1、精選優質文檔-傾情為你奉上嵌入式智能家居系統設計摘要：“智能家居”(smart home)，又稱智能住宅，它利用先進的計算機技術、嵌入式系統技術、網絡通訊技術和傳感器技術等，將家中的各種設備(照明系統、環境控制系統、安防系統、智能家電等)有機的連接到一起。智能家居讓用戶采用更方便的手段來管理家庭設備，比如，通過無線遙控器、電話、互聯網或者語音識別控制家用設備，根據場景設定設備動作，使多個設備形成聯動。智能家居內的各種設備相互間可以通訊，不需要用戶指揮也能根據不同的狀態互動運行，從而在最大程度上給用戶提供高效、便利、舒適與安全的居住環境和工作環境。本文通過對智能家居系統的分析，確定了總體架構設計

2、。針對智能家居系統的特點和所要實現的基本功能，分析了智能家居控制器的基本結構，對控制器的核心電路進行了詳細設計。關鍵詞：嵌入式 智能 微控制器1、 研究背景 智能化家居的發展分為三個層次： 首先是家庭電子化(HE, Home Electronics)。這個時期主要是面對單獨電器的階段，電子設備之間并沒有很大的聯系，如電視機剛出來的那些時期。 其次是住宅自動化(HA, home Automation)。該時期是面向功能的階段，部分電器設備具有了一些簡單的網絡連接功能，主要是為了實現某個單一的功能，比如單一的自動抄表系統。 最后是家居智能化，美國稱其為 Wise House，歐洲稱為 Smart

3、Home。智能住宅是面向系統設計的，系統通過家庭分布總線(HDS, Home Distribution System)把住宅內各種與信息相關的通訊設備，家用電器和家庭保安裝置都并入到網絡節點中進行集中的和異地的監視控制和家庭事務處理，并保持這些家庭設施與住宅環境的協調，提供工作、學習、娛樂等各項服務，營造出具有多功能的信息化居住空間。 智能家居控制系統提供安全、舒適的居住環境，確保人身和財產安全；空調系統調節溫度、濕度、檢測空氣成份，提高空氣質量；系統調節音響和色彩，使人們心情舒暢；合理利用陽光和大氣冷熱量來調節室內環境，減少能耗，能按事先設定的程序，區分各種時段，對室內的環境及設備進行控制，

4、并提供現代化的通信手段和信息服務。 從設計思想和技術角度分析，當前國內的智能家居控制系統有兩個研究方向：一是基于非 PC 平臺的智能家居系統；二是基于 PC 平臺的智能家居系統。總體來說，國內智能家居產品的研發從上世紀九十年代后期才起步，起步較晚，在整體水平上參差不齊，軟件功能較差，升級能力差，系統也不易維護；大都采用了有線通信技術，系統設計、布線成本較高，基于無線通信技術的智能家居控制系統日前還出于試驗階段；很多廠商對產品的核心技術不擁有自主知識產權。 智能家居是信息時代的產物，以計算機和網絡技術為核心，滲透并應用到建筑行業，它的發展趨向于將建筑藝術與信息技術完美地結合，形成既有安全、舒適和

5、高效等特性，又能將科學技術與文化藝術相互融合的綜合體。2、 系統整體結構設計 智能家居系統采用電子傳感技術、計算機技術和信息傳輸技術，對用戶提供全方位的服務，同時對住房內情況進行監控和實時管理。它包括家庭內部信息傳輸系統、家庭報警系統及顯示系統和智能傳感、執行設備等幾個部分。 智能家居系統應具有以下性能： (1)火警、煙警、有毒氣體泄露報警。 (2)閥控功能：水、煤氣等電動閥的通/斷控制。 (3)室內空氣溫度、濕度等的自動調節功能。 (4)洗衣機、熱水器等各類家用電器開/關控制。 (5)聲音和光電報警。(6)遠程控制及報警。 在系統整體方案中，采用了一臺主機和多臺分機，其家居控制系統結構如圖1

6、。本論文僅研究設計智能家居的現場控制部分，主機圖中的GSM和GPRS等遠程通訊模塊作為以后系統的擴展升級。主機MCU選用ARM芯片，分機采用16位單片機，是考慮到芯片的低功耗性能，所具有超低功耗的MSP單片機可以完成分機家居現場的控制功能。報警信息的采集就是對各傳感器的信息采集，比如溫濕度傳感器、氣敏傳感器等；對各種家電的控制是通過控制連接在家電電源的繼電器來實現；現場控制手動命令是通過觸摸屏來實現。該控制系統由一個主機和多個分機組成。主機作為現場控制設備能夠收集到分機的各種信息，對這些數據進行處理，并能夠在設定的條件下產生報警。通過該系統，可以得到家居的各種運行狀態(如房間溫度、濕度、煤氣泄

7、漏報警等)，并可以通過觸摸屏實時顯示，同時系統能根據現場情況做出相應的調整控制(如照明及家電控制等)。主機和分機之間采用無線傳輸的方式進行通訊，這樣可以省去傳統的家居內走線的弊端，從而具有低成本和組網方便的優勢。在無線傳輸技術的選擇上，參考比較以下幾種技術：藍牙、射頻技術、rDA。通過比較，最終采用射頻技術，通過比較，選用射頻技術，因其具有省電、可靠、低成本、時延短等優點。圖1 家居控制系統結構3、 功能設計 本控制系統采用分布式控制方式對智能家居的各部分進行統一的控制，主要包括信息家電部分、環境控制（包括室溫，照明，窗簾等）部分、安防報警部分、遠程操作部分。各部分又包含多個節點，每個節點即為

8、通訊的一個終端。各節點之間相互獨立，某一個節點出現故障時不影響到其他節點的運行。如圖2.從圖中可以看到，遠程操作部分與主控制器以串口連接，家居中各節點與主控制器形成一個藍牙網絡相互通信，所以通過外部計算機或網絡就可以實現和主控制器的通訊從而實現對家居中各節點的控制。當然也可以由主控制器來直接控制各節點的運行，這樣更快捷。主控制器通過發送控制命令給節點，各節點收到命令后進行相應分析并做出相應動作，然后返回最終的狀態給主控制器，主控制器再通過串口將各節點的信息發送到遠程操作系統或直接顯示到自帶的顯示液晶上。系統中各部分都預留有擴展的節點，以備將來設備的增加。 圖2 功能結構圖4、 硬件設計正確可行

9、的硬件設計是整個嵌入式家居系統開發的基礎和主要部分。一個好的可靠的系統硬件設計，不僅能夠實現系統分析時確定的功能目標，還應該為整個系統調試和升級留下足夠的冗余設計和自由度。另一方面，硬件設計的同時要考慮到與軟件開發相協調的問題，在保證軟件設計正確和簡明的同時，也必須考慮到該硬件基礎上進行軟件開發的可行性和難度。1.微處理器選擇主機選取S3C2410處理器，它是一款基于ARM920T內核的16/32位RISC嵌入式微處理器。它的低功耗、精簡和出色的全靜態設計特別適合于低成本和功耗敏感的應用。為了減少應用系統設計的成本，集成了眾多的常用資源，如LCD控制器、NAND Flash控制器、SDRAM控

10、制器、系統片選邏輯以及一些常用的通訊接口等資源。圖3表示了S3C2410的內部結構：圖3 S3C2410的內部結構2FIash模塊設計S3C2410的啟動有兩種方式，一種是從NOR Flash啟動，一種是從NAND Flash啟動。傳統上嵌入式處理器一般是由NOR Flash啟動的，但費用較高；目前世界上僅三星的處理器可以從NAND啟動，三星也是NAND Flash的主流廠家。NOR和NAND是現在市場上兩種主要的非易失閃存技術。Intel于1988年首先開發出NOR Flash技術，徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統天下的局面。緊接著，1989年，東芝公司發表了NAND Flash

11、結構，強調降低每比特的成本，更高的性能，并且像磁盤一樣可以通過接口輕松升級。為此選擇Silicon Storage Technology公司的39VFl60 16M NORFlash和三星的64M N砧岫Flash K9F1208(可自行擴展)，用于存放應用程序。之所以選擇Flash而不是ROM，是因為系統在開發過程中，很多內容都需要修改，如果用ROM，即使是EEPROM，寫入操作都不是很方便，而Flash相對容易修改其中內容。非常適合開發過程，也為日后系統的維護、升級提供了方便。圖4、5分別是NAND Flash、NOR Flash的電路設計圖。圖4 NAND Flash電路設計圖5 NOR

12、 Flash電路設計3.SDRAM接口電路設計 S3C2410片上存儲空間有限，不能滿足操作系統運行的要求，所以要外接存儲系統。運行Windows CE需要的最小內存是32MB，為保證系統的運行效率， 用64MSDRAM。SDRAM具有容量大、存取速度快、低成本的特點，因而廣泛應用到微機處理系統中。SDRAM主要用來存放執行代碼和變量，是系統啟動之后主要進行存取操作的存儲器。由于SDRAM需要定時刷新以保住存儲的數據，因而要求微處理器具有刷新控制邏輯。S3C2410及其他一些ARM芯片在片內具有獨立的SDRAM刷新控制邏輯，可以方便的與SDRAM接口。目前常用的SDRAM為8/16位數據寬度。

13、4. UART串口電路設計幾乎所有的微控制器、PC都提供串行接口，使用電子工業協會(EIA)推薦的RS-232-C標準，這是一種很常用的串行數據傳輸總線標準。早期它被應用于計算機和終端通過電話線和MODEM進行遠距離的數據傳輸，隨著微型計算機和微控制器的發展，不僅遠距離，近距離也采用該通信方式。在近距離通信系統中，不再使用電話線和MODEM，而直接進行端到端的連接。S3C2410的UART(Universal Asynchronous Receivcr and Transmitter，通用異步收發器)單元提供兩個獨立的異步串行I，O(SIO)口，可工作于DMA方式或中斷方式。它支持5，6，7，

14、8位的串行數據發送和接收，l位或2位停止位，奇/偶校驗，波特率可編程，還支持紅外發送和接收。RS-232-C標準采用的接口是9芯或25芯的D型插頭，常用9芯D型插頭。要完成最基本的串行通信功能，實際上只需要RXD，TXD和GND即可，但由于RS-232-C標準所定義的高、低電平信號與S3C2410系統的LvTTL電路所定義的高、低電平信號完全不同，LVTTL的標準邏輯“1”對應2V-33V電平， 標準邏輯“O”對應0V-0.4V電平，而RS-232-C標準采用負邏輯方式，標準邏 輯“l”對應-5V-15v電平，標準邏輯“0”對應5V-15V電平。顯然，兩者間要進行通信必須經過信號電平的轉換，本

15、設計選用的電平轉換芯片為MAX3232。如圖6所示。圖6 串口電路設計5.USB接口電路 USB接口可以支持鍵盤、鼠標、優盤，還可以進行數據傳輸。S3C2410提供了方便的USB1.1接口，片內包括兩個USB控制器，可設置為2個主機或1個機與1個從設備。本平臺設計為一個主機和一個設備，USB電路原理圖如圖7所示。圖7 USB電路設計6. 電源監控模塊設計采用NCP302HSN27T1型電壓監測器，其芯片的工作電壓范圍為0.8-10v， 靜態電流約0.5uA；電壓檢測門限精度不大于2。當電池電壓低于保護值2.7 V 時，芯片的腳l變為高電平，向微控制器發出中斷請求，蜂鳴器發出嗚叫聲提醒用戶更換電

16、池。7. 泄漏檢測模塊設計泄漏檢測采用QM2N2型氣敏傳感器作為檢測元件，其電阻隨可燃性氣體或煙霧濃度的改變而改變。電路圖見圖8。平時，可燃性氣體或煙霧濃度在允許范圍內，氣敏傳感器C、D間電阻值較大，從D端輸出低電平。當可燃性氣體或煙霧濃度達到一定值后(通常設為25LEL，LEL英文lower explode limit的簡寫)，氣敏傳感器C、D間電阻值迅速減小，從D端輸出高電平，使三極管導通，E點由高電平變為低電平。E連接單片機的P4-3口，這樣就可以檢測是否漏氣并做報警處理。圖8 泄漏檢測模塊設計8.電磁閥控制模塊設計電磁閥是控制煤氣開啟的執行機構，本系統選用ZD.20型電磁閥(控制電路見

17、圖9)，它是一種雙穩態高效節能型電磁閥，由3.6V鋰電池供電，具有點開和點關的脈沖工作方式。一旦開啟或關閉，可處于自保持狀態，無須電源供電。當P4.2腳輸出低電平時，三極管T1截止，電磁閥關閉；當P4.2腳為高電平時，三極管T1導通，電磁閥ZD開啟。通過電磁閥控制電路，單片機控制系統可以很方便地控制用戶能否用氣。圖9 電磁閥控制電路9. 聲光報警模塊設計當檢測到煤氣泄漏時，系統及時做出聲光報警，即紅燈點亮并且蜂鳴器鳴響。當P40輸出高電平，則三極管Q6導通，蜂鳴器U6鳴響；當P40輸出低電平，則三極管Q6截止，蜂鳴器U6關閉。當P41輸出高電平，則紅色LED點亮；當P41輸出低電平，則紅色LE

18、D熄滅。其電路圖見圖10。圖10 聲光報警電路10. 無線通訊模塊設計在特殊環境的數據測控應用中，無線數據傳輸已經越來越廣泛地被運用，MSP430+nRF905的組合特別適合于低功耗、短距離(100-200m)、小數據量的無線數傳系統，MSP430 CPU在低功耗應用方面有很大優勢，nRF905無線收發芯片具有功耗低、控制簡單、可自動處理字頭和CI坨校驗的優點，兩者結合組成的數傳系統可以在很多產品中得到應用。nRF905有兩種工作模式和兩種節能模式，分別為掉電模式、待機模式、 ShockBurst TM接收模式和ShockBurst TM發送模式，這幾種模式由外界CPU 通過控制nRF905的

19、3個引腳PWR UP、TRX CE和TX EN的高低電平來決定。主機的MCU和分機的MCU芯片分別與各自的nRF905相連接，構成無線通訊電路，實現主從機之間的無線通訊，其連接電路圖如圖11。圖11 nRF905與MCU連接電路圖5、 軟件設計1.操作系統平臺在Windows CE.net產品的開發中，有兩個重要的方面，一個是內核定制，一個是應用程序的開發。微軟在這兩個方面都提供了非常好的開發工具，這就是內核定制工具Platform Builder和應用程序開發工具Embedded Visual C+。在嵌入式系統硬件平臺成功搭建的基礎上，如何根據具體應用針對特定硬件定制裁減Windows C

20、Enet嵌入式操作系統是關鍵。嵌入式系統通常是一個資源受限的系統，直接在嵌入式系統的硬件平臺上編寫軟件很困難，目前一般采用宿主機/目標機模式，即首先在通用計算機上編寫程序，然后通過交叉編譯生成目標平臺上可運行的二進制文件，最后下載到目標平臺上運行。在進行嵌入式開發之前，首先應該建立和配置好交叉開發環境。2. 創建平臺SDK完成了平臺的定制后，接著就可以利用Platform Builder來創建為平臺上其他應用程序的開發提供支持。SDK(Sotware Developm|E 系列頭文件、庫文件、文檔、平臺管理器和運行時庫的總稱。一旦創建了SDK，就可以將它導出或者安裝到別的計算機上，應用程序開發

21、者可以將 導入Embedded Visual C+或Visual Studio中，進行應用程序的開發、調試和運行。3. 應用軟件開發Windows CE是一種類Windows系統，具有和Windows基本一致的API。當然Windows CE開發也有自己的特點。Windows CE應用程序開發應注意以下方面的要求：1應用程序必須使用Unicode字符集：Windows CE是基于Unicode的操作系統，即操作系統向用戶顯示的所有文本實際上都是Unicode文本。在程序中，定義和處理字符串必須使用Unicode類型和基于Unicode的CC+運行時函數。 2應用程序內存限制比較嚴格，必須是低內

22、存要求：嵌入式設備通常沒有多少空間容納像臺式機那么多的內存，Windows CE用戶能夠調整存儲用的物理內存大小(相當于模擬硬盤空間)，也可以調整程序使用的內存的大小(相當于RAM)。當可用內存容量在某一水平以下時，操作系統會要求應用程序釋放它的一部分內存。因此，程序代碼應優化到盡可能少，程序越大，它所需要的加載時間就越長。較少的代碼不僅意味著更快的速度，也意味著更好的可控制性和可靠性。 3Windows CE雖然支持超過1000種的公共Microsoft Win32 API，但它所支持的這些API函數只是Window API函數的子集。Windows有的，Windows CE下不一定能使用。

23、現有的Windows程序一開始大都不能被Windows CE編譯，必須做一些修改。 4電源管理。Windows CE設備可能只有非常有限的電源，例如掌上PC依兩節電池運行。為了節省電量，在一段時間沒有使用的情況下許多Windows CE設備將會關閉。Windows CE應用程序能夠從被關閉的地方重新恢復。如果運行時發生了致命的電量不足的情況，應用程序中也必須能夠友好地處理這個問題。4. 主機終端的應用程序開發 當硬件和操作系統都已經具備后，所剩的工作就是為自己的平臺開發一些必要的應用程序。終端的功能主要是顯示接收到的數據，并進行綜合控制。智能家居系統的上位機與下位機之間的通訊是通過對緩沖區的數

24、據訪問實現的。程序對上位機發送的命令進行判斷：如果在上位機程序中選擇“開始測量”按鈕，則微控制器接受讀命令，并從接收緩沖區讀去數據進行傳輸：如果選擇“寫控制數據”，則微控制器接受寫命令，并將數據寫入發送緩沖區準各傳輸。 智能家居系統的主機應用程序通過兩個對話框實現分機設備的基本讀寫過程：Measure對話框主要實現對輸入量信息的采集及對系統運行狀態的監視，Control對話框主要用于主機發送控制信息給分機系統。這兩個對話框通過主窗體調用完成對整個家居系統的測量與控制。主機應用程序流程圖如圖12所示。智能家居系統應用程序以1路模擬量輸入、3路數字量輸入及相應的4路輸出控制量為例實現智能控制功能。

25、圖12 主機應用程序流程圖 所以主機程序最關鍵的部分就是人機界面的設計。人機界面(HumanMachine Interface)是人與機器進行交互的操作方式，即用戶與機器互相傳遞信息的媒介。在應用系統中，界面的重要性越來越突出，甚至關系到系統能否成功實施。界面對于軟件開發人員而言，僅僅是一部分。甚至被認為是無關重要的部分，但對于最終用戶而言，則是需要時時面對的重要部分，甚至是系統的全部。人機界面設計的內容包括用戶輸入輸出界面樣式、操作方式和界面間的轉移關系。界面設計的傾向應該使用戶感覺到操作軟件是一件輕松快樂的事情：讓用戶感到軟件系統是有禮貌的；盡量使用貼近用戶環境的交互語言。6、 創新點本文

26、從理論和系統設計兩個方面對智能家居控制系統的問題進行研究，采用三星公司的S3C2410芯片，使用嵌入式實時操作系統以及射頻芯片無線通信技術給出了智能家居的一種合理的、高性能的實現。在課題的設計過程中創新方面有下面幾點： 1總體方案的設計和元器件選型。設計中選用的32位RISC處理器S3C24lO作為主控制器，用nRF905射頻芯片進行主機和分機的無線通訊，在此基礎上擴展了主機和各分機的功能模塊。 2設計了nRF905射頻芯片與主機和分機的連接電路。 3設計了分機控制對象的處理控制方法，包括煤氣電磁閥門的動作和聲光報警等。 4研究了Windows CEnet操作系統，完成了用PB定制操作系統，并將其移植到基于ARM的硬件平臺上。 5完成了SDK的導出及安裝，利用開發工具EvC完成了用戶界面的設計。7、 經費預算 1.ARM開發板、相應耗材、制作硬件、電路元件、傳感器等購置費：20000元 2.系統電路印制、焊接：5000元 3.成品制作、性能調試等費用：5000元 4.郵寄費、論文發表版面費、資料文獻調查費、互聯網信息查詢費、資料報告印刷費用：3000元合計：33000元