鄭暢 四川大學(xué)錦城學(xué)院計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)院
隨著時(shí)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(fā)展,使得物聯(lián)網(wǎng)中重要組成部分之一的嵌入式系統(tǒng),所有物品之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與通信時(shí)就必須需要嵌入式系統(tǒng)搭建的智能終端得到了發(fā)展,簡單的來說,物聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)發(fā)揮作用的關(guān)鍵。所以說“智能家居是計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)向傳統(tǒng)家電產(chǎn)業(yè)滲透發(fā)展的必然結(jié)果?!?/p>
嵌入式系統(tǒng)是完全鑲嵌于受控部件內(nèi)部,為特定的計(jì)算機(jī)操作而設(shè)定。從20 世紀(jì)70 年代的單片機(jī)應(yīng)用到如今的嵌入式微處理器,嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展了40 多年。而在40 多年的發(fā)展歷程中,嵌入式系統(tǒng)也有主要經(jīng)過了以下幾個(gè)重要的轉(zhuǎn)折階段:
嵌入式系統(tǒng)最初的應(yīng)用是基于單片機(jī)基礎(chǔ)上的,大部分通過可編程的控制器來實(shí)現(xiàn),具備監(jiān)管,控制,外設(shè)提示等等功能,最初,此類技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制,飛機(jī)導(dǎo)彈等等軍事領(lǐng)域,此時(shí)的嵌入式系統(tǒng)一般沒有操作系統(tǒng)的支持,只能通過使用匯編語言對系統(tǒng)進(jìn)行直接控制,運(yùn)行結(jié)束后再清除之前使用的內(nèi)存,然而此階段,設(shè)備雖然已經(jīng)初步具備了嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn),但僅僅是使用8 位的CPU 芯片來執(zhí)行一些單線程的程序,因此嚴(yán)格來說,還涉及不到系統(tǒng)的概念。這一階段嵌入式系統(tǒng)的主要特點(diǎn)就是系統(tǒng)構(gòu)成簡易,系統(tǒng)功能單一,對文件存儲及保護(hù)薄弱,對數(shù)據(jù)處理速度緩慢。由于一般不具備用戶接口,導(dǎo)致人機(jī)交互,設(shè)備與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)汀S捎诖祟愊到y(tǒng)操作簡便,制作成本較低,因此曾在在工業(yè)制造中得到了廣泛應(yīng)用,但在對高處理效率和大存儲容量要求的當(dāng)下,該類嵌入式系統(tǒng)絕對無法滿足智能家電等場合的要求。
80 年代時(shí),微電子工藝水平不斷提高,制造商們不斷把嵌入式系統(tǒng)需要的微處理器,串行接口,RAM,ROM 等部件集成到了一個(gè)超大規(guī)模的集成電路中,制造面向I/O 設(shè)備的微控制器,自此,在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)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(tǒng)下進(jìn)行嵌入式軟件應(yīng)用的開發(fā),不僅大大縮短了應(yīng)用開發(fā)周期,提高了工作效率,更是提高了應(yīng)用精度。嵌入式的簡單操作系統(tǒng)階段的特點(diǎn):將嵌入式系統(tǒng)與操作系統(tǒng)相結(jié)合形成了嵌入式操作系統(tǒng),此時(shí)的系統(tǒng)依舊存在改善之處,但是已經(jīng)初步具備了兼容性和拓展性。在嵌入式操作系統(tǒng)觀念被提出后,各種簡單嵌入式操作系統(tǒng)得到了發(fā)展,領(lǐng)域中高功能,低功耗的嵌入式CPU 不斷被研發(fā)出來,這些系統(tǒng)主要用于系統(tǒng)負(fù)載的控制以及監(jiān)控方面的程序運(yùn)行。
在20 世紀(jì)90 年代時(shí),在多道控制環(huán)境下,數(shù)字化通信和信息家居的巨大沖擊下,嵌入式系統(tǒng)再次迎來了一次高速發(fā)展,面向?qū)崟r(shí)處理算法的DSP 產(chǎn)品則向著高精度,高速度,低功耗的方向迅速發(fā)展,而隨著計(jì)算機(jī)硬件實(shí)時(shí)性要求的不斷提高。嵌入式系統(tǒng)隨著時(shí)代不斷發(fā)展,演變成了實(shí)時(shí)多任務(wù)操作方式,并且穩(wěn)固屹立于嵌入式領(lǐng)域。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段的特點(diǎn):實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)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(yùn)用,具備了任務(wù)模塊化的特性。此時(shí)的操作系統(tǒng)已經(jīng)具備了完善的功能,比如設(shè)備管理,資源管理,文件管理,多道程序處理,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等等,使嵌入式系統(tǒng)開發(fā)軟件變得更加的簡便。
現(xiàn)如今可以說是網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展的時(shí)代,用戶為了追求更為簡便的處理方式,社會(huì)中不斷有人發(fā)聲,希望能將嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。而隨著Intenet 的不斷發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)在一些領(lǐng)域已經(jīng)和網(wǎng)絡(luò)連接到了一起,就比如智能家居,用Internet 控制嵌入式系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對家居的控制。時(shí)代的不斷進(jìn)步,信息化,數(shù)據(jù)化不斷地改變著嵌入式系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)也必將與Internet 相互作用才會(huì)在機(jī)遇與危險(xiǎn)的不斷作用下走得更遠(yuǎn),發(fā)展的更好。
在智能化,自動(dòng)化高新技術(shù)的不斷沖擊驅(qū)動(dòng)下,國家相關(guān)部委大力推進(jìn)中國智慧城市建設(shè)部署,而為響應(yīng)國家智慧化發(fā)展政策,家居領(lǐng)域在中國房地產(chǎn)行業(yè)的帶動(dòng)下,從“增量開發(fā)”向著“存量經(jīng)營”“精裝化”發(fā)展,家居產(chǎn)業(yè)不斷趨緊智能化,自動(dòng)化。下面我將闡述嵌入式系統(tǒng)對傳統(tǒng)家居生活的影響及對新時(shí)代家居生活的變革。
在智能家居生活管理中,安防系統(tǒng)是智能系統(tǒng)正常運(yùn)行的保證,也是嵌入式系統(tǒng)中最重要的子系統(tǒng)之一,而安防系統(tǒng)的組成,在硬件方面是由傳感器,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及云計(jì)算組組成。軟件方面由安防報(bào)警系統(tǒng),視頻監(jiān)控系統(tǒng),問題反饋數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成。選用三星公司S3 C2240微處理器作為硬件開發(fā)平臺,軟件實(shí)現(xiàn)采用嵌入式Linux 系統(tǒng)將家庭監(jiān)控?cái)z像頭,傳感器模塊,無線通信模塊與硬件開發(fā)平臺相互連,然后搭建交叉編譯環(huán)境,Linux 內(nèi)核移植及文件系統(tǒng)的制作,之后完成各模塊的驅(qū)動(dòng)源文件程序的編譯與調(diào)試,最后將家庭搭建的系統(tǒng)環(huán)境通過通信系統(tǒng)與手機(jī)等電子設(shè)備互聯(lián)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。當(dāng)家庭環(huán)境出現(xiàn)變化導(dǎo)致傳感器運(yùn)作致安防報(bào)警系統(tǒng)運(yùn)行,將會(huì)向與家庭系統(tǒng)互聯(lián)的電子設(shè)備發(fā)送威脅警告,用戶可以通過手機(jī)連接家庭網(wǎng)絡(luò)來控制視頻監(jiān)控系統(tǒng)查看家中情況。
2.2.1 防盜報(bào)警系統(tǒng)
防盜報(bào)警系統(tǒng)是智能家居系統(tǒng)安防系統(tǒng)的細(xì)化組成之一,主要針對于傳統(tǒng)門窗存在的低防護(hù),非實(shí)時(shí),無報(bào)警等缺點(diǎn)并進(jìn)行改善。采用多傳感器技術(shù)融合嵌入式系統(tǒng)對入侵信息進(jìn)行采集,分析,篩選,報(bào)警來提高家庭安全性。采用Zig Bee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要的星型結(jié)構(gòu)結(jié)合振動(dòng)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(jié)合,一旦防盜設(shè)備收到撬鎖,砸門等振動(dòng)信號或者高溫低溫等破壞防盜環(huán)境的威脅便會(huì)觸發(fā)傳感器,連接到通信模塊連接戶主手機(jī)。
2.2.2 煙霧/水浸報(bào)警系統(tǒng)
智能家居管理中,廚房是事故多發(fā)地,因此對于廚房的安防系統(tǒng)也是非常重要的,考慮到廚房存在明火可能導(dǎo)致煙霧問題與火災(zāi)問題?;谶@種隱患,安防系統(tǒng)采用STM32 作為煙霧/水浸報(bào)警系統(tǒng)的開發(fā)平臺,引用MQ-2 型半導(dǎo)體可燃?xì)怏w傳感器來監(jiān)測廚房煙霧濃度,用釋熱傳感器來監(jiān)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(dāng)廚房煙霧濃度過高將會(huì)觸發(fā)MQ-2 型半導(dǎo)體可燃?xì)怏w傳感器,實(shí)時(shí)控制空間中換氣裝置打開以及相關(guān)嵌入系統(tǒng)運(yùn)行。而釋熱傳感器運(yùn)行也大致相同,只是會(huì)實(shí)時(shí)控制水浸系統(tǒng)進(jìn)行控制。這兩個(gè)系統(tǒng)也會(huì)與家庭通信系統(tǒng)相連接,讓戶主能夠知曉家中情況,進(jìn)一步保護(hù) 家中安全。
家庭中部分家居的啟動(dòng)到達(dá)到要求范圍需要一定的時(shí)間進(jìn)行緩沖,而智能化的家庭管理中雖然不能減少家居緩沖時(shí)間,但是可以將這個(gè)緩沖時(shí)間進(jìn)行合理化。當(dāng)你冒著烈日回到家中,希望回到家中就能感受到空調(diào)調(diào)節(jié)的合適溫度,這時(shí)只需要用手機(jī)控制家庭中空調(diào)就能做到,而如何做到這種控制?就需要STM32 的嵌入式開發(fā)板對家居與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互連,將Zigbee 技術(shù)和嵌入式ARM 技術(shù)混合實(shí)現(xiàn),通過Zigbee 技術(shù)收集空間中的物理信息,用嵌入式的智能網(wǎng)關(guān)對信息進(jìn)行整合。最終連接網(wǎng)絡(luò),通過無線的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,用戶只用通過手機(jī)連接特定的無線網(wǎng)段進(jìn)入家庭管理系統(tǒng)就能夠遠(yuǎn)程控制家居運(yùn)行。
正是隨著智能化的不斷發(fā)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(tǒng)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(dǎo)致的設(shè)備管理混論,隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展與完善,具有嵌入式系統(tǒng)的家居將會(huì)不斷普及,人們的生活將會(huì)不斷趨于智能自動(dòng)化。