嵌入式系統(tǒng)在智能家居中的作用《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計》

1、物理與電子工程學院設(shè)計實驗報告 物理與電子工程學院 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程小論文課題題目 嵌入式系統(tǒng)在智能家居中的作用 系 別 年 級 四 專 業(yè) 電子信息工程 學 號 學生姓名 日 期 2011.10.14 目錄第一章 智能家居系統(tǒng)及嵌入式系統(tǒng)簡介1.1智能家居系統(tǒng)簡介1.2嵌入式系統(tǒng)簡介1.2.1嵌入式系統(tǒng)的定義1.2.2嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)背景1.2.3vxworks簡介1.2.4ucos簡介第二章 嵌入式系統(tǒng)、智能家電及家居網(wǎng)絡的形式2.1嵌入式系統(tǒng)的家用電器2.2家用電器的嵌入式智能基礎(chǔ)2.3嵌入式系統(tǒng)家居網(wǎng)絡的互配合及結(jié)構(gòu)第三章 嵌入式技術(shù)在智能家居中的應用3.1智能家居的現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)

2、展趨勢3.2嵌入式的智能家居解決方案給我們帶來的好處3.3嵌入式技術(shù)在智能家居行業(yè)的實際應用第四章 總結(jié)與展望4.1總結(jié)參考文獻第一章 智能家居系統(tǒng)及嵌入式系統(tǒng)簡介1.1智能家居系統(tǒng)簡介智能家居是利用先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)、依照人體工程學原理，融合個性需求，將與家居生活有關(guān)的各個子系統(tǒng)如安防、燈光控制、窗簾控制、煤氣閥控制、信息家電、場景聯(lián)動、地板采暖等有機地結(jié)合在一起，通過網(wǎng)絡化綜合智能控制和管理，實現(xiàn)“以人為本”的全新家居生活體驗。1.2嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要

3、求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應用程序等四個部分組成，用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。嵌入式系統(tǒng)一般指非pc系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器微處理器、存儲器及外設(shè)器件和io端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件（os）（要求實時和多任務操作）和應用程序編程。有時設(shè)計人員把這兩種軟件組合在一起。應用程序控制著系統(tǒng)的運作和行為；而操作系統(tǒng)控制著應用程序編程與硬件的交互作用。1.2.2嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)背景許多嵌入式系統(tǒng)都有串口和lcd，這樣就能夠通過編程與外界通信并顯示信息，但由于嵌入式系統(tǒng)的存儲器容量比較小，在上

4、面開發(fā)程序必須要注意節(jié)約存儲器的使用。此次所用的嵌入式系統(tǒng)是由臺灣研發(fā)的網(wǎng)絡信息電話，使用的是8051系列的芯片，擁有兩個串口，其中一個與內(nèi)置的modem相連，可以與外界通信，此外還有一個128*64的lcd可以用來顯示接收到的短信息，一個鍵盤用來輸入要發(fā)送的短信息內(nèi)容。整個嵌入式系統(tǒng)部分的開發(fā)是建立在底層的串口，lcd以及鍵盤的api都已經(jīng)由這家臺灣公司提供了的基礎(chǔ)上。 1.2.3vxworks簡介vxworks操作系統(tǒng)是美國windriver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)（rtos），是嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。良好的持續(xù)能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌

5、入式實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通訊、軍事演習、彈道制導、飛機導航等。在美國的 f-16、fa-18 戰(zhàn)斗機、b-2 隱形轟炸機和愛國者導彈上，甚至連1997年在火星表面登陸的火星探測器上也使用到了vxworks。vxworks的特點 可靠性 操作系統(tǒng)的用戶希望在一個工作穩(wěn)定，可以信賴的環(huán)境中工作，所以操作系統(tǒng)的可靠性是用戶首先要考慮的問題。而穩(wěn)定、可靠一直是vxworks的一個突出優(yōu)點。自從對中國的銷售解禁以來，vxworks以其良好的可靠性在中國贏得了越來越多的用戶。 實時性

6、實時性是指能夠在限定時間內(nèi)執(zhí)行完規(guī)定的功能并對外部的異步事件作出響應的能力。實時性的強弱是以完成規(guī)定功能和作出響應時間的長短來衡量的。 vxworks 的實時性做得非常好，其系統(tǒng)本身的開銷很小，進程調(diào)度、進程間通信、中斷處理等系統(tǒng)公用程序精練而有效，它們造成的延遲很短。vxworks 提供的多任務機制中對任務的控制采用了優(yōu)先級搶占（preemptive priority scheduling）和輪轉(zhuǎn)調(diào)度（round-robin scheduling）機制，也充分保證了可靠的實時性，使同樣的硬件配置能滿足更強的實時性要求，為應用的開發(fā)留下更大的余地。 可裁減性 用戶在使用操作系統(tǒng)時，并不是操作系

7、統(tǒng)中的每一個部件都要用到。例如圖形顯示、文件系統(tǒng)以及一些設(shè)備驅(qū)動在某些嵌入系統(tǒng)中往往并不使用。 vxworks 由一個體積很小的內(nèi)核及一些可以根據(jù)需要進行定制的系統(tǒng)模塊組成。vxworks 內(nèi)核最小為 8kb，即便加上其它必要模塊，所占用的空間也很小，且不失其實時、多任務的系統(tǒng)特征。由于它的高度靈活性，用戶可以很容易地對這一操作系統(tǒng)進行定制或作適當開發(fā)，來滿足自己的實際應用需要。1.2.4ucos簡介u c / o s 是一種免費公布源代碼、構(gòu)造細巧、擁有可掠奪實時內(nèi)核的實時操縱系統(tǒng)。 c/os-ii 的前身是c/os，最早出自于1992 年美國嵌入式系統(tǒng)專家jean j.labrosse 在

8、嵌入式系統(tǒng)編程雜志的5 月和6 月刊上刊載的文章連載，并把c/os 的源碼頒布在該雜志的b b s 上。 c/os 和c/os-ii 是專程為運算機的嵌入式利用設(shè)計的， 絕大部分代碼是用c語言編撰的。cpu 硬件相關(guān)部分是用匯編語言編纂的、總量約200行的匯編語言部分被緊縮到最低界限，為的是便于移植上任何一種其它的cpu 上。用戶但凡有準繩的ansi 的c穿插編譯器，有匯編器、銜接器等軟件工具，就可以將c/os-ii嵌人到開拓的產(chǎn)品中,struts標簽庫學習?html。c/os-ii 擁有施行效率高、挪用空間小、實時功能優(yōu)異和可伸展性強等特質(zhì)， 最小內(nèi)核可編譯至 2kb 。c/os-ii 曾經(jīng)

9、移植到了近乎所有著名的cpu 上。第二章 嵌入式系統(tǒng)、智能家電及家居網(wǎng)絡的形式2.1嵌入式系統(tǒng)的家用電器家用電器由于單片機的嵌入，不但提高了品質(zhì)和性能，而且出現(xiàn)了智能。這和傳統(tǒng)機械型家用電器有很大區(qū)別，這種區(qū)別除了導致結(jié)構(gòu)的改變之外，還產(chǎn)生了很多新的功能和能力。這種進步關(guān)鍵在于兩種很重要的技術(shù)，一種是單片機的集成硬件技術(shù)，另一種是單片機的智能軟件技術(shù)。單片機硬件依靠半導體集成工藝，單片機的智能軟件則依賴于軟件方法及智能理論。在家用電器中，單片機硬件只能選擇現(xiàn)存的產(chǎn)品，對于設(shè)計者而言，則關(guān)鍵在于嵌入式系統(tǒng)中的控制電路設(shè)計。從作用機制上來說，家用電器的嵌入式結(jié)構(gòu)有單核嵌入和雙核嵌入兩種。一般電腦電

10、飯煲，它的內(nèi)部只有一個單片機，這種控制系統(tǒng)是單核嵌入。對于分體式空調(diào)，則在室內(nèi)機和室外機分別有1個單片機，顯然分體空調(diào)機這種嵌入式系統(tǒng)是雙核嵌入結(jié)構(gòu)。從物理位置上來說，家用電器的嵌入式結(jié)構(gòu)有中心嵌入、邊緣嵌入、頂部嵌入、底部嵌入等多種形式。模糊電磁灶的單片機及控制部件在其中心部位，這是典型的中心嵌入；電飯煲的單片機控制器通常在煲的外邊緣，這是典型的邊緣嵌入；電腦熱水瓶的單片機控制器在頂部，論文之家:故是頂部嵌入；模糊蒸燉煲的單片機安裝在底部，故是底部嵌入。從邏輯結(jié)構(gòu)上來說，家用電器有獨立嵌入結(jié)構(gòu)，主從嵌入結(jié)構(gòu)、復合嵌入結(jié)構(gòu)等多種方式。一般的家用電器只有一個單片機，故是獨立嵌入結(jié)構(gòu)；在分體空調(diào)機

11、中，室外機有一個控制用的單片機，而室內(nèi)機有1個用于對室內(nèi)機進行控制同時又接收紅外遙控信號，并對室內(nèi)外機進行管理。因此，室內(nèi)單片機和室外單片機是主從嵌入結(jié)構(gòu)，而它們又是復合結(jié)構(gòu)。2.2家用電器的嵌入式智能基礎(chǔ)家用電器要實現(xiàn)智能，必然把軟件嵌入其內(nèi)部，在本質(zhì)上就是需要有智能理論指導進行軟件編制，這些理論就是智能基礎(chǔ)理論。在目前，可以嵌入到家電之中的智能理論和技術(shù)方法一般有如下幾種：（1） 啟發(fā)式搜索在家電控制中，其智能化除了有良好的人機對話功能之外，更重要的是對主要指標的最優(yōu)化控制。啟發(fā)式搜索方法是人工智能求解中開發(fā)出來的對目標求解的最優(yōu)化方法。它主要依靠和任務無關(guān)的信息來簡化搜索進程，但它可以從

12、任務中得到的啟發(fā)信息來確定搜索方向，從而大大減少了優(yōu)化時間。這種方法在洗衣機的程序選擇過程中是十分有用的。（2） 人工神經(jīng)網(wǎng)絡人工神經(jīng)網(wǎng)絡在家電中最有作用的是用于經(jīng)驗的學習。家用電器在運行中其參數(shù)會隨著時間的遷移而變化，用神經(jīng)網(wǎng)絡不斷在運行中對家電性能的學習，可以預測出家電變化的趨向，以及在參數(shù)變化后的最優(yōu)控制方法，從而保持家電始終處于一種優(yōu)秀的工作狀態(tài)。這種智能方法用于有運行損耗的動力系統(tǒng)中最有效，像洗衣機、洗碗機等家用電器的經(jīng)驗學習用神經(jīng)網(wǎng)絡是很方便而有效的。（3） 模糊邏輯理論模糊邏輯控制在家電指標控制中是一種極有效的智能化方法。在家電控制中，所用的技術(shù)指標或任務是模糊的。這是因為人在日

13、常生活中的感覺，包括觸覺、嗅覺、視覺都是以模糊量描述的。以模糊控制方法控制家用電器更適合人類的智慧思維及處理過程。（4） 遺傳算法遺傳算法是一種模擬自然選擇及遺傳的隨機搜索算法，它的原則是適者生存，不適者淘汰。這種優(yōu)化方法在家電中較適用于進行狀態(tài)參數(shù)最優(yōu)組合。在洗衣機中，用于對洗滌過程的自適應優(yōu)化；在電冰箱中的制冷過程自適應優(yōu)化；空調(diào)機對外部環(huán)境包括室外季節(jié)、室內(nèi)人員情況的自適應優(yōu)化控制。 家居網(wǎng)絡系統(tǒng)和家用電器。家居網(wǎng)絡系統(tǒng)（hns）是指在集成協(xié)同工作環(huán)境中把計算機、音頻設(shè)備、視頻設(shè)備，以及家居自動子系統(tǒng)（包括能量管理、保險、安全、加熱、通訊等）連接起來，以實現(xiàn)家居資源的共享和管理，同時實現(xiàn)

14、更舒適和全新的服務。在家居網(wǎng)絡系統(tǒng)中，家用電器是主要成員?？梢哉f，家居網(wǎng)絡系統(tǒng)基本上是一個家電網(wǎng)絡。一個好的家居網(wǎng)絡系統(tǒng)應有以下一些特性：（1） 有利于開發(fā)，適合網(wǎng)絡傳輸技術(shù)，具有清晰的集成結(jié)構(gòu)。（2） 能識別、定義和協(xié)調(diào)所提供的服務，并按此尋找出正確的驅(qū)動面。（3） 建立適當?shù)墓芾矸奖愕南到y(tǒng)和應用結(jié)構(gòu)，可以把具有多種能力的各種產(chǎn)品混合在一起，確保不同的技術(shù)和概念實現(xiàn)透明和無縫的集成。目前，用于家居自動化已有幾種技術(shù)方法。包括歐洲家居系統(tǒng)ehs（european home system network)；歐洲設(shè)備總線eib（european installation bus)；貝蒂巴斯俱樂部的

15、batibus。這些技術(shù)提供的是網(wǎng)絡的協(xié)議，從而可以使家用電器在家居內(nèi)連成網(wǎng)絡。只是家居網(wǎng)絡系統(tǒng)還存在多種問題，首先，作為局部網(wǎng)絡的家居網(wǎng)絡采用何種協(xié)議最有效；其次，家居網(wǎng)絡如何與互聯(lián)網(wǎng)接掛最為理想。家居網(wǎng)絡和一般網(wǎng)絡有很大的不同，主要表現(xiàn)在如下幾個方面：（1） 一般網(wǎng)絡中連網(wǎng)的對象是結(jié)構(gòu)一致的微型機系統(tǒng)，而家居網(wǎng)絡中連接的對象是結(jié)構(gòu)和特性完全相異的各種家用電器。（2） 一般網(wǎng)絡中信息量大，但對實時性要求不高；家居網(wǎng)絡中家用電器信息量小，但對實時性要求較高。（3） 一般網(wǎng)絡的微機系統(tǒng)往往處于辦公環(huán)境，較少有外界干擾，而家居網(wǎng)絡中的家用電器處于各種差別較大的環(huán)境，受到各種干擾較多。（4） 一般網(wǎng)

16、絡的物理結(jié)構(gòu)價格較貴，在家居網(wǎng)絡中需要較低位的價格，才能被廣大家庭認可和接受。為了解決家居網(wǎng)絡的各種相關(guān)問題，人們已提出了各種相關(guān)的方案。近年來，vesa家居網(wǎng)絡委員會提出了基于ieee p1394高速串行總線標準和ip協(xié)議的家居網(wǎng)絡，而greaves和vncos等人提出了基于atm的家居網(wǎng)絡技術(shù)，目的在于尋找便于訪問網(wǎng)絡的集成方法。互聯(lián)網(wǎng)界也在考慮擴展ip協(xié)議以適應基于ip的家居網(wǎng)絡。為了免除在組網(wǎng)時所用的電纜，數(shù)字電力線技術(shù)也處于標準化和運行的不同階段，這種技術(shù)會大大減少家居網(wǎng)絡入網(wǎng)的困難以及家庭用戶的心理障礙。不過，在目前看來，能成功集成hns的解決方法還不很清晰，源于兩個問題。第一，目

17、的在于消費者市場的組網(wǎng)技術(shù)及器件價格仍然是一個重要問題；第二，能提供可靠的自重構(gòu)應用集成的系統(tǒng)設(shè)備和器件仍然是一個未能很好解決的問題，這些設(shè)備應符合互相配合/互操作性的標準化工作。2.3嵌入式系統(tǒng)家居網(wǎng)絡的互配合及結(jié)構(gòu)很明顯，由于在家居網(wǎng)絡中存在大量的性能和特點結(jié)構(gòu)不同的家用設(shè)備和電器，故而需要進行協(xié)調(diào)和標準化的工作，以推進hns應用的集成化。這一過程越公開，越有利于系統(tǒng)、設(shè)備、制造商及用戶。家居網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)和標準化是在現(xiàn)有的經(jīng)驗基礎(chǔ)上開始的，并且分別在各種領(lǐng)域展開。人們認為，如果在系統(tǒng)中采用一個公共模型，則對在家居網(wǎng)絡中希望把家居子系統(tǒng)集成在一起的目標帶來很大的便利。這種工作的研究已在計算機界

18、開展了。munro等人提出的開放分布處理模型odpm(open distributed processing model)是解決問題的一個較貼切的方法，其目的在于提出一種可用家居自動化子系統(tǒng)成功進行集成的解決辦法。目前最為成功的應該是echelon公司的現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡lonworks網(wǎng)絡。2000年10月18日19日在美國佛羅里達州舉行的lonwored2000會議上十分明顯地顯示了這種趨向。在該會議上，at&t、toshiba,sun microsystem,honeywell,cypress,hyundai,samsung等都展出它們用lonworks所構(gòu)成的家居網(wǎng)絡系統(tǒng)。第三章嵌入式技

19、術(shù)在智能家居中的應用目前人類已進入基于internet的后pc時代，其主要特征為計算機作為組成成份緊密融于消費品和工業(yè)品中。 后pc時代的到來完全依賴于嵌入式技術(shù)的誕生與發(fā)展，傳統(tǒng)的it設(shè)備逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍度胧皆O(shè)備，這是一個大趨勢。在這個大趨勢中，小到智能卡、手機、水表，大到信息家電、汽車，甚至飛機、宇宙飛船，我們的生活已經(jīng)被嵌入式軟件所包圍。嵌入式技術(shù)的蓬勃興起為智能家居行業(yè)的發(fā)展指明了技術(shù)發(fā)展趨勢，也提供了技術(shù)革新的有利武器。嵌入式系統(tǒng)一般指非pc系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器/微處理器、存儲器及外設(shè)器件和i/o端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件（os）（要求實時和多任

20、務操作）和應用程序編程。應用程序控制著系統(tǒng)的運作和行為；而操作系統(tǒng)控制著資源調(diào)度及與硬件的交互作用。3.1智能家居的現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展趨勢中國的智能家居行業(yè)剛剛起步，它還顯得比較稚嫩。我國尚沒有正式頒布相關(guān)的行業(yè)技術(shù)標準，廠家采用各自不同的技術(shù)解決方案，這在某種程度上制約了中國智能家居行業(yè)的發(fā)展，在今后相當長一段時間內(nèi)技術(shù)的整合趨勢將形成統(tǒng)一的標準。就目前而言，智能家居主要有三種技術(shù)方案，它代表著中國智能家居行業(yè)不同時期的技術(shù)特點，它們的關(guān)系可以用以下的圖形表示 pc架構(gòu)的智能控制系統(tǒng)出現(xiàn)于中國智能家居的萌芽階段，基本上停留在向使用者展示智能家居的概念，實用性不強，屬于第一代。目前很多中國智能家居

21、廠商研制的基于單片機架構(gòu)的智能控制系統(tǒng)在實際技術(shù)更加廣泛的應用，隨著成本的逐步降低，中國的智能家居最終將走向嵌入式。3.2嵌入式的智能家居解決方案給我們帶來的好處a、系統(tǒng)的處理能力大大增強，可以給您帶來更加逼真的圖象以及更加真實的語音等。b、根據(jù)系統(tǒng)定制的實時操作系統(tǒng)不僅可以最大限度的利用硬件資源而且還避免了過于龐大的系統(tǒng)造成的系統(tǒng)冗余。c、一般只有一顆主處理芯片，系統(tǒng)架構(gòu)更加清晰簡捷。d、軟件采用分層設(shè)計方便維護和升級，大大提高了代碼利用率，縮短開發(fā)周期。e、因為嵌入式技術(shù)是伴隨著internet而生的，所以它具有更加卓越的網(wǎng)絡性能，可以增加更多的網(wǎng)絡應用。3.3嵌入式技術(shù)在智能家居行業(yè)的實際應用波創(chuàng)bechamp智能家居依靠3c技術(shù)（computer technology、communication technology和control technology），并結(jié)合信息家電的發(fā)展，為用戶提供了一種更加安全、舒適、方便、快捷的智能化和信息化生活空間。其內(nèi)涵就是“在具有個性化的住宅家庭中，將多元網(wǎng)絡信息、多樣化的自動化控制以及節(jié)能環(huán)保等功能，整合到一體化