1.1課題研究背景及意義
隨著經濟和科學技術的快速發展，尤其是資訊和物聯網技術的快速發展，這給人們的生活方式帶來了巨大的影響，改變了人類對事物的思考方式以及生存方式。人們為了適應時代發展的潮流，創造性的發展了許多人工智能產品，如在管理家居方面，國內外許多專家學者以及科研機構逐步從智能樓宇朝智能家居方面發展，智能家居這一概念由此產生。
由于美國在高等教育水平和科研技術水平方面領先全球，在此背景下，智能家居最早在美國誕生了。在整個智能家居中，網關起到了關鍵作用，家居里的各種智能設備都是通過它連接上Internet，家居智能設備的指令幾乎也都是由它發出的，而且各設備之間的銜接是不需要用戶操作的，能夠自行實作通訊，這樣用戶管理家居就更加方便、快捷了。當下是資訊化智能化時代，市場上涌現了許多智能電氣設備，例如智能插座、智能熱水器、智能窗簾等，智能家居網關能夠與這些智能電氣設備互聯互通起來，用戶能夠通過網關間接管理家居設備,使得用戶管理家務既方便快捷又省力，這給當下生活節奏如此之快的人們提供了一種更加便捷舒適的生活方式。
1.2智能家居網關國內外研究現狀
1.2.1國外智能家居網關的研究現狀
在上個世紀70年代左右，國外的一些發達國家提出了智能家居網關的概念。之后這些國家先后提出自己的一套智能家居研究標準，但產品標準不同，導致各個產品不能互相兼容，嚴重阻礙家居市場的發展。隨著近幾十年來的發展，智能家居網關發展逐漸成熟。
2014年SmartThings出品了一個名叫SmartThings中樞器，該中樞器包含了ZigBee、Z-Wave無線裝置、電源、以太網模塊等。一般該中樞還需要配置幾個相應的插件，分別是多用途傳感器、加速計、溫度計等。
1.2.2國內智能家居網關的研究現狀
雖然智能家居在國內起步較晚，但是在近幾十年內發展迅速，而技術也逐漸成熟。智能家居在國內剛開始時主要是應用在智能小區或者智能樓宇，隨著技術的進步以及人們對更加舒適的家居生活方式的追求，逐漸朝智能家居控制系統發展。
近年來國內一些公司提出一些采用多代理平臺技術的家庭網關，如基于SIP協議的P2P化的家庭網關以及基于RS-485/CAN總線的嵌入式網關等。其中基于SIP的網關雖然解決了混合終端接入問題，但是應用起來比較復雜，而對于采用RS-485/CAN總線的嵌入式網關，它雖然能夠和不同的總線以及Internet連接,間接實作對家電設備進行控制和監測，但是其節點連接不方便，導致布線繁瑣。
1.3智能家居網關的存在的問題和發展趨勢
1.3.1智能家居網關存在的問題
雖然智能家居從概念到實際中已經幾十年了，市場上的智能家居行業也如火如荼，但智能家居產品任然存在著諸多的問題。目前，家庭網關面臨著如下的挑戰:
1)家庭網路地址問題。在智能家居中許多智能電氣設備需要提供業務，為了方便業務和設備配置的管理，往往都采用容易識別的IP地址，由于目前的技術問題，導致IPv6還不夠完善，一般使用的任然是IPv4,這樣就會出現另一個問題-NAT穿越。
2)QOS能力問題。智能家居網關同一時間需要處理多種不同的任務，因此對網關的實時性以及QOS能力要求非常高，如果不能很好地處理各種業務的調度，將會出現嚴重的錯誤。
3)安全性問題。為了更好地服務客戶，智能家居網關的制造商一般都會將遠程監控的功能添加到網關中，用戶可以用辦公電腦或者筆記本電腦又或者是用智能手機通過Internet連接到網關，給網關發送相應的指令來遠程管理家居，但是網關連接到Internet,將會出現黑客入侵和攻擊的問題，存在著重大的安全隱患問題。
1.3.2智能家居網關的發展趨勢
隨著科學技術和人們生活水平的不斷進步，人們開始追求更加舒適的生活方式，這將會對智能家庭網關市場的發展起到巨大的推動作用。未來智能家居網關將會朝以下幾個方向發展:
1)網關更加資訊化。隨著資訊技術的發展，未來用戶可以通過智能家居網關發送和接收郵件以及閱讀電子檔案。
2)管理家居更加智能化。未來網關能夠把家居里各種智能電氣設備連接到Internet上，而且能夠安裝故障檢測軟體，軟體能夠自行對故障進行檢測，如果檢測到哪里出現了故障，軟體能夠自行處理故障，無需再要用戶手動解決了。
3)住房更加安全化。未來家居里可以安裝各種檢測報警裝置，例如可以安裝煙霧、氣體、溫度等各種傳感器，此外窗戶和門可以安裝紅外和門磁等感應報警裝置，網管可以將這些報警資訊發送至用戶的智能手機中，可以提醒用戶采取相應的措施。
4)操作更加簡單以及更加環保化。未來的家居網關在設計方面將會采用更加便捷、可靠作業系統，同時為了節約資源，在家居電器方面應該采取更加優化的控制策略，合理的管理家電設備，以達到節約資源的目的。
1.4論文內容安排
第一部分為緒論。主要講述了本課題研究背景及意義、智能家居網關的研究現狀、智能家居網關存在的問題和發展方向以及講述了論文的創新點和論文結構。
第二部分為網關總體設計。先對智能家居網關的功能需求進行了分析，后對智能家居網關總體架構和組成模塊進行了介紹。
第三部分為網關的硬體設計。設計智能家居網關的硬體總體架構，基于此架構進行分析并設計了核心板的基本硬體電路和智能家居網關的外圍功能模塊介面電路。
第四部分為網關的軟體設計。主要是對智能家居網關的作業系統、STemWin以及LWIP協議堆疊等進行移植和修剪，同時對網關進行除錯，并實作了智能家居網關部分功能。
第五部分為總結與展望。主要是對本文的研究總結以及對下一步的展望。
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標籤：智能硬件
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