家庭自動化系統探究
自動化技術是一門綜合性技術，它和控制論、信息論、系統工程、計算機技術、電子學、液壓氣壓技術、自動控制等都有著十分密切的關系，而其中又以“控制理論”和“計算機技術”對自動化技術的影響最大。
摘要：以計算機和現代網絡技術為特征的現代信息技術促進了社會經濟的發展，也極大地加快了家用電子電器產品邁向家庭自動化（Home Automation）的步伐。建立和開發家庭自動化系統旨在適應現代人民的生活信息化和對家居產品信息化的需要。
本文根據家庭自動化系統的開發特征，遵從軟件工程原理，按照軟件工程設計的步驟，進行了新問題定義、可行性分析、需求分析等幾個重要的探究。在對系統進行非功能性和功能性需求分析的基礎上，本文重點探究了如何設計家庭自動化系統。
最后對系統的設計和實現方案進行了總結，為下一步探究奠定了基礎，同時也為我國家庭自動化系統信息化建設具有一定的借鑒意義。
一、新問題定義
（一）、引言及相關背景
自動化在各行各業、各個領域都發揮了其巨大的功能，同時也走入了我們的家庭。隨著電子技術的發展，家庭自動化時代的來臨，消費電子產品（Consumer Electronics）已和咨訊（Computer）、通訊（Communication）兩項產品的技術結合在一起，成為目前所通稱的3C產品，并使家用電子電器產品邁向家庭自動化（Home Automation）的方向。
隨著全球經濟的不斷發展，我國的市場經濟也飛速發展，人民生活水平不斷提高，家庭自動化系統在美國以及國際市場都具有廣闊的前景，在中國市場也是快速形成期，這些提高人類生活質量的產品將構成世界范圍內后PC時代的新興IT市場。
（二）、任務描述
1、專案背景
項目名稱摘要：家庭自動化系統（Home Automation System ，簡稱HAS）
項目委托單位摘要：XXX智能家居設備公司
軟件開發單位摘要：蘭州商學院06級計算機科學和技術（1）班軟件開發小組
2、目的
本系統要求能夠實現家庭住宅中各個設備的自動管理和人工個性管理，該系統能控制、監視和協調家電（如室內外照明、家庭保安系統、家庭環境控制系統、空調、電視機等）。該系統會在相應的時間內各個設備發出相應的指令，完成各個設備的自動化管理。該系統應該是可以適應變化的，因此，必須偵測環境的變化，而且通過識別本系統中的變化來轉變，并且所識別出的變化應該在系統中被實現。系統可以是自動適應變化或是手工適應變化。系統控制的任何設備發生異常，必須通過適當的信息來通知用戶并進行異常處理。該系統必須有一個數據庫，內含所有該系統所控制的設備的信息，包括每一種設備連接到系統的日期，系統用戶所發布的重要動作等信息。
3、運行環境
本系統是設備控制類系統，由主機通過相應的接口部件監聽和控制各個硬設備。數據庫服務器由SQL Server實現。操作系統摘要：windows 2000 、windows xp以上;數據庫服務器端軟件SQL Server 2005。
（三）、功能描述
本系統由“燈光控制”、“保安控制”、“環境控制”、“家電控制”、 “用戶登錄及管理”等各模塊組成。
燈光控制摘要：實現對室內外所有燈光的時間周期性控制和用戶的直接控制;
保安控制摘要：實現對室內外所有視頻監控設備的周期性工作控制及異常處理，和防盜防火設備的控制及異常處理;
環境控制摘要：實現對家庭環境設備（包括花園、陽臺、室內溫濕度報告）的時間周期性控制以及各設備的異常處理;
家電控制摘要：實現對家庭中各個聰明家用電器的人性化控制及各設備的異常處理;
用戶登錄及管理模塊摘要：實現用戶對各個模塊中所用設備的時間周期性定義以及對各個設備的直接管理和控制。
二、可行性分析
（一）、可行性探究的前提
家庭是高薪技術的下一個前沿陣地。對家庭中遙控、自動化和娛樂的要求呈上升態勢。消費者希望自己的日常生活更簡便、更平安。當然，優秀的家庭自動化產品應給具有以下的特性摘要：
（1）、標準化摘要：家庭自動化產品應依照國際上流行的相關協議進行設計，充分保證各廠家產品間的兼容性和相互操作能力。
（2）、開放性摘要：家庭自動化系統應該具有開放的協議，統一的接口。
（3）、模塊化摘要：采用模塊化的設計可以適應各種場合的需要，保障用戶的利益，并答應系統的逐步到位。
（4）、實用性摘要：家庭自動化產品應該切實地為用戶提供各種實用化的功能和服務。
（5）、普及化摘要：家庭自動化系統應該面向低成本，高性能的目標設計，住戶對價格較為敏感，所以智能住宅采用的技術要較為經濟。同時，家庭自動化系統應該能最大程度兼容用戶原有的電器設備，保護用戶投資。
（6）、簡潔易用摘要：好的家庭自動化產品應該簡便易用、用戶接口友好，并且不需要使用者花上太多的精力就能把握。
（二）、優越性
在國內家庭自動化是一個較新的概念，雖然越來越多的廠家開始投入到家庭自動化的來發和生產中，但是由于沒有統一的標準，尚處于一家一戶自行開發的局面。而隨著房屋的商品化，從而加強了人們對居家的要求，希望一步到位或者具有開放的協議，統一的接口，這樣來保證產品能不斷地適應未來發展趨向，而本系統就是基于統一的標準和接口設計的，具有充分的發展潛力。
（三）、基本的數據流圖
圖1、HAS的基本數據流模型圖
圖2、HAS的一級數據流模型圖
圖3、HAS的二級數據流模型圖
（四）、經濟可行性
1、 支出
構建系統時的金費主要有摘要：用戶在要購買日常生活中的家電及各種電子產品是花費一定數額的資金，在購買組成系統的一些小型物理器件時會有資金的支出。
2、 效益
可以高效，快捷的管理生活家電設施，提高生活的質量。
3、 收益、投資比良好、可行。
（五）、技術可行性
本系統有許多不同的傳感器，單片機和輸出報警系統以及一些異常的自動處理系統和接入的各種家電設備組成。物理設備在市場上均有售，因此，物理設備上不用多考慮，我們主要實現將不同設備按照一定的結構連接起來，使之能夠完成我們的預期目標
（六）、社會因素可行性分析
1、 法律因素
申請法律保護或相關保險。
法律可行性是考慮要開發系統是否存在任何侵犯、妨礙和責任新問題，用戶操作可行性考慮待開發軟件的運行方式在用戶組織內是否行得通，現行管理制度、人員素質、操作知識是否可行。
由于在本系統中是有合同作為雙方合作的基礎，所以不會存在任何侵犯、妨礙和責任新問題。即使存在了，也可以根據合同進行分析，一定有人會負責任，所以此系統完全可以進行開發。
2、 用戶使用可行性
本系統面向中高階層的人們消費，主要用于用戶實現對家電的統一管理，進行各種相關操作并對家電的狀態進行實時檢測。
由以上經濟、技術、操作和法律四方面的分析可以看出，本系統的開發時機成熟，從多種角度考慮，都是可行的。
（七）、結論
經過以上經濟可行性、技術可行性以及法律因素各個方面的探究分析得出，本系統可行。
三、需求分析
（一）、家庭自動化系統工作流程分析
（1）、在用戶登錄時進行檢查，控制不同的用戶使用系統的權限;
（2）、對用戶的管理，包括對用戶信息的增加、刪除和修改;
（3）、對指定時間內的操作記錄進行管理，包括查看操作記錄、手工刪除操作記錄、記錄一次操作以及對失效的記錄進行自動清除;
（4）、查看設備的狀態，包括對連接到系統控制中的所有設備的狀態以及是否出現異常現象進行查看;
（5）、控制子系統接受主系統發送的信息;以及向主系統發送信息;控制子系統將主系統發送的信息，發送給指定的設備;
（6）、對設備進行監控，包括啟動監控設備、停止監控設備、監控設備;
（7）、對系統中的設備進行管理，包括增加設備以及刪除己經連接到系統中的設備;
（二）、家庭自動化系統需求分析
1、家庭自動化系統的非功能性需求分析
設計家庭自動化系統的目的是完成對家電產品以及相關設備的管理和控制，達到遠程控制和使用家電設備的目的，其最終目的是提高人類的生活質量，因此需要具備良好的性能，滿足實際工作的需要是十分必要的。
家庭自動化系統的具體性能目標如下摘要：
（1）、系統的快速反應
家庭自動化系統首先要保證的就是系統的反應速度。在設計和實施中采用先進的網絡技術和系統，并在應用軟件的選擇或編制中盡可能采用先進的技術，最大限度地提高系統的響應速度，以便于快速查詢。
（2）、系統良好的可維護行和開放性
系統設計應面向未來的發展，提供各種必要的標準接口，以使用戶可以根據需要隨時添加必要的設備和系統，擴充系統功能。要充分考慮到家庭自動化的發展趨向以及不斷變化。
（3）、充分保證系統的平安性
家庭自動化系統中設備的使用具有平安性要求，因此，必須建立一整套的系統平安保密辦法，規定一系列訪問系統的不同級別的權限，杜絕非法訪問。
（4）、友好的人機界面
系統的用戶不可能是專業的計算機技術人員，甚至對計算機了解甚少，所以要提供清楚、友好的系統接口，提高系統的可操作性和人機交互功能，最大限度地方便用戶的使用。同時系統應能提供的方便的聯機再現幫助功能。
（5）、考慮家庭自動化系統中設備發生變化以后的集成
家庭自動化要實現真正的信息化，必須考慮以后系統的集成新問題，這樣才能使系統不至于很快的就被淘汰。
2、家庭自動化系統的功能模塊分析
家庭自動化系統旨在開發出一個符合人類生活需求的家庭自動化模擬系統，該系統主要分為五個子系統摘要：用戶登錄子系統，燈光控制子系統，家電控制子系統，環境控制子系統和保安控制子系統。
（三）、數據描述
1、靜態數據
系統中預存的各種標準數據。
2、動態數據
（1）、輸入數據
系統所采集的各個實體設備的信息流。
（2）、輸出數據
經過各個子系統處理后的對應到各種設備的具體操作的信息流。
3、數據詞典。
數據名稱摘要：家庭自動化系統
簡 述摘要：由系統管理員來負責對連接在系統中的各種家電實施具體動作。
數據條目摘要：
系統管理要求=[用戶管理|燈光控制|家電狀態監測|環境監測|保安控制
用戶管理=登錄+用戶信息+用戶權限
燈管控制=室內燈光+室外燈光
家電狀態監測=接入家電數目+家電功能+家電當前狀態
環境監測=溫度+濕度+調節
保安控制=門窗監控+視頻監控
數據文件={用戶管理+燈光控制+家電狀態監測+環境監測+保安控制+核心子系統+日常報表|文件}
數據量摘要：2000次/天
峰值摘要：天天18摘要：00—20摘要：00有1000次
圖4、HAS的層次方框圖
圖5、家庭自動化系統的數據流圖
四、總體設計
（一）、處理流程
（1）在用戶登錄時進行檢查摘要：控制不同的用戶使用系統的權限。
（2）對用戶的管理摘要：包括對用戶信息的增加、刪除和修改。
（3）對指定時間內的操作記錄進行管理摘要：包括查看操作記錄、手工刪除操作記錄、記錄一次操作以及對失敗的操作記錄進行自動清除。
（4）查看設備的狀態摘要：包括對連接到系統控制器中的所有設備的狀態以及是否出現異常現象進行查看。
（5）控制子系統接受主系統發送的信息;以及向子系統設備發送信息;控制子系統將子系統發送的信息發送給指定的設備。
（6）對設備進行監控摘要：包括啟動監控設備、停止監控設備、監控設備中。
（7）對系統中的設備進行管理摘要：包括增加新設備以及刪除已經連接到系統中的設備。
（二）、總體結構和模塊外部設計
在應用系統總體設計中，以Servlets為前端控制器，負責管理用戶的登錄，以及數據的獲取等。以會話Bean實現系統的工作流，將會話Bean作為一個外觀，來封裝應用程序的業務邏輯，業務邏輯再通過實體Bean組件來操作相關數據，從而形成HAS系統的總體結構體系。
圖6、系統總體設計結構
（三）、接口設計
1、用戶接口
本系統的用戶界面如下所示摘要：
SHAPE * MERGEFORMAT
圖7、 用戶登錄界面
2、外部接口
本系統采用基于C/S模式的系統主機和系統終端的結構，接口設備不僅要完成系統主機和各個終端之間的標準化物理連接之外，還要完成數據在系統主機和各個終端之間的傳送。故接口采用集成式、標準化的設備來完成，實現其功能。
（四）、數據結構設計
1、 數據庫三級模式結構
數據庫系統的三級模式結構是指數據庫系統是由外模式、模式和內模式三級構成。
其中模式也稱邏輯模式，是數據庫中全體數據的邏輯結構和特征的描述，是所有用戶的公共數據視圖。外模式也稱子模式或用戶模式，它是數據庫用戶（包括應用程序員和最終用戶）看見和使用的局部數據的邏輯結構和特征的描述，是數據庫用戶的數據視圖，是和某一應用有關的數據的邏輯表示。內模式也稱存儲模式，它是數據物理結構和存儲結構的描述，是數據在數據庫內部的表示方式。數據庫的三級模式是對數據的三個抽象級別，它把數據的具體組織留給DBMS管理，使用戶能邏輯的抽象的處理數據，而不必關心數據在計算機中的具體表示方式和存儲方式。為了能夠在內部實現這三個抽象層次的聯系和轉換，數據庫系統在這三級模式之間提供了兩層映像摘要：外模式|模式映像和模式|內模式映像。正式這兩層映像保證了數據庫系統中的數據能夠具有較高的邏輯獨立性和物理獨立性。
影響一個系統性能的主要因素是數據庫性能和客戶端程序設計，所以進行數據庫的設計和整個系統的性能、升級等都息息相關，在數據庫設計時，要考慮的主要原則有摘要：
（1）、命名的格式規范摘要：為了便于系統適應不同的數據庫，數據庫中各種對象的命名應采用大小寫敏感的形式。
（2）、索引的使用摘要：合理使用索引，如表的規模不大、表需要頻繁更新、以及查詢字段不確定時，盡量不用索引。
（3）、數據的一致性和完整性摘要：為了提高系統的響應速度，合理的冗余是必要的，所以設計時，要用有效手段保證數據的一致性和完整性。
（4）、數據庫性能的調整。
2、 主要表結構
將對象模型映射成數據庫模型，也就是向數據表轉換。轉換方式如下摘要：
（1）、一個對象類可以映射為一個以上的庫表，當類間有一對多的關系時，一個表也可以對應多個類。
（2）、關系的映射可能有多種情況，但一般映射為一個表，也可以在對象類表間定義相應的外鍵。對于條件關系的映射，一個表至少應有三個屬性。
（3）、減少表之間的冗余字段。
（4）、映射后的表進行冗余控制調整，使其達到合理的安息范式，一般達到3NF即可。
在映射應用對象時，除關系映射規范化后可能出現一對多的表映射外，大多數應用對象和表對象是一一對應的。可以將規范化處理后，有一個應用對象映射出來的多個表看成一個數據庫對象。因此當部分應用需求變更時，首先，系統修改可以不涉及需求不變更的部分，其次，變更部分的修改可以基本上只限于追加或刪除程序模塊或追加新庫表，而基本上不必修改原有程序代碼或原有庫表定義，從而大大減少了工作量，降低了工作難度。
根據對系統所進行的分析，以及對未來系統的擴展考慮，確定數據庫中的主要數據表有以下幾個摘要：
表1、用戶信息表（user –info）
名稱 代碼 主要的 數據類型 長度
用戶代碼 user—id TRUE VARCHAR（20） 20
用戶類型 user—type FALSE CHAR（1） 1
用戶密碼 password FALSE VARCHAR（8） 8
用戶名稱 user—name FALSE VARCHAR（40） 40
用戶手機號碼 mobileNO FALSE VARCHAR（20） 20
表2、操作日志表（operate—log）
名稱 代碼 主要的 數據類型 長度
操作內容 message FALSE VARCHAR（300） 300
錄入時間 inputTime TRUE TIMESTAMP
表3、家電信息表（appliance—info）
名稱 代碼 主要的 數據類型 長度
家電代碼 applianceID TRUE VARCHAR（10） 10
家電名稱 applianceName FALSE VARCHAR（20） 20
家電通訊地址 address FALSE VARCHAR（20） 20
家電通訊端口 port FALSE INT
加入系統時間 inputTime FALSE TIMESTAMP
表4、家電狀態表（appliance—state）
名稱 代碼 主要的 數據類型 長度
家電代碼 applianceID TRUE VARCHAR（10） 10
狀態 state FALSE CHAR（2） 2
狀態變更時間 updateTime FALSE TIMESTAMP
（五）、運行設計
（1）、系統用戶或者一般用戶通過登錄程序Login登錄到HAS系統中。
（2、用戶通過菜單（主菜單main;以及用戶菜單user;家電設備管理菜單appliance;操作記錄日志管理菜單log）選擇要執行的操作。
（3）、用戶從子系統傳送過來的請求，通過服務器端控制程序HASServer進行解析，并且發送到相應的類，并將處理結果返回給主系統。
（六）、出錯處理設計
當系統在執行中間發現有異常情況發生或被要求執行異常操作，系統要能自動檢測到并進行相應的處理或形成報告返回給用戶進行相關處理會恢復操作。
1、出錯輸出信息
在系統進行完相關解析后形成日志保存，并有提示信息被顯示給用戶或系統操作員。
2、出錯處理策略
（1）、聯機事務處理（OLAP）是建立在TCP/IP 協議上，有多階段事務處理響應控制，保證事務處理前后臺一致性。
（2）、數據庫處理事務失敗自動回滾技術，保證數據庫表的數據一致性和完整性。
（3）、重要數據的校驗檢查。
（4）、各個子系統的操作監控，異常情況報告;并提供報表等跟蹤記錄。
（5）、提供友好的用戶界面和幫助信息及配合嚴格的檢查，減少用戶出錯機會。
五、具體設計
（一）、軟件結構
圖9、系統用例圖
（二）、程序描述
面向對象程序設計的基本思想
（1）、面向對象的由來和發展
對象代表著待處理新問題中的一個實體，在處理新問題過程中，一個對象可以以某種形式和其他對象通信。從概念上講，一個對象是既包含數據又包含處理這些數據操作的一個程序單元。類用來描述特性相同或相近的一組對象的結構和行為。該語言還支持類的繼續，可將多個類組成為層次結構，進而答應共享結構和行為。
后來出現的Smalltalk語言是第一個比較成功的面向對象語言，對后來面向對象語言的發展產生過重大影響。該語言豐富了Simula中類和對象的概念，信息也更加隱蔽，程序設計就是向對象發送信息。20世紀80年代以后，面向對象的程序設計語言廣泛應用于程序設計，并且有許多新的突破。非凡是隨著操作系統和軟件項目日益龐大，人們日益需要一種更高效的開發方式，這更加推動了面向對象語言的發展。
（2）、 面向對象的要素
面向對象的系統包含了3個要素摘要：對象、類和繼續，這3個要素反映了面向對象的傳統觀念。面向對象的語言應該支持這3個要素。首先，應該包括對象的概念。對象是狀態和操作的封裝體，狀態是存儲操作結果的。滿足這一點的語言被認為是基于對象的語言。其次，應該支持類的概念和特征，類是以接口和實現來定義對象行為的樣板，對象是由類來創建的。支持對象和類的語言被認為是基于類的語言。最后，應該支持繼續，已存在的類具有建立子類的能力，進而建立類的層次。支持上述3個方面的語言稱為面向對象的語言。
（三）、功能
本系統由燈光控制、保安控制、環境控制、家電控制、用戶登錄及管理等各模塊組成。
燈光控制摘要：實現對室內外所有燈光的時間周期性控制和用戶的直接控制;保安控制摘要：實現對室內外所有視頻監控設備的周期性工作控制及異常處理，和防盜防火設備的控制及異常處理;環境控制摘要：實現對家庭環境設備（包括花園、陽臺、室內溫濕度報告）的時間周期性控制以及各設備的異常處理;家電控制摘要：實現對家庭中各個聰明家用電器的人性化控制及各設備的異常處理;用戶登錄及管理模塊摘要：實現用戶對各個模塊中所用設備的時間周期性定義以及對各個設備的直接管理和控制。
本系統將采用面向對象程序設計的基本思想編寫各個模塊的程序，實現其應用的各項功能。
（四）、程序邏輯
圖10、用戶登錄模塊程序流程圖
圖11、燈光控制模塊程序流程圖
圖12、家電控制模塊程序流程圖
（五）、接口
本系統采用基于C/S模式的系統主機和系統終端的結構，接口設備不僅要完成系統主機和各個終端之間的標準化物理連接之外，還要完成數據在系統主機和各個終端之間的傳送。故接口采用集成式、標準化的設備來完成，實現其功能。
（六）、測試要點
本系統的最終實現是將各個信號功能于各個實體，即各個家電設備包括照明燈、空調、灑水噴頭、門窗x聽器、攝像頭等具體設備。所以系統測試時，可模擬具體設備的狀態信號，將這些模擬的狀態信號功能于本系統中，達到測試的目的。
六、軟件測試
（一）、測試計劃
1、測試方案
本系統的最終實現是將各個信號功能于各個實體，即各個家電設備包括照明燈、空調、灑水噴頭、門窗x聽器、攝像頭等具體設備。所以系統測試時，可模擬具體設備的狀態信號，將這些模擬的狀態信號功能于本系統中，達到測試的目的。
2、測試項目
主要對各個控制子系統進行模擬測試，包括燈光控制子系統、家電控制子系統、環境控制子系統和保安控制子系統。
（二）、測試用例
1、輸入
輸入各種模擬設備所能出項的所有信號量值，查看系統反饋。
2、輸出
首先列出對應的輸入所預期的系統輸出值，再從系統中獲取的實際值做比較，分析誤差。
3、答應偏差
給出實測結果和預期結果之間答應偏差的范圍。
（三）、評價
最終經測試得出本系統良好。
七、總結和展望
（一）、總結
針對目前國內的目前狀況，房屋的商品化，人民的生活水平日益提高，信息化產業深入到各行各業，智能家具的要求越來越高，人民希望生活在一個以住宅為平臺、服務、管理為一體的高效、舒適、平安、便利、環保的居住環境。本系統就是利用先進的計算機技術將和家居生活有關的各種設備、家電有機地結合在一起，通過統籌管理，讓家居生活更加舒適、平安、有效。通過該系統可以模擬對空調等家用設備的控制。
本課題創建一個系統控制的家庭自動化系統HAS。是家庭自動化系統的一個原型。該系統能控制、監控和協調家電（如空調、灑水裝置），同時該系統能適應變化的。通過識別出HAS中的變化來轉變，而且所識別出的變化應該在系統中被實現。本中系統用自動適應變化和手工適應變化兩種方式來實現。對于發生了故障的家電，系統通過適當的信息來通知進行故障處理。
（二）、展望
該系統還存在一系列需要優化和改善的地方，如該系統能實現的家電控制目前僅僅添加了三種家電，而且家庭自動化系統不僅僅要實現對家電和設備的管理，還應該能夠和其他系統進行連接。如小區的報警系統等。以及火警的監控等。系統對硬件方面涉及較少，如家居系統的布線等。
希望本系統的進一步開發能使國內企業在生產過程中，縮短研制周期，加快產品上市時間，減小前期投資風險，從而在激烈的市場競爭中取得優勢地位。同時希望本系統的開發能起到一個拋磚引玉的功能，在不久的將來，市場上能看到國內廠商生產的優秀的自動化產品。
參考文獻：
[1 李云洪。《家庭自動化系統的探究和實現》[A。同濟大學工程碩士學位論文，2006
[2]張海藩。《軟件工程導論》[M。 北京摘要：清華大學出版社，2008。 2—5
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