嵌入式技术在智能家居中的应用

嵌入式技术在智能居家控制系统中的应用嵌入式技术在智能居家控制系统中的应用班级班级： 软工四班软工四班 学号学号： 20117610821 姓名姓名： 李萃萃李萃萃 嵌入式技术在智能居家控制系统中的应用嵌入式技术在智能居家控制系统中的应用摘要：摘要：介绍了智能家居的发展历程，阐述了智能家居的定义和功能，介绍嵌入式技术在智能家居中的应用以及智能家居控制系统的基本设计思想;并对嵌入 式技术在家居智能控制系统中的应用进行了探讨。采用嵌入式技术，可以将多 元化的网络信息、多样化的自动化控制以及节能环保等功能，整合到一体化的 家庭智能信息管理与自动化监控平台上，从而实现高效、舒适、安全、环保的 居住环境。关键词关键词:智能家居；智能控制系统；嵌入式技术；家庭网关一引言：一引言：随着科学技术的迅猛发展，人们开始步入网络化和数字化的智能化社会， 对生活环境和工作环境的质量不断提高。伴随着数字化和信息化的进程，智能 化成为不可抵挡的趋势，也是新世纪的发展趋势。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。智能家居概念的起源甚早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到世界上 第一幢智能建筑 1984 年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲和东南亚等经济比 较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。智能家居在美国、新加坡、日 本等国都有广泛应用。1998 年 5 月新加坡举办的“98 亚洲家庭电器与电了消费 品国际展览会”上，通过在场内模拟“未来之家” ，推出了新加坡模式的家庭智 能化系统。最著名的智能家居要算比尔.盖茨的豪宅，在他的未来之路.书中 描绘了他在华盛顿湖建造的智能家居私人豪宅。随着 Internet 的发展， “智能家 居”的内涵也随之有了新的扩展，逐渐形成了一个以住宅为平台，兼备建筑、 网络通信、信息家电和设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、 舒适、安全、便利、环保的居住环境。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%以上的新建房已具有一定的智能家居功能。在中国，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， 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。二二.概述智能家居系统工作原理及常见的解决方案：概述智能家居系统工作原理及常见的解决方案：1.智能家居系统的工作原理：智能家居系统的工作原理：小区管理中心是智能家居系统连接外界的途径，在此建立基于 Web 服务 器的小区管理信息系统，当家庭发生意外情况时，相关传感器会将报警信息自 动通过家庭总线系统发向网络终端，终端通过电话接口可以把报警信息直接发 向用户的手机，同时还通过小区网络将报警信息发向小区管理中心。用户可以通过 Internet 用浏览器直接浏览家庭设备的当前状况，并可以通 过 web 直接控制家庭设备。家庭网络终端可以通过电话接口直接连接到 PSTN 上，当用户拨打家庭电话对家用设备进行控制时，控制信息通过浏览器提交给 Web 服务器，然后小区管理中心计算机将控制信息转发给相应的网络终端，终 端将控制信息直接转发给相关控制设备，完成控制工作。控制完成后，网络终 端再将结果信息反馈回小区管理中心计算机，小区管理中心将其写入数据库， 并反馈给发出控制请求的用户。通过电话控制家用电器设置有密码功能，只有 密码比较成功后才能够进入控制模块，使操作更加安全。 系统的工作流程如图所示：2.家庭智能化系统的解决方案：家庭智能化系统的解决方案：家居智能化控制系统有三种解决方案，即基于 PC 机、单片机和嵌入式系 统的三种家居智能化控制系统解决方案分别代表了中国智能家居行业不同时期 的技术特点。基于基于 PC 机架构智能家居机架构智能家居PC 机架构系统是以基于 PC 作为整个家庭智能控制系统的服务器。系统出现于中国智能家居的萌芽阶段，基本停留在向使用者展示智能家居的概念，实 用性不强。且由于系统容易受到病毒的攻击，稳定性也很差。基于单片机架构系统它是以单片机作为核心处理单元，加上定制的硬件和软件，共同组成控制 系统。其实用性、易用性和专业性都有了很大程度的提高，但由于电路设计一 般较复杂，故稳定性不高，且扩展能力不强。基于嵌入式系统智能家居嵌入式架构系统是以嵌入式系统作为核心，能够适合比较复杂的应用，扩 展能力强，功耗低，且由于采用的是数字电路设计，结构简单，稳定性强。随 着嵌入式技术的更加广泛的应用，及成本的降低，基于嵌入式系统的家庭智能 控制系统将会有更广阔的发展空间。三嵌入式技术在家庭智能控制系统中的应用三嵌入式技术在家庭智能控制系统中的应用：嵌入式系统一般指非 PC 系统，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。一般说来，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。1.智能家居总体控制系统设计：智能家居控制系统主要包括 ARM9 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 结构模型图如图所示：其中 ARM 是整个系统的控制核心，通过 GPRS 和 ZigBee 无线通信网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。 嵌入式系统主要由硬件和软件两部分组成，用于实现对其他设备的控制、 监视或管理等功能。硬件包括处理器/微处理器、存储器、外部设备，以及 I/O 控制端口、图形控制器等。软件部分包括能够实现实时和多任务操作的操作系 统软件(OS)和应用程序。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控 制着系统的运作和行为;而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。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。 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。 本系统基于 ARM9 的嵌入式智能家居控制系统的解决方案，该方案主要以 微处理器 ARM9 为核心，采用 ZigBee 和 GPRS 无线通信技术、传感技术和互 联网技术，实现了对家居电器进行本地和远程的无线监控，克服了传统的仅限 于有线和本地的家居监控方式，优化了人们的生活方式，具有较高的实用价值。其中采用 ZigBee 和 GPRS 无线通信技术来达到家庭内部控制和远程控制的 功能还可以采用其他无线与嵌入式结合的方式解决。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下 4 个特点:(1 )对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应 时间。(2)具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模 块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储 区保护功能，同时也有利于软件诊断。(3)可扩展的处理器结构。(4 )嵌入式微处理器必须功耗很低，靠电池供电的用于便携式无线及移动计 算和通信设备中嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有 mW 甚至 µW 级。2.嵌入式智能家庭网络的远程控制采用嵌入式系统作为家庭网关,将 Internet 网和 GSM 网连入智能家庭网络, 可实现 PC 机和手机短信对家电设备的远程控制和管理。远程控制智能家庭网关 的系统结构如图所示：家庭网关的硬件系统设计嵌入式系统具有低成本、低功耗、可靠性高、软 件代码小、高度自动化、响应速度快等特点。因此,为了适应普通用户,采用嵌入 式系统作为智能家庭网关。家庭网关的硬件系统设计是以一款基于 ARM920T 内核的嵌入式微处理器 S3C2410 为核心,通过外扩存储器(Flash/SDRAM)、以太 网接口模块、GSM 模块、无线串口收发模块、LCD 显示模块和键盘控制模块 等来构建硬件平台。家庭网关的硬件平台如图所示：家庭网关的软件系统设计采用嵌入式 Linux 作为家庭网关的操作系统，用 C+语言编写相应的软件。为了实现远程控制,家庭网关需要接收由外部网络发 来的控制信息,为此,程序的设计分成两个线程:一个线程是基于 TCP/IP 协议,等待 接收通过 Internet 发来的指令;另一个线程是基于手机的 AT 指令,等待接收手机 发来的短消息控制指令。家庭网关接收到控制指令后,通过对指令的分析,判断出 用户想要执行的操作,并按照通信协议规范生成相应的控制帧,通过无线串口收发 模块发送给被控端。应用程序流程图如图所示：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。 嵌入式智能家居控制系统主要可以对如下居家功能进行设置及控制： (1)可视对讲。在门厅、书房等处安装可视对讲系统。来访客人必须经住户 同意，由住户遥控开启单元防盗门方可进入。单元门口主机也可以通过网络与 管理中心主机相连，将来访者输入的信号同时传到管理主机上，便于值班人员 掌握客人来访情况。(2)报警。可以分为防盗报警、防灾报警、家庭闭路监控系统和紧急呼救及 报警等。A.防盗报警。在客厅、过道和楼梯的墙而或吊顶处安装防盗探头。室内应 用于门窗等处。室外应用于围墙上、阳台外、窗外等处，如有人非法侵入就会 探测到。门磁、窗磁探头安装于门、窗闭合处。一旦门、窗被打开，就会探测 到，并即时报警。另外，还可选用高速照相机或摄像机，一旦发生报警，将自 动对现场照相或录像。B.防灾报警。在房间内安装煤气泄漏探头及感温、感烟探头。当发生可燃 性气体泄漏时，