嵌入式系統(tǒng)在智能家居中的研究與應用

嵌入式系統(tǒng)在智能家居中的研究與應用摘要隨著我國經(jīng)濟的快速開展，人們對生活的需求水平也相當?shù)奶岣?，特別是在人們長期居住的地方，對居住舒適程度要求也需求更加的高，所以我國在早期就出現(xiàn)了一些智能家居，本文從嵌入式計算機開始，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的特點，依次討論了嵌入式系統(tǒng)的根本概念、嵌入式在智能家居中的應用、當前的研究現(xiàn)狀以及未來的開展趨勢。關(guān)鍵字：嵌入式系統(tǒng)，智能化，智能家居目錄TOC\o"1-2"\h\u196671緒論1140852什么是嵌入式系統(tǒng) 1238222.1嵌入式系統(tǒng)1309842.2嵌入式系統(tǒng)的特點 218023什么是智能家居 3211563.1智能家居系統(tǒng)的工作原理 3319094嵌入式開展狀況及開展趨勢 4202554.1嵌入式在智能家居的現(xiàn)狀及技術(shù)開展趨勢4167464.2嵌入式的智能家居解決方案給我們帶來的好處 4235035嵌入式技術(shù)在智能家居行業(yè)的實際應用 5280325.1功能描述 5142705.2系統(tǒng)特點 6136356嵌入式的研究前景 722890總結(jié) 817025參考文獻 91緒論隨著社會信息化的開展，計算機和網(wǎng)絡已經(jīng)滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹拿總€局部，無線通信技術(shù)也成為人們生活中必不可少的一個局部；我們每一個人根本上都擁有大小不一、形狀各異、具有各種功能的、使用嵌入式技術(shù)的電子產(chǎn)品，比方MP3/MP4、PDA、GPS導航儀等小型數(shù)字化產(chǎn)品、智能家電、網(wǎng)絡家電、智能等，都可以歸類于嵌入式產(chǎn)品中伴隨著數(shù)字化和信息化的進程，智能化成為不可抵擋的趨勢，也是新世紀的開展趨勢。智能家居是指將家庭中各種與信息相關(guān)的通訊設備、家用電器、家庭安防裝置等，通過家庭總線技術(shù)連接到一個家庭智能化平臺上，進行集中或遠程監(jiān)視、控制和家庭事務管理，并保持這些家庭設施與生活需求和住宅環(huán)境的和諧與協(xié)調(diào)。智能家居可以使人們足不出戶就進行網(wǎng)上購物、視頻點播、網(wǎng)上醫(yī)療診斷，在千里之外就可以對家里電器的進行控制，當家庭發(fā)生平安問題，在外的家庭成員可以在接到報警信息后，通過和Internet等手段查詢和確認家庭的平安狀況。2什么是嵌入式系統(tǒng)2.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術(shù)為根底，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、本錢、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應用程序等四個局部組成，用于實現(xiàn)對其他設備的控制、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局部。硬件包括處理器／微處理器、存儲器及外設器件和I／O端口、圖形控制器等。軟件局部包括操作系統(tǒng)軟件〔OS〕和應用程序編程；有時設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]。嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器，嵌入式微處理器一般就具備以下4個特點：(1)對實時多任務有很強的支持能力，能完成多任務并且有較短的中斷響應時間，從而使內(nèi)部的代碼和實時內(nèi)核心的執(zhí)行時間減少到最低限度；(2)具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了防止在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟件診斷；(3)可擴展的處理器結(jié)構(gòu)，以能最迅速地開展出滿足應用的最高性能的嵌入式微處理器；(4)嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此。2.2嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式計算機系統(tǒng)同通用型計算機系統(tǒng)相比具有以下特點：〔1〕嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應用的：嵌入式CPU與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設計的系統(tǒng)中，它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設計趨于小型化，移動能力大大增強，跟網(wǎng)絡的耦合也越來越緊密?！?〕嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導體技術(shù)和電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應用相結(jié)合后的產(chǎn)物，是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)?！?〕嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能。〔4〕嵌入式系統(tǒng)和具體應用有機地結(jié)合在一起，它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場，具有較長的生命周期?！?〕為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機中，而不是存貯于磁盤等載體中。由于嵌入式系統(tǒng)的運算速度和存儲容量仍然存在一定程度的限制，另外由于大局部嵌入式系統(tǒng)必須具有較高的實時性，因此對程序的質(zhì)量，特別是可靠性，有著較高的要求。〔6〕嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，即使設計完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)?！?〕通用計算機的開發(fā)人員通常是計算機科學或者計算機工程方面的專業(yè)人士，而嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員卻往往是各個應用領(lǐng)域中的專家，這就要求嵌入式系統(tǒng)所支持的開發(fā)工具易學、易用、可靠、高效。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)的誕生與開展，傳統(tǒng)的IT設備逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍度胧皆O備，這是一個大趨勢。在這個大趨勢中，小到智能卡、、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)的開展指明了技術(shù)開展趨勢，也提供了技術(shù)革新的有利武器[2]。

嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩局部。硬件包括處理器/微處理器、存儲器及外設器件和I/O端口、圖形控制器等。軟件局部包括操作系統(tǒng)軟件〔OS〕〔要求實時和多任務操作〕和應用程序編程。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。3什么是智能家居智能家居就是把智能科技融入家居生活中,使家庭生活與信息化結(jié)合起來。智能家居還包涵了許多方面的內(nèi)容如家庭中傳統(tǒng)的水表、電表、煤氣表等由原來的各自獨立變成小區(qū)中央控制，人們不用再為查表或交費而花費時間，計算機中央控制，通過計算機，控制家庭中的所有電器、儀表，并借助有線或無線通訊技術(shù)實現(xiàn)異地控制。隨著社會全面的信息化、智能化和網(wǎng)絡化，智能家居必將成為未來家庭生活潮流開展的新方向[3]。嵌入式Internet技術(shù)是近幾年開展起來的新技術(shù)，它創(chuàng)新性地提出以單片機或微控制器為核心的嵌入式系統(tǒng)，使底層監(jiān)測設備與Internet的無縫聯(lián)接有了可行方案，真正做到遠程監(jiān)測，這樣構(gòu)建的監(jiān)測系統(tǒng)開銷少、尺寸小、功能強。采用TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議標準，系統(tǒng)組網(wǎng)容易、傳輸數(shù)據(jù)多、速率快；客戶端通過WEB瀏覽器就可以對設備進行監(jiān)控，本文在此根底上進行了基于嵌入式WEB的智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計[4]。3.1智能家居系統(tǒng)的工作原理小區(qū)管理中心是智能家居系統(tǒng)連接外界的途徑，在此建立基于Web效勞器的小區(qū)管理信息系統(tǒng)，當家庭發(fā)生意外情況時，相關(guān)傳感器會將報警信息自動通過家庭總線系統(tǒng)發(fā)向網(wǎng)絡終端，終端通過接口可以把報警信息直接發(fā)向用戶的，同時還通過小區(qū)網(wǎng)絡將報警信息發(fā)向小區(qū)管理中心。用戶可以通過Internet用瀏覽器直接瀏覽家庭設備的當前狀況，并可以通過web直接控制家庭設備。家庭網(wǎng)絡終端可以通過接口直接連接到PSTN上，當用戶撥打家庭對家用設備進行控制時，控制信息通過瀏覽器提交給Web效勞器，然后小區(qū)管理中心計算機將控制信息轉(zhuǎn)發(fā)給相應的網(wǎng)絡終端，終端將控制信息直接轉(zhuǎn)發(fā)給相關(guān)控制設備，完成控制工作。控制完成后，網(wǎng)絡終端再將結(jié)果信息反應回小區(qū)管理中心計算機，小區(qū)管理中心將其寫入數(shù)據(jù)庫，并反應給發(fā)出控制請求的用戶。通過控制家用電器設置有密碼功能，只有密碼比擬成功后才能夠進入控制模塊，使操作更加平安。4嵌入式開展狀況及開展趨勢4.1嵌入式在智能家居的現(xiàn)狀及技術(shù)開展趨勢中國的智能家居行業(yè)剛剛起步，它還顯得比擬稚嫩。我國尚沒有正式公布相關(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)的開展，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1表示。圖1智能家居的技術(shù)特點關(guān)系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，根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，隨著本錢的逐步降低，中國的智能家居最終將走向嵌入式。4.2嵌入式的智能家居解決方案給我們帶來的好處〔1〕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?！?〕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防止了過于龐大的系統(tǒng)造成的系統(tǒng)冗余.〔3〕一般只有一顆主處理芯片，系統(tǒng)架構(gòu)更加清晰簡捷?！?〕軟件采用分層設計方便維護和升級，大大提高了代碼利用率，縮短開發(fā)周期?！?〕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。5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)，并結(jié)合信息家電的開展，為用戶提供了一種更加平安、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，整合到一體化的家庭智能信息管理與自動化監(jiān)控平臺[6]5.1功能描述〔1〕可視對講：超大屏幕彩色可視對講。

〔2〕安防主機提供有線8防區(qū)；可以通過無線密鑰進行撤布防，也可以通過和網(wǎng)絡進行布防；觸發(fā)報警以后除了可以通過網(wǎng)絡向保安中心報警，還可以通過撥打用戶射定的進行報警，還可以通過Internet向在辦公室或其它地方的業(yè)主報警。

〔3〕信息終端接收小區(qū)管理中心發(fā)出的小區(qū)公告或新聞；接收小區(qū)管理中心發(fā)出的商情；接收小區(qū)管理中心發(fā)出的住戶通知；瀏覽網(wǎng)頁；接收郵件；接收短信；查詢報警信息；查詢?nèi)硇畔??！?〕家電、燈光、插座控制家電、燈光、插座通過網(wǎng)關(guān)上的觸摸屏進行控制；通過Internet對家里的家電、燈光、插座進行遠程網(wǎng)絡控制；通過對家里家電、燈光、插座進行遠程控制；通過短信對家里家電、燈光、插座進行遠程短信控制。

〔5〕自動抄表：自動抄錄水表、電表、氣表的讀數(shù)?！?〕遠程監(jiān)控：通過Internet遠程監(jiān)控家中的家居環(huán)境[5]。5.2系統(tǒng)特點〔1〕運行穩(wěn)定平安可靠主處理器高度集成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，信號穩(wěn)定，采用6層高頻板工藝，高速線路采用采用等長設計，雙路時鐘輸入，拒絕一切干擾；操作系統(tǒng)采用開源的Linux操作系統(tǒng)，平安、穩(wěn)定；采用雙電源熱備份設計，主用電源為ATX電源，備用電源為帶充電電路的鋰電池；正常情況下，主電源為系統(tǒng)供電〔包括后備電源充電〕，鋰電池處于待命狀態(tài)并進行必要的充電；在主用電源失效的情況下備用電源自動啟用，在主用電源恢復正常后再切換回主用電源，二者之間的切換做到無縫，即二者的切換不會影響到相關(guān)軟硬件系統(tǒng)正在進行的工作，備用系統(tǒng)電源能持續(xù)工作3小時以上，待機24小時以上。〔2〕高效低耗其主處理器采用主頻高達200MHZ的韓國三星公司的S3C2410〔ARM9內(nèi)核〕高效低耗處理器〔該處理器主要用于手持設備，其功耗之低可想而知〕，再配備上海量〔相對于傳統(tǒng)基于51單片機的解決方案〕的Flash和SDRAM，可以輕松處理TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議棧、音視頻處理和一些復雜的桌面應用〔如Word,Excel,圖片查看程序，郵件客戶端和網(wǎng)絡瀏覽器〕，這些是基于51單片機的解決方案根本無法想象的，具有不可比性。〔3〕人機交互界面友好采用帶背光和觸摸屏接口的320*240STN彩屏，色彩到達64K色，并配有快捷按鍵，所有人機交互界面均采用純圖形的，美觀大方。

〔4〕系統(tǒng)可擴展性強硬件接口豐富，這些接口包括：10M以太網(wǎng)絡IC及其接口1個，LCD接口，觸摸屏接口，人機交互鍵盤；串口：485接口1個〔用于接485設備〕，232接口2個，LED指示燈，4個，分別為：工作指示，欠壓/充電指示，網(wǎng)絡指示，新留言提示；I2S接口，引出Microphone和立體聲Speaker；USBHost和Device接口各一個，可用于連接U盤，數(shù)碼相機和攝像頭等USB設備；SD存儲卡接口；JTAG，采用20針接口，方便系統(tǒng)級調(diào)試；其他未使用CPU口線，統(tǒng)一引出，以備將來系統(tǒng)擴展。操作系統(tǒng)采用開源的Linux操作系統(tǒng)，開發(fā)資源豐富，軟件上提供一套標準通用的API二次開發(fā)接口，可移植性強?！?〕系統(tǒng)升級方便系統(tǒng)所有軟件，包括啟動代碼，操作系統(tǒng)內(nèi)核，系統(tǒng)文件，應用程序均基于文件系統(tǒng)，在目標機中以文件的形式存在，均可單獨升級，而且是在線升級，給產(chǎn)品的后續(xù)升級維護提供了大大的方便，這些是傳統(tǒng)的基于51單片機的解決方案無法做到的，具有不可比性。6嵌入式的研究前景嵌入式系統(tǒng)概念的受到重視是以計算機和信息技術(shù)的開展為根底的。近年來，計算機技術(shù)以令人瞠目的速度迅猛開展，其速度之快，勢頭之猛甚至直接向某些一直被視為金科玉律的常識提出了質(zhì)疑。例如，按照計算機的體系結(jié)構(gòu)、運算速度、結(jié)構(gòu)規(guī)模、適用領(lǐng)域等屬性將其分為大型機、中型機、小型機和微計算機，并以此來組織學科和產(chǎn)業(yè)分工的分類方法雖然沿襲多年，但由于實際情況產(chǎn)生了根本性的變化，它已經(jīng)不再適用。最明顯的例子就是由70年代末定義的微計算機演變出來的個人計算機(PC)如今已經(jīng)占據(jù)了全球計算機工業(yè)的90%市場，其處理速度更是超過了當年大、中型計算機的定義?？梢?，在日新月異的計算機工業(yè)中，在計算機技術(shù)和產(chǎn)品對其它行業(yè)進行全面滲透的大趨勢下，以應用為中心的分類方法變得更為切合實際，也就是需要按計算機的嵌入式應用和非嵌入式應用將其分為嵌入式計算機和通用計算機。通用計算機具有計算機的標準形態(tài)，通過裝配不同的應用軟件，以類同面目出現(xiàn)并應用在社會的各個方面，其典型產(chǎn)品為PC；而嵌入式計算機那么是以嵌入式系統(tǒng)的形式隱藏在各種裝置、產(chǎn)品和式智能平臺，簡稱EIP。未來幾年內(nèi)，隨著信息化，智能化，網(wǎng)絡化的開展，由于EIP將三者完美結(jié)合的特性，必將獲得廣闊的開展空間。例如：在通信領(lǐng)域，數(shù)字技術(shù)正在全面取代模擬技術(shù)，美國已開始由模擬電視向數(shù)字電視轉(zhuǎn)變，數(shù)字音頻播送(DAB)進入商品化試播階段，歐洲的DVB(數(shù)字電視播送)技術(shù)也已向全球大多數(shù)國家推廣。在個人領(lǐng)域中，作為個人商用的移動數(shù)據(jù)處理和通訊設備所必需的手寫文字輸入、語音撥號上網(wǎng)、收發(fā)電子郵件以及彩色圖形、圖像等功能由于依賴嵌入式設備具有強大親和力的自然人機交互界面，也離不開EIP技術(shù)[8]?？偨Y(jié)嵌入式技術(shù)的誕生和開展促進了后PC時代的到來，嵌入式系統(tǒng)在通訊產(chǎn)品、家用電器、醫(yī)療器械、汽車制造、航空航天等領(lǐng)域的無限應用空間已使其成為促進信息產(chǎn)業(yè)開展，加速傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造的最為實用的高新技術(shù)。嵌入式技術(shù)在家庭智能控制系統(tǒng)中的應用，使得系統(tǒng)的語音和圖像處理能力大大增強，根據(jù)系統(tǒng)定制的實時操作系統(tǒng)不僅可以最大限度地利用硬件投入，而且還防止過于龐大的系統(tǒng)造