基于智能手机的智能家居控制系统的设计与实现计算机专业.docx

题目：基于智能手机的智能家居控制系统的设计与实现 摘 要 随着人们对生活质量要求的提高以及智能家电的发展，普通家庭使用的智能家电设备逐渐增多，迫切需要集中地控制家电设备。与此同时，随着智能手机性能的提升以及移动互联网的发展，智能手机已经成为人们生活不可或缺的一部分， 未来将成为智能家居控制系统的主流控制终端。 在这样的背景下，本文研究了基于手机加速度传感器和陀螺仪的智能家居控制系统，该系统以 Wi-Fi 通信技术为基础，以 Android 智能手机作为控制终端，以手势作为控制方式。本文在阐明智能家居控制系统的课题背景以及研究意义后， 介绍了实现系统所需的 Wi-Fi 通信技术、手势识别以及 Web Service 技术；在分析了系统的功能需求后，给出了基于智能手机加速度传感器和陀螺仪的智能家居控制系统的总体设计方案。在对系统进行总体设计后，本文分别对手机控制端的家电控制、入网设备注册、文件共享以及交互模块进行详细设计与实现，并且在家电控制模块中详细说明了系统采用的手势识别算法，然后对系统服务端的网络服务、命令解析以及命令处理模块分别进行了设计与实现。 最后，本文对系统的各个功能模块进行了黑盒测试，同时对 Wi-Fi 网络丢包率及手势识别率进行实验测试，并对测试结果进行了分析。 关键词：Android 智能家居 Wi-Fi 手势识别 智能手机 Abstract With the pursuit of a better life quality and more interests in smart home gradually, intelligent appliances have entered into ordinary families and thus a centralized control system for these appliances is essential. At the same time, smart phones have become an indispensable part of people’s life for their improving performance and the rapid mobile internet. Therefore they will play an important role in centralized control system of the smart home in the future. Against such a backdrop, this paper studies the smart home control system using smart phones embedded with accelerometers and gyroscopes. The system selects an Android smart phone as the terminal to control applicances by recognizing users’ gesture communicating via Wi-Fi. After a description of the research significance and status of the smart home control system, this paper introduces the Wi-Fi technology, gesture recognition and Web Service technology used to implement the system. Then, the paper analyzes the functional requirements of the system and gives the overall design of the whole system based on smart phones’ accelerometers and gyroscopes, including network structure and architecture of the system. After that, this paper designs and implements each functional module, like appliances control module, access equipment registration module, file sharing and interaction module, etc. and further details the hand gesture recognition algorithm used in the firtst module. In addition, this paper describes the design and implementation of network services, command interpretation and command processing module on the server side. Finally, the functional modules are verified by the black box testing, while the Wi-Fi network loss rate and gesture recognition rate are tested by the experiment, of which results are analyzed in the end. Keywords: Android Smart Home Wi-Fi Hand Gesture Recognition Smart Phone 目 录 第一章 绪论 1 1.1 课题背景 1 1.1.1 课题来源 1 1.1.2 研究意义 1 1.2 国内外研究现状 2 1.2.1 国外研究现状 2 1.2.2 国内研究现状 3 1.3 本文研究目的 3 1.4 章节安排 4 第二章 相关技术研究 5 2.1 Wi-Fi 技术研究 5 2.1.1 Wi-Fi 网络的基本结构 5 2.1.2 Wi-Fi 网络工作原理 7 2.2 基于智能手机的手势识别 7 2.2.1 手势识别概述 7 2.2.2 基于智能手机的手势识别技术 8 2.3 Web Service 8 2.4 本章小结 10 第三章 系统的总体设计与实现 11 3.1 系统总体需求分析 11 3.1.1 功能性需求 11 3.1.2 非功能性需求 12 3.2 系统的设计原则 12 3.3 系统总体设计 13 3.3.1 系统网络结构设计 13 3.3.2 系统体系结构设计及模块功能分析 14 3.3.3 应用层协议的设计 16 3.3.4 数据库的总体设计 18 3.4 本章小结 19 第四章 手机控制端的详细设计与实现 21 4.1 家电控制 21 4.1.1 家电控制的设计 21 4.1.2 轨迹还原算法的设计 23 4.1.3 家电控制的实现 33 4.2 入网设备注册 34 4.3 文件共享 36 4.4 交互模块 37 4.5 本章小结 40 第五章 系统服务端的详细设计与实现 41 5.1 网络服务的设计与实现 41 5.1.1 Wi-Fi 网络服务模块 41 5.1.2 Web 服务模块 44 5.2 命令解析的设计与实现 46 5.3 命令处理的设计与实现 48 5.4 本章小结 52 第六章 系统测试 53 6.1 系统测试环境 53 6.2 系统功能测试 53 6.3 系统性能测试 55 6.4 本章小结 57 第七章 结束语 59 7.1 本文工作 59 7.2 总结与展望 59 参考文献 63 第一章 绪论 3 第一章 绪论 本章主要阐述本文写作的课题来源、研究意义、研究现状以及研究目的。 1.1 课题背景 1.1.1 课题来源 智能家居是物联网在家庭环境中的体现，不仅为人们提供了安全的、便利的、舒适的基础生活设施，而且还能保证人们的居住环境环保节能[1] [2] 。随着普通家庭使用的智能家电设备逐渐增多，迫切需要集中地对家电设备进行控制，因此需要引入家居控制。家居控制主要是通过无线通信技术来控制家庭中的设备，如空调设备、影音设备、电灯、厨房设备等。 目前，智能家居控制系统主要采用以下几种控制方案：（1）键盘、红外线遥控器、触摸平板等作为控制终端，这些方式需要对控制终端的软硬件分别进行设计，设计成本较高，此外它们仅支持本地控制不能实现远程控制；（2）PC 机作为控制终端，这种方式存在非常明显的成本高、不易携带、体积大等问题，不能满足现代智能家居控制系统的需求；（3）手机作为控制终端，这种方式为用户提供方便的、快捷的、统一的控制终端，但是目前采用手机作为控制终端的系统大多采用按键的方式，用户体验不好，而且操作复杂。 随着智能手机的日益普及，智能手机可通过自身的各种传感器、蓝牙、Wi-Fi、GSM 等多种方式控制智能家电，为用户提供多种交互方式，其成为智能家居的主流控制终端是智能家居控制系统未来发展的趋势。基于 Android 操作系统的智能手机发展迅速，据市场研究公司 IDC 发布最新的报告显示，安装 Android 操作系统的手机市场占有率已经达到 75%[3] 。2011 年 Google 在 I/O 年度开发者大会上公布Android@Home 项目[4] ，该项目使用 Android 手机或者平板电脑控制电灯、咖啡机、无线立体声系统，使基于 Android 系统的设备进入智能家居领域，可以预见基于Android 系统的远程控制系统将成为智能家居控制系统的重要组成部分。 1.1.2 研究意义 随着计算机和网络通信技术的迅速发展，家居的信息化程度越来越高，人们希望随时随地控制家居，创造更加智能化、自动化、人性化的居住环境。人们希 望远程控制电饭煲、热水器等，回到家便可以吃饭洗澡；希望远程监控室内环境， 随时了解家庭情况，尤其是家中有孤寡老人或小孩子；目前，智能家居已经可以与家庭外部环境进行信息的交互，使得这一切逐渐变为现实，正逐渐改变人们的工作方式和生活方式，家庭的自动化、智能化将逐步进入人们的日常生活。 伴随智能家居的不断发展，进入家庭中的智能家电也越来越多，对各种家居设备的控制越来越重要，因此研究智能家居控制系统是非常必要的。智能家居控制系统的研究使用户更加方便控制家电设备，提高家居生活的便利性，已经成为智能家居系统中不可或缺的组成部分。 1.2 国内外研究现状 自 1998 年以来，信息、家电、通信厂商开始广泛关注智能家居控制领域，许多公司将智能家居控制系统作为公司的战略发展项目，如 IBM、Microsoft、HP、Intel、Cisco、3Com、Ericsson、Sony 等计算机软硬件、家电、通信厂商纷纷投资于智能家居控制产品的研发与设计[5] 。 经过多年的发展，智能家居控制系统经历以下三个阶段[6] ：（1）家庭电子化，主要是没有构成网络的单个电器；（2）住宅自动化，部分的家电为了实现某个单一功能构建简单的网络；（3）家居智能化，所有家电通过网络相互连接、相互配合工作，为用户提供安全、舒适的家庭生活。 1.2.1 国外研究现状 在智能家居控制系统的研究和开发方面，欧美国家起步较早，目前处于领先地位。近年来，以谷歌、迪斯尼公司及国际商用机器公司（International Business Mac