嵌入式家庭测控网络系统研究与应用

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 2.14MB 69 页 15积分
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摘 要
随着世界经济和科学技术水平的不断提高，特别是计算机技术、通讯技术、
网络技术、控制技术、信息技术的急速发展，促使人们对日常生活水准产生了的
不断追求，家庭网络化成为一种必然。家庭网络化是将家庭中的通讯设备、家用
电器和家庭保安装置，通过家庭网络技术连接到一个家庭智能化系统上进行集中
的或异地的监视、控制，这些都是通过家庭网络化的核心—家庭控制器系统来实
现的。家庭控制器系统集测量、控制为一体，通过家庭网络系统实现对家庭安防
系统的监控和报警、三表的查收、家电控制等功能。所以说家庭控制器系统是网
络家庭的核心，也有人将它比喻成人的大脑。由此可见，家庭控制器系统在数字
家庭中的重要作用。
本文详细论述了作者做硕士学位论文工作期间在基于嵌入式Web服务器的家
庭测控领域所做的研究与实践。首先综合论述了与本文研究有关的嵌入式家庭测
控系统的组成和论文工作的意义以及实现思路；紧接着对家庭测控系统的体系结
构和整体设计方案进行了分析和探讨；然后主要围绕家庭网络控制系统的硬件平
台设计和软件构建两方面展开讨论：硬件方面设计了家庭网络控制器各功能模块
电路，详细分析了设计思路并给于了具体实现，软件方面实现了利用JAVA构建了
嵌入式Web服务器和家庭网络控制器的软件开发。最后针对现有的工作，指出了存
在的不足。本课题把当今信息领域最为热门的网络技术、嵌入式技术应用到家庭
控制系统的设计中，构造了一个价格低廉、功能较完善的家庭测控应用体系结构，
满足了社会各阶层居民用户对居住环境的基本要求。
通过本课题的研究，将为嵌入式网站家电测控系统开发探索了理论和技术基
础。
关键词：数字家庭 家庭网络 嵌入式Web 家庭测控 TINI 单总线
ABSTRACT
Nowadays, the boom of the economy and science, especially the fast development
of computer, telecommunication, network, controlling and information, stimulates the
pursuing of higher living condition, therefore, Home Net tends to be necessary.
With the help of the network technology, combining electric appliances,
communication and security devices with an intelligentized system to measure
and .control romotly or with convergence, that is concept of the Home Net. To realize it ,
controlling system which is the kernel of the Home Net is an essential portion.
Moreover, someone compares it to the brain of human being. Thus it can be seen,
controlling system acts an greatly important role in Digital Home.
This article discourses amply upon the study in the field of home- measuring and
controlling embedded system during the author working out the thesis for the master's
degree. First of all ,it discourses upon the composing of the controlling system, the
significance of this study and process of realization. And then, analysis of the systematic
structure and the scheme of holistic design is necessary. After that , we divide the
discussion into two parts: designing of hardware platform and construction of software.
In the hardware part, we reveal the process of building the functional module and
analyse the thoughtway of design, further more, we put it into practice concretely. About
the aspect of software, we worked out the communication between the embedded web
server and the controlling system by means of Java. At last . the shortage has to be
pointed out in allusion to current situation This disquisition applies the network and
embedment technology ,all of which is the best concerned in the information field, to
the designing of this system, it also constructs an low-cost and function-consummated
systematic structure of home-supervising, that meets various demands of living
condition which is proposed by estates of the community.
Obviously, to explore the theory and widen the extension of the Embedded Web
Housing Supervisory System are the purpose and significance of this study.
Keywords: Digital Home, Home Net, Embedded Web Server, TINI,
1-Wire
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论……………………………………………………………………………1
§1.1 数字化家庭概述…………………………………………………………1
§1.2 家庭测控系统的组成……………………………………………………2
§1.3 嵌入式系统………………………………………………………………3
§1.3.1 嵌入式系统的概念……………………………………………………3
§1.3.2 嵌入式系统的特点……………………………………………………4
§1.3.3 嵌入式系统分类………………………………………………………4
§1.4 嵌入式 Internet 概念…………………………………………………… 6
§1.5 本论文主要内容和论文组织……………………………………………6
第二章 家庭测控系统体系结构和整体设计方案……………………………………8
§2.1 家庭网络系统……………………………………………………………8
§2.1.1 家庭智能控制系统……………………………………………………8
§2.1.2 家庭电话线组网技术…………………………………………………9
§2.1.3 家庭无线网技术………………………………………………………9
§2.1.4 单总线技术……………………………………………………………11
§2.2 家庭测控网络系统体系结构…………………………………………11
§2.3 家庭测控网络互连方案比较及本课题采用的方案……………………12
§2.4 本章小结…………………………………………………………………13
第三章 嵌入式家庭测控系统总体设计……………………………………………14
§3.1 系统总体结构 ……………………………………………………………14
§3.2 嵌入式系统与 Internet 相连方案……………………………………15
§3.2.1 EMIT 技术方案…………………………………………………………15
§3.2.2 emISP-soc 产品和技术方案……………………………………………15
§3.2.3 用 Webchip 芯片方案…………………………………………………16
§3.2.4 总线方案………………………………………………………………16
§3.3 本方案采用的技术………………………………………………………16
§3.4 系统总体设计……………………………………………………………17
§3.5 微处理系统 TINI…………………………………………………………17
§3.5.1 基本组成………………………………………………………………19
§3.6 单总线（1-wire）技术…………………………………………………20
§3.6.1 硬件结构………………………………………………………………21
§3.6.2 命令序列………………………………………………………………21
§3.6.3 信号方式………………………………………………………………22
§3.7 本章小结…………………………………………………………………24
第四章 嵌入式家庭测控器软硬件设计……………………………………………25
§4.1 家庭测控器硬件设计目标………………………………………………25
§4.2 方案设计和功能模块简介………………………………………………25
§4.3 HT46R47 的概述……………………………………………………………26
§4.3.1 HT46R47 微控制器特性…………………………………………………27
§4.3.2 HT46R47 引脚和引脚功能说明…………………………………………27
§4.3.3 HT46R47 微控制器的数据存储器（RAM）中的特殊功能寄存器……28
§4.4 家庭控制器电路设计……………………………………………………34
§4.4.1 电源模块设计…………………………………………………………34
§4.4.2 大功率交流电源输出模块……………………………………………34
§4.4.3 市电过零检测模块……………………………………………………35
§4.4.4 红外线发射模块………………………………………………………35
§4.4.5 红外线接收模块………………………………………………………36
§4.4.6 通信接口………………………………………………………………37
§4.5 嵌入式家庭测控器软件实现……………………………………………37
§4.5.1 家庭测控器程序总体流程图…………………………………………38
§4.5.2 单片机程序实现………………………………………………………39
§4.6 本章小结…………………………………………………………………41
第五章 TINI Web 服务器架设及 JAVA 开发…………………………………………42
§5.1 JAVA 概述…………………………………………………………………42
§5.2 实现 TINI Web 服务器功能………………………………………………42
§5.2.1 网站架设原理…………………………………………………………42
§5.2.2 网站具体实现…………………………………………………………42
§5.2.3 设备监控指令管理……………………………………………………45
§5.2.4 单总线网络数据通信………………………………………………… 47
§5.3 远程客户端程序的工作原理及实现…………………………………… 50
§5.4 本章小结………………………………………………………………… 51
第六章 家庭测控网络系统综合测试……………………………………………… 52
§6.1 PC 机与 TINI 硬件通信线路连接 ……………………………………… 52
§6.2 TINI 运行环境的建立 ……………………………………………………52
§6.2.1 软件安装……………………………………………………………… 52
§6.2.2 设置环境变量………………………………………………………… 52
§6.2.3 运行 JavaKit 终端程序……………………………………………… 53
§6.3 TINI 文件的生成…………………………………………………………54
§6.4 装载.tini 程序………………………………………………………… 55
§6.5 系统运行…………………………………………………………………55
§6.6 本章小结…………………………………………………………………56
第七章 论文的总结和展望………………………………………………………… 57
§7.1 总结………………………………………………………………………57
§7.1.1 论文的创新点和理论水平……………………………………………57
§7.1.2 论文的实用性和应用价值……………………………………………57
§7.2 展望………………………………………………………………………58
结束语………………………………………………………………………………59
致 谢………………………………………………………………………………60
参考文献……………………………………………………………………………61
在校期间公开发表的论文及参加科研项目 ………………………………………63
附录一：串口通信线连接方式 ……………………………………………………64
附录二：家庭测控器电路原理总图…………………………………………………65
附录三：实物照片……………………………………………………………………66
第一章 绪论
1
第一章 绪论
20世纪60年代以来，随着电子技术、计算机技术、通讯技术的高速发展，人
类的工作方式、生活方式发生了翻天覆地的变化。特别是计算机和计算机网络的
出现，不仅给人类的生活带来了极大的便利，而且实现了人类跨越时间和空间的
梦想。进入21世纪，家居生活进入信息化，原先功能单一的家电相互间逐步发生
了千丝万缕的联系，并可与因特网相连，形成一个以住宅为平台，兼备建筑、网
络通信、信息家电、设备自动化、集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒
适、安全、便利、环保的居住环境。
以上就是所谓“智能家居”，或“智能住宅”的蓝图，英文词汇叫“Smart Home”，
美国人称之为“智慧屋”，在欧洲叫“时髦家居”。智能家居的发展非常诱人：
起床时间一到，卧室音响设备就自动播放主人爱听的“起床曲”唤醒主人；浴室
里的电灯也会随着主人进入梳洗间自动亮起；与此同时，厨房会自动煮牛奶，计
算机会根据包装袋上的无线电频率识别码（RFID）识别出食物种类，并给出菜谱
建议；睡前按一下“晚安”键，家庭主控系统会进入“晚间休息模式”，此刻家
中的等全部熄灭、窗帘落下、大门锁好、防盗报警系统开始工作[1]。
与智能家居的含义相近的还有家庭自动化（Home Automation）、电子家庭
（Electronic Home/E-home）、数字家园（Digital Family）、家庭网络（Home
Net/Networks for Home）、网络家居（Network Home），智能家庭/建筑（Intelligent
Home/Building）[2]。在香港、台湾等地区还有数码家庭、数码家居等名词。虽然
称呼不一，各有侧重点，但其基本构想一致，可谓殊途同归，即信息化是根本，
枢纽是网络。这就是IT新技术和传统住宅相结合的产物— 数字化家庭，带给人们
的一种生活新理念。
§1.1 数字化家庭概述[3]
20世纪90年代初，美国、欧洲等经济比较发达的国家先后提出了“智能住宅”
(Smart Home)的概念。其基本思想是：“将家庭中各种与信息相关的设备、家用电
器和家庭保安装置通过家庭总线技术（HBS）连接到一个家庭智能化系统上，以
进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅
环境的和谐及协调。”1988年编制了第一个适用于家庭住宅的电气设计标准，即
《家庭自动化系统与通信标准》，也称之为家庭总线系统标准（HBS, HomeBus
Standard）。
我国于1994年正式提出了小康家居的标准，该标准首次将家居的安全性提到
了重要的位置上。1997年初，开始制定《小康住宅电气设计(标准)导则》，可以说，
这个标准拉开了中国城市“住宅家庭智能化”的序幕，深圳、广州、上海、北京
等城市相继建设了自己的示范家庭。
嵌入式家庭测控网络系统研究与应用
2
1998年1月31日，美国副总统戈尔在美国加利福尼亚科学中心的演讲中提出了
“数字地球”的概念，又于同年9月提出“数字化舒适家庭的建设”即数字城市的
概念，世界上迅速掀起了这方面的研究，许多国家相继开始了“数字城市”的示
范和建设工作。我国对数字城市建设非常重视，由国家建设部主持的《城市规划、
建设、管理与服务的数字化工程》已经纳入国家“十五”重大科技攻关项目之中，
数字城市试点工作于2000年就己经启动。
数字城市是指在城市规划建设与运营管理以及城市的生产与生活中，利用数
字化信息处理技术和网络通信技术，将城市的各种数字信息及各种信息资源加以
整合并充分利用。数字城市的建设包括两方面的含义，一是数字信息基础平台设
施的建设，即城市宽带网络、网络交换系统和计算机服务系统；另一方面是数据
信息建设，如“电子政务”、“电子商务”、“远程医疗”等等。数字家庭是数
字城市的基本单元之一，家庭中的居民活动可以产生大量的网络需求，使数字城
市真正运作起来。现在对数字家庭还没有一个明确的定义，但它有明确的建设目
标：在未来数字化信息社会里，实现人类共同的跨越时间、空间限制的信息资源
共享，同时实现住宅的智能化功能服务和管理。
目前，国家建设部正组织实施全国住宅小区智能化技术示范工程，并将示范
工程划分为普及型、先进型、领先型三个层次，制定了相应的技术要求。
普及型：住宅小区设立计算机自动化管理中心，水、电、热等自动计量和收
费，住宅小区实行封闭式安全自动监控，住宅的火灾、有害气体泄漏等实行自动
报警，设置紧急呼叫系统，对住宅小区的关键设备、设施实行集中管理，对其运
行状态实施远程监控。
先进型：除实现普及型的全部功能要求外，还应实行住宅小区与城市区域联
网，住宅通过网络终端实现医疗、文娱、商业等公共服务和费用自动结算，住户
通过家庭电脑可阅读电子书籍和出版物等。
领先型：除实现先进型的全部功能要求外，在要应用I－CIMS技术，实施住宅
小区开发全生命周期的现代信息集成系统，达到提高质量、有效管理、改善环境
的目的。
建设部计划用五年左右的时间，在全国建成一批住宅小区智能化技术示范工
程，摸索出一套适应各地、各具特色的智能住宅小区的设计、集成、施工等方面
的经验，并向全国推广。
§1.2 家庭测控系统的组成
家庭测控系统主要由三部分组成：即嵌入式网关、家庭测控器和家庭网络。
在嵌入式家庭网关中应用TCP/IP 协议栈，能够支持多个连接通道，主控制模
块完成两项任务：实时监听、接收来自Internet 和PSTN 上的控制命令，对信息进
行解释并提供反馈；给家庭测控器发控制命令，控制相应设备。家庭测控器直接
和家用电器打交道，根据具体设备执行相应操作，起到与家用电器相适配的作用。
摘要：

摘要随着世界经济和科学技术水平的不断提高，特别是计算机技术、通讯技术、网络技术、控制技术、信息技术的急速发展，促使人们对日常生活水准产生了的不断追求，家庭网络化成为一种必然。家庭网络化是将家庭中的通讯设备、家用电器和家庭保安装置，通过家庭网络技术连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、控制，这些都是通过家庭网络化的核心—家庭控制器系统来实现的。家庭控制器系统集测量、控制为一体，通过家庭网络系统实现对家庭安防系统的监控和报警、三表的查收、家电控制等功能。所以说家庭控制器系统是网络家庭的核心，也有人将它比喻成人的大脑。由此可见，家庭控制器系统在数字家庭中的重要作用。本文详细论述了作者做硕...

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