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1.1课题研究背景及意义
随着经济和科学技术的快速发展，尤其是信息和物联网技术的快速发展，这给人们的生活方式带来了巨大的影响，改变了人类对事物的思考方式以及生存方式。人们为了适应时代发展的潮流，创造性的发展了许多人工智能产品，如在管理家居方面，国内外许多专家学者以及科研机构逐步从智能楼宇朝智能家居方面发展，智能家居这一概念由此产生。
由于美国在高等教育水平和科研技术水平方面领先全球，在此背景下，智能家居最早在美国诞生了。在整个智能家居中，网关起到了关键作用，家居里的各种智能设备都是通过它连接上Internet，家居智能设备的指令几乎也都是由它发出的，而且各设备之间的衔接是不需要用户操作的，能够自行实现通讯，这样用户管理家居就更加方便、快捷了。当下是信息化智能化时代，市场上涌现了许多智能电气设备，例如智能插座、智能热水器、智能窗帘等，智能家居网关能够与这些智能电气设备互联互通起来，用户能够通过网关间接管理家居设备,使得用户管理家务既方便快捷又省力，这给当下生活节奏如此之快的人们提供了一种更加便捷舒适的生活方式。
1.2智能家居网关国内外研究现状
1.2.1国外智能家居网关的研究现状
在上个世纪70年代左右，国外的一些发达国家提出了智能家居网关的概念。之后这些国家先后提出自己的一套智能家居研究标准，但产品标准不同，导致各个产品不能互相兼容，严重阻碍家居市场的发展。随着近几十年来的发展，智能家居网关发展逐渐成熟。
2014年SmartThings出品了一个名叫SmartThings中枢器，该中枢器包含了ZigBee、Z-Wave无线装置、电源、以太网模块等。一般该中枢还需要配置几个相应的插件，分别是多用途传感器、加速计、温度计等。
1.2.2国内智能家居网关的研究现状
虽然智能家居在国内起步较晚，但是在近几十年内发展迅速，而技术也逐渐成熟。智能家居在国内刚开始时主要是应用在智能小区或者智能楼宇，随着技术的进步以及人们对更加舒适的家居生活方式的追求，逐渐朝智能家居控制系统发展。
近年来国内一些公司提出一些采用多代理平台技术的家庭网关，如基于SIP协议的P2P化的家庭网关以及基于RS-485/CAN总线的嵌入式网关等。其中基于SIP的网关虽然解决了混合终端接入问题，但是应用起来比较复杂，而对于采用RS-485/CAN总线的嵌入式网关，它虽然能够和不同的总线以及Internet连接,间接实现对家电设备进行控制和监测，但是其节点连接不方便，导致布线繁琐。
1.3智能家居网关的存在的问题和发展趋势
1.3.1智能家居网关存在的问题
虽然智能家居从概念到实际中已经几十年了，市场上的智能家居行业也如火如荼，但智能家居产品任然存在着诸多的问题。目前，家庭网关面临着如下的挑战:
1)家庭网络地址问题。在智能家居中许多智能电气设备需要提供业务，为了方便业务和设备配置的管理，往往都采用容易识别的IP地址，由于目前的技术问题，导致IPv6还不够完善，一般使用的任然是IPv4,这样就会出现另一个问题-NAT穿越。
2)QOS能力问题。智能家居网关同一时间需要处理多种不同的任务，因此对网关的实时性以及QOS能力要求非常高，如果不能很好地处理各种业务的调度，将会出现严重的错误。
3)安全性问题。为了更好地服务客户，智能家居网关的制造商一般都会将远程监控的功能添加到网关中，用户可以用办公电脑或者笔记本电脑又或者是用智能手机通过Internet连接到网关，给网关发送相应的指令来远程管理家居，但是网关连接到Internet,将会出现黑客入侵和攻击的问题，存在着重大的安全隐患问题。
1.3.2智能家居网关的发展趋势
随着科学技术和人们生活水平的不断进步，人们开始追求更加舒适的生活方式，这将会对智能家庭网关市场的发展起到巨大的推动作用。未来智能家居网关将会朝以下几个方向发展:
1)网关更加信息化。随着信息技术的发展，未来用户可以通过智能家居网关发送和接收邮件以及阅读电子文档。
2)管理家居更加智能化。未来网关能够把家居里各种智能电气设备连接到Internet上，而且能够安装故障检测软件，软件能够自行对故障进行检测，如果检测到哪里出现了故障，软件能够自行处理故障，无需再要用户手动解决了。
3)住房更加安全化。未来家居里可以安装各种检测报警装置，例如可以安装烟雾、气体、温度等各种传感器，此外窗户和门可以安装红外和门磁等感应报警装置，网管可以将这些报警信息发送至用户的智能手机中，可以提醒用户采取相应的措施。
4)操作更加简单以及更加环保化。未来的家居网关在设计方面将会采用更加便捷、可靠操作系统，同时为了节约资源，在家居电器方面应该采取更加优化的控制策略，合理的管理家电设备，以达到节约资源的目的。
1.4论文内容安排
第一部分为绪论。主要讲述了本课题研究背景及意义、智能家居网关的研究现状、智能家居网关存在的问题和发展方向以及讲述了论文的创新点和论文结构。
第二部分为网关总体设计。先对智能家居网关的功能需求进行了分析，后对智能家居网关总体架构和组成模块进行了介绍。
第三部分为网关的硬件设计。设计智能家居网关的硬件总体架构，基于此架构进行分析并设计了核心板的基本硬件电路和智能家居网关的外围功能模块接口电路。
第四部分为网关的软件设计。主要是对智能家居网关的操作系统、STemWin以及LWIP协议栈等进行移植和修剪，同时对网关进行调试，并实现了智能家居网关部分功能。
第五部分为总结与展望。主要是对本文的研究总结以及对下一步的展望。
随着经济和科学技术的快速发展，尤其是信息和物联网技术的快速发展，这给人们的生活方式带来了巨大的影响，改变了人类对事物的思考方式以及生存方式。人们为了适应时代发展的潮流，创造性的发展了许多人工智能产品，如在管理家居方面，国内外许多专家学者以及科研机构逐步从智能楼宇朝智能家居方面发展，智能家居这一概念由此产生。
由于美国在高等教育水平和科研技术水平方面领先全球，在此背景下，智能家居最早在美国诞生了。在整个智能家居中，网关起到了关键作用，家居里的各种智能设备都是通过它连接上Internet，家居智能设备的指令几乎也都是由它发出的，而且各设备之间的衔接是不需要用户操作的，能够自行实现通讯，这样用户管理家居就更加方便、快捷了。当下是信息化智能化时代，市场上涌现了许多智能电气设备，例如智能插座、智能热水器、智能窗帘等，智能家居网关能够与这些智能电气设备互联互通起来，用户能够通过网关间接管理家居设备,使得用户管理家务既方便快捷又省力，这给当下生活节奏如此之快的人们提供了一种更加便捷舒适的生活方式。
1.2智能家居网关国内外研究现状
1.2.1国外智能家居网关的研究现状
在上个世纪70年代左右，国外的一些发达国家提出了智能家居网关的概念。之后这些国家先后提出自己的一套智能家居研究标准，但产品标准不同，导致各个产品不能互相兼容，严重阻碍家居市场的发展。随着近几十年来的发展，智能家居网关发展逐渐成熟。
2014年SmartThings出品了一个名叫SmartThings中枢器，该中枢器包含了ZigBee、Z-Wave无线装置、电源、以太网模块等。一般该中枢还需要配置几个相应的插件，分别是多用途传感器、加速计、温度计等。
1.2.2国内智能家居网关的研究现状
虽然智能家居在国内起步较晚，但是在近几十年内发展迅速，而技术也逐渐成熟。智能家居在国内刚开始时主要是应用在智能小区或者智能楼宇，随着技术的进步以及人们对更加舒适的家居生活方式的追求，逐渐朝智能家居控制系统发展。
近年来国内一些公司提出一些采用多代理平台技术的家庭网关，如基于SIP协议的P2P化的家庭网关以及基于RS-485/CAN总线的嵌入式网关等。其中基于SIP的网关虽然解决了混合终端接入问题，但是应用起来比较复杂，而对于采用RS-485/CAN总线的嵌入式网关，它虽然能够和不同的总线以及Internet连接,间接实现对家电设备进行控制和监测，但是其节点连接不方便，导致布线繁琐。
1.3智能家居网关的存在的问题和发展趋势
1.3.1智能家居网关存在的问题
虽然智能家居从概念到实际中已经几十年了，市场上的智能家居行业也如火如荼，但智能家居产品任然存在着诸多的问题。目前，家庭网关面临着如下的挑战:
1)家庭网络地址问题。在智能家居中许多智能电气设备需要提供业务，为了方便业务和设备配置的管理，往往都采用容易识别的IP地址，由于目前的技术问题，导致IPv6还不够完善，一般使用的任然是IPv4,这样就会出现另一个问题-NAT穿越。
2)QOS能力问题。智能家居网关同一时间需要处理多种不同的任务，因此对网关的实时性以及QOS能力要求非常高，如果不能很好地处理各种业务的调度，将会出现严重的错误。
3)安全性问题。为了更好地服务客户，智能家居网关的制造商一般都会将远程监控的功能添加到网关中，用户可以用办公电脑或者笔记本电脑又或者是用智能手机通过Internet连接到网关，给网关发送相应的指令来远程管理家居，但是网关连接到Internet,将会出现黑客入侵和攻击的问题，存在着重大的安全隐患问题。
1.3.2智能家居网关的发展趋势
随着科学技术和人们生活水平的不断进步，人们开始追求更加舒适的生活方式，这将会对智能家庭网关市场的发展起到巨大的推动作用。未来智能家居网关将会朝以下几个方向发展:
1)网关更加信息化。随着信息技术的发展，未来用户可以通过智能家居网关发送和接收邮件以及阅读电子文档。
2)管理家居更加智能化。未来网关能够把家居里各种智能电气设备连接到Internet上，而且能够安装故障检测软件，软件能够自行对故障进行检测，如果检测到哪里出现了故障，软件能够自行处理故障，无需再要用户手动解决了。
3)住房更加安全化。未来家居里可以安装各种检测报警装置，例如可以安装烟雾、气体、温度等各种传感器，此外窗户和门可以安装红外和门磁等感应报警装置，网管可以将这些报警信息发送至用户的智能手机中，可以提醒用户采取相应的措施。
4)操作更加简单以及更加环保化。未来的家居网关在设计方面将会采用更加便捷、可靠操作系统，同时为了节约资源，在家居电器方面应该采取更加优化的控制策略，合理的管理家电设备，以达到节约资源的目的。
1.4论文内容安排
第一部分为绪论。主要讲述了本课题研究背景及意义、智能家居网关的研究现状、智能家居网关存在的问题和发展方向以及讲述了论文的创新点和论文结构。
第二部分为网关总体设计。先对智能家居网关的功能需求进行了分析，后对智能家居网关总体架构和组成模块进行了介绍。
第三部分为网关的硬件设计。设计智能家居网关的硬件总体架构，基于此架构进行分析并设计了核心板的基本硬件电路和智能家居网关的外围功能模块接口电路。
第四部分为网关的软件设计。主要是对智能家居网关的操作系统、STemWin以及LWIP协议栈等进行移植和修剪，同时对网关进行调试，并实现了智能家居网关部分功能。
第五部分为总结与展望。主要是对本文的研究总结以及对下一步的展望。
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