基于嵌入式智能化家居专业系统设计.docx
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基于嵌入式智能化家居专业系统设计
基于嵌入式智能化家居专业系统设计
摘要
计算机、嵌入式系统、通信技术的飞速发展促进了家用电器设备的网络化和智能化，家庭楼宇自动化技术越来越深入人们的生活。
在该领域内，国际上几十种主流协议进行着激烈的竞争，智能家居在我国应用研究也已起步。
智能家居系统是信息时代带给人们的一个高科技产物．它涉及到对家庭网络内所有的智能器具、设备和系统的操作和管理，以及计算机技术、通信网络技术和自动控制技术的应用。
它们的最终目的都是为满足人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的需求。
本文以智能家居广阔的市场需求为基础，选取家庭智能控制系统为研究对象。
在对家庭楼宇自动化协议、嵌入式系统深入研究的基础上采用嵌入式系统平台，成功开发了调速调光控制器、真空加压式集便装置、基于HBS协议的手持编址器以及基于CEBus协议的照明控制器。
关键字：
嵌入式系统智能化家居自动化
一．概述.............................................................................4
1.1前言..........................................................................4
1.2智能家居系统的主要功能........................................................4
1.3我国智能家居系统现状..........................................................4
1.4设计依据......................................................................5
1.4.1智能家居系统模型.........................................................5
1.4.2GPRS技术................................................................5
1.4.3ZigBee技术..............................................................6
二．系统原理.........................................................................7
2.1系统总体设计..................................................................7
2.2系统工作流程..................................................................7
三．嵌入式系统简介...................................................................9
3.1嵌入式系统的定义..............................................................9
3.2嵌入式系统的开发过程..........................................................9
四．硬件总体..........................................................................9
4.1信息处理终端硬件总体.........................................................9
4.2监控终端硬件总体.............................................................10
4.2.1S3C44B0X主要特性.......................................................11
4.2.2数据处理类监控终端......................................................11
4.2.3图像采集监控系统.......................................................12
4.2.4电机控制监控终端.......................................................13
4.3智能遥控器硬件总体..........................................................13
五．系统主控制器.....................................................................14
5.1系统主控制器功能..............................................................14
5.2系统主控制器电路..............................................................14
六．软件总体.........................................................................15
6.1系统软件总体结构.............................................................15
6.2系统软件主流程图.............................................................15
七．参考文献.........................................................................16
一．概述
1.1前言
智能家居系统是融合了自动化控制系统、计算机网络系统和网络通信技术于一体的智能化的家居控制系统。
智能家居将让用户有更方便的手段来管理家庭设备，保证人们生活安全舒适。
比如，通过家庭触摸屏、无线遥控器、电话、互联网或者语音识别控制家用设备，更可以执行场景操作，使多个设备形成联动；另一方面，智能家居内的各种设备相互间可以通信，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行，从而让人们享受幸福的生活。
1.2智能家居系统的主要功能
智能家居系统通过其核心设备一一家庭智能终端来实现家居网络化的功能。
具体功能如下：
1，网上服务：
网上购物、远程教学、远程医疗等。
2，自动抄表：
无须人工每户查表记录，电表、冷水表、热水表、煤气等等计量表的自动传送
3．可视对讲：
住户与访客、访客与物业中心、住户与物业中心均可进行可视或语音对话．从而保证了对外来人员进入的控制
4．供电管理：
为所有的灯具光电电器提供一个有效的控制手段，您可以在任何地方，任何时候控制您的灯具光电电器．例如在全家出外旅行时．亦可通过电话遥控您的家具。
5．照明控制系统：
对灯光进行开闭和调光控制．可指定任何一个开关的控制对象（任何位置的一盏或多盏灯）；并且根据不同的情景，做出相应的调整。
6、远程控制：
在任意地方．您都可以通过电话或手机对家庭网络上的各种电器设备进行远程遥控。
当然还包括日程管理系统、家居安全防范、语音控制功能、INTERNET远程遥控、网络视频监控等功能。
1.3我国智能家居系统现状
我国的家庭智能化的发展道路具有自己的特殊性，我国的家庭智能化是由社区（小区）智能化及家庭安全系统逐步发展进化而来的。
因此，在我国，家庭智能化的概念更具有实用性。
在智能家居系统中家庭安全系统被放在首要的位置，是智能家居系统不可缺少的和基本的组成部分。
我们认为，在我国现阶段一个具有实用性的智能家居系统应包括三个方面的内容：
（1）安全防范及报警功能。
（2）对灯光、空调等家用电器的多元化控制功能。
（3）对来自家庭内部和外部的多媒体信息的获取、分配、存贮等处理功能。
1.4设计依据
1.4.1智能家居系统模型
智能家居系统根据其传感器和执行器的不同性质，可以分为控制域、信息域和管理域三个部分。
1控制域
在控制域中，主要由智能传感器和智能控制器组成，传感器用来测量环境参数的变化，并反馈执行器的工作状态执行器接受传感器发出的状态信息或管理域的控制指令并执行。
控制域的特点是：
（1）数据量小，主要有代表执行器开关状态或控制命令的逻辑变量和代表环境参数的数值变量等。
（2）对控制网络的可靠性有较高的要求，但对网络的通信速度（带宽）要求较低。
（3）控制域的网络节点多，分布广泛，因此对节点安装、调试、组网操作（使用）的方便性和易用性有较高的要求。
2信息域
在信息域，将包括各种信息家电或网络家电，如数字电视、网络冰箱、网络微波炉、网络洗衣机、数字机顶盒、数字音响、数码相机、PDA、计算机等，也许我们会用机项盒作为多媒体服务器对来自于家庭内部和外部的各种图像、视频、音频及其它媒体信息进行采集、存贮、分配、数字化压缩及解压缩处理等，并通过各种终端设备实现人机交互。
信息域的特点是：
（1）数据量大，对网络带宽和实时性要求高。
（2）信息来源广泛：
有线电视网模拟广播、网络视频服务器有线电视网数字广播无线广播、CDVCD／DVD等媒体播放器、摄像机、互联网络等。
3管理域
智能家居系统的管理模型使各个智能家居系统表现出差异性。
从控制节点到智能化系统服务器以及实现人机交互的信息终端中的所有软件，构成了家庭智能化的管理域。
管理域一般应由前端信息采集软件、网络通信软件、各节点控制软件人机交互界面，以及实现智能化控制及管理模型的管理软件、通信协议等组成。
1.4.2GPRS技术
GPRS（GeneralPacketRadioService）。
即通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术．面向用户提供移动分组的IP或者X．25连接。
与GSM电路交换数据相比，GPRS在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势：
资源共享，频带利用率高，用户只有在进行数据传输时才占有系资源；数据传输率高，GPRS采用分组交换技术，每个用户能同时占用多个无线信道，同一无线信道又可由多个用户共享。
理论上，GPRS最高传输率可达171．2kbit／s；支持X．25协议和IP协议，可与现有的数据网络进行互通互连；用户永远在线且按流量、时间计费，通信成本低。
由此可见，将GPRS技术应用于智能家居系统的数据传输是最理想的选择。
1.4.3ZigBee技术
Zigbee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术标准，被称作IEEE802.15.4（Zigbee）技术标准。
Zigbee技术是一种结构简单、低功耗、低数据速率、低成本和可靠性高的双向无线网络通信技术，主要适合于自动控制、医用设备控制、家庭自动化等领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。
Zigbee技术的优势：
●数据传输速率低：
10KB/秒-250KB/秒，专注于低传输应用；
●功耗低：
在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6-24个月免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。
这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。
●成本低：
ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本；
●网络容量大：
网络可容纳65,000个设备；
●时延短：
典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms；
●网络的自组织、自愈能力强，通信可靠；
●数据安全：
ZigBee提供了数据完整性检查和健全功能，采用AES-128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）,各个应用可灵活确定其安全属性；
●有效范围小：
有效覆盖范围10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境;
●工作频段灵活：
使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段。
二．系统原理
2.1系统总体设计
智能化家居是一个综合性的信息技术平台,将居家生活的各个方面联系起来,在信息化、便利性和安全性等方面提供综合服务的功能。
嵌入式系统的智能化家居系统的节点构成如图1所示。
家居环境信息如温度、湿度,警情信息等通过输入图1
嵌入式系统的智能化家居系统的节点构成端口接入智能住宅控制中心;居室灯光、电器和背景音乐等也接入控制中心实现分组遥控;此外,通过以太网网关终端及小区宽带网络Internet建立连接,以提供居室的远程监控等。
智能化家居系统由智能家庭总线以及总线上
挂接的多种功能模块（节点）构成。
在一个对等型的网络上,各节点可以交换数据和相互控制,通过专门开发的ECHomePro软件,可以设定各节点之间的逻辑关系和工作模式。
在解决智能住宅中的设备互连问题时,采用了分布式网络控制系统,该系统能够发挥众多的嵌入式智能设备网络化的特点,更容易扩充和维护。
由于采用了对等网格、单一总线方式,使得系统的布线简洁、安装方便。
所有的终端设备可随时接入总线或脱离总线。
作为一套成本敏感的消费电子产品,应以提供实用性功能为原则,将其控制在合理的价格范围内。
2.2系统工作流程
系统开启工作时，信息处理终端对监控终端初始化，信息处理终端出于待机状态，等待指令。
同时安装在室内的主动监控终端循环检测环境的状态。
当检测到有异常情况发生时，其将指令发给信息处理终端，信息处理终端控制警笛发出告警声音，并发送相应信息提醒户主或物业管理人员有险情发生并采取防范措施。
当终端检测到门磁或红外告警时，将启动图像抓拍器，对用户室内现场进行连续拍照，拍摄到的图像终端先进行缓存，再发送给信息处理终端，信息处理终端将图像以文件的形式进行备份。
用户可以通过GPRS设备或者智能遥控器发送相应指令给信息处理终端，用以改变、查询双向监控设备的工作状态，同时信息处理终端还反馈状态改动成功与否。
用户可以对监控终端发送查询命令对被动监控终端进行数据查询。
如果是查询传感器及门磁状态，监控终端对相应传感器的状态进行检测，向监控主机返回传感器的状态信息；如果是查询水表、电表或者煤气表的用量命令，监控终端发送数据给信息处理终端，信息处理终端根据“三表”的RS-485协议，构造查询命令，发送相应的查询命令，将回的数据按照系统的通信协议打包，通过终端上内置的GPRS模块发送到监控主机。
信息处理终端还将把相应事件以日志的形式记录下来，以便事后对告警信息进行查询；当接收到的数据帧是抄表命令返回的数据时，主机将把数据写入到系统数据库。
同时，在显示界面上弹出一个新窗口，显示户主信息、查询时间、表的用量相应费用等信息。
同时信息处理终端还可根据采集到的环境参数对相应的双向监控终端发送指令，对其状态进行调整。
信息处理终端还可以通过标准串口与PC机进行连接，通过PC端相应的软件，可以掉出日志文件、查表数据等信息，并且设置信息处理终端的工作状态以及监控终端的连接管理、初始化管理，同时还可以设置更改用户信息等。
三．嵌入式系统简介
家庭自动化系统的出现是以计算机、嵌入式系统和通信技术的快速发展为前提的，其中嵌入式系统扮演了非常重要的角色。
3.1嵌入式系统的定义
嵌入式系统通常被定义为:
以应用为中心，软硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统，它主要包括四个部分:
嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、应用软件系统等。
3.2嵌入式系统开发过程
3.2.1概要设计：
描述系统如何实现所述的需求，包括软件模块的划分、系统的软件开发工具选择以及关键问题的论证等。
3.2.2详细设计：
详细描述各个模块的实现方法与过程，模块间接口等问题，以作为编码人员的编码准则。
3.2.3编码
3.2.4单元调试：
编码完成后，对各个模块进行单元调试，以保证模块正常工作。
3.2.5集成调试
3.2.6集成调试，产品测试，产品发布
四．硬件总体
4.1信息处理终端硬件总体
信息处理终端主要由ARM主控模块,GPRS模块,SDRAM,无线模块,报警输出电路等组成。
如图3。
系统中ARM控制器的主要作用是对报警输入输出I/O口和其它部分进行控制,同时实现接受和传输视频数据、以太网通信和GPRS网络通信等功能,因此要选用具有较多的通用I/O口和外围资源丰富便于构建外围电路的芯片。
选用三星公司的S3C2410作为系统的处理器。
FLASH选用AM29LV160DB和28F128J3A,分别存放bootloader引导代码和系统源程序。
SDRAM选用2片HY57V561620构成容量为64MB高速动态随机存储器。
图3信息处理终端硬件总体
4.2监控终端硬件总体
监控终端品种繁多，前文所述，监控系统分为三种类型：
主动监控系统、被动监控系统、双向监控系统。
这三类监控终端硬件结构大致如下图4：
图4监控终端硬件总体
CPU选用三星公司的基于ARM7TDMl内核的$3C440X微处理器，该处理器是三星公司专为PDA和一般应用开发提供的高性价比和高性能的解决方案。
4.2.1S3C44B0X主要特性
1、CPU为S3C44B0X（指令缓存8K字节）；
2、Flash为2M字节（用户根据需要可以自己更换为4M字节）
3、SDRAM为16M字节
4、NandFlash为K9F2828U0A（16M字节）或者K9F5608U0A（32M字节）或者容量更大的Flash；
5、USB接口芯片为PDIUSBD12，支持USB1.1规范；
6、以太网接口使用RTL8019AS芯片；
7、USBHOST接口（板上没有焊接，需要的用户请看补充说明）
8、EEPROM为24LCXX（DIP插座，芯片用户自行配置）；
9、LCD接口支持4位和8位数据总线的液晶模块和触摸屏（典型的如DMF50081），无论黑白、四级灰度、16级灰度、256色液晶均可使用，最大支持256色640×480STN液晶模块；
10、两路标准三线RS232接口；
11、一个标准PS/2接口；
12、标准20芯JTAG接口；
13、七路ADC输入；
14、一个ATA接口，可以连接IDE硬盘，光驱
15、四个高亮LED；
16、四个轻触小按键；
17、一个复位开关
18、一个蜂鸣器；
19、RTC电池一个；
20、另有S3C44B0X的160各个引脚都通过2.54标准连接器引出；
系统中FLASH、SDRAM如信息处理终端，不再过多阐述。
监控终端因为其传感器功能不同大致可分为以下几类：
数据处理类监控终端，图像采集类监控终端，电机控制类监控终端。
不同的功能的监控终端采用的数据处理模块是不同的，下面分类介绍。
4.2.2数据处理类监控终端
数据处理类监控终端是指通过相应数据模块对传感器或家用电器发送相应指令的监控终端，如对智能开关的控制终端。
其核心是数据的格式以及连接方式。
根据最外围设备的不同，我们选择不同的传输模块。
在该系统中，我们定义统一的数据接口标准：
RS-485，采用SN75LBC184扩展S3C44B0X的UART接口。
某些传感器传送的是模拟信号，数据传输模块添加D/A转换器，系统中采用AD573。
图5数据处理终端硬件结构
4.2.3图像采集监控系统
图像处理模块由图像采集芯片、图像压缩芯片及相关外围电路组成。
系统采用专用采集和压缩芯片组成的硬件电路来实现图像处理的功能,不采用软件方式来实现,是为了保证安防报警系统的实时性,减轻控制器的负担,并能获得较好的数字压缩图像。
图像采集芯片采用TechWell公司的TW9903。
TW9903内部带有软件控制的4选1的信号输入选择器,可选择由compositevideosources和S2videosource组成的不同种类的输入方式,能自动识别输入的模拟信号格式,可将解码输出的24bitRGB、8bit或16bitYUV数字信号和VREF、HREF控制信号及PCLK时钟信号直接输入图像压缩芯片。
系统采用了8位YUV4∶2∶2输出格式,通过BNC可对1～3各摄像头的模拟图像信号进行采集,并通过IIC总线使S3C2410对TW9903进行初始化和控制。
图像压缩芯片采用WISTechnologies公司的GO7007.GO7007采用MPEG4压缩算法进行实时图像压缩,支持CCIR2601、RGBBayer和8bitCCIR2656YUV4∶2∶2的输入格式,可以提供面向窄带通信的高质量40KB/sQCIF视频和2MB/sMPEG4视频,同时能随Internet用带宽变化动态
调整比特率和镇率,能够输出高质量的微软视频格式。
具有视频输入接口、SDRAM接口、调试接口、与控制器相连的USB,HPI输出接口等。
系统采用8bitYUV4∶2∶2的输入格式和HPI输出接口,采用MT48LC2M32的SDRAM作为外部缓冲区,使S3C2410控制器通过HPI接口将初始化程序和数据传给GO7007,并读走压缩后的视频数据。
图6图像采集监控系统硬件结构
4.2.4电机控制监控终端
电机控制的核心是A/D转换，本系统采用TLV5615D/A，由于该芯片输出电压有限，需要外接放大电路实现对电机运行的控制。
图7电机控制监控终端硬件结构
4.3智能遥控器硬件总体
智能遥控器使用户在家居中对系统各部件进行综合控制的设备，由于系统复杂，涉及硬件繁多，要求必须有强大功能的遥控器来实现。
遥控器同样采用ZigBee传输模式，由S3C2410芯片进行管理。
配备有全功能键盘和LED显示器。
其中使用的S3C2410等上文中以提及到的IC这里不再过多阐述。
图8智能遥控器硬件总体
五．系统主控制器
5.1系统主控制器功能
智能家居主控制器接收由协调器传输来的各类传感器返回的状态信息，通过事先由用户设定好的各个指标（温度、湿度、光照条件等）的阈值进行综合智能判断，采取对应的控制措施发出各类家电控制指令。
同时通过在μClinux操作系统里架设基于WEB的BOA服务器，可实现远程PC的Http访问，主控制器将各种传感器和家电信息通过BOA服务器反馈给远程PC，主控制器也可以通过BOA服务器将远程PC发送的各类控制信息传递给协调器。
智能家居主控制器以ARM9内核的Samsung S3C2410为核心，外扩网卡、LCD、SDRAM、Flash等模块。
软件方面，主控制器的软件开发工作包括μClinux的移植、底层驱动程序的开发、开源BOA服务器的配置、嵌入式OS上的应用程序开发。
5.2系统主控器电路
系统主控器电路如图3所示，即为一单片机最小系统，外加扩展槽与一些功能电路，通过键盘扫描来确定工作模式以及完成相关
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