嵌入式系統在智能家庭管理中的應用

鄭暢 四川大學錦城學院計算機與軟件學院

引言

隨著時代的不斷變遷，人們追求更加便捷舒適的生活方式，智能家居不斷發展，使得物聯網中重要組成部分之一的嵌入式系統，所有物品之間進行數據交換與通信時就必須需要嵌入式系統搭建的智能終端得到了發展，簡單的來說，物聯網提供了傳感器的連接，也有一定的智能化處理。智能控制對象的能力是嵌入式系統發揮作用的關鍵。所以說“智能家居是計算機技術、網絡技術、控制技術向傳統家電產業滲透發展的必然結果。”

1 嵌入式系統的發展歷程

嵌入式系統是完全鑲嵌于受控部件內部，為特定的計算機操作而設定。從20 世紀70 年代的單片機應用到如今的嵌入式微處理器，嵌入式系統已經發展了40 多年。而在40 多年的發展歷程中，嵌入式系統也有主要經過了以下幾個重要的轉折階段：

1.1 無操作系統階段

嵌入式系統最初的應用是基于單片機基礎上的，大部分通過可編程的控制器來實現，具備監管，控制，外設提示等等功能，最初，此類技術被廣泛應用于工業控制，飛機導彈等等軍事領域，此時的嵌入式系統一般沒有操作系統的支持，只能通過使用匯編語言對系統進行直接控制，運行結束后再清除之前使用的內存，然而此階段，設備雖然已經初步具備了嵌入式系統的應用特點，但僅僅是使用8 位的CPU 芯片來執行一些單線程的程序，因此嚴格來說，還涉及不到系統的概念。這一階段嵌入式系統的主要特點就是系統構成簡易，系統功能單一，對文件存儲及保護薄弱，對數據處理速度緩慢。由于一般不具備用戶接口，導致人機交互，設備與設備之間的數據傳輸低。由于此類系統操作簡便，制作成本較低，因此曾在在工業制造中得到了廣泛應用，但在對高處理效率和大存儲容量要求的當下，該類嵌入式系統絕對無法滿足智能家電等場合的要求。

1.2 簡單操作系統階段

80 年代時，微電子工藝水平不斷提高，制造商們不斷把嵌入式系統需要的微處理器，串行接口，RAM,ROM 等部件集成到了一個超大規模的集成電路中，制造面向I/O 設備的微控制器，自此，在嵌入式系統領域快速崛起，成為一直新秀。嵌入式工程師，程序員也漸漸開始在一些簡單的操作系統下進行嵌入式軟件應用的開發，不僅大大縮短了應用開發周期，提高了工作效率，更是提高了應用精度。嵌入式的簡單操作系統階段的特點：將嵌入式系統與操作系統相結合形成了嵌入式操作系統，此時的系統依舊存在改善之處，但是已經初步具備了兼容性和拓展性。在嵌入式操作系統觀念被提出后，各種簡單嵌入式操作系統得到了發展，領域中高功能，低功耗的嵌入式CPU 不斷被研發出來，這些系統主要用于系統負載的控制以及監控方面的程序運行。

1.3 實時操作系統階段

在20 世紀90 年代時，在多道控制環境下，數字化通信和信息家居的巨大沖擊下，嵌入式系統再次迎來了一次高速發展，面向實時處理算法的DSP 產品則向著高精度，高速度，低功耗的方向迅速發展，而隨著計算機硬件實時性要求的不斷提高。嵌入式系統隨著時代不斷發展，演變成了實時多任務操作方式，并且穩固屹立于嵌入式領域。實時操作系統階段的特點：實時操作系統得到了巨大的提升，在各種不同類型的微控制器上得到了廣泛的運用，具備了任務模塊化的特性。此時的操作系統已經具備了完善的功能，比如設備管理，資源管理，文件管理，多道程序處理，計算機網絡等等，使嵌入式系統開發軟件變得更加的簡便。

1.4 面向Internet 階段

現如今可以說是網絡高速發展的時代，用戶為了追求更為簡便的處理方式，社會中不斷有人發聲，希望能將嵌入式系統與網絡相結合。而隨著Intenet 的不斷發展，嵌入式系統在一些領域已經和網絡連接到了一起，就比如智能家居，用Internet 控制嵌入式系統來實現對家居的控制。時代的不斷進步，信息化，數據化不斷地改變著嵌入式系統，嵌入式系統也必將與Internet 相互作用才會在機遇與危險的不斷作用下走得更遠，發展的更好。

2 嵌入式系統在智能家居生活中的使用

2.1 智能家居應用前景

在智能化，自動化高新技術的不斷沖擊驅動下，國家相關部委大力推進中國智慧城市建設部署，而為響應國家智慧化發展政策，家居領域在中國房地產行業的帶動下，從“增量開發”向著“存量經營”“精裝化”發展，家居產業不斷趨緊智能化，自動化。下面我將闡述嵌入式系統對傳統家居生活的影響及對新時代家居生活的變革。

2.2 安防系統

在智能家居生活管理中，安防系統是智能系統正常運行的保證，也是嵌入式系統中最重要的子系統之一，而安防系統的組成，在硬件方面是由傳感器，網絡設備及云計算組組成。軟件方面由安防報警系統，視頻監控系統，問題反饋數據庫系統組成。選用三星公司S3 C2240微處理器作為硬件開發平臺，軟件實現采用嵌入式Linux 系統將家庭監控攝像頭，傳感器模塊，無線通信模塊與硬件開發平臺相互連，然后搭建交叉編譯環境，Linux 內核移植及文件系統的制作，之后完成各模塊的驅動源文件程序的編譯與調試，最后將家庭搭建的系統環境通過通信系統與手機等電子設備互聯實現遠程控制。當家庭環境出現變化導致傳感器運作致安防報警系統運行，將會向與家庭系統互聯的電子設備發送威脅警告，用戶可以通過手機連接家庭網絡來控制視頻監控系統查看家中情況。

2.2.1 防盜報警系統

防盜報警系統是智能家居系統安防系統的細化組成之一，主要針對于傳統門窗存在的低防護，非實時，無報警等缺點并進行改善。采用多傳感器技術融合嵌入式系統對入侵信息進行采集，分析，篩選，報警來提高家庭安全性。采用Zig Bee 網絡拓撲結構，設計系統需要的星型結構結合振動傳感器，溫差傳感器，光電傳感器以TC35GSM模塊作為信息傳輸通道。再與家中防盜家居相結合，一旦防盜設備收到撬鎖，砸門等振動信號或者高溫低溫等破壞防盜環境的威脅便會觸發傳感器，連接到通信模塊連接戶主手機。

2.2.2 煙霧/水浸報警系統

智能家居管理中，廚房是事故多發地，因此對于廚房的安防系統也是非常重要的，考慮到廚房存在明火可能導致煙霧問題與火災問題。基于這種隱患，安防系統采用STM32 作為煙霧/水浸報警系統的開發平臺，引用MQ-2 型半導體可燃氣體傳感器來監測廚房煙霧濃度，用釋熱傳感器來監控廚房溫度變化。將煙霧傳感器與空間中換氣裝置相連接，當廚房煙霧濃度過高將會觸發MQ-2 型半導體可燃氣體傳感器，實時控制空間中換氣裝置打開以及相關嵌入系統運行。而釋熱傳感器運行也大致相同，只是會實時控制水浸系統進行控制。這兩個系統也會與家庭通信系統相連接，讓戶主能夠知曉家中情況，進一步保護 家中安全。

2.3 遠程控制系統

家庭中部分家居的啟動到達到要求范圍需要一定的時間進行緩沖，而智能化的家庭管理中雖然不能減少家居緩沖時間，但是可以將這個緩沖時間進行合理化。當你冒著烈日回到家中，希望回到家中就能感受到空調調節的合適溫度，這時只需要用手機控制家庭中空調就能做到，而如何做到這種控制？就需要STM32 的嵌入式開發板對家居與網絡進行互連，將Zigbee 技術和嵌入式ARM 技術混合實現，通過Zigbee 技術收集空間中的物理信息，用嵌入式的智能網關對信息進行整合。最終連接網絡，通過無線的方式進行遠程控制，用戶只用通過手機連接特定的無線網段進入家庭管理系統就能夠遠程控制家居運行。

3 總結

正是隨著智能化的不斷發展，人們越來越注重快捷高效的生活方式，而采用嵌入式為核心的智能家庭逐漸符合大眾的選擇，嵌入式家庭管理系統不僅免去了繁重的人工操作，也減少了家庭由于家居過多而導致的設備管理混論，隨著計算機網絡及嵌入式系統的不斷發展與完善，具有嵌入式系統的家居將會不斷普及，人們的生活將會不斷趨于智能自動化。