物理與電子工程學(xué)院嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程小論文課題題目嵌入式系統(tǒng)在智能家居中的作用系別年級(jí)四專業(yè)電子信息工程學(xué)號(hào)學(xué)生姓名日期2011.10.14物理與電子工程學(xué)院設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告1目錄第一章智能家居系統(tǒng)及嵌入式系統(tǒng)簡介1.1智能家居系統(tǒng)簡介1.2嵌入式系統(tǒng)簡介1.2.1嵌入式系統(tǒng)的定義1.2.2嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)背景1.2.3VxWorks簡介1.2.4uCOS簡介第二章嵌入式系統(tǒng)、智能家電及家居網(wǎng)絡(luò)的形式2.1嵌入式系統(tǒng)的家用電器2.2家用電器的嵌入式智能基礎(chǔ)2.3嵌入式系統(tǒng)家居網(wǎng)絡(luò)的互配合及結(jié)構(gòu)第三章嵌入式技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用3.1智能家居的現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)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(shù)在智能家居行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用第四章總結(jié)與展望4.1總結(jié)參考文獻(xiàn)物理與電子工程學(xué)院設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告2第一章智能家居系統(tǒng)及嵌入式系統(tǒng)簡介1.1智能家居系統(tǒng)簡介智能家居是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)、依照人體工程學(xué)原理，融合個(gè)性需求，將與家居生活有關(guān)的各個(gè)子系統(tǒng)如安防、燈光控制、窗簾控制、煤氣閥控制、信息家電、場景聯(lián)動(dòng)、地板采暖等有機(jī)地結(jié)合在一起，通過網(wǎng)絡(luò)化綜合智能控制和管理，實(shí)現(xiàn)“以人為本”的全新家居生活體驗(yàn)。1.2嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器微處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和IO端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件（OS）（要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作）和應(yīng)用程序編程。有時(shí)設(shè)計(jì)人員把這兩種軟件組合在一起。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為；而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。1.2.2嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)背景許多嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)的存儲(chǔ)器容量比較小，在上面開發(fā)程序必須要注意物理與電子工程學(xué)院設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告3節(jié)約存儲(chǔ)器的使用。此次所用的嵌入式系統(tǒng)是由臺(tái)灣研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)信息電話，使用的是8051系列的芯片，擁有兩個(gè)串口，其中一個(gè)與內(nèi)置的Modem相連，可以與外界通信，此外還有一個(gè)128*64的LCD可以用來顯示接收到的短信息，一個(gè)鍵盤用來輸入要發(fā)送的短信息內(nèi)容。整個(gè)嵌入式系統(tǒng)部分的開發(fā)是建立在底層的串口，LCD以及鍵盤的API都已經(jīng)由這家臺(tái)灣公司提供了的基礎(chǔ)上。1.2.3VxWorks簡介VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），是嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。良好的持續(xù)能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通訊、軍事演習(xí)、彈道制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等。在美國的F-16、FA-18戰(zhàn)斗機(jī)、B-2隱形轟炸機(jī)和愛國者導(dǎo)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(diǎn)可靠性操作系統(tǒng)的用戶希望在一個(gè)工作穩(wěn)定，可以信賴的環(huán)境中工作，所以操作系統(tǒng)的可靠性是用戶首先要考慮的問題。而穩(wěn)定、可靠一直是VxWorks的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。自從對(duì)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(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)性是指能夠在限定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完規(guī)定的功能并對(duì)外部的異步事件作物理與電子工程學(xué)院設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告4出響應(yīng)的能力。實(shí)時(shí)性的強(qiáng)弱是以完成規(guī)定功能和作出響應(yīng)時(shí)間的長短來衡量的。VxWorks的實(shí)時(shí)性做得非常好，其系統(tǒng)本身的開銷很小，進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信、中斷處理等系統(tǒng)公用程序精練而有效，它們?cè)斐傻难舆t很短。VxWorks提供的多任務(wù)機(jī)制中對(duì)任務(wù)的控制采用了優(yōu)先級(jí)搶占（PreemptivePriorityScheduling）和輪轉(zhuǎn)調(diào)度（Round-RobinScheduling）機(jī)制，也充分保證了可靠的實(shí)時(shí)性，使同樣的硬件配置能滿足更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性要求，為應(yīng)用的開發(fā)留下更大的余地?？刹脺p性用戶在使用操作系統(tǒng)時(shí)，并不是操作系統(tǒng)中的每一個(gè)部件都要用到。例如圖形顯示、文件系統(tǒng)以及一些設(shè)備驅(qū)動(dòng)在某些嵌入系統(tǒng)中往往并不使用。VxWorks由一個(gè)體積很小的內(nèi)核及一些可以根據(jù)需要進(jìn)行定制的系統(tǒng)模塊組成。VxWorks內(nèi)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(shí)時(shí)、多任務(wù)的系統(tǒng)特征。由于它的高度靈活性，用戶可以很容易地對(duì)這一操作系統(tǒng)進(jìn)行定制或作適當(dāng)開發(fā)，來滿足自己的實(shí)際應(yīng)用需要。1.2.4uCOS簡介uC/OS是一種免費(fèi)公布源代碼、構(gòu)造細(xì)巧、擁有可掠奪實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)時(shí)操縱系統(tǒng)。C/OS-II的前身是C/OS，最早出自于1992年美國嵌入式系統(tǒng)專家JeanJ.Labrosse在嵌入式系統(tǒng)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(yùn)算機(jī)的嵌入式利用設(shè)計(jì)的，絕大部分代碼物理與電子工程學(xué)院設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告5是用C語言編撰的。CPU硬件相關(guān)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(zhǔn)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(chǎn)品中,Struts標(biāo)簽庫學(xué)習(xí)?HTML。C/OS-II擁有施行效率高、挪用空間小、實(shí)時(shí)功能優(yōu)異和可伸展性強(qiáng)等特質(zhì)，最小內(nèi)核可編譯至2KB。C/OS-II曾經(jīng)移植到了近乎所有著名的CPU上。第二章嵌入式系統(tǒng)、智能家電及家居網(wǎng)絡(luò)的形式2.1嵌入式系統(tǒng)的家用電器家用電器由于單片機(jī)的嵌入，不但提高了品質(zhì)和性能，而且出現(xiàn)了智能。這和傳統(tǒng)機(jī)械型家用電器有很大區(qū)別，這種區(qū)別除了導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的改變之外，還產(chǎn)生了很多新的功能和能力。這種進(jìn)步關(guān)鍵在于兩種很重要的技術(shù)，一種是單片機(jī)的集成硬件技術(shù)，另一種是單片機(jī)的智能軟件技術(shù)。單片機(jī)硬件依靠半導(dǎo)體集成工藝，單片機(jī)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(jī)硬件只能選擇現(xiàn)存的產(chǎn)品，對(duì)于設(shè)計(jì)者而言，則關(guān)鍵在于嵌入式系統(tǒng)中的控制電路設(shè)計(jì)。從作用機(jī)制上來說，家用電器的嵌入式結(jié)構(gòu)有單核嵌入和雙核嵌入兩種。一般電腦電飯煲，它的內(nèi)部只有一個(gè)單片機(jī)，這種控制系統(tǒng)是單核嵌入。對(duì)于分體式空調(diào)，則在室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)分別有1個(gè)單片機(jī)，顯然分體空調(diào)機(jī)這種嵌入式系統(tǒng)是雙核嵌入結(jié)構(gòu)。從物理位置上來說，家用電器的嵌入式結(jié)構(gòu)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(jī)及控制部件在其中心部物理與電子工程學(xué)院設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告6位，這是典型的中心嵌入；電飯煲的單片機(jī)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(jī)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(jī)安裝在底部，故是底部嵌入。從邏輯結(jié)構(gòu)上來說，家用電器有獨(dú)立嵌入結(jié)構(gòu)，主從嵌入結(jié)構(gòu)、復(fù)合嵌入結(jié)構(gòu)等多種方式。一般的家用電器只有一個(gè)單片機(jī)，故是獨(dú)立嵌入結(jié)構(gòu)；在分體空調(diào)機(jī)中，室外機(jī)有一個(gè)控制用的單片機(jī)，而室內(nèi)機(jī)有1個(gè)用于對(duì)室內(nèi)機(jī)進(jìn)行控制同時(shí)又接收紅外遙控信號(hào)，并對(duì)室內(nèi)外機(jī)進(jìn)行管理。因此，室內(nèi)單片機(jī)和室外單片機(jī)是主從嵌入結(jié)構(gòu)，而它們又是復(fù)合結(jié)構(gòu)。2.2家用電器的嵌入式智能基礎(chǔ)家用電器要實(shí)現(xiàn)智能，必然把軟件嵌入其內(nèi)部，在本質(zhì)上就是需要有智能理論指導(dǎo)進(jìn)行軟件編制，這些理論就是智能基礎(chǔ)理論。在目前，可以嵌入到家電之中的智能理論和技術(shù)方法一般有如下幾種：（1）啟發(fā)式搜索在家電控制中，其智能化除了有良好的人機(jī)對(duì)話功能之外，更重要的是對(duì)主要指標(biāo)的最優(yōu)化控制。啟發(fā)式搜索方法是人工智能求解中開發(fā)出來的對(duì)目標(biāo)求解的最優(yōu)化方法。它主要依靠和任務(wù)無關(guān)的信息來簡化搜索進(jìn)程，但它可以從任務(wù)中得到的啟發(fā)信息來確定搜索方向，從而大大減少了優(yōu)化時(shí)間。這種方法在洗衣機(jī)的程序選擇過程中是十分有用的。（2）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在家電中最有作用的是用于經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)。家用電器在運(yùn)行中其參數(shù)會(huì)隨著時(shí)間的遷移而變化，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不斷在運(yùn)行中對(duì)家電性能的物理與電子工程學(xué)院設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告7學(xué)習(xí)，可以預(yù)測出家電變化的趨向，以及在參數(shù)變化后的最優(yōu)控制方法，從而保持家電始終處于一種優(yōu)秀的工作狀態(tài)。這種智能方法用于有運(yùn)行損耗的動(dòng)力系統(tǒng)中最有效，像洗衣機(jī)、洗碗機(jī)等家用電器的經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(biāo)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(shù)指標(biāo)或任務(wù)是模糊的。這是因?yàn)槿嗽谌粘Ｉ钪械母杏X，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(jī)搜索算法，它的原則是適者生存，不適者淘汰。這種優(yōu)化方法在家電中較適用于進(jìn)行狀態(tài)參數(shù)最優(yōu)組合。在洗衣機(jī)中，用于對(duì)洗滌過程的自適應(yīng)優(yōu)化；在電冰箱中的制冷過程自適應(yīng)優(yōu)化；空調(diào)機(jī)對(duì)外部環(huán)境包括室外季節(jié)、室內(nèi)人員情況的自適應(yīng)優(yōu)化控制。家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和家用電器。家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（HNS）是指在集成協(xié)同工作環(huán)境中把計(jì)算機(jī)、音頻設(shè)備、視頻設(shè)備，以及家居自動(dòng)子系統(tǒng)（包括能量管理、保險(xiǎn)、安全、加熱、通訊等）連接起來，以實(shí)現(xiàn)家居資源的共享和管理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更舒適和全新的服務(wù)。在家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，家用電器是主要成員?？梢哉f，家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基本上是一個(gè)家電網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)好的家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)有以下一些特性：（1）有利于開發(fā)，適合網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，具有清晰的集成結(jié)構(gòu)。物理與電子工程學(xué)院設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告8（2）能識(shí)別、定義和協(xié)調(diào)所提供的服務(wù)，并按此尋找出正確的驅(qū)動(dòng)面。（3）建立適當(dāng)?shù)墓芾矸奖愕南到y(tǒng)和應(yīng)用結(jié)構(gòu)，可以把具有多種能力的各種產(chǎn)品混合在一起，確保不同的技術(shù)和概念實(shí)現(xiàn)透明和無縫的集成。目前，用于家居自動(dòng)化已有幾種技術(shù)方法。包括歐洲家居系統(tǒng)EHS（EuropeanHomeSystemNetwork)；歐洲設(shè)備總線EIB（EuropeanInstallationBus)；貝蒂巴斯俱樂部的BatiBUS。這些技術(shù)提供的是網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，從而可以使家用電器在家居內(nèi)連成網(wǎng)絡(luò)。只是家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)還存在多種問題，首先，作為局部網(wǎng)絡(luò)的家居網(wǎng)絡(luò)采用何種協(xié)議最有效；其次，家居網(wǎng)絡(luò)如何與互聯(lián)網(wǎng)接掛最為理想。家居網(wǎng)絡(luò)和一般網(wǎng)絡(luò)有很大的不同，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：（1）一般網(wǎng)絡(luò)中連網(wǎng)的對(duì)象是結(jié)構(gòu)一致的微型機(jī)系統(tǒng)，而家居網(wǎng)絡(luò)中連接的對(duì)象是結(jié)構(gòu)和特性完全相異的各種家用電器。（2）一般網(wǎng)絡(luò)中信息量大，但對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高；家居網(wǎng)絡(luò)中家用電器信息量小，但對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高。（3）一般網(wǎng)絡(luò)的微機(jī)系統(tǒng)往往