现 .............................. 21
4.1.1 家居设备终端节点 ............................ 21
4.1.2 家居设备主节点协调器 ............................. 21
第五章 智能家居控制系统配套软件设计与实现 ............................. 38
5.1 软件系统开发环境及搭建流程 ............................ 38
5.1.1 Linux 开发环境的建立 ..................................... 38
5.1.2 Linux 应用系统搭建流程 .............................. 40
第六章 智能家居控制系统测试
6.1 功能测试
本文的设计采用标准的 S3C2440 开发板完成相应的工作，将宿主机和该中央处理器进行连接，将编译完成的程序烧写到中央处理器中，中央处理器配置好对于数据的存储空间和服务，并对远程通讯模块 SIM300 进行参数设置。
GPRS 采用的是 3.3V 串口电平，可以和中央控制器进行交叉连接，也可以将TTL 信号转换为 232 信号后，实现 GPRS 模组和电脑的连接，可以方便的对远程参数进行配置和获取工作，这样就可以实现就近将家居环境中各项参数获取到电脑，也可以实现电脑对家居控制系统的参数修改工作。
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第七章 总结与展望
本课题主要是采用了 Zigbee 构建智能家居系统的无线传感器网络，其成本可控且功耗低，适合用电池供电的场合，采用 ARM 芯片实现家庭网关的功能实现，能够和内部网络实现双向的数据互动，为大数据云平台等系统的实现奠定了硬件基础，本文选取了典型应用的传感器以及摄像头模块实现对家居环境和安防系统的搭建，同时能够实现对数据的告警功能实现，具有一定的市场价值和研究意义，
本文主要做了如下具体的工作：
(1) 分析了智能家居系统的市场发展现状以及存在的不足，通过对相关网络协议的对比，以 ZigBee 技术建立智能家居控制系统的实现方案组建，对家居环境和安防子系统为基础功能的智能家居设计方案提出。
(2) 采用 S3C2440 中央处理器实现和协调器之间数据的管理和上下行传输功能实现，通过其串口实现和协调器之间数据双向收发，并能够通过驱动 GPRS 模块实现将数据传输至远程移动客户端的功能实现。
(3) 通过对终端节点软件的编写，实现了数据的采集功能，并搭建了远程 PC系统界面和手机系统软件功能的实现和测试。
(4) 采用模块化测试的方法，系统各个单元能够可靠稳定的运行，软硬件协调工作，对智能家居控制系统的功能进行了长时间的测试，确保其具备一定的实用价值。
本文的设计中，只针对了部分传感器以及视频监控做了一定的工作，但是诸如房屋本体的结构安全监测以及对家电本身的监控并未做深入的开发和研究工作，同时针对终端节点的低功耗还有待深入研究，以便能够实现电池长时间提供能量，确保所有设备维护工作少，更加人性化的目标实现。同时本文涉及的智能家居种类较少，没能够和空调、以及燃气系统等实现控制实现，人机交互界面还不够简洁完善，因此在后期工作中需要做出深入的改进和探索工作。
参考文献（略）