基于嵌入式的智能家居系统研究和实现.docx

基于嵌入式的智能家居系统研究和实现 　　摘要：目前对智能家居系统的需求越来越多，从而对智能家居系统提出了更高的要求；传统的智能家居系统大多以有线的方式完成，存在扩展性差、成本高等缺点。以ZigBee为代表的嵌入式技术可以解决能够以无线方式组网，实现家居系统的智能控制。　　关键词：智能家居；嵌入式；照明控制　　中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009--0266-03　　随着生活水平的日益提高，人民对居家环境的便利性、舒适性等提出了更高的要求；计算机、传感等新兴技术的发展也使实现智能化的家具系统成为可能。　　智能家居系统建立在普通的家庭住宅基础上的，以计算机技术、传感技术和电子通讯技术为手段的集生活、安防、娱乐为一体的智能化管理家居模式。传统的智能家居系统存在诸如成本高、扩展性差等不足，对智能家居行业的发展存在重要的不利影响，所以最大化地发挥“智能”因素在家居系统中的作用，成为决定家居系统能否更好地应用并推广的首要因素。　　1 嵌入式技术及ZigBee　　随着通信技术的普遍应用，嵌入式技术越来越多地被用于移动通信终端、家用电器以及智能设备等领域。嵌入式系统的核心是业务应用，主要用于对可靠性、功耗等 要求比较严格的应用系统。嵌入式系统一般包括软件、硬件两部分：硬件部分主要是嵌入式处理器、存储器以及外围设备等物理设备，软件部分包括嵌入式操作系统和嵌入式应用程序。　　ZigBee是一种类似于WiFi的短距离无线网络通信技术，传输距离一般在10m到100m之间，相当于WiFi而言ZigBee的优点在于[1]：传输数据的高可靠性。ZigBee使用AES-128加密算法对传输的报文进行加密，并且只有在冗余校验确认后才认为数据传输成功，因此具有较高的可靠性。功耗和成本较低。由于发射功率只有1mW，较低的功耗使得ZigBee相对省电；而且其工业制造成本非常低。组网方便、时延短。ZigBee技术组网比较方便，组网时延很短，而且一个网络最多允许65535个节点连接。　　2 智能家居功能及设计　　智能家居系统要可以查询家居环境的实时信息、控制家电的状态，以实现对家电的本地或远程控制、监控。　　 功能分析　　根据人们对日常家居设备的需求，本文将智能家居系统的主要功能设计如下[2]：　　1） 温度、湿度控制功能。事先在室内安装温度传感器和湿度传感器，在采集到室内的温湿度后将其传输到服务器上，用户可以借助网络在电脑、手机等终端查看。在温湿度数据发送到用户后，用户可以通过控制终端设置温湿度。　　2） 智能照明控制功能。作为智能家居系统必备的功能，不仅需要控制照明灯的开关，还需要能够调节灯光的亮度。在布置家居系统时，需要将照明设备同开关继电器、光敏传感器一起考虑。用户可以手工控制开关继电器，以便打开、关闭照明设备，或调节照明设备的亮度；也可以预先设置一个亮度阈值，当光敏传感器检测到的光线亮度低于阈值时，可以自动执行开关、调节操作。　　3） 家电智能控制功能。目前冰箱、洗衣机、热水器以及电视等家电都具备了智能控制功能，这些电器可以和家庭无线网络结合起来，使用户通过移动终端即可控制家电设备的运行。比如，在下班回家的路上就可以借助手机打开热水器、电饭锅等，这样回到家即可享受舒适的家居生活。　　4） 安防监控功能。智能家居系统的一个重要功能是其安防监控，需要对门窗、室内火警以及入室盗窃等问题进行重点监控；这可以通过红外传感器、烟雾传感器、声控设备等实现。　　 设计要求及方案　　智能家居系统使用了嵌入式芯片，在进行硬件设计时需要考虑如下因素[3]：硬件系统的安装、维护要简便，并且方便升级。嵌入式系统的电路需要尽量简化。尽量使用性价比高的芯片。　　软件系统是智能家居系统的核心，其优劣直接决定了智能家居系统的性能高低，从而影响用户体验。本文设计的智能家居系统的嵌入式软件系统包括一个Linux操作系统、驱动程序以及业务程序。嵌入式操作系统使用了开源的操作系统内核，并根据功能需求进行了裁剪，以便更好地利用有限内存实现智能家居控制任务。驱动程序的作用是直接操作硬件?O备，向上屏蔽底层实现细节。业务程序根据驱动程序提供的接口，完成用户指定的智能家居控制指令。业务程序在实现时综合考虑用户的需要，具备可靠性、可修改、易于使用等优点。　　本文在设计智能家居系统时的方案是：1）使用嵌入式设备代替传统的PC机，并用ZigBee技术将家庭内部的各种电器设备组成一个内部网络。无线组网方式代替了传统的家居系统中的有线组网，有效降低了成本。2）嵌入式服务器安装了Linux操作系统，操作硬件的底层是命令终端，提高了智能控制的效率，降低了延时。3）扩展性及学习能力。为了智能家居系统后续的扩展，软件在编写时需要采用模块化思想；另外，还要可以根据传感