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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、网络通讯技术和传感器技术等,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
环境和工作环境。
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和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
1、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, home Automation)。
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Wise
House,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,HomeDistribution System)把住宅内各种与信息相关的通讯设
备,家用电器和家庭保安装置都并入到网络节点中进行集中的和异地的监视控
制和家庭事务处理,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,确保人身和财产安全;空
调系统调节温度、湿度、检测空气成份,提高空气质量;系统调节音响和色
彩,使人们心情舒畅;合理利用阳光和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和信息服务。
从设计思想和技术角度分析,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
1
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,以计算机和网络技术为核心,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、舒适和高效等特性,又能将科学技术与文化艺术相互融合的综合体。
2、系统整体结构设计
智能家居系统采用电子传感技术、计算机技术和信息传输技术,对用户提
供全方位的服务,同时对住房内情况进行监控和实时管理。
它包括家庭内部信
息传输系统、家庭报警系统及显示系统和智能传感、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)声音和光电报警。
(6)远程控制及报警。
在系统整体方案中,采用了一台主机和多台分机,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 和 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和多个分机组成。
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)。
主机和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,从而具有低成本和组网方便的优势。
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。
2
图 1 家居控制系统结构
3、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
和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。
3
图 2 功能结构图
4、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和主要部分。
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
为整个系统调试和升级留下足够的冗余设计和自由度。
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和简明的同时,
也必须考虑到该硬件基础上进行软件开发的可行性和难度。
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、精简和出色的全静态设计特别适合于低成本和功
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:
4
图 3 S3C2410 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 NAND
Flash 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 和 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 NOR Flash 技术,彻底改变了原先由 EPROM 和 EEPROM 一统天下的局面。
紧接着,1989 年,东芝公司发表了 NAND Flash 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 Silicon
Storage Technology 公司的 39VFl60 16M NORFlash 和三星的 64M N 砧岫 Flash
K9F1208(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、NOR
Flash 的电路设计图。
图 4 NAND Flash 电路设计
5
图 5 NOR Flash 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和变量,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
计算机和终端通过电话线和 MODEM 进行远距离的数据传输,随着微型计算机和
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,不再使用电话线和 MODEM,而直接进行端到端的连接。
S3C2410 的 UART(Universal Asynchronous Receivcr and Transmitter,
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
6
式或中断方式。
它支持 5,6,7,8 位的串行数据发送和接收,l 位或 2 位停止
位,奇/偶校验,波特率可编程,还支持红外发送和接收。
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 和 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和一个设备,USB 电路原理图如图 7 所
示。
7
图 7 USB 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 2.7
V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 lower explode limit 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。
8
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
和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。
9
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,MSP430 CPU 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、可自动处理字头和 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 有两种工作模式和两种节能模式,
分别为掉电模式、待机模式、 ShockBurst TM 接收模式和 ShockBurst TM 发送
模式,这几种模式由外界 CPU 通过控制 nRF905 的 3 个引脚 PWR UP、TRX CE 和
TX EN 的高低电平来决定。
主机的 MCU 和分机的 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。
10
图 11 nRF905 与 MCU 连接电路图
5、软件设计
1.操作系统平台
在 Windows CE.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 和应用程序开发工具 EmbeddedVisual
C++。
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 Windows CE.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,首先应该建立和配置好交叉开发环
境。
2.创建平台 SDK
完成了平台的定制后,接着就可以利用 Platform Builder 来创建为平台上
其他应用程序的开发提供支持。
SDK(So/tware Developm|E 系列头文件、库文
件、文档、平台管理器和运行时库的总称。
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 Embedded Visual C++
11
或 Visual Studio 中,进行应用程序的开发、调试和运行。
3.应用软件开发
WindowsCE 是一种类 Windows 系统,具有和 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,
定义和处理字符串必须使用 Unicode 类型和基于 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,Windows CE 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和
可靠性。
3.Windows CE 虽然支持超过 1000 种的公共 Microsoft Win32 API,但它
所支持的这些 API 函数只是 WindowAPI 函数的子集。
Windows 有的,Windows
CE
下不一定能使用。
现有的 Windows 程序一开始大都不能被 Windows CE 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 Windows CE
设备将会关闭。
Windows CE 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
当硬件和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。
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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
13
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、操作方式和界面间
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。
6、创新点
本文从理论和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.总体方案的设计和元器件选型。
设计中选用的 32 位 RISC 处理器
S3C24lO 作为主控制器,用 nRF905 射频芯片进行主机和分机的无线通讯,在此
基础上扩展了主机和各分机的功能模块。
2.设计了 nRF905 射频芯片与主机和分机的连接电路。
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和声光
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。
7、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
1 周留洋,龚卫国,杨利平等. 基于复合通讯方式的远程智能家居系统. 计算
机工程与应用,2007,43(4):
227∼230
14
2 高小平. 中国智能家居的现状及发展趋势. 低压电器,2005,45(4):
18∼21
3 蒋仙华. 智能家居系统的研究与开发. 浙江大学硕士学位论文,2004:
6∼28
4 曹聪. 嵌入式智能家居控制系统的研究与实现. 同济大学硕士学位论文,
2004:
1∼2
5秦勃,於累,邵峰晶等.无线智能家居监控系统.计算机应用研究,
2006,23(4):
190∼192
6 沈玉龙,王琨. 智能家居控制系统设计. 电子科技,2004,17(5):
47∼50
7 赵艳. 家居智能系统的设计. 工程与建设,2006,20(3):
275∼278
8 原林,于申. 嵌入式技术在智能家居控制系统中的应用. 自动化技术与应
用,2006,25
(1):
72∼74
9 陈曦.智能家居控制系统的设计与实现. 国外电子元器件,2003,9(11):
5∼7
10 蔡利民. 基于 ARM 的信息家电远程控制系统的设计. 微计算机信息,
2006,22(11):
149∼151
15
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