嵌入式系統(tǒng)在智能家庭管理中的應(yīng)用

鄭暢 四川大學(xué)錦城學(xué)院計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)院

引言

隨著時(shí)代的不斷變遷，人們追求更加便捷舒適的生活方式，智能家居不斷發(fā)展，使得物聯(lián)網(wǎng)中重要組成部分之一的嵌入式系統(tǒng)，所有物品之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與通信時(shí)就必須需要嵌入式系統(tǒng)搭建的智能終端得到了發(fā)展，簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)提供了傳感器的連接，也有一定的智能化處理。智能控制對(duì)象的能力是嵌入式系統(tǒng)發(fā)揮作用的關(guān)鍵。所以說(shuō)“智能家居是計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)向傳統(tǒng)家電產(chǎn)業(yè)滲透發(fā)展的必然結(jié)果?！?/p>

1 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程

嵌入式系統(tǒng)是完全鑲嵌于受控部件內(nèi)部，為特定的計(jì)算機(jī)操作而設(shè)定。從20 世紀(jì)70 年代的單片機(jī)應(yīng)用到如今的嵌入式微處理器，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展了40 多年。而在40 多年的發(fā)展歷程中，嵌入式系統(tǒng)也有主要經(jīng)過(guò)了以下幾個(gè)重要的轉(zhuǎn)折階段：

1.1 無(wú)操作系統(tǒng)階段

嵌入式系統(tǒng)最初的應(yīng)用是基于單片機(jī)基礎(chǔ)上的，大部分通過(guò)可編程的控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，具備監(jiān)管，控制，外設(shè)提示等等功能，最初，此類(lèi)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，飛機(jī)導(dǎo)彈等等軍事領(lǐng)域，此時(shí)的嵌入式系統(tǒng)一般沒(méi)有操作系統(tǒng)的支持，只能通過(guò)使用匯編語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直接控制，運(yùn)行結(jié)束后再清除之前使用的內(nèi)存，然而此階段，設(shè)備雖然已經(jīng)初步具備了嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，但僅僅是使用8 位的CPU 芯片來(lái)執(zhí)行一些單線(xiàn)程的程序，因此嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，還涉及不到系統(tǒng)的概念。這一階段嵌入式系統(tǒng)的主要特點(diǎn)就是系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)易，系統(tǒng)功能單一，對(duì)文件存儲(chǔ)及保護(hù)薄弱，對(duì)數(shù)據(jù)處理速度緩慢。由于一般不具備用戶(hù)接口，導(dǎo)致人機(jī)交互，設(shè)備與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。由于此?lèi)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，制作成本較低，因此曾在在工業(yè)制造中得到了廣泛應(yīng)用，但在對(duì)高處理效率和大存儲(chǔ)容量要求的當(dāng)下，該類(lèi)嵌入式系統(tǒng)絕對(duì)無(wú)法滿(mǎn)足智能家電等場(chǎng)合的要求。

1.2 簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)階段

80 年代時(shí)，微電子工藝水平不斷提高，制造商們不斷把嵌入式系統(tǒng)需要的微處理器，串行接口，RAM,ROM 等部件集成到了一個(gè)超大規(guī)模的集成電路中，制造面向I/O 設(shè)備的微控制器，自此，在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域快速崛起，成為一直新秀。嵌入式工程師，程序員也漸漸開(kāi)始在一些簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng)下進(jìn)行嵌入式軟件應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，不僅大大縮短了應(yīng)用開(kāi)發(fā)周期，提高了工作效率，更是提高了應(yīng)用精度。嵌入式的簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)階段的特點(diǎn)：將嵌入式系統(tǒng)與操作系統(tǒng)相結(jié)合形成了嵌入式操作系統(tǒng)，此時(shí)的系統(tǒng)依舊存在改善之處，但是已經(jīng)初步具備了兼容性和拓展性。在嵌入式操作系統(tǒng)觀(guān)念被提出后，各種簡(jiǎn)單嵌入式操作系統(tǒng)得到了發(fā)展，領(lǐng)域中高功能，低功耗的嵌入式CPU 不斷被研發(fā)出來(lái)，這些系統(tǒng)主要用于系統(tǒng)負(fù)載的控制以及監(jiān)控方面的程序運(yùn)行。

1.3 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段

在20 世紀(jì)90 年代時(shí)，在多道控制環(huán)境下，數(shù)字化通信和信息家居的巨大沖擊下，嵌入式系統(tǒng)再次迎來(lái)了一次高速發(fā)展，面向?qū)崟r(shí)處理算法的DSP 產(chǎn)品則向著高精度，高速度，低功耗的方向迅速發(fā)展，而隨著計(jì)算機(jī)硬件實(shí)時(shí)性要求的不斷提高。嵌入式系統(tǒng)隨著時(shí)代不斷發(fā)展，演變成了實(shí)時(shí)多任務(wù)操作方式，并且穩(wěn)固屹立于嵌入式領(lǐng)域。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段的特點(diǎn)：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)得到了巨大的提升，在各種不同類(lèi)型的微控制器上得到了廣泛的運(yùn)用，具備了任務(wù)模塊化的特性。此時(shí)的操作系統(tǒng)已經(jīng)具備了完善的功能，比如設(shè)備管理，資源管理，文件管理，多道程序處理，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等等，使嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件變得更加的簡(jiǎn)便。

1.4 面向Internet 階段

現(xiàn)如今可以說(shuō)是網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展的時(shí)代，用戶(hù)為了追求更為簡(jiǎn)便的處理方式，社會(huì)中不斷有人發(fā)聲，希望能將嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。而隨著Intenet 的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在一些領(lǐng)域已經(jīng)和網(wǎng)絡(luò)連接到了一起，就比如智能家居，用Internet 控制嵌入式系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的控制。時(shí)代的不斷進(jìn)步，信息化，數(shù)據(jù)化不斷地改變著嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)也必將與Internet 相互作用才會(huì)在機(jī)遇與危險(xiǎn)的不斷作用下走得更遠(yuǎn)，發(fā)展的更好。

2 嵌入式系統(tǒng)在智能家居生活中的使用

2.1 智能家居應(yīng)用前景

在智能化，自動(dòng)化高新技術(shù)的不斷沖擊驅(qū)動(dòng)下，國(guó)家相關(guān)部委大力推進(jìn)中國(guó)智慧城市建設(shè)部署，而為響應(yīng)國(guó)家智慧化發(fā)展政策，家居領(lǐng)域在中國(guó)房地產(chǎn)行業(yè)的帶動(dòng)下，從“增量開(kāi)發(fā)”向著“存量經(jīng)營(yíng)”“精裝化”發(fā)展，家居產(chǎn)業(yè)不斷趨緊智能化，自動(dòng)化。下面我將闡述嵌入式系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)家居生活的影響及對(duì)新時(shí)代家居生活的變革。

2.2 安防系統(tǒng)

在智能家居生活管理中，安防系統(tǒng)是智能系統(tǒng)正常運(yùn)行的保證，也是嵌入式系統(tǒng)中最重要的子系統(tǒng)之一，而安防系統(tǒng)的組成，在硬件方面是由傳感器，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及云計(jì)算組組成。軟件方面由安防報(bào)警系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)，問(wèn)題反饋數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)組成。選用三星公司S3 C2240微處理器作為硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，軟件實(shí)現(xiàn)采用嵌入式Linux 系統(tǒng)將家庭監(jiān)控?cái)z像頭，傳感器模塊，無(wú)線(xiàn)通信模塊與硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)相互連，然后搭建交叉編譯環(huán)境，Linux 內(nèi)核移植及文件系統(tǒng)的制作，之后完成各模塊的驅(qū)動(dòng)源文件程序的編譯與調(diào)試，最后將家庭搭建的系統(tǒng)環(huán)境通過(guò)通信系統(tǒng)與手機(jī)等電子設(shè)備互聯(lián)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。當(dāng)家庭環(huán)境出現(xiàn)變化導(dǎo)致傳感器運(yùn)作致安防報(bào)警系統(tǒng)運(yùn)行，將會(huì)向與家庭系統(tǒng)互聯(lián)的電子設(shè)備發(fā)送威脅警告，用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)連接家庭網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制視頻監(jiān)控系統(tǒng)查看家中情況。

2.2.1 防盜報(bào)警系統(tǒng)

防盜報(bào)警系統(tǒng)是智能家居系統(tǒng)安防系統(tǒng)的細(xì)化組成之一，主要針對(duì)于傳統(tǒng)門(mén)窗存在的低防護(hù)，非實(shí)時(shí)，無(wú)報(bào)警等缺點(diǎn)并進(jìn)行改善。采用多傳感器技術(shù)融合嵌入式系統(tǒng)對(duì)入侵信息進(jìn)行采集，分析，篩選，報(bào)警來(lái)提高家庭安全性。采用Zig Bee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要的星型結(jié)構(gòu)結(jié)合振動(dòng)傳感器，溫差傳感器，光電傳感器以TC35GSM模塊作為信息傳輸通道。再與家中防盜家居相結(jié)合，一旦防盜設(shè)備收到撬鎖，砸門(mén)等振動(dòng)信號(hào)或者高溫低溫等破壞防盜環(huán)境的威脅便會(huì)觸發(fā)傳感器，連接到通信模塊連接戶(hù)主手機(jī)。

2.2.2 煙霧/水浸報(bào)警系統(tǒng)

智能家居管理中，廚房是事故多發(fā)地，因此對(duì)于廚房的安防系統(tǒng)也是非常重要的，考慮到廚房存在明火可能導(dǎo)致煙霧問(wèn)題與火災(zāi)問(wèn)題。基于這種隱患，安防系統(tǒng)采用STM32 作為煙霧/水浸報(bào)警系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，引用MQ-2 型半導(dǎo)體可燃?xì)怏w傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)廚房煙霧濃度，用釋熱傳感器來(lái)監(jiān)控廚房溫度變化。將煙霧傳感器與空間中換氣裝置相連接，當(dāng)廚房煙霧濃度過(guò)高將會(huì)觸發(fā)MQ-2 型半導(dǎo)體可燃?xì)怏w傳感器，實(shí)時(shí)控制空間中換氣裝置打開(kāi)以及相關(guān)嵌入系統(tǒng)運(yùn)行。而釋熱傳感器運(yùn)行也大致相同，只是會(huì)實(shí)時(shí)控制水浸系統(tǒng)進(jìn)行控制。這兩個(gè)系統(tǒng)也會(huì)與家庭通信系統(tǒng)相連接，讓?xiě)糁髂軌蛑獣约抑星闆r，進(jìn)一步保護(hù) 家中安全。

2.3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

家庭中部分家居的啟動(dòng)到達(dá)到要求范圍需要一定的時(shí)間進(jìn)行緩沖，而智能化的家庭管理中雖然不能減少家居緩沖時(shí)間，但是可以將這個(gè)緩沖時(shí)間進(jìn)行合理化。當(dāng)你冒著烈日回到家中，希望回到家中就能感受到空調(diào)調(diào)節(jié)的合適溫度，這時(shí)只需要用手機(jī)控制家庭中空調(diào)就能做到，而如何做到這種控制？就需要STM32 的嵌入式開(kāi)發(fā)板對(duì)家居與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互連，將Zigbee 技術(shù)和嵌入式ARM 技術(shù)混合實(shí)現(xiàn)，通過(guò)Zigbee 技術(shù)收集空間中的物理信息，用嵌入式的智能網(wǎng)關(guān)對(duì)信息進(jìn)行整合。最終連接網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，用戶(hù)只用通過(guò)手機(jī)連接特定的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)段進(jìn)入家庭管理系統(tǒng)就能夠遠(yuǎn)程控制家居運(yùn)行。

3 總結(jié)

正是隨著智能化的不斷發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越注重快捷高效的生活方式，而采用嵌入式為核心的智能家庭逐漸符合大眾的選擇，嵌入式家庭管理系統(tǒng)不僅免去了繁重的人工操作，也減少了家庭由于家居過(guò)多而導(dǎo)致的設(shè)備管理混論，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展與完善，具有嵌入式系統(tǒng)的家居將會(huì)不斷普及，人們的生活將會(huì)不斷趨于智能自動(dòng)化。