2022年嵌入式技术在智能家居中的运用 .pdf

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1、学号：20132581 姓名：向 鹏班级名称：电 1304-1 院系名称：电 气 与 电 子 工 程 学 院任课教师：刘 展 威嵌入式系统技术报告嵌入式技术在智能家居中的运用名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - - 第 1 页 共 2 页摘 要随着嵌入式技术、 网络及信息技术的发展，智能家居的理念渐渐深入人心，与此同时，无线技术也在逐步发展，目前已比较成熟的无线连接方式包含了蓝牙连接、红外连接(IR)和无线 (RF)连接

2、三种方式，近几年 Wi-Fi 的发展迅猛， 但实践基础还不够完善。智能家居这一概念提出已久，大部分的智能家居是基于嵌入式系统并且在有线技术的辅助下完成，但由于有线技术布线困难、投资大等缺点，基于嵌入式无线技术的智能家居便应运而生。对于大部分稳定性要求不是很高的家电而言，无线技术完全可以保证系统的顺利安全进行，这样无论是利用PC 还是手机均用户均可以在不同地点不同时刻甚至是远程控制家中的智能电器。本文将从几种不同的无线技术着手，分别介绍嵌入式技术在这几种无线接入技术下实现的智能家电控制系统，进一步阐述嵌入式无线技术的重要性。关键词：嵌入式技术；无线技术；智能家居；视频采集;视频编码。名师资料总结

3、 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - 第 2 页 共 3 页引言智能家居（ Smart Home）是利用计算机技术、网络通信技术、综合布线技术和传感技术等，依照人体工程学原理，将家居生活中的各类电子设备有机的结合在一起，通过网络化综合智能控制和管理的一种嵌入式系统。电子、通信、传感和网络技术的不断发展和人们生活质量的提高，家居生活中的电子产品不但种类越来越多，功能更加完善，应用更加普遍，而且越来越智能化，最普遍的家居生活电子产品

4、种类达数百种，实现对如此之多的家居电子产品的综合控制是智能家居发展的必然趋势。 文中提出的基于ARM9 的无线智能家居控制系统，以ARM9 微处理器为核心，结合 ZigBee和GPRS 通信技术， 根据实际需要实现对家居电子设备进行本地和远程两种方式的无线控制，本地控制是指在本地通过互联网将控制指令传输给控制系统来实现各种家居电器的监控，远程控制是指用计算机网络或手机短信将控制指令传输给控制系统实现对各种家居电器的远距离监控，这两种控制方式的结合将给我们的工作和生活带来极大的便捷，是未来智能化家居生活发展的必然趋势。1. 嵌入式系统概述目前，在嵌入式系统应用领域中，不少人对什么是嵌入式系统不甚

5、了解。有些人搞了十多年的单片机应用，不知道单片机就是一个最典型的嵌入式系统；也有些人在解释什么是嵌入式系统时，不是从定义出发，而是列举了嵌入式系统的一些特点，往往不知所云。因此，有必要从现代计算的发展历史，了解嵌入式系统的由来，从学科建设的角度来探讨嵌入式系统较为准确的定义。嵌入式系统诞生于微型机时代，嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去，这些是理解嵌入式系统的基本出发点。由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制，因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线速度的无

6、限提升，存储容量的无限扩大。而嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。嵌入式计算机系统则走上了一条完全不同的道路，这条独立发展的道路就是单芯片化道路。它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士，接过起源于计算机领域的嵌入式系统，承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务，迅速地将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代。在中国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念是：嵌入式系统是以应用为中心，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精

7、心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - 第 3 页 共 4 页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。它一般由嵌入式微处器、处围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。如果我们了解了嵌入式（计算机）系统的由来与发展，对嵌入式系统就不会产生过多的误解，而能历史地、本质地、普遍适用地定义嵌入式系统。1.1 嵌入式系统的定义按照历史性、本质性、普遍性要求，嵌入式系统应定义为：“嵌入到对象体系中的专用计算机系

8、统” 。 “嵌入性”、 “专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。1.2 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点与定义不同，它是由定义中的三个基本要素衍生出来的。不同的嵌入式系统其特点会有所差异。与“嵌入性” 的相关特点： 由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境要求，如物理环境（小型） 、电气 /气氛环境（可靠） 、成本（价廉）等要求。与“专用性”的相关特点：软、硬件的裁剪性；满足对象要求的最小软、硬件配置等。与“计算机系统”的相关特点：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系

9、统相适应的接口电路。另外，在理解嵌入式系统定义时，不要与嵌入式设备相混淆。嵌入式设备是指内部有嵌入式系统的产品、设备，例如，内含单片机的家用电器、仪器仪表、 工控单元、机器人、手机、 PDA 等。1.3 嵌入式系统的种类按照上述嵌入式系统的定义，只要满足定义中三要素的计算机系统，都可称为嵌入式系统。嵌入式系统按形态可分为设备级（工控机）、板级（单板、模块） 、芯片级（ MCU 、SoC） 。有些人把嵌入式处理器当作嵌入式系统，但由于嵌入式系统是一个嵌入式计算机系统，因此，只有将嵌入式处理器构成一个计算机系统，并作为嵌入式应用时，这样的计算机系统才可称作嵌入式系统。2. 嵌入式系统的主要应用嵌入

10、式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括：工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能系统、POS 网络及电子商务、环境工程与自然、机器人。这些应用中，可以着重于在控制方面的应用。就远程家电控制而言，除了开发出支持TCP/IP 的嵌名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - - - - - - - 第 4 页 共 5 页入系统之外，家电产品控制协议也需要制订和统一，这需要家电生产厂家来做。同样的道理，所有基于网络的远程控制协议也需要与嵌入式

11、系统之间实现接口，然后再由嵌入式系统来控制并通过网络实现控制。所以，开发和探试嵌入式系统有着十分重要的意义。3. 嵌入式系统的发展现状和发展趋势随着信息化，智能化，网络化发展，嵌入式系统技术也将获得广阔发展空间。美国著名未来学家尼葛洛庞帝99 年 1 月访华时预言，45 年后嵌入式智能（电脑）工具将是PC和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌入式系统专家沈绪榜院士98 年 11 月在武汉全国第 11 次微机学术交流会发表的计算机的发展与技术一文中，对未来10 年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐述和展望。1999 年世界电子产品产值已超过12000亿美元， 2000 年达到 13000

12、 亿美元。信息时代，数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机，为嵌入式市场展现了美好的前景， 嵌入式系统与对象系统密切相关，其主要技术发展方向是满足嵌入式应用要求，不断扩展对象系统要求的外围电路（如ADC 、DAC 、 PWM 、日历时钟、电源监测、程序运行监测电路等） ，形成满足对象系统要求的应用系统。因此，嵌入式系统作为一个专用计算机系统， 要不断向计算机应用系统发展。因此，可以把定义中的专用计算机系统引伸成，满足对象系统要求的计算机应用系统。同时也向嵌入式生产厂商提出了新的挑战，从中我们可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势；嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入

13、式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益提高，使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加复杂网络互联成为必然趋势。未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供各种网络通信接口。精简系统内核，算法，降低功耗和软硬件成本。提供友好的多媒体人机界面。嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面。4. 无线智能家居设计4.1 无线智能家居控制系统总体结构及功能无线智能家居控制系统总体结构及功能文中提出的基于ARM9 的无线智能家居控制系统主要包括ARM9

14、 核心控制模块，无线通信模块、LCD 触摸屏模块和家居电器，另外还有传感检测，语音报警和电源等模块。系统总体结构模型图如图1 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - 第 5 页 共 6 页家居电器ZigBeeARM9 控制核心S3C2440计算机传感器模块语音报警模块电源模块LCD显示模块GPRS 通信手机模块图 1 系统总体结构模型图其中 ARM 是整个系统的控制核心，通过GPRS 和 ZigBee 无线通信网

15、络收发控制指令实现对家居电器进行综合监控，同时提供防火墙的功能，阻止外界对家庭内部设备的非法访问和攻击。无线通信模块分为本地和远程两部分，本地通信主要通过新型的ZigBee 无线通信技术实现系统与家居电器的通信，达到对其控制；远程通信是利用手机通过GPRS 通信网络或利用计算机通过互联网实现人与控制系统的通信，进而达到对家居电器的远程监控。采用无线通信技术省去了布线使家居布局更加灵活，远程控制使家居电器工作更加贴近人们的工作和生活要求。智能家居控制系统的具体功能包括：家居电器的综合监控：对所控制的家居电器进行开关、工作参数的设置和工作状态的检测。室内环境信息采集：采集家居环境的温度、湿度信息和

16、煤气、烟气等有毒气体的检测。自动报警：当检测到家居环境的温度、湿度、煤气、烟气等超标，或检测到有陌生人强行开启室门或进入室内时就自动报警，告知居室主人。本地控制： 用户在本地可通过计算机或家居电器本身的操作键对家居电器进行监控。远程控制：用户远程可以通过手机短息或互联网对家居电器进行控制或工作状况查询。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - 第 6 页 共 7 页安全防盗：家居中的所有与控制系统连接的电器设备均可实现与

17、主人通信，一旦盗贼对某设备进行操作，或某设备工作状态异常时，系统将立即通知主人，以达到安全和防盗的目的。4.2 系统硬件实现系统硬件主要由ARM9 微处理器、 GPRS 通信网络、 ZigBee 通信技术、 LCD 触摸屏、语音报警和电源等模块组成。4.3 ARM9 硬件处理器微处理器采用三星公司的ARM9(S3C2440) 。S3C2440 是一款高性能32 位 RISC 微处理器 , 采用了 ARM920T 的内核， 0.13um 的 CMOS 标准宏单元和存储器单元，最高主频可以达到 400MHz ，提供多款液晶屏配置。ARM920T 实现了 MMU ，AMBA BUS 和 Harvar

18、d 高速缓冲体系结构，这一结构具有独立的16Kb 指令 Cache 和 16Kb 数据 Cache，每个都是由具有 8 字长的行组成。通过提供一套完整的通用系统外设，无需配置额外的组件从而减少整体系统成本，为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。4.4 无线通信网络GPRS 网络是覆盖范围最广，性能较为完善的无线网络，GPRS 网络本身具有较强的数据纠错能力，数据传输速率最高可达128Kb/s，能够保证数据传输的可靠性和实时性。ZigBee 技术组成的无线传感器网络结构简单、体积小、 成本低； 采用 GPRS 网络进行数据传输的模块体积小、 功耗低，适合作为

19、无线传感器网络的数据节点，ZigBee 技术与 GPRS 通信网络相结合组成新的无线通信网络。GPRS DTU 无线通信模块采用成都众山电子有限公司的 ZSD2110 GPRS DTU 。ZSD2110 是一款使用GPRS 网络进行数据无线透明传输的嵌入式DTU 模块。 内置工业级 GPRS 引擎和嵌入式处理器。支持PPP、TCP、UDP、 ICMP 等众多复杂网络协议和SOCKET 标准，提供全透明数据传输和用户自由控制传输两种模式。同时支持点对点、点对多点、设备间、设备与中心间等各种不同的通讯模式。用户不用关心复杂的网络协议，使用 TTL 串行通信接口，就可以进行无线数据收发，使系统能够随

20、时随地接入Internet。ZigBee 技术是一种新型的无线、短距离、低功耗组网通讯技术,具有低复杂度、低功耗、低成本、高效率，可靠度高和网络覆盖面积广等技术优势，工作在免费的2.4GHz-2.5GHzISM 微波段，具有较强的抗干扰性和设备联络功能，能够实现1500m 的全向识别，传输速率最高可达10M bit/s ，它支持3 种主要的自组织无线网络类型，即星状结名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - 第 7 页

21、共 8 页构、网状结构和族状结构，这些网络具有较强的网络健壮性和系统可靠性。基于以上特点ZigBee 广泛应用于智能家居控制、工业控制系统。 本文采用的CC2430 是一种真正的系统芯片（ SoC）CMOS 解决方案，这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee 为基础的2.4GHz ISM 波段应用及对低成本，低功耗的要求， 它结合一个高性能2.4GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器核心。4.5 传感器与显示模块传感器包括煤气、烟雾等有毒气体检测器，人体红外探测器，门窗磁开关，温度、湿度、光照度传感器等，所有的传感器都与无线传输模块P1R2000 连接，构成无线传感器网络并与控制系统实

22、现实时通信。显示模块选用低电压低功耗的LCDl2832 液晶显示屏， LCDl2832 是一款分辨率为12832 的中英文图形液晶（黄色背光）显示模块，具有4 位/8 位并行 2 线或 3 线串行多种接口方式， 内部置有 8192 个 1616 点阵的一级、 二级简体汉字和128 个 168 点 ASCII 字符集，用来显示82 行 1616 点阵的汉字对话信息，构成全中文人机交互图形界面并显示当前时间、日期、星期、湿度、温度、定时提醒等信息和煤气等有毒的含量超标时报警提示的输出信息。4.6 系统软件设计整个智能家居控制系统以ARM9 微处理器为核心，支持C 语言和汇编语言，本系统采用 C 语

23、言与汇编语言混合编程。低层驱动由汇编语言编写，对外留C 语言接口，人机交换采用 Linux 嵌入式实时操作系统。系统软件由系统主程序、初始化子程序、ZigBee 通信子程序、 GPRS 通信子程序、传感检测子程序、显示子程序、报警子程序、数据处理子程序和远程控制子程序等模块组成。程序软件流程图如图2 所示：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 10 页 - - - - - - - - - 第 8 页 共 9 页开始初始化状态是否正常判断控制类型家居安全监测安全防

24、盗门子程序家居电器状态运行检测子程序家居电器控制空调控制子程序热水器控制子程序其他设备控制子程序启动报警通知主人家居环境监测检测结果是否达标家居环境良好结束NYNY图 2 程序软件流程图5. 总结嵌入式技术运用到物联网中，虽然物联网不是一次产业革命，但是它却有着与产业革命类似的效果， 它的出现带来了许多新兴产业，将有一股强大的力量推动着人类前进的步伐，问题、机遇、挑战、前景，这样一系列的正反面问题的存在，将大大加速着社会的进步。物联网有利也有弊，相信，物联网最终会像互联网一样，成为人们生活的一部分。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - -

25、 - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - 第 9 页 共 10 页参考文献1褚光辉 .无线智能家居控制网络设计2刘军，阎芳，杨玺.物联网技术 .北京 : 3张永德，卫军峰，高安邦.基于 DSP 智能家居控制系统设计4 徐赫 . 基于 ARM 嵌入式视频采集的研究D. 武汉 : 武汉理工大学，2007, 5. 5 方芳 . 基于 ARM 的嵌入式视频监控系统的研究D. 北京 : 北京邮电大学， 2008, 5. 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 10 页 - - - - - - - - -