家电控制系统设计(Linux+Android+Wi-Fi技术)

摘要

　　现代社会是一个科学技术快速发展的时代，而互联网技术和电子技术虽然都是比较新的技术，但从诞生以来就迅猛发展，现在已经越来越成熟，并进入到新的发展阶段。随着技术融合趋势越来越明显，由此也派生出众多新的研究领域。物联网技术就是在这种环境下产生的概念，而且早已成为热门课题。可以预见，物联网技术必将会给我们的生活带来巨大改变。而作为其重要的组成部分，家电的智能化也必然是趋势。另一方面，现代生活的快节奏化，使得人们对家电操作的简单化和智能化提出了更高的要求。而相对的目前市场上出现智能家电数量过少且难以到达真正的智能化，所以本课题研究具有一定的实际意义。

　　本课题的主要研究方向为在嵌入式系统上实现家电的网络连接和远程控制功能。课题设计了一套通用的家电控制方案并在咖啡机上进行验证。本课题中家电控制系统的整体方案为：制作安卓手机 APP，通过 Wi-Fi与开发板通信。

　　通信过程使用 TCP 协议套接字完成。开发板上搭建 Java 运行环境后，运行 Java服务器程序等待接受客户端请求。收到请求后开启新的进程，通过调用底层 C程序可执行文件，控制 GPIO 接口，GPIO 接口可以通过继电器控制家电设备。

　　另一方面，在开发板运行 Web 服务器进程时，可通过网页发送控制请求，该请求到达开发板后，按照与上述类似的方式调用底层接口。

　　在服务器端，将服务器软件的功能分成三个部分，网络服务部分、命令解析部分以及命令处理部分。网络服务部分处理客户与服务器具体的交互流程和涉及到的网络协议。对于命令解析部分，首先将收到的 TCP 报文段解包，提取出数据部分，对数据进行解析得到用户发送来的控制命令，然后根据命令调用不同的底层控制程序。在命令处理模块中，利用 GPIO 接口输出信号，利用其输出信号控制外围电器设备。在客户端设计和开发 Android 应用，分别使用XML 设计程序的控制界面与安放功能组件，利用 Activity 进行了程序的编写和功能实现，程序使用双线程模式，分别用来接受用户请求和与服务器通信，线程直接通过 Handler 机制进行消息传送。最后，我们对整体系统程序进行了验证。

　　关键词：嵌入式系统；Linux；Android 应用；智能家电；Wi-Fi 技术

Abstract

　　Modern society is an era with rapid development in science and technology.Even though the Internet technology and electronic technology are relatively new,they have developed rapidly since their birth. Now they are more and more mature,  and going to enter into a new stage of development. Since the trend of fusion technology is more and more obvious, many new research fie ld s have been derived.

　　The Internet of things technology is a concept produced in this environment, and has been a hot topic recently. Predictably, the Internet of things technology will bring great change to our lives. As an important part of witch, the appliance of intelligent must also be a trend. On the other hand, the fast rhythm of modern life makes higher requirements of simp le and smart appliances operating have been put forward. Nevertheless, the intelligent home appliances appearing on the market at present are not enough and not real intelligent. So this topic of research has certain practical significance.

　　After studying the development direction of intelligent home appliances and the possibility of imple mentation, we select the topic of network access and remote control of home appliances to be the ma in research direction. This article designs and implements a set of home appliances controlling scheme. The overall scheme of home appliance controlling system is: make an Android application, and communication with development board via Wi-Fi. Communication is accomplished by using TCP protocol socket. After build ing the Java runtime environment on the development board, run Java server program which will wait for client requests. After the receipt of a request, open a new process to control the GPIO interface by calling the underlying C executable program. GPIO interface can control home appliance equipment by relay. The specific implementation process is : first, choose the software and hardware platform of the system according to the goal need to achieve, and complete the basic work of configuration. The main program is divided into two part, client and server. And then comp lete them respectively.

　　On the server side, the function of the server software can be divided into three parts, network services, command parsing and command processing. The network service handles the specific process of interaction between customer and server, and network protocol involved. For command parsing, first unpack the received TCP segment, extract the data, parse the data to get the control sent by users, and then invocate different underlying control program according to the command. In the command processing module, we use GPIO interface to output signa l, using the output signal to control peripheral electrical equipment. On the client side, we design and development an Android application, using XML to design the interface of control program and lay the functional components; the function of the program are carried out using the Activity. This program use double thread model, which are used to accept the user requests and communicate with the server respective ly. Threads send message with each other through Handler mechanism. Finally, we will test the whole system program.

　　Keywords: embedded system, Linux, android application, Wi-Fi technology,intelligent home appliances

　　随着近几个世纪以来科学技术的不断积累，现代社会已进入到一个科技水平飞速发展的时代，不论是科学理论的提出还是科技产品的推出都越来越迅速，而且数量庞大。与此同时人们的生活方式也经历了极大的转变，人们也对未来的进步方向有了更多的展望。现代科技成果高产量，是由于科研领域的不断细化，和不同领域的创造性的交叉融合。物联网技术正是在这样的大环境下的产物，它得益于传统家电产业与网络、无线通信等技术的相互借鉴结合。可以预见，物联网技术必将会给我们的生活带来巨大改变。而作为其重要的组成部分，家电的智能化也必然是趋势。

　　另一方面，现代生产力的不断提高，使一切产品都在快速的制造更新，这带给人们的不仅是物质的丰富，也带来了高效快节奏的生活，要求人们在单位时间内创造更多的价值。为了节约日常生活的时间，人们自然对家电操作的简单和智能提出了更高的要求。

　　目前处在前沿领域的新式家电，不同于传统是在于众多成熟技术的引用，将微处理器、传感器和网络通信等方面所取得的成功拿来解决传统家电遇到的瓶颈。这极大的提高了现代家电的性能，也拓展了这一领域今后发展的思路。今后，家电行业必将朝着智能化的方向继续向前迈进。所谓智能化就是让家电像人一样具有一定分析问题解决问题的能力，从某种程度上节省人的思考。当然不同的家电设备所需面对的问题各不相同，所需采用的解决方案也不尽相同，所以这一领域的整体发展，依赖于整体科技水平的不断提高，也促进其他领域的向前探索。

　　现今已经进入了信息化时代，人们在享受着信息化带来的种种便利后，也希望自己的家庭环境能到信息化。单一家电的发展虽然会在一定程度上解决目前遇到的问题，但一个统一集成的家居环境控制网，才真正网络时代的诉求。为了实现智能家电的众多功能，传统的电路设计已经不能满足需求，因此嵌入式的概念被引入到智能家电的解决方案。

　　嵌入式系统是计算机技术在特定领域或具体点说特定设备上的应用。这类设备原来并没有处理器和计算机系统的控制，所以实现的功能单一。已越来越难以满足现代社会的要求，而计算机技术的发展为这类问题带来了解决方法。

　　当然要把整个计算机技术拿过来应用一个设备上，是不必要的也很浪费。嵌入式系统正是在保留计算机系统整体框架的基础上，配置出最适合特定领域应用的专用的系统。

　　嵌入式的概念已经出现几十年，它最初被用于控制电路交换机，而如今它以广泛应用于各个领域，在我们的日常生活中也随处可见，小到MP3，大到冰箱、空调，只要内部包含处理器，都可算作嵌入式系统。近年来，随着计算机、通信和消费电子三个领域合一的加速，嵌入式产品的开发不仅是社会的需求，也有了强大技术的保证。应用于各个领域的微型、专用的嵌入式系统必将大量产生。

　　嵌入式系统是针对特定领域解决特定问题的，所以不能像在个人计算机上那样开发出一个通用的系统平台，需要针对特定应用进行特定开发。这也是其近年来，需求量大、参与人员多的原因。设计一个嵌入式系统需要根据实际情况决定软硬件的指标。量体裁衣的结果既要满足系统的高效运行又要节省成本，避免资源浪费，这样的产品才具有实用性。

　　本课题是要完成一个通用的家电控制嵌入式系统，控制的方式主要通过网络进行远程控制。设计通用的控制平台解决家电之间的兼容，组成家居控制网络，并在此基础上进行智能控制方法的研究。

　　本课题来源于企业产学研项目，与深圳中微电子有限公司合作智能家电项目。在实验室期间主要任务是嵌入式 Linux 系统程序的编写和调试。基于所学的知识参与智能家电项目，完成家电网络控制方案的设计与实现。

客户端程序演示

系统测试结果

Web 测试结果

 HttpRequester 测试

目 录

　　摘 要
　　ABSTRACT
　　目 录
　　第 1 章 绪 论
　　　　1.1 课题研究背景及来源
　　　　1.2 国内外研究现状与分析
　　　　1.3 课题研究目的及意义
　　　　1.4 本文的主要研究内容
　　第 2 章 家电控制系统的总体设计与分析
　　　　2.1 家电控制系统整体结构
　　　　2.2 系统软件平台配置
　　　　　　2.2.1 嵌入式系统移植
　　　　　　2.2.2 嵌入式系统开发
　　　　　　2.2.3 Java 编译运行环境
　　　　　　2.2.4 控制终端软件平台
　　　　2.3 系统硬件平台配置
　　　　　　2.3.1 Raspberry Pi B+开发板简介
　　　　　　2.3.2 IC3138 开发板简介
　　　　2.4 无线控制方案
　　　　　　2.4.1 Wi- Fi 网络的基本结构
　　　　　　2.4.2 Wi- Fi 网络工作原理
　　　　2.5 网络传输协议选择
　　　　2.6 本章小结
　　第 3 章 系统服务器端的设计与实现
　　　　3.1 网络服务
　　　　　　3.1.1 Raspberry Pi 的 Wi-Fi 模块配置
　　　　　　3.1.2 Wi- Fi 服务器
　　　　　　3.1.3 Java Socket 网络通信的实现
　　　　　　3.1.4 Web 服务器
　　　　3.2 命令解析
　　　　　　3.2.1 命令解析
　　　　　　3.2.2 进程调用
　　　　3.3 命令处理
　　　　3.4 注册功能模块
　　　　3.5 本章小结
　　第 4 章 系统客户端的设计与实现
　　　　4.1 Android 应用开发
　　　　　　4.1.1 XML 编写
　　　　　　4.1.2 Activity 开发
　　　　　　4.1.3 基于 Handler 机制的线程通信
　　　　4.2 数据发送
　　　　　　4.2.1 TCP 的封装与发送
　　　　　　4.2.2 Android 网络编程
　　　　　　4.2.3 用户登录
　　　　4.3 Web 客户端访问
　　　　4.4 触控屏控制端
　　　　　　4.4.1 基于 FrameBuffer 的图形开发
　　　　　　4.4.2 Qt 图形库移植
　　　　4.5 本章小结
　　结 论
　　参考文献
　　攻读硕士学位期间已发表或录用的论文
　　哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限
　　致 谢

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