嵌入式系统在智能家居中的应用.doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上河海大学文天学院嵌入式系统论文题 目 嵌入式系统在智能家居中的应用 专业、学号 10级自动化 授课班号 1 班 学生姓名 黄 峭 指导教师 纪萍老师 完成时间 2013年10月20日 嵌入式系统在智能家居中的应用黄峭（河海大学文天学院，）摘要：当今社会，随着信息技术的突飞猛进，人们的生活变得日新月异，生活方式也发生着翻天覆地的变化，与此同时，人们的生活变得愈发忙碌，很大一部分的年轻一代过着早出晚归的上班族生活，这就对现有的生活居住环境提出了要求，因此，智能家局，这一暂新的词语出现在了人们的生活中。本文在介绍智能家居的基础上，介绍一些嵌入式设备在智能家居中的应用，并讨论

2、今后的一些发展方向。关键词：嵌入式系统；智能家居。The Embedded Technology in Smart HomeHuang Qiao（Hohai University Wentian College,）Abstract:Todayssociety,withtherapiddevelopmentofinformationtechnology,peopleslivesbecomeever-changinglifestylehasalsoundergoneearth-shakingchanges,Atthesametime,peopleslivesbecomeincreasinglybu

3、sy,Alargepartoftheyoungergenerationislivingalifeofspareofficeworkers,thisexistinglifelivingenvironmentrequirements,sothat,Smarthome,atemporarynewwordscomeinpeopleslives.Thispaperintroducesabriefnumberofembeddeddevicesinthesmarthome,anddiscussthefuturedevelopmentdirectiontheintelligenthomebasedonintr

4、oducestheintelligenthome.Keywords:Embeddeddevices; SmartHome.目录摘要.2一、引言.5二、智能家居的目标及网络结构.52.1智能家居的目标有几个重要的目标.52.2智能家居中也具备了一些网络的特征.62.3嵌入式系统实现目标及功能.6三、嵌入式在家居智能领域的应用.63.1嵌入式系统概述.63.2嵌入式子系统的应用.7四、嵌入式系统综述.8五、嵌入式系统的特点.105.1嵌入式系统通常是面向特定任务.105.2嵌入式系统运行环境差异很大.105.3嵌入式系统比通用PC系统资源少得多.115.4低功耗、体积小、集成度高、成本低.115.

5、5高效、可靠、稳定.115.6具有较长的生命周期.115.7目标代码通常是固化在非易失性储器中.115.8一般是实时操作系统（RTOS），系统有实时约束.115.9嵌入式软件开发走向标准化.125.10需要专用开发工具和方法进行设计.12六、总结.12参考文献.12一、引言20世纪80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面市，住宅电子化（HE，HomeElectronics）出现。80年代中期，将家用电器、通信设备与安保防灾设备各自独立的功能综合为一体后，形成了住宅自动化概念（HA，HomeAutomation）。80年代末，由于通信与信息技术的发展，出现了对住宅中各种通信、家电、安保设备通

6、过总线技术进行监视、控制与管理的商用系统，这在美国称为SmartHome，也就是现在智能家居的原型。智能家居是指将家庭中各种与信息相关的通讯设备、家用电器、家庭安防装置等，通过家庭总线技术(Hbus)连接到一个家庭智能化平台上，进行集中或远程监视、控制和家庭事务管理,并保持这些家庭设施与生活需求和住宅环境的和谐与协调。智能家居可以使人们足不出户就进行网上购物、视频点播、网上医疗诊断，在千里之外就可以对家里电器的进行控制，当家庭发生安全问题时(如盗警、火警、煤气泄漏、疾病紧急呼救等)，在外的家庭成员可以在接到报警信息后，通过电话和Internet等手段查询和确认家庭的安全状况。与智能家居含义类似

7、的称谓还有家庭自动化(HomeAuto-mation)、电子家庭(ElectronicHome)、数字家园(DigitalFamily)、家庭网络(HomeNetwork)以及智能建筑(IntelligentBuilding)等。1984年，世界上第一幢智能建筑在美国康尼迪格州的哈特福德市建成，它采用计算机系统对大楼的空调、电梯、照明设备等进行了监测和控制，并提供语音通信、电子邮件和情报资料等方面的信息服务，即所谓的住宅电子化。80年代中末期,形成了家用电器、通信设备和安全防范设备相结合的住宅的自动化。九十年代初，随着通信与信息技术的发展，出现了通过总线技术对住宅中各种通信、家电、安防设备进行

8、监控和管理的商用系统，也就是现在智能家居的原型。目前，美国有全球最大的智能化住宅群，其占地3359公顷，由约8000栋小别墅组成。而欧洲、日本、新加坡和韩国等地，智能家居的建设也日渐兴起。近几年来，智能家居产业的市场每年都以20%的速度增长。到2010年，全球50%以上的新建房将具有一定的智能家居功能。中国的智能家居发展始于上世纪末，虽然是刚刚起步，但经过近几年的发展，无论专业厂商还是代理商、工程商的数量都在大大增加。智能家居产品正成为一种家居潮流产品不断涌入市场，虽然形态各异，但其内容都离不开智能电器控制和安防管理。现在中国的房地产业发展迅速，因此中国的智能家居市场潜力巨大，作为其下游产业，

9、智能家居市场前景非常看好。目前，涉及智能家居产品生产与销售的企业在全国已超过一千家，大部分集中在上海、北京、深圳等地，如上海复瑞华、深圳康帕斯等。2002年以来，来自IT、家电业以及电工行业的多家知名企业都开始进军这一领域，海尔、清华同方、奇胜、TCL等都有了自己的智能家居产品。二、智能家居的目标及网络结构2.1智能家居的目标有几个重要的目标第一、智能家居为人们提供舒适丰富的生活环境，它有益于身心健康，同时又体现着个性化。第二、智能家居有着安全有效的防御体系，它能向人们提供防火，防盗，防抢，防毒，防漏等多种功能。第三、智能家居使得我们的生活变得更加方便灵活。第四、智能还能提供单一监控、远程监控

10、、医疗等服务。第五、智能家居有着高效可靠的工作模式，方便于资料收集，整理，分析，决策，保存，信息交流等。2.2智能家居中也具备了一些网络的特征其中，控制网络主要实现对系统中各种设备和家电用器的控制功能，执行用户发送的各种命令，如实现对家庭安防系统的讯号采集和执行，以及对室内各种物理量的探测。控制网络的特点是：它传输的信息主要是对器件控制信息以及电子产品和家用电器的物理参数。信息网络连接的设备有PC、远程PC、电视、录像机及手机、电话等系统。它的特点是：它的频率带宽一般要求比较高，因为在此网络上传输的主要是音频和视频信号，此网络上的信息传输速度也比较高，普遍要求达到10Mbps以上。而在传输的可

11、靠性上，它的要求没有控制网络那么高。因为在传输前后，都会对视频和音频信息进行一定的处理（如信号的压缩和编码解压缩和解码），这使得传输信息具有了一定的容错能力，它可以对瞬间错误进行自我检错和纠正。嵌入式系统作为控制、监视和辅助设备、机器的装置，通常执行特定功能；以微机和外围构成核心，有严格的时序和稳定性的要求，还有全自动操作的循环功能。2.3嵌入式系统实现目标及功能2.3.1要实现的目标将远程无线监控和现场无线控制相结合，设计一个基于嵌入式的家居无线控制系统，在现场，能通过人机接口实现对系统的控制及自动报警；在远端，能通过手机短消息对终端节点进行控制和信息反馈。根据以上要求，要结合ARM、嵌入式

12、操作系统、GPRS网络、ZigBee无线技术等，提出一种较为完善的智能家庭控制系统方案，完成系统的硬件、软件设计工作，并验证所设计系统的有效性和实用性。2.3.2设计智能家居系统的具体功能ARM控制器连接GPRS模块，能让用户通过通过手机短信息进行终端设备远程控制、家庭环境模式选择和监控，同时能在异常情况下将报警信息发送到预先设置的手机号码；ARM控制器连接ZigBee无线模块，采用ZigBee协议栈构建家庭内部短距离无线网络，实现与ARM控制器的通信以及家庭各设备之间的数据交换和智能控制。现场提供人机接口，用户通过键盘输入、液晶屏GUI界面显示，可设置和修改系统参数，包括环境参数，安防报警，

13、手机号码等，同时可对家庭环境和设备的工作状态进行现场级监控。三、嵌入式在家居智能领域的应用3.1嵌入式系统概述嵌入式系统是外延非常广泛的的名词，凡是具有嵌入式特征的计算机应用系统都可以称为嵌入式系统，所以很难给它一个十分准确的定义，业界有多种不同的关于嵌入式系统的定义。国内普遍接受的嵌入式系统的定义为：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。该定义更能体现嵌入式系统的基本特征。首先该定义突出了嵌入式系统是面向应用的，与具体的应用结合才能体现嵌入式系统存在的必要性，不同的嵌入式系统具有不同的功能和要

14、求。开发者一定要针对具体的应用要求设计嵌入式系统。嵌入式系统由硬件和软件两大类组成，其基本组成如图所示。3.2嵌入式子系统的应用3.2.1智能IO控制器智能IO系统可用于对一些单开关的设备进行控制，并对一些报警器的信号采集。一般家用的灯光，饮水器，电热水器，门磁，等设备，通过简单的DO即可实现开关的控制。而一些报警器，通过DI即可采集。因此，使用8位的单片机和合适的通信收发器即可完成智能开关量采集和控制。3.2.2红外学习型控制器家居智能控制的另一个核心就是对家用电脑的控制。而电视机、DVD，投影仪和空调这类的家电由于都需要红外遥控器进行操作，这就提供了一个接口，通过这个接口我们就能对上述的电

15、器进行控制。3.2.3电话网关在很多居民家中，电话网络仍然是最普及的通信网络。如果需要在居所之外控制家中的电器设备，查看状态，我们就需要通过一个普及的网络连接到家中。而电话网目前仍是我国最普及的，由于电话网络只能传输语音信息，为了方便用户的操作，本网关就需要语音菜单来实现人际交互。如果用户通过外线进入，需要输入密码以确定身份。3.2.4内部通信网络一般在家用系统中，常见的有线通信方式不外乎以太网通信和总线通信两种。而由于以太网通信的实现，其硬件上MCU的外围元件较多，且软件上其协议栈相对复杂，对于类似8位单片机设备，实现起来就很勉强，同时成本也提高。而总线物理通信上所需的元件较少，接线简单，完

16、全可是直接使用普通的双绞线，且协议简单，因此可广泛适用于各种档次的嵌入式系统。四、嵌入式系统综述如图所示，这是一个智能家居系统的结构图。涉及到四类产品：可视对讲设备，电话网关，IO开关控制器和红外控制器。在这四类设备的配合使用下，我们可以有序的控制家中的大部分电器设备，实现家居智能的功能。其中可视对讲设备和电话网关是控制设备，IO控制器和红外控制器是受控设备。IO控制器一头连接的总线网络，受控于可视对讲设备或者电话网关，另一头通过Digitalinput（DI）连接到各种报警器，如烟雾报警器，燃气报警器等。同时通过Digitaloutput（DO）各种单节点开关电器，如照明，电热水器，饮水机等

17、。DI收集各种报警信号，如果有报警出现立即通过总线网络上报给控制设备，控制设备再通过设定好的程序，或是通过小区的网络上报给物业处理，通过互联网发送邮件，发送即时消息等；或是通过电话网关通过公共电话拨打某个号码求助。红外模块内存储了这个家庭内全部红外遥控电器的各种功能的红外码。通过对发射这些红外命令我们就能控制这些设备的全部功能。在通过控制设备的控制，我们甚至能实现在地球任何一个地方，通过电话或者互联网开关家中的空调，并设定温度。根据电视节目表，按时打开电视机，并自动转换到相应的频道，打开数字录像机录制节目以备日后观看。可视对讲设备具有触摸屏和高速CPU，通过以太网和互联网或小区内的可视对讲网络

18、相连，除了完成可视对讲，开锁等功能外，同时由于其供电稳定，24乘7的不间断工作的特点，其也是其他受控设备的主控制器。具备人际操作界面（HMI），用户通过这个界面可直接控制家中的设备，同时还可以设置控制方式，如定时控制，联动控制设置编程控制等。与此同时，可视对讲设备连接互联网，通过内设的WEB页面，可以提供给外部网络访问的接口，通过这个接口，用户可以通过互联网，使用浏览器即可观看家中设备的状态，并对设备进行控制。电话网关共有两个接头：一头连接公共电话网，一个总线接头连接家庭控制总线。用户可以在任何一个地方打电话回家，如果无人应答则自动进入语音菜单；同时也可以在家中通过电话拨设定的按键组合进入语音

19、菜单，通过电话控制家电设备。另外，如果家中的报警器开始报警，IO控制器会把报警信息传给电话网关，通过它自动提机向外拨打设置好的电话求助。五、嵌入式系统的特点由于嵌入式系统是应用于特定环境下，针对特定用途来设计的系统，所以不同于通用计算机系统。同样是计算机系统，嵌入式系统是针对具体应用设计的“专用系统”。它的硬件和软件都必须高效率地设计、量体裁衣、去除冗余，力争在较少的资源上实现更高的性能。它与通用的计算机系统相比具有以下显著特点：5.1嵌入式系统通常是面向特定任务嵌入式系统通常是面向特定任务的，而不同于一般通用PC计算平台，是“专用”的计算机系统。嵌入式系统微处理器大多非常适合于工作在为特定用

20、户群所设计的系统中，称为“专用微处理器”，它专用于某个特定的任务，或者是很少几个任务。5.2嵌入式系统运行环境差异很大嵌入式系统无所不在，但运行环境也差异很大，可运行在飞机上、冰天雪地的两极中、骄阳似火下的汽车里、要求温湿度恒定的科学实验室等。特别是在恶劣的环境或突然断电的情况下，要求系统仍然能够正常工作。5.3嵌入式系统比通用PC系统资源少得多通用PC系统有数不胜数的系统资源，可以轻松完成各种工作。你可以在自己的PC机上编写程序的同时播放MP3、CD、下载资料等等。而控制GPS接收机的嵌入式系统，由于是专门用来执行很少的几个确定任务，它所能管理的资源比通用PC系统少得多。当然这主要是因为在设

21、计时考虑到经济性，不能使用通用CPU。这就意味着所选用的CPU只能管理很少的资源，它的成本更低、结构更简单。5.4低功耗、体积小、集成度高、成本低嵌入式系统“嵌入”到对象的体系中，对对象、环境和嵌入式系统自身具有严格的要求，一般的嵌入式系统具有低功耗、体积小、集成度高、成本低等特点；嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，在保证稳定、安全、可靠的基础上量体裁衣，去除冗余，力争用较少的软硬件资源实现较高的性能。这样，才能最大限度地降低应用成本，从而在具体应用中更具有市场竞争力。5.5高效、可靠、稳定建立完整的嵌入式系统的系统测试和可靠性评估体系，保证嵌入式系统高效、可靠、稳定工作；嵌入式应用的

22、复杂性、繁杂性要求设计的代码应该是完全没有错误的，怎样才能科学、完整的测试全天候运行的嵌入式复杂软件呢？首先，需要有科学的测试方法，建立科学的系统测试和可靠性评估体系，尽可能避免因为系统的不可靠造成巨大损失。其次，引入多种嵌入式系统测试方法和可靠性评估体系。在大多数嵌入式系统中一般都包括一些机制，比如看门狗定时器，它在软件失去控制后能使之重新开始正常运行。5.6具有较长的生命周期嵌入式系统是和实际具体应用有机结合的产物，它的升级换代也是和具体产品同步进行的。因此，一旦定性进入市场，一般具有较长的生命周期。5.7目标代码通常是固化在非易失性储器中嵌入式系统的目标代码通常是固化在非易失性储器（RO

23、M/EPROM/FLASH）中；嵌入式系统开机后，必须有代码对系统进行初始化，以便其余的代码能够正常运行，这就是建立运行时的环境，比如初始化RAM放置变量、测试内存的完整性、测试ROM完整性以及其他初始化任务。为了系统的初始化，几乎所有的系统都要在非易失性存储器（现在普遍使用Flash）中存放部分代码（启动代码）。为了提高执行速度和系统可靠性，大多数嵌入式系统也常常把所有的代码（也常常使用所有代码的压缩代码）固化、存放在存储器芯片或处理器的内部存储器件中，不使用外部的磁盘等存储介质。5.8一般是实时操作系统（RTOS），系统有实时约束嵌入式系统往往对时间的要求非常严格，嵌入式操作系统一般是RT

24、OS。嵌入式实时操作系统随时都要对正在运行的任务授予最高优先级。嵌入式任务是时间关键性约束，它必须在某个时间范围内完成，否则由其控制的功能就会失效。5.9嵌入式软件开发走向标准化嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。5.10需要专用开发工具和方法进行设计从调试的观点看，代码在ROM中意味着调试器不能在ROM中设置断点。要设置断点，调试器必须能够用特殊指令取代用户指令，嵌入式调试己经发展出支持嵌入式系统开发过程的专

25、用工具套件。六、总结以上的产品在经过开发调试，在实际投入后，发现各设备运行可靠稳定，通过接口设备，使得原本一般的家用电器具有了价格很高的网络家电的功能，并且完全实现了电器设备的集中控制，编程控制，远程控制。同时安装时不会给家庭的装修带来太多的要求。我们不难看出，通过几种嵌入式系统产品，我们很容易能搭建起一套实现家居智能系统。特别是在今天随着嵌入式系统的不断发展，性能的不断的提高，我们有理由相信，其在家居智能系统中会发挥越来越重要的作用。参考文献：1陈国先，PIC单片机原理与接口技术M，北京:电子工业出版社，2004；2徐科军，传感器与检测技术，电子工业出版社（第二版）；3吕京建，肖海桥嵌入式处

26、理器分类与现状；4何立民，建设单片机应用平台，实施平台开发战；5吕京建，肖海桥，嵌入式系统开发工具及RTOS平台；6凌志浩，张文超，俞金寿，嵌入式系统结构及其发展概况期刊论文-自动化仪表2003(4)；7李界家，智能建筑办公网络与通信技术，北京.清华大学出版社.2000；8董杰，智能家居系统的组成及设计科技情报开发与经济.2007.17(14):276-277；9黄小池，智能家居系统的现状和发展趋势.计算机科学.2003.1:74-75；10 陈良银，志署等，智能家居系统的设计与实现J.新疆大学学报(自然科学版),22(1):108-111；11凌莉，谢兴宝，林光锐，智能家居控制系统的远程通讯技术J.建筑技术开发,31(11):92-94。专心-专注-专业