文章目录
- 前言
- 一、研究的主要内容
- 二、系统方案设计
-
- 1.硬件层通信协议选择
- 2.硬件层通信协议选择
- 3.整体方案设计
- 总结
前言
随着计算机技术、网络技术和通信技术的不断发展，以及人们物质生活水平的不断提高，人们对家居质量的要求也日益提高。科幻电影中曾经幻想过很多场景：坐在沙发上可以控制家庭照明系统，躺在床上可以开关厕所通风扇，不用起床可以为客人打开门，通过发送短信可以提前启动家庭空调和热水器，每天晚上，所有窗帘都会定期自动关闭，外出不仅可以关闭忘记停电的家庭设施，还可以实时检查老人和孩子的情况。所有这些都不断刺激消费者对高品质家居的追求，也不断鼓励主要科研机构和制造商推动科技进步。从那时起，智能家居的概念就深深扎根于人们的心中。 为了进一步加快经济结构调整和经济发展模式式的转变，中国将物联网作为科技发展的重要方向，已成为世界关注的热点领域，被认为是互联网之后最重要的科技创新。物联网通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按照约定的协议把任何物品与互联网连接起来进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。 物联网作为国家战略性新兴产业的重要组成部分，不仅可以提高经济效益，大大节约成本，还可以为全球经济复苏提供技术动力。物联网的发展为智能家居带来了新的概念和发展空间。智能家居可视为物联网的重要应用，得到了政府的大力支持。基于物联网的智能家居表现为利用信息传感设备将与家居生活相关的各种子系统有机结合，与互联网连接，监控和管理信息交换和通信，实现家居智能化。 基于这一背景课题的研究和开发是在树莓派3中运行的B基于卡片电脑的智能家居系统Windows10 IoT实时嵌入式操作系统。它反映了人与设备的和谐，平台可以实时收集各种设备的数据，远程控制部分控制器；并为云大数据算法提供数据支持。
一、研究的主要内容
本文的主要内容是设计一个兼容性好、可靠性高、扩展能力强的智能物联网网关系统。该系统主要实现智能设备网络、数据收集、上传据收集、上传和远程控制，利用云实现数据分析和处理，大大提高了智能程度，可适用于尽可能多的不同场景。本设计最显著的特点是采用双无线协议，基本涵盖了市场上大部分智能家居的通信协议，兼容性强。 本文在阅读大量文献的基础上，设计了网关检测传输系统的总体方案。通过设计其架构，可以自动添加、删除和管理多个设备，并确定系统的基本部分。本设计的核心功能是实现多设备的智能网络、数据收集和设备控制，然后讨论各种数据分析结果的处理，验证系统的整体方案。该系统由五个子系统组成，每个子系统都可以按照特定的协议通信，数据分析和处理主要依赖于本地服务器。本设计的主要功能是组网、管理、收集和上传智能家居设备、分析数据。设计实现的参数指标有： 1.实现网关、从机硬件、驱动设计； 2.软件层MQTT、CoAP、TCP/IP实现通信协议； 3.实现人性化、美观化UI界面设计； 4.收集环境数据:温度-20-50℃，误差小于0.1℃，湿度从25%到90%不等±5%； 5.在断电、断网等异常情况下保存数据，直至恢复正常工作状态； 6.系统中各设备之间的正确数据交换，误差率控制在1%以内，系统稳定运行4小时以上。 系统以搭载Windows10 IoT嵌入式系统Raspberry Pi 3B以微型计算机为基础设计的智能网关设备为中心，可将数据收集发送到本地服务器或Azure IoT Hub存储和处理云服务器，也可以通过手机控制器，PC管理软件或网关本身控制指定终端的指定动作；为了模拟实际的家庭使用，还设计了一个基于ZigBee基于家庭照明系统的从机模拟WiFi协议从机模拟家用空调系统。
二、系统方案设计
1.硬件层通信协议选择
网络模式直接决定了网关的通信能力和效率。目前，家用智能网关的网络类型较多，主要包括IrDA、Bluetooth、Home RF、Wi-Fi、UWB和ZigBee 六大无线通信技术标准，不同的通信方式决定了各自的通信能力、通信效率和网络组合能力。 IrDA即红外数据组织，适用于通信双方无障碍的场景，通信距离为10m左右。这种通信方式只支持点对点，不能灵活组网。 Bluetooth遵守无线技术标准IEEE802.15.1协议，可实现短距离数据交换，主要的应用领域是消费电子、PC等，通信距离为10m左右。 HomeRF家庭射频可以在家庭计算机和其他设备之间实现无线通信。由于技术细节尚未披露，该技术应用不广泛，其有效传输距离为100m左右。 WiFi电子设备可以无线连接到局域网，并遵循它IEEE802.11互联网标准的传输速率可达54Mbps，通信距离在100m左右，应用领域非常广泛。 UWB超宽带采用非正弦波窄脉冲传输数据，抗干扰性强，数据传输速率高，数据传输速率可达1Gbps。 ZigBee，又称紫蜂协议，是与普通无线局域网协议的低速短距离无线网协议（WiFi）所采用的IEEE802.11标准不同，它的底层采用的是低功耗的IEEE802.15.4.在数据传输过程中，采用银行级硬件加密。这些独特的标准和设计具有功耗低、成本低、支持大量节点和各种拓扑、复杂性低、可靠、安全等特点，室内数据传输距离可达50m，主要用于工业控制和智能仪表领域。 综合考虑家庭物联网环境的实际情况，专门用于物联网ZigBee协议和通用型强WiFi协议组合是一种相对理想的网络解决方案，与市场上绝大多数智能家居基本兼容。 除上述因素外，还应考虑多设备网络模式、数据包格式、数据丢包率、数据包处理、系统能承受的数据压力等。同时，还需要为用户设计合理的UI，方便用户操作。
2.硬件层通信协议选择
就目前的物联网市场来看，最为流行的两种协议就是COAP和MQTT，与普通协议相比，这两种协议都是专门用于物联网设备的。HTTP更适合资源有限的物联网设备。 MQTT协议（Message Queuing Telemetry Transport），最初由美国IBM公司提出。基于标准的底层TCP协议设计的核心理念是Subcribe（订阅）和Publish（推送）。客户端向服务器订阅主题后，如果其他客户端向服务器推送主题Payload(有效数据)，服务器将数据转发给订阅主题的客户端。MQTT协议支持三个层次的消息：QoS0-最多1次，QoS1-至少1次，QoS2-只有1次。 CoAP协议（Constrained Application Protocol），是物联网设备的一种类型Web协议，其基础UDP其特点使得客户端和服务器可以进行无连接的数据报告和通信，同时遵循客户端/服务器模型，客户端可以使用POST，GET等指令，CoAP数据包远小于其他协议，它具有易生成、原位分析等优点。 虽然是物联网通信协议，但是MQTT和CoAP它们之间有很大的差距。MQTT多对多协议主要用于不同设备之间的代理信息传输，可用于解除数据生成者与用户之间的耦合；MQTT作为基础TCP长连接协议适用于实时数据通信总线。CoAP在客户端和服务器之间传输信息的点对点协议。MQTT本身不提供消息标记，MQTT消息可以用于任何目的，但数据格式需要在设备和服务器、设备和设备之间协定。CoAP相反，它提供协商协议，允许设备相互窥视。总而言之MQTT在传输式更灵活，CoAP更容易理解设备。 考虑到设备的计算能力、功耗限制等因素，系统的从机和网关部分通信是基于自编的UDP的类COAP协议，网关和AZure服务器之间的通信是开源的AZure MQTT协议，网关和本地服务器之间的连接采用TCP协议。
3.整体方案设计
智能家居是通过电视、照明灯具、窗帘、空调、安全系统等互联网技术连接家中的各种设备。为实现家居环境的自动化和智能化，提供家电控制、照明控制、室内外遥控、防盗报警、环境监测、空调和供暖控制等功能，也是智能家居理念的初衷。有线和基础PC无线是实现智能家居系统的两种主要传统方法。顾名思义，有线是通过电缆实现的。该方法的优点是稳定可靠，实现难度低；缺点是灵活性差弱、成本高、改造困难。基于PC与有线相比，无线方法更灵活，更容易扩展，但对服务器的稳定性要求较高，服务器必须始终运行，否则PC因此，该方法的缺点是稳定性差、维护成本高、升级困难等。上述两种智能家居实现方法存在诸多不足，因此寻找新技术实现新一代智能家居系统已成为必然和有效的方法。 综合以上分析，新一代智能家居系统采用嵌入式和无线网络设计和实现，控制更自动化、更高效，互联网和家庭内部网络通信更稳定、更高效，成本效益高，技术实现非常可控，应用场景更丰富，基本无限。 本文首先分析了包括国内外在内的现有智能家居系统，然后根据智能家居的发展现状和趋势设计了树莓派3B高性能智能家居系统，成本低，稳定性高，扩展方便，使用方便。 系统采用Raspberry Pi 3B作为网关主机，通过WiFi网络和ZigBee网络与由STC89C51系列、STM32系列单片机作为主控制器的从机完成网络建设。主机将收集到的从机数据暂时存储到存储器中，并定期将数据上传到服务器，并分析服务器发出的指令，然后转发到从机。在常规环境下，TCP/IP协议栈可同时连接20多个设备，ZigBee理论上，多达6535台设备可以支持组网能满足大量设备同时组网的需求。ZigBee和WiFi网络都是全双工通讯方式，可以无需考虑发送时序实时通讯。ZigBee设备在设置好信道和通讯方式后可以自行组网无需过多干预。WiFi网络通讯基于TCP/IP协议栈，最终决定采用无需建立连接即可传输数据的UDP协议，UDP在OSI7层参考模型中处于传输层，是一种可以无需先行建立连接直接传输数据的协议，它区别于TCP协议的地方在于它没有内置的数据校验和重传，所有的数据的校验和重传均由应用层完成。由于系统在设计之初就面相各式各样的传感器组网，所以需要在数据包上添加识别序号和数据类型来对收集到的数据加以区分。由于网络设备IP地址唯一的特性，WiFi设备可以采用IP地址作为识别号，ZigBee设备则采用在包中附加识别号的方式来进行设别。同时为了方便数据处理，WiFi网络和ZigBee网络除识别标识外均应采用同样格式的数据包。 提示：详细内容可参考下方 论文详细内容点击此处下载 论文开题报告、任务书点击此处下载
总结
本文论述了一套基于Win10 IoT嵌入式操作系统的家庭物联网网关系统设计，进行了软硬件设计和实现，最终完成了对家庭物联网设备的集中管理和数据收集任务。 本次设计的物联网网关区别于市面上的传统网关，其有以下特点： 1.多设备动态管理，集中数据采集 2.可视化图形界面，触摸、语音复合型交互 3.配置&队列数据异常状况(掉电/断网) 自动保存 4.云端通道采用了RSA非对称加密，保证的通讯的保密性 5.支持标准协议、兼容多家云平台、可在多种架构设备上运行 本系统以WinRouter软件为核心，采用微软.Net Core软件平台，经测试其可以顺利的运行在至少2种不同的ARM平台和2种不同的X64平台上，具备较强的跨平台能力。同时经过Visual Studio对系统进行测试，其能有效的管理多达51个设备并完成对它们的操纵和数据处理，测试过程中并未出现严重的数据错误。同时Cortnan语音助手识别率高，可以有效的承担交互功能。RSA加密的实现能够有效的保证通讯数据安全。在实际平台的调试过程中其也稳定的运行了至少4个小时。其预留的标准数据接口也允许其在短时间内实现对其他云平台的支持。 通过前期模型的设计，程序的搭建，算法的优化和实际环境的调试，本系统实现了绝大部分设计任务。在非极端环境下可以有效的达成设计目的。