基于嵌入式的智能家居系统

基于嵌入式的智能家居系统计算机技术2015G0605013王俊杰网络时代是现代社会发展的趋势，无论是工作场所还是家庭，各个角落都已经遍布网络，随着电子技术在现实生活中的广泛应用，人们越来越感受到电子产品为生活所带来的各种便利。伴随着近年来嵌入式技术的逐渐发展、人们生活水平的不断提高，人们更多的渴望生活便捷，高效和智能化。基于这样的目的，智能家居系统就此诞生。智能家居（smarthome，homeautomation)是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提示家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。智能家居的实现目标及功能智能家居的系统结构•一、家庭自动化（HomeAutomation）家庭自动化系指利用微处理电子技术，来集成或控制家中的电子电器产品或系统，例如：照明灯、咖啡炉、电脑设备、保安系统、暖气及冷气系统、视讯及音响系统等。家庭自动化是智能家居的一个重要系统，在智能家居刚出现时，家庭自动化甚至就等同于智能家居，今天它仍是智能家居的核心之一。•二、家庭网络（Homenetworking）家庭网络是在家庭范围内(可扩展至邻居，小区)将PC、家电、安全系统、照明系统和广域网相连接的一种新技术。当前在家庭网络所采用的连接技术可以分为“有线”和“无线”两大类。有线方案主要包括：双绞线或同轴电缆连接、电话线连接、电力线连接等；无线方案主要包括：红外线连接、无线电连接、基于RF技术的连接和基于PC的无线连接等。•三、网络家电网络家电是将普通家用电器利用数字技术、网络技术及智能控制技术设计改进的新型家电产品。网络家电可以实现互联组成一个家庭内部网络，同时这个家庭网络又可以与外部互联网相连接。•四、信息家电是为数字化与网络技术更广泛地深入家庭生活而设计的新型家用电器，信息家电包括PC、机顶盒、HPC、DVD、超级VCD、无线数据通信设备、视频游戏设备、WEBTV、INTERNET电话等等，所有能够通过网络系统交互信息的家电产品，都可以称之为信息家电。音频、视频和通信设备是信息家电的主要组成部分。智能家居发展背景系统实现目标及功能•将远程无线监控和现场无线控制相结合，设计一个基于嵌入式的家居无线控制系统，在现场，能通过人机接口实现对系统的控制及自动报警；在远端，能通过手机短消息对终端节点进行控制和信息反馈。•结合ARM、嵌入式操作系统、GPRS网络、ZigBee无线技术等，提出一种较为完善的智能家庭控制系统方案，完成系统的硬件、软件设计工作，并验证所设计系统的有效性和实用性。•整个智能家居系统从硬件结构上可以分为五个部分：•嵌入式控制器模块：整个系统的控制核心采用ARM32位RISC处理器加外围电路构建嵌入式平台，完成整个系统的调度及控制；•输入输出模块：通过键盘及液晶显示屏，实现家庭内部的输入控制和输出显示，同时可以实时显示家居环境状态和接收短消息的相关情况。同时通过RS232串行通信接口与GPRS模块及ZigBee模块连接，进行数据处理和传输；•GPRS模块：通过SMS协议可实现短信息收发，实现整个系统的远程无线监控；硬件结构硬件结构ARM控制器GPRS模块移动通信网络键盘ZigBee模块温度传感器家庭内部无线网络ZigBee节点ZigBee节点ZigBee节点灯光控制家电开关安防报警显示屏手机•ZigBee模块：构建家庭内部短距离无线通信网络，主节点与ARM控制器连接，从节点与终端设备连接，实现各个设备终端的数据收发和状态监控；•终端监控模块：在各个ZigBee节点的I/O口扩展控制电路，实现各种功能，包括了灯光控制、开关控制、温度检测和安防检测等。软件结构•系统的软件是建立在硬件的基础上的，良好的软件设计是实现系统功能的重要环节，也是提高系统性能的关键所在。软件设计的首要任务按照功能和结构把软件分成独立的模块，分别加以实现，最后通过接口函数把各部分连接起来。•本系统的软件设计主要包括两部分：（1）以LPC2210为核心的嵌入式控制器软件设计；（2）以CC2430为核心的ZigBee节点的协议栈及应用程序的编写。硬件驱动OSAL操作系统MAC任务HAL任务NWK任务APS任务用户任务ZDApp任务任务优先级高低CC2430硬件任务组Z-Stack协议栈框图•嵌入式控制器的软件部分可分为三层结构：硬件层、操作系统层、应用程序层。•嵌入式控制器软件部分的工作主要包括操作系统移植、任务划分、外部设备模块驱动开发、人机界面和应用程序编写。软件结构硬件驱动GPRSLCD键盘ZigBeeμC/OS-II操作系统任务调度信号量消息队列邮箱管理中断服务应用程序人机界面设计•图形用户界面GUI（GraphicsUserInterface）是用于提高人机交互易操作性和友好性的计算机程序。针对特定显示设备编写驱动程序，应用任务调用GUI的接口函数进行显示，并可根据用户不同输入进行界面切换，引导用户一步一步进行各种操作。系统调试•系统的调试是整个智能家居系统开发的最后环节，调试工作集中于系统的硬件调试以及软硬件联合测试。该工作不仅是对整个系统设计正确性的验证，同时也测试了系统的性能和可靠性，为今后提高系统的稳定性和完善系统的功能提供了依据。•系统调试的平台环境主要分为硬件平台环境和软件平台环境两部分，硬件调试平台主要包括：万用表、稳压电源，PC机、串口转换接头、ARMJTAG硬件仿真头，CC2430仿真调试器SmartRF04EB。其主要功能是提供整个家居控制系统运行和测试的硬件环境，包括家庭内部网无线数据的传输以及对各个硬件功能模块输出信号的测试等。系统连接实物图GPRS模块图片ZigBee节点图片系统特色及优势•嵌入式系统体积小、功耗低、专用性强。•软件一般固化在芯片上开发。•嵌入式系统市场分散，并没有哪一家公司垄断它的市场。•嵌入式系统软硬件结合紧密各模块之间的耦合度比较强。•嵌入式系统开发需要有专门的开发工具和开发环境，相对稳定可靠。总结•以智能家居系统设计理念为基础，以ARM32位RISC处理器为控制器的核心，GPRS模块及ZigBee模块为通信手段，采用模块化设计方法，实现了基于B/S架构远程视频监控，并利用GUI程序，将室内各种传感器采集的各项参数，以图形化的方式显示到LCD触摸屏和远程终端上，实现与用户的交互。