中國(guó)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(guó)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(duì)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(jì)算機(jī)、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(duì)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(gè)外延廣泛的名詞，凡是具有嵌入式特征的計(jì)算機(jī)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(gè)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(guó)內(nèi)嵌入式系統(tǒng)的定義：以計(jì)算機(jī)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(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)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(jì)時(shí)趨于小型化, 工作在為特定用戶群所專用設(shè)計(jì)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(chǔ)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(shí)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(fù)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(dá)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(gè)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)Linux進(jìn)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(chǔ)器芯片或者單片機(jī)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(tái)，指針對(duì)某一特定的應(yīng)用領(lǐng)域，達(dá)到用戶預(yù)期目標(biāo)的計(jì)算機(jī)軟件。

1.3 嵌入式系統(tǒng)在智能家居中的優(yōu)勢(shì)

嵌入式系統(tǒng)能夠逼真的圖像以及更加真實(shí)的語音等，其處理能力強(qiáng)大；系統(tǒng)架構(gòu)更加清晰簡(jiǎn)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(jì)思想，便于升級(jí)和維護(hù)，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(qiáng)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(shí)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(shí)現(xiàn)智能化的生活方式。

人們對(duì)智能家居的理解往往來自于對(duì)未來生活場(chǎng)景的形象描述：清晨在優(yōu)美的音樂中起床，窗簾自動(dòng)打開，電視機(jī)自動(dòng)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(dòng)開啟為你做好營(yíng)養(yǎng)早餐。出門時(shí)門窗、電燈會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，車子已自動(dòng)預(yù)熱。短信會(huì)告訴你的孩子已安全到校，如果你愿意還可以通過手機(jī)或電腦實(shí)時(shí)觀看孩子在課堂里的一舉一動(dòng)。晚上到家的時(shí)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(dòng)通知的。手機(jī)告訴你有新郵件，要你繳這個(gè)月的水電費(fèi)，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(shí)電視機(jī)會(huì)自動(dòng)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(hù)、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(shí)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(gè)簡(jiǎn)單的窗簾控制系統(tǒng)[3]可以由單片機(jī)、紅外接收、光敏測(cè)光、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、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(jī)模式（即自動(dòng)模式）、手動(dòng)模式、定時(shí)模式，以及遙控模式。脫機(jī)模式可根據(jù)當(dāng)前室內(nèi)光強(qiáng)度自動(dòng)控制窗簾的開合，手動(dòng)模式可由用戶使用控制機(jī)軟件進(jìn)行窗簾的綜合控制，使用遙控器對(duì)窗簾進(jìn)行遠(yuǎn)程開關(guān)。定時(shí)模式：按事先輸入的開啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行時(shí)間控制，定時(shí)開關(guān)窗簾。

該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要多種技術(shù)的支持，如計(jì)算機(jī)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jì)技術(shù)等多方面知識(shí)，怎么樣實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)的協(xié)調(diào)工作時(shí)設(shè)計(jì)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(gè)部分：顯示、電源、電機(jī)控制執(zhí)行、光控電路測(cè)光、單片機(jī)主控器件、紅外接收。單片機(jī)根據(jù)接收到的不同紅外線信號(hào)脈沖實(shí)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(hào)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?hào)端口進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，一旦檢測(cè)到有信號(hào)脈沖到來，則進(jìn)行解碼后，提取相應(yīng)的子程序以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。當(dāng)接收到手動(dòng)控制信號(hào)時(shí)，則直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)窗簾的拉開、關(guān)閉或停止；當(dāng)接收到光控信號(hào)時(shí)，單片機(jī)調(diào)用相應(yīng)的程序，驅(qū)動(dòng)光敏二極管檢測(cè)環(huán)境亮度，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，實(shí)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(jī)作為控制核心，以溫濕度傳感器作為測(cè)量原件，采用通信，溫濕度測(cè)量，控制等技術(shù)，構(gòu)成溫濕度測(cè)量控制系統(tǒng)?？煞譃闇貪穸葴y(cè)量電路，溫濕度控制電路，聲光報(bào)警電路，顯示電路。見圖4選用的主要器材有，單片機(jī)，溫濕度傳感器，LCD顯示器，調(diào)控溫裝置，增濕除潮裝置，報(bào)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(jī)為核心，數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示、報(bào)警都通過單片機(jī)。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(jī)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(shí)，有蜂鳴器實(shí)時(shí)報(bào)警，顯示紅燈提示，并進(jìn)行相關(guān)的控制處理，使室內(nèi)的溫度、濕度維持在一個(gè)合適的數(shù)值。

圖5 系統(tǒng)工作流程

上面系統(tǒng)只是一個(gè)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)。我們可以增加對(duì)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(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

我們可以對(duì)不同房間進(jìn)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(gè)觸摸面板上輕輕觸摸就可實(shí)現(xiàn)，不再需要其它多余的控溫裝置。

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

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

晚上，當(dāng)您要上床休息時(shí)，您按一下床頭的睡眠情景按鍵，溫度會(huì)自動(dòng)降到夜晚睡眠時(shí)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(jī)，或者下班回家途中，您可以往家里拔個(gè)電話號(hào)碼或者按一下手機(jī)，就可以讓空調(diào)自動(dòng)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(shì)

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(huì)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(huì)在智能家居中發(fā)揮越來越重要的作用，智能家居也會(huì)越來越顯示其在“家居智能”方面的優(yōu)勢(shì)。

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

[2]陳思國(guó).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(jī)的窗簾智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].天津科技,2010(02).

[4]戴祥南,袁縱橫,江志強(qiáng).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(bào),2012(03).