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嵌入式智能家居系统

嵌入式智能家居系统设计

摘要：

“智能家居”（smarthome），又称智能住宅，它利用先进的计算机技术、

嵌入式系统技术、网络通讯技术与传感器技术等，将家中的各种设备（照明系

统、环境控制系统、安防系统、智能家电等）有机的连接到一起。

智能家居让

用户采用更方便的手段来管理家庭设备，比如，通过无线遥控器、电话、互联

网或者语音识别控制家用设备，根据场景设定设备动作，使多个设备形成联

动。

智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要用户指挥也能根据不同的

状态互动运行，从而在最大程度上给用户提供高效、便利、舒适与安全的居住

环境与工作环境。

本文通过对智能家居系统的分析，确定了总体架构设计。

针对智能家居系统的特点与所要实现的基本功能，分析了智能家居控制器的基本结构，对控制器的核心电路进行了详细设计。

关键词：

嵌入式智能微控制器

一、研究背景

智能化家居的发展分为三个层次：

首先是家庭电子化（HE,HomeElectronics）。

这个时期主要是面对单独电器的阶段，电子设备之间并没有很大的联系，如电视机刚出来的那些时期。

其次是住宅自动化（HA,homeAutomation）。

该时期是面向功能的阶段，部

分电器设备具有了一些简单的网络连接功能，主要是为了实现某个单一的功

能，比如单一的自动抄表系统。

最后是家居智能化，美国称其为WiseHouse，欧洲称为SmartHome。

智能住宅是面向系统设计的，系统通过家庭分布总线（HDS,HomeDistributionSystem）把住宅内各种与信息相关的通讯设备，家用电器与家庭保安装置都并入到网络节点中进行集中的与异地的监视控制与家庭事务处理，并保持这些家庭设施与住宅环境的协调，提供工作、学习、娱乐等各项服务，营造出具有多功能的信息化居住空间。

智能家居控制系统提供安全、舒适的居住环境，确保人身与财产安全；空

调系统调节温度、湿度、检测空气成份，提高空气质量；系统调节音响与色

彩，使人们心情舒畅；合理利用阳光与大气冷热量来调节室内环境，减少能

耗，能按事先设定的程序，区分各种时段，对室内的环境及设备进行控制，并

提供现代化的通信手段与信息服务。

从设计思想与技术角度分析，当前国内的智能家居控制系统有两个研究方

向：

一是基于非PC平台的智能家居系统；二是基于PC平台的智能家居系

统。

总体来说，国内智能家居产品的研发从上世纪九十年代后期才起步，起步

较晚，在整体水平上参差不齐，软件功能较差，升级能力差，系统也不易维

护；大都采用了有线通信技术，系统设计、布线成本较高，基于无线通信技术

的智能家居控制系统日前还出于试验阶段；很多厂商对产品的核心技术不拥有

自主知识产权。

智能家居是信息时代的产物，以计算机与网络技术为核心，渗透并应用到

建筑行业，它的发展趋向于将建筑艺术与信息技术完美地结合，形成既有安

全、舒适与高效等特性，又能将科学技术与文化艺术相互融合的综合体。

二、系统整体结构设计

智能家居系统采用电子传感技术、计算机技术与信息传输技术，对用户提供全方位的服务，同时对住房内情况进行监控与实时管理。

它包括家庭内部信息传输系统、家庭报警系统及显示系统与智能传感、执行设备等几个部分。

智能家居系统应具有以下性能：

（1）火警、烟警、有毒气体泄露报警。

（2）阀控功能：

水、煤气等电动阀的通/断控制。

（3）室内空气温度、湿度等的自动调节功能。

（4）洗衣机、热水器等各类家用电器开/关控制。

（5）声音与光电报警。

（6）远程控制及报警。

在系统整体方案中，采用了一台主机与多台分机，其家居控制系统结构如图1。

本论文仅研究设计智能家居的现场控制部分，主机图中的GSM与GPRS等远程通讯模块作为以后系统的扩展升级。

主机MCU选用ARM芯片，分机采用16位单片机，是考虑到芯片的低功耗性能，所具有超低功耗的MSP单片机可以完成分机家居现场的控制功能。

报警信息的采集就是对各传感器的信息采集，比如温湿度传感器、气敏传感器等；对各种家电的控制是通过控制连接在家电电源的继电器来实现；现场控制手动命令是通过触摸屏来实现。

该控制系统由一个主机与多个分机组成。

主机作为现场控制设备能够收集到分机的各种信息，对这些数据进行处理，并能够在设定的条件下产生报警。

通过该系统，可以得到家居的各种运行状态（如房间温度、湿度、煤气泄漏报警等），并可以通过触摸屏实时显示，同时系统能根据现场情况做出相应的调整控制（如照明及家电控制等）。

主机与分机之间采用无线传输的方式进行通讯，这样可以省去传统的家居内走线的弊端，从而具有低成本与组网方便的优势。

在无线传输技术的选择上，参考比较以下几种技术：

蓝牙、射频技术、rDA。

通过比较，最终采用射频技术，通过比较，选用射频技术，因其具有省电、可靠、低成本、时延短等优点。

图1家居控制系统结构

三、功能设计

本控制系统采用分布式控制方式对智能家居的各部分进行统一的控制，主要包括信息家电部分、环境控制（包括室温，照明，窗帘等）部分、安防报警部分、远程操作部分。

各部分又包含多个节点，每个节点即为通讯的一个终端。

各节点之间相互独立，某一个节点出现故障时不影响到其他节点的运行。

如图2.

从图中可以看到，远程操作部分与主控制器以串口连接，家居中各节点与主控制器形成一个蓝牙网络相互通信，所以通过外部计算机或网络就可以实现与主控制器的通讯从而实现对家居中各节点的控制。

当然也可以由主控制器来直接控制各节点的运行，这样更快捷。

主控制器通过发送控制命令给节点，各节点收到命令后进行相应分析并做出相应动作，然后返回最终的状态给主控制器，主控制器再通过串口将各节点的信息发送到远程操作系统或直接显示到自带的显示液晶上。

系统中各部分都预留有扩展的节点，以备将来设备的增加。

图2功能结构图

四、硬件设计

正确可行的硬件设计是整个嵌入式家居系统开发的基础与主要部分。

一个好的可靠的系统硬件设计，不仅能够实现系统分析时确定的功能目标，还应该为整个系统调试与升级留下足够的冗余设计与自由度。

另一方面，硬件设计的同时要考虑到与软件开发相协调的问题，在保证软件设计正确与简明的同时，也必须考虑到该硬件基础上进行软件开发的可行性与难度。

1.微处理器选择

主机选取S3C2410处理器，它是一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器。

它的低功耗、精简与出色的全静态设计特别适合于低成本与功耗敏感的应用。

为了减少应用系统设计的成本，集成了众多的常用资源，如LCD控制器、NANDFlash控制器、SDRAM控制器、系统片选逻辑以及一些常用的通讯接口等资源。

图3表示了S3C2410的内部结构：

图3S3C2410的内部结构

2．FIash模块设计

S3C2410的启动有两种方式，一种是从NORFlash启动，一种是从NANDFlash启动。

传统上嵌入式处理器一般是由NORFlash启动的，但费用较高；目前世界上仅三星的处理器可以从NAND启动，三星也是NANDFlash的主流厂家。

NOR与NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。

Intel于1988年首先开发出NORFlash技术，彻底改变了原先由EPROM与EEPROM一统天下的局面。

紧接着，1989年，东芝公司发表了NANDFlash结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且像磁盘一样可以通过接口轻松升级。

为此选择SiliconStorageTechnology公司的39VFl6016MNORFlash与三星的64MN砧岫FlashK9F1208（可自行扩展），用于存放应用程序。

之所以选择Flash而不是ROM，是因为系统在开发过程中，很多内容都需要修改，如果用ROM，即使是EEPROM，写入操作都不是很方便，而Flash相对容易修改其中内容。

非常适合开发过程，也为日后系统的维护、升级提供了方便。

图4、5分别是NANDFlash、NORFlash的电路设计图。

图4NANDFlash电路设计

图5NORFlash电路设计

3.SDRAM接口电路设计

S3C2410片上存储空间有限，不能满足操作系统运行的要求，所以要外接存

储系统。

运行WindowsCE需要的最小内存是32MB，为保证系统的运行效率，用64MSDRAM。

SDRAM具有容量大、存取速度快、低成本的特点，因而广泛应用到微机处理系统中。

SDRAM主要用来存放执行代码与变量，是系统启动之后主要进行存取操作的存储器。

由于SDRAM需要定时刷新以保住存储的数据，因而要求微处理器具有刷新控制逻辑。

S3C2410及其他一些ARM芯片在片内具有独立的SDRAM刷新控制逻辑，可以方便的与SDRAM接口。

目前常用的SDRAM为8/16位数据宽度。

4.UART串口电路设计

几乎所有的微控制器、PC都提供串行接口，使用电子工业协会（EIA）推荐的RS-232-C标准，这是一种很常用的串行数据传输总线标准。

早期它被应用于计算机与终端通过电话线与MODEM进行远距离的数据传输，随着微型计算机与微控制器的发展，不仅远距离，近距离也采用该通信方式。

在近距离通信系统中，不再使用电话线与MODEM，而直接进行端到端的连接。

S3C2410的UART（UniversalAsynchronousReceivcrandTransmitter，通用异步收发器）单元提供两个独立的异步串行I，O（SIO）口，可工作于DMA方式或中断方式。

它支持5，6，7，8位的串行数据发送与接收，l位或2位停止位，奇/偶校验，波特率可编程，还支持红外发送与接收。

RS-232-C标准采用的接口是9芯或25芯的D型插头，常用9芯D型插头。

要完成最基本的串行通信功能，实际上只需要RXD，TXD与GND即可，但由于RS-232-C标准所定义的高、低电平信号与S3C2410系统的LvTTL电路所定义的高、低电平信号完全不同，LVTTL的标准逻辑“1”对应2V-3．3V电平，标准逻辑“O”对应0V-0.4V电平，而RS-232-C标准采用负逻辑方式，标准逻辑“l”对应-5V-15v电平，标准逻辑“0”对应5V-15V电平。

显然，两者间要进行通信必须经过信号电平的转换，本设计选用的电平转换芯片为MAX3232。

如图6所示。

图6串口电路设计

5.USB接口电路

USB接口可以支持键盘、鼠标、优盘，还可以进行数据传输。

S3C2410提供了方便的USB1.1接口，片内包括两个USB控制器，可设置为2个主机或1个机与1个从设备。

本平台设计为一个主机与一个设备，USB电路原理图如图7所示。

图7USB电路设计

6.电源监控模块设计

采用NCP302HSN27T1型电压监测器，其芯片的工作电压范围为0.8-10v，静态电流约0.5uA；电压检测门限精度不大于2％。

当电池电压低于保护值2.7V时，芯片的脚l变为高电平，向微控制器发出中断请求，蜂鸣器发出呜叫声提醒用户更换电池。

7.泄漏检测模块设计

泄漏检测采用QM2N2型气敏传感器作为检测元件，其电阻随可燃性气体或烟雾浓度的改变而改变。

电路图见图8。

平时，可燃性气体或烟雾浓度在允许范围内，气敏传感器C、D间电阻值较大，从D端输出低电平。

当可燃性气体或烟雾浓度达到一定值后（通常设为25％LEL，LEL英文lowerexplodelimit的简写），气敏传感器C、D间电阻值迅速减小，从D端输出高电平，使三极管导通，E点由高电平变为低电平。

E连接单片机的P4-3口，这样就可以检测是否漏气并做报警处理。

图8泄漏检测模块设计

8.电磁阀控制模块设计

电磁阀是控制煤气开启的执行机构，本系统选用ZD.20型电磁阀（控制电路见图9），它是一种双稳态高效节能型电磁阀，由3.6V锂电池供电，具有点开与点关的脉冲工作方式。

一旦开启或关闭，可处于自保持状态，无须电源供电。

当P4.2脚输出低电平时，三极管T1截止，电磁阀关闭；当P4.2脚为高电平时，三极管T1导通，电磁阀ZD开启。

通过电磁阀控制电路，单片机控制系统可以很方便地控制用户能否用气。

图9电磁阀控制电路

9.声光报警模块设计

当检测到煤气泄漏时，系统及时做出声光报警，即红灯点亮并且蜂鸣器鸣响。

当P4．0输出高电平，则三极管Q6导通，蜂鸣器U6鸣响；当P4．0输出低电平，则三极管Q6截止，蜂鸣器U6关闭。

当P4．1输出高电平，则红色LED点亮；当P4．1输出低电平，则红色LED

熄灭。

其电路图见图10。

图10声光报警电路

10.无线通讯模块设计

在特殊环境的数据测控应用中，无线数据传输已经越来越广泛地被运用，MSP430+nRF905的组合特别适合于低功耗、短距离（100--200m）、小数据量的无线数传系统，MSP430CPU在低功耗应用方面有很大优势，nRF905无线收发芯片具有功耗低、控制简单、可自动处理字头与CI坨校验的优点，两者结合组成的数传系统可以在很多产品中得到应用。

nRF905有两种工作模式与两种节能模式，分别为掉电模式、待机模式、ShockBurstTM接收模式与ShockBurstTM发送模式，这几种模式由外界CPU通过控制nRF905的3个引脚PWRUP、TRXCE与TXEN的高低电平来决定。

主机的MCU与分机的MCU芯片分别与各自的nRF905相连接，构成无线通讯电路，实现主从机之间的无线通讯，其连接电路图如图11。

图11nRF905与MCU连接电路图

五、软件设计

1.操作系统平台

在WindowsCE.net产品的开发中，有两个重要的方面，一个是内核定制，一个是应用程序的开发。

微软在这两个方面都提供了非常好的开发工具，这就是内核定制工具PlatformBuilder与应用程序开发工具EmbeddedVisualC++。

在嵌入式系统硬件平台成功搭建的基础上，如何根据具体应用针对特定硬件定制裁减WindowsCE．net嵌入式操作系统是关键。

嵌入式系统通常是一个资源受限的系统，直接在嵌入式系统的硬件平台上编写软件很困难，目前一般采用宿主机/目标机模式，即首先在通用计算机上编写程序，然后通过交叉编译生成目标平台上可运行的二进制文件，最后下载到目标平台上运行。

在进行嵌入式开发之前，首先应该建立与配置好交叉开发环境。

2.创建平台SDK

完成了平台的定制后，接着就可以利用PlatformBuilder来创建为平台上其他应用程序的开发提供支持。

SDK（So／twareDevelopm|E系列头文件、库文件、文档、平台管理器与运行时库的总称。

一旦创建了SDK，就可以将它导出或者安装到别的计算机上，应用程序开发者可以将导入EmbeddedVisualC++或VisualStudio中，进行应用程序的开发、调试与运行。

3.应用软件开发

WindowsCE是一种类Windows系统，具有与Windows基本一致的API。

当然WindowsCE开发也有自己的特点。

WindowsCE应用程序开发应注意以下方面的要求：

1．应用程序必须使用Unicode字符集：

WindowsCE是基于Unicode的操作

系统，即操作系统向用户显示的所有文本实际上都是Unicode文本。

在程序中，

定义与处理字符串必须使用Unicode类型与基于Unicode的C／C++运行时函数。

2．应用程序内存限制比较严格，必须是低内存要求：

嵌入式设备通常没有

多少空间容纳像台式机那么多的内存，WindowsCE用户能够调整存储用的物理

内存大小（相当于模拟硬盘空间），也可以调整程序使用的内存的大小（相当于RAM）。

当可用内存容量在某一水平以下时，操作系统会要求应用程序释放它的

一部分内存。

因此，程序代码应优化到尽可能少，程序越大，它所需要的加载

时间就越长。

较少的代码不仅意味着更快的速度，也意味着更好的可控制性与

可靠性。

3．WindowsCE虽然支持超过1000种的公共MicrosoftWin32API，但它所支持的这些API函数只是WindowAPI函数的子集。

Windows有的，WindowsCE

下不一定能使用。

现有的Windows程序一开始大都不能被WindowsCE编译，必须做一些修改。

4．电源管理。

WindowsCE设备可能只有非常有限的电源，例如掌上PC依

两节电池运行。

为了节省电量，在一段时间没有使用的情况下许多WindowsCE

设备将会关闭。

WindowsCE应用程序能够从被关闭的地方重新恢复。

如果运行

时发生了致命的电量不足的情况，应用程序中也必须能够友好地处理这个问题。

4.主机终端的应用程序开发

当硬件与操作系统都已经具备后，所剩的工作就是为自己的平台开发一些

必要的应用程序。

终端的功能主要是显示接收到的数据，并进行综合控制。

智

能家居系统的上位机与下位机之间的通讯是通过对缓冲区的数据访问实现的。

程序对上位机发送的命令进行判断：

如果在上位机程序中选择“开始测量”按

钮，则微控制器接受读命令，并从接收缓冲区读去数据进行传输：

如果选择“写

控制数据”，则微控制器接受写命令，并将数据写入发送缓冲区准各传输。

智能家居系统的主机应用程序通过两个对话框实现分机设备的基本读／写

过程：

Measure对话框主要实现对输入量信息的采集及对系统运行状态的监视，

Control对话框主要用于主机发送控制信息给分机系统。

这两个对话框通过主窗

体调用完成对整个家居系统的测量与控制。

主机应用程序流程图如图12所示。

智能家居系统应用程序以1路模拟量输入、3路数字量输入及相应的4路输出控

制量为例实现智能控制功能。

图12主机应用程序流程图

所以主机程序最关键的部分就是人机界面的设计。

人机界面（Human—MachineInterface）是人与机器进行交互的操作方式，即用户与机器互相传递信息的媒介。

在应用系统中，界面的重要性越来越突出，甚至关系到系统能否成功实施。

界面对于软件开发人员而言，仅仅是一部分。

甚至被认为是无关重要的部分，但对于最终用户而言，则是需要时时面对的重要部分，甚至是系统的全部。

人机界面设计的内容包括用户输入输出界面样式、操作方式与界面间的转移关系。

界面设计的倾向应该使用户感觉到操作软件是一件轻松快乐的事情：

让用户感到软件系统是有礼貌的；尽量使用贴近用户环境的交互语言。

六、创新点

本文从理论与系统设计两个方面对智能家居控制系统的问题进行研究，采用三星公司的S3C2410芯片，使用嵌入式实时操作系统以及射频芯片无线通信技术给出了智能家居的一种合理的、高性能的实现。

在课题的设计过程中创新方面有下面几点：

1．总体方案的设计与元器件选型。

设计中选用的32位RISC处理器S3C24lO作为主控制器，用nRF905射频芯片进行主机与分机的无线通讯，在此基础上扩展了主机与各分机的功能模块。

2．设计了nRF905射频芯片与主机与分机的连接电路。

3．设计了分机控制对象的处理控制方法，包括煤气电磁阀门的动作与声光

报警等。

4．研究了WindowsCE．net操作系统，完成了用PB定制操作系统，并将其

移植到基于ARM的硬件平台上。

5．完成了SDK的导出及安装，利用开发工具EvC完成了用户界面的设计。

七、经费预算

1.ARM开发板、相应耗材、制作硬件、电路元件、传感器等购置费：

20000元

2.系统电路印制、焊接：

5000元

3.成品制作、性能调试等费用：

5000元

4.邮寄费、论文发表版面费、资料文献调查费、互联网信息查询费、资料报告印刷费用：

3000元

合计：

33000元

参考文献

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