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

班级：软工四班

学号：20117610821

姓名：李萃萃

嵌入式技术在智能居家控制系统中的应用

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:智能家居；智能控制系统；嵌入式技术；家庭网关

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.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：

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PC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：

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，就会发出报警信号。触发报警后，除了可以通过网络向小区保安中心报警，还可以通过Internet或拨打用户设定的电话进行报警。同时开启屋内排气扇排除有害气体。当所探测范围内温度升高或烟雾弥漫，火灾探测器就会探测到并即时报警(声光报警或通信报警)。如有消防喷淋系统，则会自动进行喷淋。

C.紧急呼救及报警系统。在户内多处设紧急呼救报警按钮，如卧室床头，书房或卫生间内。当发生被盗、病人突发疾病等紧急情况时，可直接向小区保安中心报警，使住户得到及时的救助。

(3)信息终端。可以接收小区管理中心发出的小区公告、住户通知等，浏览网页，接收邮件、手机短信，以及查询报警信息及三表信息等。

(4)自动抄表。将带电子采集器的煤气表、电表、水表、暖气表等从户内布线通过家庭信息接入箱引到户外的系统采集总成，与小区的物业管理中心连接，在管理中心主机上可随时用人工或自动的方式抄录三表的读数。输入当地水、电、

气的价格。就可自动计算费用。并打印出读数、计费的情况。

(5)远程监控。当家中有老人、小孩等需要照顾时，可以在上述这些人所在的环境安装摄像头，可通过网络远程观察到需照顾人的状况。此外，当防盗报警被触发后，也可以通过Internet远程监控家中事态的进展情况。

(6)网络家用电器控制。可以通过电话、手机短信、Internet等远程控制使用家用电器(如微波炉、电饭煲、热水器、空调器、洗衣机等)。今后的家用电器都会有数据接口，可以通过数据网络实现远程遥控。可以在可能需要网络远程遥控的家用电器的电源插座旁，设置数据信息插座。

(7 )音乐、视频及灯光控制。音频、视频信号通过分配后连接到各个需要的房间，实现一台VCD(DVD)播放，多个房间可通过电视机观看的目的。在家中安装背景音响系统及灯光集中控制系统，可以通过网关上的手触屏，以及电话、手机短信、Internet等远程控制家中的插座，进而实现对家中的音响、视频及灯光的集中控制。

四．总结：

嵌入式技术的诞生和发展促进了后PC时代的到来，嵌入式系统在通讯产品、家用电器、医疗器械、汽车制造、航空航天等领域的无限应用空间已使其成为促进信息产业发展，加速传统产业改造的最为实用的高新技术。

嵌入式技术在家庭智能控制系统中的应用，使得系统的语音和图像处理能力大大增强，根据系统定制的实时操作系统不仅可以最大限度地利用硬件投入，而且还避免过于庞大的系统造成的资源浪费。由于嵌入式系统一般只有一个核心处理芯片，因此系统的架构更加清晰简捷。系统的软件采用分层设计，不仅方便维护和对系统进行升级，而且大大提高了代码的利用率，缩短了开发周期。此外，由于嵌入式技术是伴随Internet而产生和发展的，因此它具有更加卓越的网络性能，可以增加更多的网络应用。

如果说建筑是凝固的音乐，那么完美的家庭智能化自动控制系统则是这首乐曲上最绝妙的音符，堪称是整栋建筑的灵魂与画龙点睛之笔。随着网络系统的普及和迅速发展，以及主流消费者对智能家居的接受程度的提高，智能家居将不再遥不可及，它正在一步步悄然走进我们每一个人的生活，并改变着我们的生活方式和生活理念。当然，智能家居也不是孤立发展的，它需要家居网络宽带化、家电I T化、信息工具智能化等多种因素的支持。

通过这次课程论文的撰写，使我学到了许多书本上无法学到的知识,也使我深刻体会到嵌入式技术应用领域的广泛。不仅让我对学过的嵌入式知识有了很多的巩固，同时也对嵌入式系统这一门课程产生了更大的兴趣，并对之有了更深刻的理解。