物理與電子工程學院嵌入式系統設計課程小論文課題題目嵌入式系統在智能家居中的作用系別年級四專業電子信息工程學號學生姓名日期2011.10.14物理與電子工程學院設計實驗報告1目錄第一章智能家居系統及嵌入式系統簡介1.1智能家居系統簡介1.2嵌入式系統簡介1.2.1嵌入式系統的定義1.2.2嵌入式操作系統的開發背景1.2.3VxWorks簡介1.2.4uCOS簡介第二章嵌入式系統、智能家電及家居網絡的形式2.1嵌入式系統的家用電器2.2家用電器的嵌入式智能基礎2.3嵌入式系統家居網絡的互配合及結構第三章嵌入式技術在智能家居中的應用3.1智能家居的現狀及技術發展趨勢3.2嵌入式的智能家居解決方案給我們帶來的好處3.3嵌入式技術在智能家居行業的實際應用第四章總結與展望4.1總結參考文獻物理與電子工程學院設計實驗報告2第一章智能家居系統及嵌入式系統簡介1.1智能家居系統簡介智能家居是利用先進的計算機技術、網絡通訊技術、綜合布線技術、依照人體工程學原理，融合個性需求，將與家居生活有關的各個子系統如安防、燈光控制、窗簾控制、煤氣閥控制、信息家電、場景聯動、地板采暖等有機地結合在一起，通過網絡化綜合智能控制和管理，實現“以人為本”的全新家居生活體驗。1.2嵌入式系統簡介嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶的應用程序等四個部分組成，用于實現對其他設備的控制、監視或管理等功能。嵌入式系統一般指非PC系統，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器微處理器、存儲器及外設器件和IO端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統軟件（OS）（要求實時和多任務操作）和應用程序編程。有時設計人員把這兩種軟件組合在一起。應用程序控制著系統的運作和行為；而操作系統控制著應用程序編程與硬件的交互作用。1.2.2嵌入式操作系統的開發背景許多嵌入式系統都有串口和LCD，這樣就能夠通過編程與外界通信并顯示信息，但由于嵌入式系統的存儲器容量比較小，在上面開發程序必須要注意物理與電子工程學院設計實驗報告3節約存儲器的使用。此次所用的嵌入式系統是由臺灣研發的網絡信息電話，使用的是8051系列的芯片，擁有兩個串口，其中一個與內置的Modem相連，可以與外界通信，此外還有一個128*64的LCD可以用來顯示接收到的短信息，一個鍵盤用來輸入要發送的短信息內容。整個嵌入式系統部分的開發是建立在底層的串口，LCD以及鍵盤的API都已經由這家臺灣公司提供了的基礎上。1.2.3VxWorks簡介VxWorks操作系統是美國WindRiver公司于1983年設計開發的一種嵌入式實時操作系統（RTOS），是嵌入式開發環境的關鍵組成部分。良好的持續能力、高性能的內核以及友好的用戶開發環境，在嵌入式實時操作系統領域占據一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域中，如衛星通訊、軍事演習、彈道制導、飛機導航等。在美國的F-16、FA-18戰斗機、B-2隱形轟炸機和愛國者導彈上，甚至連1997年在火星表面登陸的火星探測器上也使用到了VxWorks。VxWorks的特點可靠性操作系統的用戶希望在一個工作穩定，可以信賴的環境中工作，所以操作系統的可靠性是用戶首先要考慮的問題。而穩定、可靠一直是VxWorks的一個突出優點。自從對中國的銷售解禁以來，VxWorks以其良好的可靠性在中國贏得了越來越多的用戶。實時性實時性是指能夠在限定時間內執行完規定的功能并對外部的異步事件作物理與電子工程學院設計實驗報告4出響應的能力。實時性的強弱是以完成規定功能和作出響應時間的長短來衡量的。VxWorks的實時性做得非常好，其系統本身的開銷很小，進程調度、進程間通信、中斷處理等系統公用程序精練而有效，它們造成的延遲很短。VxWorks提供的多任務機制中對任務的控制采用了優先級搶占（PreemptivePriorityScheduling）和輪轉調度（Round-RobinScheduling）機制，也充分保證了可靠的實時性，使同樣的硬件配置能滿足更強的實時性要求，為應用的開發留下更大的余地。可裁減性用戶在使用操作系統時，并不是操作系統中的每一個部件都要用到。例如圖形顯示、文件系統以及一些設備驅動在某些嵌入系統中往往并不使用。VxWorks由一個體積很小的內核及一些可以根據需要進行定制的系統模塊組成。VxWorks內核最小為8kB，即便加上其它必要模塊，所占用的空間也很小，且不失其實時、多任務的系統特征。由于它的高度靈活性，用戶可以很容易地對這一操作系統進行定制或作適當開發，來滿足自己的實際應用需要。1.2.4uCOS簡介uC/OS是一種免費公布源代碼、構造細巧、擁有可掠奪實時內核的實時操縱系統。C/OS-II的前身是C/OS，最早出自于1992年美國嵌入式系統專家JeanJ.Labrosse在嵌入式系統編程雜志的5月和6月刊上刊載的文章連載，并把C/OS的源碼頒布在該雜志的BBS上。C/OS和C/OS-II是專程為運算機的嵌入式利用設計的，絕大部分代碼物理與電子工程學院設計實驗報告5是用C語言編撰的。CPU硬件相關部分是用匯編語言編纂的、總量約200行的匯編語言部分被緊縮到最低界限，為的是便于移植上任何一種其它的CPU上。用戶但凡有準繩的ANSI的C穿插編譯器，有匯編器、銜接器等軟件工具，就可以將C/OS-II嵌人到開拓的產品中,Struts標簽庫學習?HTML。C/OS-II擁有施行效率高、挪用空間小、實時功能優異和可伸展性強等特質，最小內核可編譯至2KB。C/OS-II曾經移植到了近乎所有著名的CPU上。第二章嵌入式系統、智能家電及家居網絡的形式2.1嵌入式系統的家用電器家用電器由于單片機的嵌入，不但提高了品質和性能，而且出現了智能。這和傳統機械型家用電器有很大區別，這種區別除了導致結構的改變之外，還產生了很多新的功能和能力。這種進步關鍵在于兩種很重要的技術，一種是單片機的集成硬件技術，另一種是單片機的智能軟件技術。單片機硬件依靠半導體集成工藝，單片機的智能軟件則依賴于軟件方法及智能理論。在家用電器中，單片機硬件只能選擇現存的產品，對于設計者而言，則關鍵在于嵌入式系統中的控制電路設計。從作用機制上來說，家用電器的嵌入式結構有單核嵌入和雙核嵌入兩種。一般電腦電飯煲，它的內部只有一個單片機，這種控制系統是單核嵌入。對于分體式空調，則在室內機和室外機分別有1個單片機，顯然分體空調機這種嵌入式系統是雙核嵌入結構。從物理位置上來說，家用電器的嵌入式結構有中心嵌入、邊緣嵌入、頂部嵌入、底部嵌入等多種形式。模糊電磁灶的單片機及控制部件在其中心部物理與電子工程學院設計實驗報告6位，這是典型的中心嵌入；電飯煲的單片機控制器通常在煲的外邊緣，這是典型的邊緣嵌入；電腦熱水瓶的單片機控制器在頂部，論文之家:故是頂部嵌入；模糊蒸燉煲的單片機安裝在底部，故是底部嵌入。從邏輯結構上來說，家用電器有獨立嵌入結構，主從嵌入結構、復合嵌入結構等多種方式。一般的家用電器只有一個單片機，故是獨立嵌入結構；在分體空調機中，室外機有一個控制用的單片機，而室內機有1個用于對室內機進行控制同時又接收紅外遙控信號，并對室內外機進行管理。因此，室內單片機和室外單片機是主從嵌入結構，而它們又是復合結構。2.2家用電器的嵌入式智能基礎家用電器要實現智能，必然把軟件嵌入其內部，在本質上就是需要有智能理論指導進行軟件編制，這些理論就是智能基礎理論。在目前，可以嵌入到家電之中的智能理論和技術方法一般有如下幾種：（1）啟發式搜索在家電控制中，其智能化除了有良好的人機對話功能之外，更重要的是對主要指標的最優化控制。啟發式搜索方法是人工智能求解中開發出來的對目標求解的最優化方法。它主要依靠和任務無關的信息來簡化搜索進程，但它可以從任務中得到的啟發信息來確定搜索方向，從而大大減少了優化時間。這種方法在洗衣機的程序選擇過程中是十分有用的。（2）人工神經網絡人工神經網絡在家電中最有作用的是用于經驗的學習。家用電器在運行中其參數會隨著時間的遷移而變化，用神經網絡不斷在運行中對家電性能的物理與電子工程學院設計實驗報告7學習，可以預測出家電變化的趨向，以及在參數變化后的最優控制方法，從而保持家電始終處于一種優秀的工作狀態。這種智能方法用于有運行損耗的動力系統中最有效，像洗衣機、洗碗機等家用電器的經驗學習用神經網絡是很方便而有效的。（3）模糊邏輯理論模糊邏輯控制在家電指標控制中是一種極有效的智能化方法。在家電控制中，所用的技術指標或任務是模糊的。這是因為人在日常生活中的感覺，包括觸覺、嗅覺、視覺都是以模糊量描述的。以模糊控制方法控制家用電器更適合人類的智慧思維及處理過程。（4）遺傳算法遺傳算法是一種模擬自然選擇及遺傳的隨機搜索算法，它的原則是適者生存，不適者淘汰。這種優化方法在家電中較適用于進行狀態參數最優組合。在洗衣機中，用于對洗滌過程的自適應優化；在電冰箱中的制冷過程自適應優化；空調機對外部環境包括室外季節、室內人員情況的自適應優化控制。家居網絡系統和家用電器。家居網絡系統（HNS）是指在集成協同工作環境中把計算機、音頻設備、視頻設備，以及家居自動子系統（包括能量管理、保險、安全、加熱、通訊等）連接起來，以實現家居資源的共享和管理，同時實現更舒適和全新的服務。在家居網絡系統中，家用電器是主要成員。可以說，家居網絡系統基本上是一個家電網絡。一個好的家居網絡系統應有以下一些特性：（1）有利于開發，適合網絡傳輸技術，具有清晰的集成結構。物理與電子工程學院設計實驗報告8（2）能識別、定義和協調所提供的服務，并按此尋找出正確的驅動面。（3）建立適當的管理方便的系統和應用結構，可以把具有多種能力的各種產品混合在一起，確保不同的技術和概念實現透明和無縫的集成。目前，用于家居自動化已有幾種技術方法。包括歐洲家居系統EHS（EuropeanHomeSystemNetwork)；歐洲設備總線EIB（EuropeanInstallationBus)；貝蒂巴斯俱樂部的BatiBUS。這些技術提供的是網絡的協議，從而可以使家用電器在家居內連成網絡。只是家居網絡系統還存在多種問題，首先，作為局部網絡的家居網絡采用何種協議最有效；其次，家居網絡如何與互聯網接掛最為理想。家居網絡和一般網絡有很大的不同，主要表現在如下幾個方面：（1）一般網絡中連網的對象是結構一致的微型機系統，而家居網絡中連接的對象是結構和特性完全相異的各種家用電器。（2）一般網絡中信息量大，但對實時性要求不高；家居網絡中家用電器信息量小，但對實時性要求較高。（3）一般網絡的微機系統往往