嵌入式小論文(嵌入式在智能家居中的應用)

《嵌入式系統(tǒng)設計》課程小論文課題題目嵌入式系統(tǒng)在智能家居中的應用系別物理與電子工程學院年級專業(yè)電子科學與技術學號學生姓名日期2023·5·31目錄第一章智能家居的概述21.1研究背景21.2智能家居的現(xiàn)狀與開展21.3智能家居平臺系統(tǒng)的技術特點3第二章嵌入式系統(tǒng)52.1嵌入式系統(tǒng)概述52.2嵌入式系統(tǒng)的根本組成52.2.1嵌入式處理器52.2.2嵌入式外圍設備62.2.3嵌入式軟件62.2.4嵌入式操作系統(tǒng)6第三章嵌入式在家居智能領域中的具體運用實例73.1實現(xiàn)功能73.2技術難點73.3系統(tǒng)綜述73.4子系統(tǒng)設備的實現(xiàn)83.4.1智能IO控制器的實現(xiàn)83.4.2紅外學習型控制器的實現(xiàn)93.4.3網(wǎng)關的實現(xiàn)93.4.4可視對講機系統(tǒng)終端的實現(xiàn)93.4.5內部通信網(wǎng)絡的實現(xiàn)103.5結語10參考文獻11智能家居的概述研究背景隨著經濟和科技的開展，人們對生活質量的要求越來越高，更舒適、更溫馨的現(xiàn)代化家居是人們更希望擁有的，對其平安性、智能性、經濟性提出了更高的要求。智能家居技術應運而生。智能家居利用先進的技術，通信等把智能與家居結合起來，是一個有巨大開展前景的工程。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、家庭內部的平安防范、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。智能家居的根本目標是將家庭中各種與信息相關的通信設備、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、控制和家庭事務性管理，并保持這些家庭設施與住宅環(huán)境的和諧與協(xié)調。隨著技術開展，智能家居系統(tǒng)內容更豐富，操作更方便，系統(tǒng)越復雜。智能家居的現(xiàn)狀與開展在國際上，智能家居系統(tǒng)是上個世紀80年代才開展起來的新技術。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，但是開展速度很快。國內的智能化家居產品，經歷了從2000年左右的概念炒作到如今的推廣與普及過程。目前國內的一些家電業(yè)企業(yè)根本都推出了各自的產品，都進入智能家居市場，智能家居市場的爭奪日趨白熱化?；谀壳翱萍嫉拈_展情況和人們的消費理念，智能家居系統(tǒng)有以下五個開展方向：1.“一體化系統(tǒng)集成〞家居智能化需滿足自動化管理、平安防范監(jiān)控、火災報警、三表計量、對講呼叫、設備監(jiān)控等六方面內容，把這些功能集成，以降低本錢，是其未來開展的一個方向。2.智能化、網(wǎng)絡化、人性化智能化是智能控制開展的必然要求和趨勢，它是當代高科技技術的綜合和升華。網(wǎng)絡化是信息技術、通信技術和計算機技術開展的必然趨勢，是智能化的一個重要條件；人性化表達“以人為本〞的思想，是科技開展的最終目的。3.節(jié)能環(huán)保智能化的本質之一是降低本錢和提高效率，節(jié)能是降低本錢的關鍵技術；環(huán)保是全球的要求，智能家居如何結合現(xiàn)有技術降低功耗、減少對家庭和小區(qū)的環(huán)境污染，提高生活環(huán)境的質量，這些也是其未來開展必須考慮的因素。4.標準化、標準化我國開展較晚，產業(yè)和技術標準和標準還在制定之中。產品的標準化、標準化方面還存在著許多問題，還需考慮和國際接軌的問題。標準化、標準化是智能家居快速開展、走入國際市場的必由之路。5.具有“中國特色〞的家居智能化家居智能化系統(tǒng)需要大量的適宜中國國情的產品和運行軟件，目前國內開發(fā)的軟硬件產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。1.3智能家居平臺系統(tǒng)的技術特點智能家庭網(wǎng)絡隨著集成技術、通信技術、互操作能力和布線標準的實現(xiàn)而不斷改良。它涉及到對家庭網(wǎng)絡內所有的智能器具、設備和系統(tǒng)的操作、管理，以及集成技術的應用。其技術特點表現(xiàn)如下：通過家庭網(wǎng)關及其系統(tǒng)軟件建立智能家居平臺系統(tǒng)家庭網(wǎng)關是智能家庭局域網(wǎng)的核心局部，主要完成家庭內部網(wǎng)絡各種不同通信協(xié)議之間的轉換和信息共享，以及同外部通信網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)交換功能，同時，網(wǎng)關還負責家庭智能設備的管理和控制。統(tǒng)一的平臺用計算機的技術、微電子技術、通信技術，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)家庭內部網(wǎng)絡與外部網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)交互；其次，還要保證能夠識別通過網(wǎng)絡傳輸?shù)闹噶钍呛戏ǖ闹噶睿皇恰昂诳通暤姆欠ㄈ肭?。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備。4．嵌入式系統(tǒng)的應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的調整，使之有機地結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，但凡具有嵌入式特征的計算機應用系統(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)界有多種不同的關于嵌入式系統(tǒng)的定義。 國內普遍接受的嵌入式系統(tǒng)的定義為：嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為根底，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、本錢、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。 該定義更能表達嵌入式系統(tǒng)的根本特征。首先該定義突出了嵌入式系統(tǒng)是面向應用的，與具體的應用結合才能表達嵌入式系統(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用要求設計嵌入式系統(tǒng)。2.2嵌入式系統(tǒng)的根本組成嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件兩大類組成，其根本組成如圖1所示。嵌入式應用軟件嵌入式應用軟件嵌入式處理器嵌入式外圍設備嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式硬件平臺圖1嵌入式系統(tǒng)體系結構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計的系統(tǒng)中工作，它將通用CPU中許多由板卡完成的任務集成到芯片內部，從而實現(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；可擴展的處理器結構，以滿足快速地開發(fā)出滿足應用需要的最高性能的嵌入式微處理器；功耗低等特點。2.2.2嵌入式外圍設備在嵌入式系統(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)境交互的各種設備，包括存儲設備、輸入設備、輸出設備等都屬于嵌入式外圍設備。目前常用的外圍設備按功能可以分為存儲設備、通信設備和顯示設備三類。實際環(huán)境中，嵌入式設備的硬件配置非常靈活。除了CPU和根本外圍電路外，其余局部都可以剪裁。2.2.3嵌入式軟件嵌入式應用軟件是針對特定應用領域，基于某一固定的硬件平臺，用來到達用戶預期目標的計算機軟件，由于用戶任務可能時間和精度上的要求，因此有些嵌入式應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：設備驅動、操作系統(tǒng)、應用中間件和應用系統(tǒng)。2.2.4嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)EOS負責嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調度工作，控制、協(xié)調并發(fā)活動；它必須表達其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來到達系統(tǒng)所要求的工能。 在所有的操作系統(tǒng)中，Linux是一個開展最快、應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開展成為功能強大、設計完善的操作系統(tǒng)之一，在新興的嵌入式操作系統(tǒng)領域內獲得了飛速開展。嵌入式Linux是指對標準Linux經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用的專用Linux操作系統(tǒng)。嵌入式在家居智能領域中的具體運用實例3.1實現(xiàn)功能設計了一套利用嵌入式系統(tǒng)搭建的家居智能系統(tǒng)。能夠實現(xiàn)電器設備控制，集中控制，編程控制和異地遠程控制等功能。3.2技術難點由于家居智能設備需要長期穩(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)有家電設備，安防設備和其他智能家居設備無法實現(xiàn)互聯(lián)互通，我們就需要設計幾種控制設備和連接設備將它們連接在一起，并能夠實現(xiàn)可靠的控制。其次，家庭的電器設備比擬分散，因此我們還需要解決這些嵌入式設備的通信。由于是家用，因此通信的方式不宜太復雜，否那么會給安裝帶來較多麻煩。再次，考慮到家用的因素，每種設備的本錢也需要盡量的低廉。3.3系統(tǒng)綜述如圖2所示，這是一個智能家居系統(tǒng)的結構圖。涉及到四類產品：可視對講設備，網(wǎng)關，IO開關控制器和紅外控制器。在這四類設備的配合使用下，我們可以有序的控制家中的大局部電器設備，實現(xiàn)家居智能的功能。圖2系統(tǒng)結構圖其中可視對講設備和網(wǎng)關是控制設備，IO控制器和紅外控制器是受控設備。IO控制器一頭連接的總線網(wǎng)絡，受控于可視對講設備或者網(wǎng)關，另一頭通過Digitalinput〔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Digitaloutput〔DO〕各種單節(jié)點開關電器，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)絡上報給控制設備，控制設備再通過設定好的程序，或是通過小區(qū)的網(wǎng)絡上報給物業(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)關通過公共撥打某個號碼求助。紅外模塊內存儲了這個家庭內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備的全部功能。在通過控制設備的控制，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)開關家中的空調，并設定溫度。根據(jù)電視節(jié)目表，按時翻開電視機，并自動轉換到相應的頻道，翻開數(shù)字錄像機錄制節(jié)目以備日后觀看?？梢晫χv設備具有觸摸屏和高速CPU，通過以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)或小區(qū)內的可視對講網(wǎng)絡相連，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備，同時還可以設置控制方式，如定時控制，聯(lián)動控制設置編程控制等。與此同時，可視對講設備連接互聯(lián)網(wǎng)，通過內設的WEB頁面，可以提供應外部網(wǎng)絡訪問的接口，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備的狀態(tài)，并對設備進行控制。網(wǎng)關共有兩個接頭：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，如果無人應答那么自動進入語音菜單；同時也可以在家中通過撥設定的按鍵組合進入語音菜單，通過控制家電設備。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，通過它自動提機向外撥打設置好的求助。3.4子系統(tǒng)設備的實現(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的設備進行控制，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，等設備，通過簡單的DO即可實現(xiàn)開關的控制。而一些報警器，通過DI即可采集。因此，使用8位的單片機和適宜的通信收發(fā)器即可完成智能開關量采集和控制。 本設計采用的是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8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8—12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紅外學習型控制器的實現(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。 本設計通過Cortex-M3內核的ST處理器實現(xiàn)。ARMCortex-M3是一種基于ARM7V架構的最新ARM嵌入式內核，它采用哈佛結構，使用別離的指令和數(shù)據(jù)總線。Cortex-M3主要針對MCU，單片機等領域。本錢低，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和豐富的外設接口，包括兩個12位模數(shù)轉換器、三個USART、兩個SPI、兩個I2C、三個16位定時器等。3.4.3網(wǎng)關的實現(xiàn)在很多居民家中，網(wǎng)絡仍然是最普及的通信網(wǎng)絡。如果需要在居所之外控制家中的電器設備，查看狀態(tài)，我們就需要通過一個普及的網(wǎng)絡連接到家中。而網(wǎng)目前仍是我國最普及的，由于網(wǎng)絡只能傳輸語音信息，為了方便用戶的操作，本網(wǎng)關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16位/32位ARM7TDMI-SCPU，并帶有512KB嵌入的高速Flash存儲器。128位寬的存儲器接口和獨特的加速器結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。3.4.4可視對講機系統(tǒng)終端的實現(xiàn)本設計使用的是三星公司的ARM9芯片的S3C2440AL作為CPU,128M的SDRAM,512MBNANDFLASH,WinCE的