嵌入式小論文(嵌入式在智能家居中的應(yīng)用)

1、 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程小論文課題題目 嵌入式系統(tǒng)在智能家居中的應(yīng)用 系 別 物理與電子工程學(xué)院 年 級 專 業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 號 學(xué)生姓名 日 期 2012531 目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc326348544 第一章智能家居的概述 PAGEREF _Toc326348544 h 2 HYPERLINK l _Toc326348545 研究背景 PAGEREF _Toc326348545 h 2 HYPERLINK l _Toc326348546 智能家居的現(xiàn)狀與發(fā)展 PAGEREF _Toc326348546 h 2 HYPERLINK l _

2、Toc326348547 1.3 智能家居平臺系統(tǒng)的技術(shù)特點 PAGEREF _Toc326348547 h 3 HYPERLINK l _Toc326348548 第二章嵌入式系統(tǒng) PAGEREF _Toc326348548 h 5 HYPERLINK l _Toc326348549 2.1 嵌入式系統(tǒng)概述 PAGEREF _Toc326348549 h 5 HYPERLINK l _Toc326348550 2.2 嵌入式系統(tǒng)的基本組成 PAGEREF _Toc326348550 h 5 HYPERLINK l _Toc326348551 2.2.1 嵌入式處理器 PAGEREF _Toc

3、326348551 h 5 HYPERLINK l _Toc326348552 PAGEREF _Toc326348552 h 6 HYPERLINK l _Toc326348553 PAGEREF _Toc326348553 h 6 HYPERLINK l _Toc326348554 2.2.4 嵌入式操作系統(tǒng) PAGEREF _Toc326348554 h 6 HYPERLINK l _Toc326348555 第三章嵌入式在家居智能領(lǐng)域中的具體運用實例 PAGEREF _Toc326348555 h 7 HYPERLINK l _Toc326348556 PAGEREF _Toc3263

4、48556 h 7 HYPERLINK l _Toc326348557 PAGEREF _Toc326348557 h 7 HYPERLINK l _Toc326348558 3.3 系統(tǒng)綜述 PAGEREF _Toc326348558 h 7 HYPERLINK l _Toc326348559 3.4 子系統(tǒng)設(shè)備的實現(xiàn) PAGEREF _Toc326348559 h 8 HYPERLINK l _Toc326348560 3.4.1 智能IO控制器的實現(xiàn) PAGEREF _Toc326348560 h 8 HYPERLINK l _Toc326348561 3.4.2 紅外學(xué)習(xí)型控制器的實現(xiàn)

5、 PAGEREF _Toc326348561 h 9 HYPERLINK l _Toc326348562 3.4.3 網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn) PAGEREF _Toc326348562 h 9 HYPERLINK l _Toc326348563 PAGEREF _Toc326348563 h 9 HYPERLINK l _Toc326348564 PAGEREF _Toc326348564 h 10 HYPERLINK l _Toc326348565 PAGEREF _Toc326348565 h 10 HYPERLINK l _Toc326348566 參考文獻 PAGEREF _Toc32634856

6、6 h 11智能家居的概述 研究背景隨著經(jīng)濟和科技的發(fā)展，人們對生活質(zhì)量的要求越來越高，更舒適、更溫馨的現(xiàn)代化家居是人們更希望擁有的，對其安全性、智能性、經(jīng)濟性提出了更高的要求。智能家居技術(shù)應(yīng)運而生。智能家居利用先進的技術(shù)，通信等把智能與家居結(jié)合起來，是一個有巨大發(fā)展前景的項目。未來中國的智能家居市場潛力巨大。智能家居是一個多功能的系統(tǒng)，它包括可視對講、家庭內(nèi)部的安全防范、家電控制、遠程的視頻監(jiān)控、遠程醫(yī)療診斷及護理系統(tǒng)、網(wǎng)上教育系統(tǒng)、家庭的影音系統(tǒng)等。智能家居的基本目標是將家庭中各種與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器和家用安防等裝置連接到一個智能化系統(tǒng)上進行集中或異地的監(jiān)視、控制和家庭事務(wù)性管理

7、，并保持這些家庭設(shè)施與住宅環(huán)境的和諧與協(xié)調(diào)。隨著技術(shù)發(fā)展，智能家居系統(tǒng)內(nèi)容更豐富，操作更方便，系統(tǒng)越復(fù)雜。智能家居的現(xiàn)狀與發(fā)展在國際上，智能家居系統(tǒng)是上個世紀80年代才發(fā)展起來的新技術(shù)。自從1984年世界上第一幢智能建筑在美國出現(xiàn)后，智能家居逐步走入人們的視野。在我國，智能化住宅雖然起步晚，但是發(fā)展速度很快。國內(nèi)的智能化家居產(chǎn)品，經(jīng)歷了從2000年左右的概念炒作到如今的推廣與普及過程。目前國內(nèi)的一些家電業(yè)企業(yè)基本都推出了各自的產(chǎn)品，都進入智能家居市場，智能家居市場的爭奪日趨白熱化?；谀壳翱萍嫉陌l(fā)展情況和人們的消費理念，智能家居系統(tǒng)有以下五個發(fā)展方向：1.“一體化系統(tǒng)集成”家居智能化需滿足自動

8、化管理、安全防范監(jiān)控、火災(zāi)報警、三表計量、對講呼叫、設(shè)備監(jiān)控等六方面內(nèi)容，把這些功能集成，以降低成本，是其未來發(fā)展的一個方向。2.智能化、網(wǎng)絡(luò)化、人性化智能化是智能控制發(fā)展的必然要求和趨勢，它是當代高科技技術(shù)的綜合和升華。網(wǎng)絡(luò)化是信息技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，是智能化的一個重要條件；人性化體現(xiàn) “以人為本”的思想，是科技發(fā)展的最終目的。智能化的本質(zhì)之一是降低成本和提高效率，節(jié)能是降低成本的關(guān)鍵技術(shù)；環(huán)保是全球的要求，智能家居如何結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)降低功耗、減少對家庭和小區(qū)的環(huán)境污染，提高生活環(huán)境的質(zhì)量，這些也是其未來發(fā)展必須考慮的因素。4.規(guī)范化、標準化我國發(fā)展較晚，產(chǎn)業(yè)和技術(shù)標準和

9、規(guī)范還在制定之中。產(chǎn)品的標準化、規(guī)范化方面還存在著許多問題，還需考慮和國際接軌的問題。規(guī)范化、標準化是智能家居快速發(fā)展、走入國際市場的必由之路?！爸袊厣钡募揖又悄芑揖又悄芑到y(tǒng)需要大量的合適中國國情的產(chǎn)品和運行軟件，目前國內(nèi)開發(fā)的軟硬件產(chǎn)品的種類較少水平較低。因此，這一方面的研究開發(fā)急需加強。 智能家居平臺系統(tǒng)的技術(shù)特點智能家庭網(wǎng)絡(luò)隨著集成技術(shù)、通信技術(shù)、互操作能力和布線標準的實現(xiàn)而不斷改進。它涉及到對家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的智能器具、設(shè)備和系統(tǒng)的操作、管理，以及集成技術(shù)的應(yīng)用。其技術(shù)特點表現(xiàn)如下：通過家庭網(wǎng)關(guān)及其系統(tǒng)軟件建立智能家居平臺系統(tǒng)家庭網(wǎng)關(guān)是智能家庭局域網(wǎng)的核心部分，主要完成家庭內(nèi)部網(wǎng)

10、絡(luò)各種不同通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換和信息共享，以及同外部通信網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換功能，同時，網(wǎng)關(guān)還負責(zé)家庭智能設(shè)備的管理和控制。統(tǒng)一的平臺用計算機的技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)，家庭智能終端將家庭智能化的所有功能集成起來，使智能家居建立在一個統(tǒng)一的平臺之上。首先，實現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交互；其次，還要保證能夠識別通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹噶钍呛戏ǖ闹噶?，而不是“黑客”的非法入侵。因此，家庭智能終端既是家庭信息的交通樞紐，又是信息化家庭的保護神。通過外部擴展模塊實現(xiàn)與家電的互聯(lián)為實現(xiàn)家用電器的集中控制和遠程控制功能，家庭智能網(wǎng)關(guān)通過有線或無線的方式，按照特定的通訊協(xié)議，借助外部擴展模塊控制家電或照明設(shè)

11、備。4嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用以往的家庭智能終端絕大多數(shù)是由單片機控制。隨著新功能的增加和性能的提升，將處理能力大大增強的具有網(wǎng)絡(luò)功能的嵌入式操作系統(tǒng)和單片機的控制軟件程序作了相應(yīng)的調(diào)整，使之有機地結(jié)合成完整的嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)2.1 嵌入式系統(tǒng)概述 嵌入式系統(tǒng)是外延非常廣泛的的名詞，凡是具有嵌入式特征的計算機應(yīng)用系統(tǒng)都可以稱為嵌入式系統(tǒng)，所以很難給它一個十分準確的定義，業(yè)界有多種不同的關(guān)于嵌入式系統(tǒng)的定義。國內(nèi)普遍接受的嵌入式系統(tǒng)的定義為：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)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(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。該定義更能體現(xiàn)嵌入式

12、系統(tǒng)的基本特征。首先該定義突出了嵌入式系統(tǒng)是面向應(yīng)用的，與具體的應(yīng)用結(jié)合才能體現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)存在的必要性，不同的嵌入式系統(tǒng)具有不同的功能和要求。開發(fā)者一定要針對具體的應(yīng)用要求設(shè)計嵌入式系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)的基本組成嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件兩大類組成，其基本組成如圖1 所示。嵌入式應(yīng)用軟件嵌入式處理器嵌入式外圍設(shè)備嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式硬件平臺 圖1 嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)2.2.1 嵌入式處理器嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，負責(zé)控制整個嵌入式系統(tǒng)的執(zhí)行。嵌入式與處理器與通用處理器最大的不同點在于，嵌入式CPU大多在為特定用戶群所專門設(shè)計的系統(tǒng)中工作，它將通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成到芯片內(nèi)部，從

13、而實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的小型化，使系統(tǒng)具有高效率和可靠性。嵌入式微處理器具有對實時多任務(wù)有很強的支持能力；具有功能很強的存儲區(qū)保護能力；可擴展的處理器結(jié)構(gòu)，以滿足快速地開發(fā)出滿足應(yīng)用需要的最高性能的嵌入式微處理器；功耗低等特點。在嵌入式系統(tǒng)硬件系統(tǒng)中除了中心控制部件以外，嵌入式系統(tǒng)與真實環(huán)境交互的各種設(shè)備，包括存儲設(shè)備、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備等都屬于嵌入式外圍設(shè)備。目前常用的外圍設(shè)備按功能可以分為存儲設(shè)備、通信設(shè)備和顯示設(shè)備三類。實際環(huán)境中，嵌入式設(shè)備的硬件配置非常靈活。除了CPU和基本外圍電路外，其余部分都可以剪裁。嵌入式應(yīng)用軟件是針對特定應(yīng)用領(lǐng)域，基于某一固定的硬件平臺，用來達到用戶預(yù)期目標的計算機

14、軟件，由于用戶任務(wù)可能時間和精度上的要求，因此有些嵌入式應(yīng)用軟件需要特定嵌入式操作系統(tǒng)的支持。嵌入式系統(tǒng)的軟件可以分為四個層次：設(shè)備驅(qū)動、操作系統(tǒng)、應(yīng)用中間件和應(yīng)用系統(tǒng)。2.2.4 嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)EOS負責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度工作，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動；它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統(tǒng)所要求的工能。在所有的操作系統(tǒng)中，Linux是一個發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的嵌入式操作系統(tǒng)。Linux從1991年問世到現(xiàn)在，短短的十幾年時間已經(jīng)發(fā)展成為功能強大、設(shè)計完善的操作系統(tǒng)之一，在新興的嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)獲得了飛速發(fā)展。嵌入式Linux是指對標準L

15、inux經(jīng)過小型化裁剪處理之后，能夠固化在容量只有幾K或者幾M字節(jié)的存儲器芯片或者單片機中，適合于特定嵌入式應(yīng)用的專用Linux操作系統(tǒng)。嵌入式在家居智能領(lǐng)域中的具體運用實例設(shè)計了一套利用嵌入式系統(tǒng)搭建的家居智能系統(tǒng)。能夠?qū)崿F(xiàn)電器設(shè)備控制，集中控制，編程控制和異地遠程控制等功能。3.2技術(shù)難點由于家居智能設(shè)備需要長期穩(wěn)定的工作，因此嵌入式系統(tǒng)成為了不二的選擇。首先，由于目前現(xiàn)有家電設(shè)備，安防設(shè)備和其他智能家居設(shè)備無法實現(xiàn)互聯(lián)互通，我們就需要設(shè)計幾種控制設(shè)備和連接設(shè)備將它們連接在一起，并能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的控制。其次，家庭的電器設(shè)備比較分散，因此我們還需要解決這些嵌入式設(shè)備的通信。由于是家用，因此通信

16、的方式不宜太復(fù)雜，否則會給安裝帶來較多麻煩。再次，考慮到家用的因素，每種設(shè)備的成本也需要盡量的低廉。3.3 系統(tǒng)綜述 如圖2 所示，這是一個智能家居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。涉及到四類產(chǎn)品：可視對講設(shè)備， 網(wǎng)關(guān)，IO開關(guān)控制器和紅外控制器。在這四類設(shè)備的配合使用下，我們可以有序的控制家中的大部分電器設(shè)備，實現(xiàn)家居智能的功能。 圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 其中可視對講設(shè)備和 網(wǎng)關(guān)是控制設(shè)備，IO控制器和紅外控制器是受控設(shè)備。IO控制器一頭連接的總線網(wǎng)絡(luò)，受控于可視對講設(shè)備或者 網(wǎng)關(guān)，另一頭通過Digital input（DI）連接到各種報警器，如煙霧報警器，燃氣報警器等。同時通過Digital output（DO）各

17、種單節(jié)點開關(guān)電器，如照明，電熱水器，飲水機等。DI收集各種報警信號，如果有報警出現(xiàn)立即通過總線網(wǎng)絡(luò)上報給控制設(shè)備，控制設(shè)備再通過設(shè)定好的程序，或是通過小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)上報給物業(yè)處理，通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送郵件，發(fā)送即時消息等；或是通過 網(wǎng)關(guān)通過公共 撥打某個號碼求助。紅外模塊內(nèi)存儲了這個家庭內(nèi)全部紅外遙控電器的各種功能的紅外碼。通過對發(fā)射這些紅外命令我們就能控制這些設(shè)備的全部功能。在通過控制設(shè)備的控制，我們甚至能實現(xiàn)在地球任何一個地方，通過 或者互聯(lián)網(wǎng)開關(guān)家中的空調(diào)，并設(shè)定溫度。根據(jù)電視節(jié)目表，按時打開電視機，并自動轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的頻道，打開數(shù)字錄像機錄制節(jié)目以備日后觀看?？梢晫χv設(shè)備具有觸摸屏和高速CPU，通

18、過以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)或小區(qū)內(nèi)的可視對講網(wǎng)絡(luò)相連，除了完成可視對講，開鎖等功能外，同時由于其供電穩(wěn)定，24乘7的不間斷工作的特點，其也是其他受控設(shè)備的主控制器。具備人際操作界面（HMI），用戶通過這個界面可直接控制家中的設(shè)備，同時還可以設(shè)置控制方式，如定時控制，聯(lián)動控制設(shè)置編程控制等。與此同時，可視對講設(shè)備連接互聯(lián)網(wǎng)，通過內(nèi)設(shè)的WEB頁面，可以提供給外部網(wǎng)絡(luò)訪問的接口，通過這個接口，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)，使用瀏覽器即可觀看家中設(shè)備的狀態(tài)，并對設(shè)備進行控制。 網(wǎng)關(guān)共有兩個接頭：一頭連接公共 網(wǎng)，一個總線接頭連接家庭控制總線。用戶可以在任何一個地方打 回家，如果無人應(yīng)答則自動進入語音菜單；同時也可以在家中

19、通過 撥設(shè)定的按鍵組合進入語音菜單，通過 控制家電設(shè)備。另外，如果家中的報警器開始報警，IO控制器會把報警信息傳給 網(wǎng)關(guān)，通過它自動提機向外撥打設(shè)置好的 求助。3.4 子系統(tǒng)設(shè)備的實現(xiàn)3.4.1 智能IO控制器的實現(xiàn)智能IO系統(tǒng)可用于對一些單開關(guān)的設(shè)備進行控制，并對一些報警器的信號采集。一般家用的燈光，飲水器，電熱水器，門磁，等設(shè)備，通過簡單的DO即可實現(xiàn)開關(guān)的控制。而一些報警器，通過DI即可采集。因此，使用8位的單片機和合適的通信收發(fā)器即可完成智能開關(guān)量采集和控制。本設(shè)計采用的是STC單片機和總線收發(fā)器。STC單片機是單時鐘/ 機器周期（1T）的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代80

20、51單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快812倍。無需專用編程器，可通過串口直接下載用戶程序，有EEPROM和看門狗功能，有2個16位定時器1個獨立波特率發(fā)生器外部中斷I/O口，有5路支持傳統(tǒng)的下降沿終斷或低電平觸發(fā)中斷，一個獨立的通用全雙工異步串行口。3.4.2 紅外學(xué)習(xí)型控制器的實現(xiàn)家居智能控制的另一個核心就是對家用電腦的控制。而電視機、DVD，投影儀和空調(diào)這類的家電由于都需要紅外遙控器進行操作，這就給我們提供了一個接口，通過這個接口我們就能對上述的電器進行控制。本設(shè)計通過Cortex-M3內(nèi)核的ST處理器實現(xiàn)。ARM Cortex-M3是一種基于ARM7V架構(gòu)的最新ARM嵌入式

21、內(nèi)核，它采用哈佛結(jié)構(gòu)，使用分離的指令和數(shù)據(jù)總線。Cortex-M3主要針對MCU，單片機等領(lǐng)域。成本低，性能遠高于8位單片機。Cortex-M3采用V7指令集，他的速度甚至比ARM7快三分之一，功耗低四分之三。最多達128KB的嵌入式閃存、20KB的RAM 和豐富的外設(shè)接口，包括兩個12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、三個USART、兩個SPI、兩個I2C、三個16位定時器等。3.4.3 網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)在很多居民家中， 網(wǎng)絡(luò)仍然是最普及的通信網(wǎng)絡(luò)。如果需要在居所之外控制家中的電器設(shè)備，查看狀態(tài)，我們就需要通過一個普及的網(wǎng)絡(luò)連接到家中。而 網(wǎng)目前仍是我國最普及的，由于 網(wǎng)絡(luò)只能傳輸語音信息，為了方便用戶的操作，本網(wǎng)關(guān)就需要語音菜單來實現(xiàn)人際交互。如果用戶通過外線進入，需要輸入密碼以確定身份。本設(shè)計采用的是NXP公司的LPC23系列ARM7處理器。此系列微控制器基于一個支持實時仿真的1