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1、,嵌入式系统在智能家居中的研究与应用摘 要随着我国经济的快速发展，人们对生活的需求水平也相当的提高，特别是在人们长期居住的地方，对居住舒适程度要求也需求更加的高，所以我国在早期就出现了一些智能家居，本文从嵌入式计算机开始，结合嵌入式系统的特点，依次讨论了嵌入式系统的基本概念、嵌入式在智能家居中的应用、当前的研究现状以及未来的发展趋势。关键字：嵌入式系统，智能化， 智能家居目 录1绪论12 什么是嵌入式系统12.1 嵌入式系统12.2 嵌入式系统的特点23什么是智能家居33.1智能家居系统的工作原理34嵌入式发展状况及发展趋势44.1 嵌入式在智能家居的现状及技术发展趋势44.2 嵌入式的智能家
2、居解决方案给我们带来的好处45嵌入式技术在智能家居行业的实际应用55.1功能描述55.2系统特点66嵌入式的研究前景7总 结8参考文献9,1绪论随着社会信息化的发展，计算机和网络已经渗透到人们日常生活的每个部分，无线通信技术也成为人们生活中必不可少的一个部分；我们每一个人基本上都拥有大小不一、形状各异、具有各种功能的、使用嵌入式技术的电子产品，比如M P 3 /MP4、PDA、GPS 导航仪等小型数字化产品、智能家电、网络家电、智能手机等，都可以归类于嵌入式产品中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
3、、家庭安防装置等，通过家庭总线技术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，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。2 什么是嵌入式系统2.1 嵌入式系统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。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统
4、以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统一般指非PC 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和IO端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（O S ）和应用程序编程；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1。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，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度；(2)具有功能很强的存储区保护功
5、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，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器；(4)嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此。2.2 嵌入式系统的特点嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点：（1）嵌入式系统通常是面向特定应用的：嵌入式CPU 与通用型的最大不同就是嵌入式C P U 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU 中许
6、多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。（2）嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物，是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。（3）嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。（4）嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。（5）为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机中，而不是
7、存贮于磁盘等载体中。由于嵌入式系统的运算速度和存储容量仍然存在一定程度的限制，另外由于大部分嵌入式系统必须具有较高的实时性，因此对程序的质量，特别是可靠性，有着较高的要求。（6）嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。（7）通用计算机的开发人员通常是计算机科学或者计算机工程方面的专业人士，而嵌入式系统开发人员却往往是各个应用领域中的专家，这就要求嵌入式系统所支持的开发工具易学、易用、可靠、高效。目前人类已进入基于Internet的后PC时代，其主要特征为计算机作为组成成份紧密融于消费品和工业品中后PC时
8、代的到来完全依赖于嵌入式技术的诞生与发展，传统的IT设备逐渐转变为嵌入式设备，这是一个大趋势。在这个大趋势中，小到智能卡、手机、水表，大到信息家电、汽车，甚至飞机、宇宙飞船，我们的生活已经被嵌入式软件所包围。嵌入式技术的蓬勃兴起为智能家居行业的发展指明了技术发展趋势，也提供了技术革新的有利武器2。 嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（OS）（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着资源调度及与硬件的交互作用。3什么是智能家居智能家居就是把
9、智能科技融入家居生活中,使家庭生活与信息化结合起来。智能家居还包涵了许多方面的内容 如家庭中传统的水表、电表、煤气表等由原来的各自独立变成小区中央控制，人们不用再为查表或交费而花费时间， 计算机中央控制，通过计算机，控制家庭中的所有电器、仪表，并借助有线或无线通讯技术实现异地控制。随着社会全面的信息化、智能化和网络化， 智能家居必将成为未来家庭生活潮流发展的新方向3 。嵌入式Internet技术是近几年发展起来的新技术，它创新性地提出以单片机或微控制器为核心的嵌入式系统，使底层监测设备与Internet的无缝联接有了可行方案，真正做到远程监测，这样构建的监测系统开销少、尺寸小、功能强 。采用T
10、CP / IP网络协议标准，系统组网容易、传输数据多、速率快；客户端通过WEB浏览器就可以对设备进行监控 ，本文在此基础上进行了基于嵌入式WEB 的智能家居远程监控系统的设计4。3.1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
11、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。4嵌入式发展状况及发展趋势4.1 嵌入式在智能家居的现状及技术发展趋势 中国的智能家居行业刚刚起步，它还显得比较稚嫩。我国尚没有正式颁布相关的行业技术标准，厂家采用各自不同的技术解决方案，这在某种程
12、度上制约了中国智能家居行业的发展，在今后相当长一段时间内技术的整合趋势将形成统一的标准。就目前而言，智能家居主要有三种技术方案，它代表着中国智能家居行业不同时期的技术特点，它们的关系可以用以下的图1表示。 图1 智能家居的技术特点关系PC架构的智能控制系统出现于中国智能家居的萌芽阶段，基本上停留在向使用者展示智能家居的概念，实用性不强，属于第一代。目前很多中国智能家居厂商研制的基于单片机架构的智能控制系统在实际技术更加广泛的应用，随着成本的逐步降低，中国的智能家居最终将走向嵌入式。4.2 嵌入式的智能家居解决方案给我们带来的好处（1）系统的处理能力大大增强，可以给您带来更加逼真的图象以及更加真
13、实的语音等。（2）根据系统定制的实时操作系统不仅可以最大限度的利用硬件资源而且还避免了过于庞大的系统造成的系统冗余.（3） 一般只有一颗主处理芯片，系统架构更加清晰简捷。（4）软件采用分层设计方便维护和升级，大大提高了代码利用率，缩短开发周期。（5）因为嵌入式技术是伴随着Internet而生的，所以它具有更加卓越的网络性能，可以增加更多的网络应用。5嵌入式技术在智能家居行业的实际应用波创BECHAMP智能家居依靠3C技术，并结合信息家电的发展，为用户提供了一种更加安全、舒适、方便、快捷的智能化和信息化生活空间。其内涵就是“在具有个性化的住宅家庭中，将多元网络信息、多样化的自动化控制以及节能环保
14、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65.1功能描述（1）可视对讲：超大屏幕彩色可视对讲。（2）安防主机提供有线8防区；可以通过无线密钥进行撤布防，也可以通过电话和网络进行布防；触发报警以后除了可以通过网络向保安中心报警，还可以通过拨打用户射定的电话进行报警，还可以通过Internet向在办公室或其它地方的业主报警。（3）信息终端 接收小区管理中心发出的小区公告或新闻；接收小区管理中心发出的商情；接收小区管理中心发出的住户通知；浏览网页；接收邮件；接收手机短信；查询报警信息；查询三表信息。（4）家电、灯光、插座控制家电、灯光、插座通过网关上的触摸屏进行控制；通过Interne
15、t对家里的家电、灯光、插座进行远程网络控制；通过电话对家里家电、灯光、插座进行远程电话控制；通过手机短信对家里家电、灯光、插座进行远程短信控制。（5）自动抄表：自动抄录水表、电表、气表的读数。（6）远程监控：通过Internet远程监控家中的家居环境5。5.2系统特点（1）运行稳定安全可靠主处理器高度集成，系统结构简洁，信号稳定，采用6层高频板工艺，高速线路采用采用等长设计，双路时钟输入，拒绝一切干扰；操作系统采用开源的Linux操作系统，安全、稳定；采用双电源热备份设计，主用电源为ATX电源，备用电源为带充电电路的锂电池；正常情况下，主电源为系统供电（包括后备电源充电），锂电池处于待命状态并
16、进行必要的充电；在主用电源失效的情况下备用电源自动启用，在主用电源恢复正常后再切换回主用电源，二者之间的切换做到无缝，即二者的切换不会影响到相关软硬件系统正在进行的工作，备用系统电源能持续工作3小时以上，待机24小时以上。（2）高效低耗其主处理器采用主频高达200MHZ的韩国三星公司的S3C2410（ARM9内核）高效低耗处理器（该处理器主要用于手持设备，其功耗之低可想而知），再配备上海量（相对于传统基于51单片机的解决方案）的Flash和SDRAM，可以轻松处理TCP/IP网络协议栈、音视频处理和一些复杂的桌面应用（如Word, Excel, 图片查看程序，邮件客户端和网络浏览器），这些是基
17、于51单片机的解决方案根本无法想象的，具有不可比性。（3）人机交互界面友好 采用带背光和触摸屏接口的320*240 STN彩屏，色彩达到64K色，并配有快捷按键，所有人机交互界面均采用纯图形的，美观大方。（4）系统可扩展性强硬件接口丰富，这些接口包括：10M以太网络IC及其接口1个，LCD接口，触摸屏接口，人机交互键盘；串口：485接口1个（用于接485设备），232接口2个，LED指示灯，4个，分别为：工作指示，欠压/充电指示，网络指示，新留言提示；I2S接口，引出 Microphone和立体声Speaker；USB Host和Device接口各一个，可用于连接U盘，数码相机和摄像头等USB
18、设备；SD存储卡接口；JTAG，采用20针接口，方便系统级调试；其他未使用CPU口线，统一引出，以备将来系统扩展。操作系统采用开源的Linux操作系统，开发资源丰富，软件上提供一套标准通用的API二次开发接口，可移植性强。（5）系统升级方便 系统所有软件，包括启动代码，操作系统内核，系统文件，应用程序均基于文件系统，在目标机中以文件的形式存在，均可单独升级，而且是在线升级，给产品的后续升级维护提供了大大的方便，这些是传统的基于51单片机的解决方案无法做到的，具有不可比性。6嵌入式的研究前景嵌入式系统概念的受到重视是以计算机和信息技术的发展为基础的。近年来，计算机技术以令人瞠目的速度迅猛发展，其
19、速度之快，势头之猛甚至直接向某些一直被视为金科玉律的常识提出了质疑。例如，按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领域等属性将其分为大型机、中型机、小型机和微计算机，并以此来组织学科和产业分工的分类方法虽然沿袭多年，但由于实际情况产生了根本性的变化，它已经不再适用。最明显的例子就是由70年代末定义的微计算机演变出来的个人计算机(PC)如今已经占据了全球计算机工业的90%市场，其处理速度更是超过了当年大、中型计算机的定义。可见，在日新月异的计算机工业中，在计算机技术和产品对其它行业进行全面渗透的大趋势下，以应用为中心的分类方法变得更为切合实际，也就是需要按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将
20、其分为嵌入式计算机和通用计算机。通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出现并应用在社会的各个方面，其典型产品为PC；而嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和式智能平台，简称EIP。未来几年内，随着信息化，智能化，网络化的发展，由于EIP将三者完美结合的特性，必将获得广阔的发展空间。例如：在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术，美国已开始由模拟电视向数字电视转变，数字音频广播(DAB)进入商品化试播阶段，欧洲的DVB(数字电视广播)技术也已向全球大多数国家推广。在个人领域中，作为个人商用的移动数据处理和通讯设备所必需的手写文字输入、语音拨号上网、收
21、发电子邮件以及彩色图形、图像等功能由于依赖嵌入式设备具有强大亲和力的自然人机交互界面，也离不开EIP技术8。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
22、，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。在当今社会，随着家庭智能化技术的全面快速发展，家居控制系统的重要意义和作用越来越凸显在人们的面前，这也是嵌入式系统家居控制系统的关键所在。因此，我们必须结合实际，坚持以先进的现代科学技术和通信技术为前提与基础，尽力做到以嵌入式系统为技术核心，不断优化家居控制系统的结构与功能，保证其功能全面、性能稳定、耗能低下等特征，促进其全面快速健康发展，更好地为人们提供方便快捷的服务。参考文献1余永权，嵌入式智能家电的发展现状及趋势J，电子世界，200
23、3。2田泽，嵌入式系统开发与应用M，北京航空航天大学出版社，2005.13李小将，樊天晴，胡正国，嵌入式系统在信息家电中的应用J，西北工业大学学报，2004.4，第28卷第4期。4魏振春，韩江洪，张建军等.智能家居远程控制系统的设计J.合肥工业大学学报（自然科学版）,2005,7:751-754。5肖建华，智能家居系统中的家庭网站设计J，计算机工程，2005,8:206-208。6王凯明. 智能家居系统的研究 D. 西安: 西安科技大学, 2005.7杨四海, 马利. 信息家电嵌入式系统选择方案J. 自动化技术与应用, 2002( 21): 66-68.8高小平，中国智能家居的现状及发展趋势.低电压器.2005,4:18-21.