嵌入式技術(shù)在智能家居控制系統(tǒng)中的應用探究

李雙領 王晨

摘 要：本文介紹了嵌入式技術(shù)和智能家居系統(tǒng)的概念，并主要探索了基于基于TinyOS技術(shù)、基于Zigbee技術(shù)和基于Wi-Fi技術(shù)的嵌入式技術(shù)在智能家居系統(tǒng)控制系統(tǒng)中的應用。

【關(guān)鍵詞】嵌入式技術(shù) 智能家居 控制系統(tǒng)

伴隨著經(jīng)濟社會和科技的長足發(fā)展，人們對生活的便捷性要求越來越高，智能家居控制系統(tǒng)應運而生，并得到了快速的發(fā)展。

1 嵌入式的概念

上世紀七八十年代，嵌入式系統(tǒng)的概念首先在美國出現(xiàn)，這是一種綜合了微電子、傳感器、半導體、通信和計算機等功能的技術(shù)。近年來，微電子技術(shù)和半導體技術(shù)迅猛發(fā)展，同樣也帶動了嵌入式技術(shù)的發(fā)展。嵌入式技術(shù)的發(fā)展決定了其應用的范圍越來越廣，應用的形式也越來越多樣化。

2 智能家居系統(tǒng)簡介

所謂智能家居是指：借助智能化和人性化的管理系統(tǒng)，營造一個便捷、安全、健康、舒適、節(jié)能、環(huán)保的生活環(huán)境。智能家居系統(tǒng)的運行要得以保障，離不開系統(tǒng)控制技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)等，因此將包含這些技術(shù)的嵌入式技術(shù)應用于智能家居系統(tǒng)，對于智能家居系統(tǒng)的發(fā)展和完善具有重要意義。

3 嵌入式技術(shù)的應用

3.1 基于TinyOS技術(shù)的嵌入式技術(shù)

TinyOS技術(shù)是源于Aavid Culler為無線傳感網(wǎng)絡開發(fā)的一種嵌入式系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的開發(fā)采用的編程基礎是NesC語言。TinyOS技術(shù)建立的基礎是各組件以一定的方式形成架構(gòu)，它能夠以很短的時間實現(xiàn)所有的應用，而且由于其設計采用模塊化，保證了它具有核心小的特點。即使是傳感器資源較少時，其使用也不會受到限制，因此TinyOS技術(shù)保證了它能在無線傳感器網(wǎng)絡上也能不受影響的運行，能正常地發(fā)揮其管理作用。TinyOS技術(shù)具有一個類似網(wǎng)絡協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)，有分管接收的底層硬件，有可以進行數(shù)據(jù)編碼的綜合硬件層組件，具有傳輸數(shù)據(jù)包和參數(shù)的功能和解析的功能。另外還具有分管數(shù)據(jù)打包的上層軟件組件，可以傳遞數(shù)據(jù)、選擇路由。而其中的上層組件是由應用程序組件和主組件共同組成。

基于TinyOS技術(shù)的嵌入式技術(shù)還需要采用編程語言，合適的編制語言有NesC語言。這是一種能夠支持組件化編程的語言，它的優(yōu)勢在于能夠結(jié)合思想和執(zhí)行模型，其中思想是指組件化和模塊化思想，而執(zhí)行模型是指基于事件驅(qū)動的模型。NesC語言借助于將組織和命名采用一定的組件連接方式，進而共同構(gòu)成一個完整的嵌入式網(wǎng)絡系統(tǒng)。NesC語言對于TinyOS技術(shù)的開發(fā)運行非常有用，可為其提供運行模式。

Qt開發(fā)框架是建立在對C++程序的完整應用基礎上的，它的API接口非常豐富，重要的是它所擁有的API接口都具有相同的平臺，就是在一次編寫之后，能夠?qū)崿F(xiàn)隨處編譯，這一點對于開發(fā)調(diào)試非常有好處，而且便于應用擴展的實現(xiàn)。根據(jù)所需要的功能，用Qt設計應用程序的框架，而應用程序做為最上層程序，完成它的設計，就能充分利用它的編譯功能，取得事半功倍的效果。

借助于TinyOS技術(shù)和NesC語言的幫助，基于人們對家居環(huán)境的具體要求，用Qt編程技術(shù)就可以設計出一個完美的，能夠?qū)崿F(xiàn)人們要求的智能家居控制系統(tǒng)。當然，這個系統(tǒng)必不可少的還有一個傳感器，它能夠探測、收集環(huán)境信息。這個過程中的用戶界面開發(fā)需要借助Qt編程技術(shù)和具有豐富性和跨平臺性的API接口。這三項結(jié)束的結(jié)合能夠設計出界面優(yōu)美、功能強大的、人性化的家居系統(tǒng)。

3.2 基于Zigbee技術(shù)的嵌入式技術(shù)

Zigbee技術(shù)是一種短距離的無線電通信協(xié)議，它是一種新興的通信協(xié)議，主要是針對低速率的無線個域網(wǎng)。Zigbee技術(shù)做為一種技術(shù)提案，處于無線標記技術(shù)和藍牙兩者之間。但是一般情況下，它用于短距離內(nèi)的無線連接。Zigbee技術(shù)的通信是靠數(shù)千的微小傳感器根據(jù)802.15.4標準相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)的。Zigbee技術(shù)的通信效率比較高，原因是：各個傳感器通過無線電波，將數(shù)據(jù)以接力的方式進行傳播。雖然目前情況下，短距離無線電通信協(xié)議非常多，但是Zigbee技術(shù)有相比于其它技術(shù)的優(yōu)勢，所以更適合用于智能家居系統(tǒng)，而且Zigbee技術(shù)具有與移動網(wǎng)絡基站類似的數(shù)據(jù)傳輸模塊，支持無限擴展。

將Zigbee技術(shù)應用于智能家居系統(tǒng)，采用無線電通信技術(shù)，將系統(tǒng)中的家電設備連接成星型網(wǎng)絡。Zigbee技術(shù)的通信協(xié)議由網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點以及路由器但中節(jié)點共同構(gòu)成。Zigbee技術(shù)中的路由器節(jié)點具有路由發(fā)現(xiàn)功能，能夠參與信息轉(zhuǎn)發(fā)，它擴展網(wǎng)絡的覆蓋范圍是通過連接別的節(jié)點來實現(xiàn)的。Zigbee技術(shù)終端節(jié)點連接網(wǎng)絡的方式包括協(xié)調(diào)點和路由點。但是其它節(jié)點無法通過Zigbee技術(shù)終端點加入網(wǎng)絡，而且Zigbee技術(shù)終端點的優(yōu)勢還有能夠?qū)崿F(xiàn)低功率運行。

Zigbee技術(shù)伴隨著自動化的產(chǎn)生而出現(xiàn)，它能夠?qū)崿F(xiàn)無線通信和數(shù)據(jù)傳輸，是無線傳感器網(wǎng)絡得以實現(xiàn)的支撐技術(shù)，具有功率小，能耗低、成本低的優(yōu)點。近幾年伴隨這智能家居系統(tǒng)的需求越來越高，它的應用也越來越廣泛，它的功能也越來越受到人們的重視。

3.3 基于Wi-Fi技術(shù)的嵌入式技術(shù)

建立在Wi-Fi技術(shù)基礎上家居系統(tǒng)，它的實現(xiàn)主要包括智能傳感器，配合互聯(lián)網(wǎng)服務器，以及控制媒介和中央處理器。這種系統(tǒng)的控制媒介一般為智能手機，信息由服務器傳向中央處理器，借助Internet進行有效連接，進而實現(xiàn)控制智能家居系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，其在運行時，通過互聯(lián)網(wǎng)，用戶便能夠?qū)揖酉到y(tǒng)進行控制。這種系統(tǒng)的功能要充分實現(xiàn)還需要一定的硬件支持，主要包括三個方面：

3.3.1 FPGA平臺

它在硬件系統(tǒng)起的作用是最關(guān)鍵和核心的，它的主要功能包括掌控動作電路、監(jiān)測并反饋動態(tài)信息、處理和接手控制指令。

3.3.2 Wi-Fi系統(tǒng)建立

打個比方，應用無線模塊HLK-RMO4，這是一種全新的、能夠有效適應的嵌入式模塊。這種模塊的基礎是通用串行接口，有內(nèi)置的TCP和IP協(xié)議，主要是為了將無線信號和FPGA控制中心連接起來。

3.3.3 繼電器模塊

智能家居系統(tǒng)的控制對象是普通的家電，它們屬于強電范圍，因此操作作用的實現(xiàn)就需要借助控制平臺，而繼電器模塊能夠?qū)崿F(xiàn)中間控制。

建立在Wi-Fi技術(shù)的智能家居系統(tǒng)在應用過程中具有性能穩(wěn)定的優(yōu)點，除此之外，對家庭內(nèi)部相關(guān)網(wǎng)絡的應用能夠?qū)崿F(xiàn)無線控制家居設備。而且，在設計過程中，將智能手機的應用結(jié)合進來，對于設計的靈活性和效率大有裨益。因此基于基于Wi-Fi技術(shù)的智能家居系統(tǒng)開發(fā)非常具有前景。

4 結(jié)束語

隨著物質(zhì)生活和精神生活的日益豐富，人們對于家居環(huán)境的要求越來越高，智能家居系統(tǒng)的舒適和時尚越來越為人們所樂于接受，智能家居系統(tǒng)的開發(fā)也將受到研究者的關(guān)注?；赥inyOS技術(shù)、基于Zigbee技術(shù)和基于Wi-Fi技術(shù)智能家居系統(tǒng)各有優(yōu)點，各具特色，研發(fā)人員在研發(fā)過程中可根據(jù)不同的需求進行選擇。

參考文獻

[1]關(guān)海鵬.嵌入式系統(tǒng)在智能家居監(jiān)控中的應用研究[J].運城學院學報，2014（32）：22-24.

[2]李春萍，等.基于TinyOS與嵌入式技術(shù)的智能家居系統(tǒng)[J].技術(shù)縱橫報，2006（1）：22-25.

作者單位

沈陽師范大學 遼寧省沈陽市 110034