智能家居及嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用

中國空空導(dǎo)彈研究院 李賀男

智能家居及嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用

中國空空導(dǎo)彈研究院 李賀男

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對生活的便捷、舒適、安全等方面的追求逐漸提高。從而誕生了智能家居系統(tǒng),其利用計算機、嵌入式系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將各種家用設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)連接一起，為人們提供智能化的生活。本文介紹了智能家居的背景和由來，以及嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)概念。分析了若干智能家居的應(yīng)用。最后講述了智能家居的現(xiàn)狀和對未來的希望。

智能家居；嵌入式系統(tǒng)；通信技術(shù)

1 嵌入式系統(tǒng)

1.1 嵌入式系統(tǒng)概述

嵌入式系統(tǒng)是一個外延廣泛的名詞，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(zhǔn)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)嵌入式系統(tǒng)的定義：以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，以應(yīng)用為中心，并且軟硬件可定制，適用應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。

1.2 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。

圖1 嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1.2.1 嵌入式處理器

嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件層的核心，嵌入式微處理器將通用CPU許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計時趨于小型化, 工作在為特定用戶群所專用設(shè)計的系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)的效率和可靠性。

1.2.2 嵌入式外圍設(shè)備

嵌入式外圍設(shè)備指存儲設(shè)備、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備等，是嵌入式系統(tǒng)與外界交互的外圍設(shè)備。在實際環(huán)境中，嵌入式硬件配置靈活，除嵌入式微處理器和基本外圍電路外，其余都可定制。

1.2.3 嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)負責(zé)全部軟、硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)工作，能夠通過裁剪某些功能模塊來達到系統(tǒng)所要求的特定功能。

在所有的操作系統(tǒng)中，Linux在新興的嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域是一個發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的操作系統(tǒng)。從而誕生了嵌入式Linux系統(tǒng)，嵌入式Linux系統(tǒng)對標(biāo)準(zhǔn)Linux進行小型化裁剪定制，將其固化在只有幾K或者幾M字節(jié)的存儲器芯片或者單片機中。

1.2.4 嵌入式應(yīng)用軟件

嵌入式應(yīng)用軟件是基于某一特定的硬件平臺，指針對某一特定的應(yīng)用領(lǐng)域，達到用戶預(yù)期目標(biāo)的計算機軟件。

1.3 嵌入式系統(tǒng)在智能家居中的優(yōu)勢

嵌入式系統(tǒng)能夠逼真的圖像以及更加真實的語音等，其處理能力強大；系統(tǒng)架構(gòu)更加清晰簡捷，一般只有一顆主處理芯片；能夠最大限度地利用硬件資源并且還避免過于龐大的系統(tǒng)造成的系統(tǒng)冗余；軟件采用分層設(shè)計思想，便于升級和維護，不僅提高了代碼的利用率，而且還縮短開發(fā)周期；網(wǎng)絡(luò)功能強大，加增加更多的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

2 智能家居的功能及具體實例

2.1 功能

從本質(zhì)上看，智能家居是指通過信息技術(shù)與居家環(huán)境的融合，實現(xiàn)智能化的生活方式。

人們對智能家居的理解往往來自于對未來生活場景的形象描述：清晨在優(yōu)美的音樂中起床，窗簾自動打開，電視機自動播放今天的天氣并提醒您適合穿什么樣的衣服，電飯鍋、微波爐自動開啟為你做好營養(yǎng)早餐。出門時門窗、電燈會自動關(guān)閉，車子已自動預(yù)熱。短信會告訴你的孩子已安全到校，如果你愿意還可以通過手機或電腦實時觀看孩子在課堂里的一舉一動。晚上到家的時候，空調(diào)已將室內(nèi)氣溫調(diào)到你最滿意的溫度，飯已做好等你享用。有人來送牛奶和食品，是冰箱自動通知的。手機告訴你有新郵件，要你繳這個月的水電費，通過網(wǎng)絡(luò)很快就完成了。享受完智能浴室后，你最喜歡的電視已錄好，你接電話時電視機會自動減小音量……

從信息化便捷生活的內(nèi)涵來看，智能家居的功能應(yīng)該包含智能家電、智能安防、智能看護、信息服務(wù)等。

總體上看，智能家居的三大要素為：網(wǎng)絡(luò)化連通、數(shù)字化設(shè)備、智能化控制。

2.2 具體實例

圖2 智能家居系統(tǒng)配置

2.2.1 智能窗簾控制系統(tǒng)

一個簡單的窗簾控制系統(tǒng)[3]可以由單片機、紅外接收、光敏測光、電機驅(qū)動、數(shù)碼管顯示等模塊組成。系統(tǒng)可以有多種模式供用戶選擇，包括脫機模式（即自動模式）、手動模式、定時模式，以及遙控模式。脫機模式可根據(jù)當(dāng)前室內(nèi)光強度自動控制窗簾的開合，手動模式可由用戶使用控制機軟件進行窗簾的綜合控制，使用遙控器對窗簾進行遠程開關(guān)。定時模式：按事先輸入的開啟時間和關(guān)閉時間進行時間控制，定時開關(guān)窗簾。

該系統(tǒng)的實現(xiàn)需要多種技術(shù)的支持，如計算機通信技術(shù)、計算機軟件技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、紅外線遙控技術(shù)以及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)等多方面知識，怎么樣實現(xiàn)多種技術(shù)的協(xié)調(diào)工作時設(shè)計的關(guān)鍵。

圖3 系統(tǒng)整體框圖

該窗簾控制系統(tǒng)電路分為6個部分：顯示、電源、電機控制執(zhí)行、光控電路測光、單片機主控器件、紅外接收。單片機根據(jù)接收到的不同紅外線信號脈沖實現(xiàn)相應(yīng)的操作。程序中重要的子程序有：串口初始化、串口接收中斷以及紅外信號處理子程序等。當(dāng)串口設(shè)置完畢、程序初始化后，程序?qū)π盘柖丝谶M行實時檢測，一旦檢測到有信號脈沖到來，則進行解碼后，提取相應(yīng)的子程序以實現(xiàn)對電機的控制。當(dāng)接收到手動控制信號時，則直接對電機進行控制，實現(xiàn)窗簾的拉開、關(guān)閉或停止；當(dāng)接收到光控信號時，單片機調(diào)用相應(yīng)的程序，驅(qū)動光敏二極管檢測環(huán)境亮度，根據(jù)檢測結(jié)果，實現(xiàn)窗簾的拉開或關(guān)閉。

2.2.2 家居溫濕度控制系統(tǒng)

1)系統(tǒng)組成

系統(tǒng)可以用單片機作為控制核心，以溫濕度傳感器作為測量原件，采用通信，溫濕度測量，控制等技術(shù)，構(gòu)成溫濕度測量控制系統(tǒng)。可分為溫濕度測量電路，溫濕度控制電路，聲光報警電路，顯示電路。見圖4選用的主要器材有，單片機，溫濕度傳感器，LCD顯示器，調(diào)控溫裝置，增濕除潮裝置，報警裝置等。

圖4 系統(tǒng)組成

2)系統(tǒng)工作流程圖

系統(tǒng)以單片機為核心，數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示、報警都通過單片機。數(shù)據(jù)采集通過智能數(shù)字溫濕度傳感器完成，通過單片機把采集的數(shù)據(jù)顯示在顯示器上；當(dāng)采集的數(shù)據(jù)超過給定范圍時，有蜂鳴器實時報警，顯示紅燈提示，并進行相關(guān)的控制處理，使室內(nèi)的溫度、濕度維持在一個合適的數(shù)值。

圖5 系統(tǒng)工作流程

上面系統(tǒng)只是一個簡單的控制系統(tǒng)。我們可以增加對溫濕度的控制方式。不僅可以使用遙控面板，還可以使用觸摸面板，甚至是互聯(lián)網(wǎng)、電話和手機進行遠程控制。

我們可以對不同房間進行調(diào)溫。如，冬天，老人房需要27度才夠溫曖，小孩子的房間則只需要22度就足夠了，而浴室需要30度才合適，這一切只需要在一個觸摸面板上輕輕觸摸就可實現(xiàn)，不再需要其它多余的控溫裝置。

當(dāng)您離家時，您只需輕按一下門口的全關(guān)鍵，空調(diào)和自動窗簾就會自動關(guān)閉。

當(dāng)您回家時，再按一下門口的回家情景按鍵，溫度會自動升到主人上次在家時的溫濕度。

晚上，當(dāng)您要上床休息時，您按一下床頭的睡眠情景按鍵，溫度會自動降到夜晚睡眠時的溫度，無形中節(jié)約了能源。

另外，當(dāng)您出差回來剛下飛機，或者下班回家途中，您可以往家里拔個電話號碼或者按一下手機，就可以讓空調(diào)自動打開，等您到了家，屋內(nèi)已是清爽怡人。

3 智能家居的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

相信隨著信息通訊、無線技術(shù)的日益發(fā)展，智能家居一定會向著通訊協(xié)議統(tǒng)一、通信方式以無線為主的方向發(fā)展。而且隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，性能的不斷提高，我們有理由相信，嵌入式技術(shù)會在智能家居中發(fā)揮越來越重要的作用，智能家居也會越來越顯示其在“家居智能”方面的優(yōu)勢。

[1]李揚.基于嵌入式技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].華東理工大學(xué),2012.

[2]陳思國.嵌入式系統(tǒng)在智能家居中的應(yīng)用[D].浙江大學(xué),2005.

[3]周敬.基于單片機的窗簾智能控制系統(tǒng)設(shè)計[J].天津科技,2010(02).

[4]戴祥南,袁縱橫,江志強.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報,2012(03).