嵌入式系统在智能家居中的作用《嵌入式系统设计》 .doc

物理与电子工程学院嵌入式系统设计课程小论文课题题目嵌入式系统在智能家居中的作用系别年级四专业电子信息工程学号学生姓名日期2011.10.14物理与电子工程学院设计实验报告1目录第一章智能家居系统及嵌入式系统简介1.1智能家居系统简介1.2嵌入式系统简介1.2.1嵌入式系统的定义1.2.2嵌入式操作系统的开发背景1.2.3VxWorks简介1.2.4uCOS简介第二章嵌入式系统、智能家电及家居网络的形式2.1嵌入式系统的家用电器2.2家用电器的嵌入式智能基础2.3嵌入式系统家居网络的互配合及结构第三章嵌入式技术在智能家居中的应用3.1智能家居的现状及技术发展趋势3.2嵌入式的智能家居解决方案给我们带来的好处3.3嵌入式技术在智能家居行业的实际应用第四章总结与展望4.1总结参考文献物理与电子工程学院设计实验报告2第一章智能家居系统及嵌入式系统简介1.1智能家居系统简介智能家居是利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、依照人体工程学原理，融合个性需求，将与家居生活有关的各个子系统如安防、灯光控制、窗帘控制、煤气阀控制、信息家电、场景联动、地板采暖等有机地结合在一起，通过网络化综合智能控制和管理，实现“以人为本”的全新家居生活体验。1.2嵌入式系统简介嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和IO端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（OS）（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。1.2.2嵌入式操作系统的开发背景许多嵌入式系统都有串口和LCD，这样就能够通过编程与外界通信并显示信息，但由于嵌入式系统的存储器容量比较小，在上面开发程序必须要注意物理与电子工程学院设计实验报告3节约存储器的使用。此次所用的嵌入式系统是由台湾研发的网络信息电话，使用的是8051系列的芯片，拥有两个串口，其中一个与内置的Modem相连，可以与外界通信，此外还有一个128*64的LCD可以用来显示接收到的短信息，一个键盘用来输入要发送的短信息内容。整个嵌入式系统部分的开发是建立在底层的串口，LCD以及键盘的API都已经由这家台湾公司提供了的基础上。1.2.3VxWorks简介VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），是嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。在美国的F-16、FA-18战斗机、B-2隐形轰炸机和爱国者导弹上，甚至连1997年在火星表面登陆的火星探测器上也使用到了VxWorks。VxWorks的特点可靠性操作系统的用户希望在一个工作稳定，可以信赖的环境中工作，所以操作系统的可靠性是用户首先要考虑的问题。而稳定、可靠一直是VxWorks的一个突出优点。自从对中国的销售解禁以来，VxWorks以其良好的可靠性在中国赢得了越来越多的用户。实时性实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能并对外部的异步事件作物理与电子工程学院设计实验报告4出响应的能力。实时性的强弱是以完成规定功能和作出响应时间的长短来衡量的。VxWorks的实时性做得非常好，其系统本身的开销很小，进程调度、进程间通信、中断处理等系统公用程序精练而有效，它们造成的延迟很短。VxWorks提供的多任务机制中对任务的控制采用了优先级抢占（PreemptivePriorityScheduling）和轮转调度（Round-RobinScheduling）机制，也充分保证了可靠的实时性，使同样的硬件配置能满足更强的实时性要求，为应用的开发留下更大的余地。可裁减性用户在使用操作系统时，并不是操作系统中的每一个部件都要用到。例如图形显示、文件系统以及一些设备驱动在某些嵌入系统中往往并不使用。VxWorks由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系统模块组成。VxWorks内核最小为8kB，即便加上其它必要模块，所占用的空间也很小，且不失其实时、多任务的系统特征。由于它的高度灵活性，用户可以很容易地对这一操作系统进行定制或作适当开发，来满足自己的实际应用需要。1.2.4uCOS简介uC/OS是一种免费公布源代码、构造细巧、拥有可掠夺实时内核的实时操纵系统。C/OS-II的前身是C/OS，最早出自于1992年美国嵌入式系统专家JeanJ.Labrosse在嵌入式系统编程杂志的5月和6月刊上刊载的文章连载，并把C/OS的源码颁布在该杂志的BBS上。C/OS和C/OS-II是专程为运算机的嵌入式利用设计的，绝大部分代码物理与电子工程学院设计实验报告5是用C语言编撰的。CPU硬件相关部分是用汇编语言编纂的、总量约200行的汇编语言部分被紧缩到最低界限，为的是便于移植上任何一种其它的CPU上。用户但凡有准绳的ANSI的C穿插编译器，有汇编器、衔接器等软件工具，就可以将C/OS-II嵌人到开拓的产品中,Struts标签库学习?HTML。C/OS-II拥有施行效率高、挪用空间小、实时功能优异和可伸展性强等特质，最小内核可编译至2KB。C/OS-II曾经移植到了近乎所有著名的CPU上。第二章嵌入式系统、智能家电及家居网络的形式2.1嵌入式系统的家用电器家用电器由于单片机的嵌入，不但提高了品质和性能，而且出现了智能。这和传统机械型家用电器有很大区别，这种区别除了导致结构的改变之外，还产生了很多新的功能和能力。这种进步关键在于两种很重要的技术，一种是单片机的集成硬件技术，另一种是单片机的智能软件技术。单片机硬件依靠半导体集成工艺，单片机的智能软件则依赖于软件方法及智能理论。在家用电器中，单片机硬件只能选择现存的产品，对于设计者而言，则关键在于嵌入式系统中的控制电路设计。从作用机制上来说，家用电器的嵌入式结构有单核嵌入和双核嵌入两种。一般电脑电饭煲，它的内部只有一个单片机，这种控制系统是单核嵌入。对于分体式空调，则在室内机和室外机分别有1个单片机，显然分体空调机这种嵌入式系统是双核嵌入结构。从物理位置上来说，家用电器的嵌入式结构有中心嵌入、边缘嵌入、顶部嵌入、底部嵌入等多种形式。模糊电磁灶的单片机及控制部件在其中心部物理与电子工程学院设计实验报告6位，这是典型的中心嵌入；电饭煲的单片机控制器通常在煲的外边缘，这是典型的边缘嵌入；电脑热水瓶的单片机控制器在顶部，论文之家:故是顶部嵌入；模糊蒸炖煲的单片机安装在底部，故是底部嵌入。从逻辑结构上来说，家用电器有独立嵌入结构，主从嵌入结构、复合嵌入结构等多种方式。一般的家用电器只有一个单片机，故是独立嵌入结构；在分体空调机中，室外机有一个控制用的单片机，而室内机有1个用于对室内机进行控制同时又接收红外遥控信号，并对室内外机进行管理。因此，室内单片机和室外单片机是主从嵌入结构，而它们又是复合结构。2.2家用电器的嵌入式智能基础家用电器要实现智能，必然把软件嵌入其内部，在本质上就是需要有智能理论指导进行软件编制，这些理论就是智能基础理论。在目前，可以嵌入到家电之中的智能理论和技术方法一般有如下几种：（1）启发式搜索在家电控制中，其智能化除了有良好的人机对话功能之外，更重要的是对主要指标的最优化控制。启发式搜索方法是人工智能求解中开发出来的对目标求解的最优化方法。它主要依靠和任务无关的信息来简化搜索进程，但它可以从任务中得到的启发信息来确定搜索方向，从而大大减少了优化时间。这种方法在洗衣机的程序选择过程中是十分有用的。（2）人工神经网络人工神经网络在家电中最有作用的是用于经验的学习。家用电器在运行中其参数会随着时间的迁移而变化，用神经网络不断在运行中对家电性能的物理与电子工程学院设计实验报告7学习，可以预测出家电变化的趋向，以及在参数变化后的最优控制方法，从而保持家电始终处于一种优秀的工作状态。这种智能方法用于有运行损耗的动力系统中最有效，像洗衣机、洗碗机等家用电器的经验学习用神经网络是很方便而有效的。（3）模糊逻辑理论模糊逻辑控制在家电指标控制中是一种极有效的智能化方法。在家电控制中，所用的技术指标或任务是模糊的。这是因为人在日常生活中的感觉，包括触觉、嗅觉、视觉都是以模糊量描述的。以模糊控制方法控制家用电器更适合人类的智慧思维及处理过程。（4）遗传算法遗传算法是一种模拟自然选择及遗传的随机搜索算法，它的原则是适者生存，不适者淘汰。这种优化方法在家电中较适用于进行状态参数最优组合。在洗衣机中，用于对洗涤过程的自适应优化；在电冰箱中的制冷过程自适应优化；空调机对外部环境包括室外季节、室内人员情况的自适应优化控制。家居网络系统和家用电器。家居网络系统（HNS）是指在集成协同工作环境中把计算机、音频设备、视频设备，以及家居自动子系统（包括能量管理、保险、安全、加热、通讯等）连接起来，以实现家居资源的共享和管理，同时实现更舒适和全新的服务。在家居网络系统中，家用电器是主要成员。可以说，家居网络系统基本上是一个家电网络。一个好的家居网络系统应有以下一些特性：（1）有利于开发，适合网络传输技术，具有清晰的集成结构。物理与电子工程学院设计实验报告8（2）能识别、定义和协调所提供的服务，并按此寻找出正确的驱动面。（3）建立适当的管理方便的系统和应用结构，可以把具有多种能力的各种产品混合在一起，确保不同的技术和概念实现透明和无缝的集成。目前，用于家居自动化已有几种技术方法。包括欧洲家居系统EHS（EuropeanHomeSystemNetwork)；欧洲设备总线EIB（EuropeanInstallationBus)；贝蒂巴斯俱乐部的BatiBUS。这些技术提供的是网络的协议，从而可以使家用电器在家居内连成网络。只是家居网络系统还存在多种问题，首先，作为局部网络的家居网络采用何种协议最有效；其次，家居网络如何与互联网接挂最为理想。家居网络和一般网络有很大的不同，主要表现在如下几个方面：（1）一般网络中连网的对象是结构一致的微型机系统，而家居网络中连接的对象是结构和特性完全相异的各种家用电器。（2）一般网络中信息量大，但对实时性要求不高；家居网络中家用电器信息量小，但对实时性要求较高。（3）一般网络的微机系统往往