嵌入式系统在智能家居中的研究与应用

课程设计说明书第I页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，智能家居课程设计说明书第II页目录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课程设计说明书第1页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MP3/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、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I／O端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（OS）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课程设计说明书第2页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CPU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，课程设计说明书第3页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TCP/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，并反馈给发课程设计说明书第4页出控制请求的用户。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