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1、嵌入式智能家居系统设计摘要：“智能家居”(smart home)，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
2、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, Home Electronics)。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 Smart Home。智能住宅是面向系
3、统设计的，系统通过家庭分布总线(HDS, Home Distribution 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
4、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
5、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
6、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
7、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。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
8、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。 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
9、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、NAND Flash控制器、SDRAM控制器、系统片选逻辑以及一些
10、常用的通讯接口等资源。图3表示了S3C2410的内部结构：图3 S3C2410的内部结构2FIash模块设计S3C2410的启动有两种方式，一种是从NOR Flash启动，一种是从NAND Flash启动。传统上嵌入式处理器一般是由NOR Flash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NAND Flash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
11、，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NAND Flash、NOR Flash的电路设计图。图4 NAND Flash电路设计图5 NOR Flash电路设计3.S
12、DRAM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Windows CE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
13、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方式或中断方式。它支持5，6，7，8位的串行数据发送和接收，
14、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-33V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M
15、AX3232。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。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25LEL，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。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
