嵌入式系统在智能家庭管理中的应用

郑畅 四川大学锦城学院计算机与软件学院

引言

随着时代的不断变迁，人们追求更加便捷舒适的生活方式，智能家居不断发展，使得物联网中重要组成部分之一的嵌入式系统，所有物品之间进行数据交换与通信时就必须需要嵌入式系统搭建的智能终端得到了发展，简单的来说，物联网提供了传感器的连接，也有一定的智能化处理。智能控制对象的能力是嵌入式系统发挥作用的关键。所以说“智能家居是计算机技术、网络技术、控制技术向传统家电产业渗透发展的必然结果。”

1 嵌入式系统的发展历程

嵌入式系统是完全镶嵌于受控部件内部，为特定的计算机操作而设定。从20 世纪70 年代的单片机应用到如今的嵌入式微处理器，嵌入式系统已经发展了40 多年。而在40 多年的发展历程中，嵌入式系统也有主要经过了以下几个重要的转折阶段：

1.1 无操作系统阶段

嵌入式系统最初的应用是基于单片机基础上的，大部分通过可编程的控制器来实现，具备监管，控制，外设提示等等功能，最初，此类技术被广泛应用于工业控制，飞机导弹等等军事领域，此时的嵌入式系统一般没有操作系统的支持，只能通过使用汇编语言对系统进行直接控制，运行结束后再清除之前使用的内存，然而此阶段，设备虽然已经初步具备了嵌入式系统的应用特点，但仅仅是使用8 位的CPU 芯片来执行一些单线程的程序，因此严格来说，还涉及不到系统的概念。这一阶段嵌入式系统的主要特点就是系统构成简易，系统功能单一，对文件存储及保护薄弱，对数据处理速度缓慢。由于一般不具备用户接口，导致人机交互，设备与设备之间的数据传输低。由于此类系统操作简便，制作成本较低，因此曾在在工业制造中得到了广泛应用，但在对高处理效率和大存储容量要求的当下，该类嵌入式系统绝对无法满足智能家电等场合的要求。

1.2 简单操作系统阶段

80 年代时，微电子工艺水平不断提高，制造商们不断把嵌入式系统需要的微处理器，串行接口，RAM,ROM 等部件集成到了一个超大规模的集成电路中，制造面向I/O 设备的微控制器，自此，在嵌入式系统领域快速崛起，成为一直新秀。嵌入式工程师，程序员也渐渐开始在一些简单的操作系统下进行嵌入式软件应用的开发，不仅大大缩短了应用开发周期，提高了工作效率，更是提高了应用精度。嵌入式的简单操作系统阶段的特点：将嵌入式系统与操作系统相结合形成了嵌入式操作系统，此时的系统依旧存在改善之处，但是已经初步具备了兼容性和拓展性。在嵌入式操作系统观念被提出后，各种简单嵌入式操作系统得到了发展，领域中高功能，低功耗的嵌入式CPU 不断被研发出来，这些系统主要用于系统负载的控制以及监控方面的程序运行。

1.3 实时操作系统阶段

在20 世纪90 年代时，在多道控制环境下，数字化通信和信息家居的巨大冲击下，嵌入式系统再次迎来了一次高速发展，面向实时处理算法的DSP 产品则向着高精度，高速度，低功耗的方向迅速发展，而随着计算机硬件实时性要求的不断提高。嵌入式系统随着时代不断发展，演变成了实时多任务操作方式，并且稳固屹立于嵌入式领域。实时操作系统阶段的特点：实时操作系统得到了巨大的提升，在各种不同类型的微控制器上得到了广泛的运用，具备了任务模块化的特性。此时的操作系统已经具备了完善的功能，比如设备管理，资源管理，文件管理，多道程序处理，计算机网络等等，使嵌入式系统开发软件变得更加的简便。

1.4 面向Internet 阶段

现如今可以说是网络高速发展的时代，用户为了追求更为简便的处理方式，社会中不断有人发声，希望能将嵌入式系统与网络相结合。而随着Intenet 的不断发展，嵌入式系统在一些领域已经和网络连接到了一起，就比如智能家居，用Internet 控制嵌入式系统来实现对家居的控制。时代的不断进步，信息化，数据化不断地改变着嵌入式系统，嵌入式系统也必将与Internet 相互作用才会在机遇与危险的不断作用下走得更远，发展的更好。

2 嵌入式系统在智能家居生活中的使用

2.1 智能家居应用前景

在智能化，自动化高新技术的不断冲击驱动下，国家相关部委大力推进中国智慧城市建设部署，而为响应国家智慧化发展政策，家居领域在中国房地产行业的带动下，从“增量开发”向着“存量经营”“精装化”发展，家居产业不断趋紧智能化，自动化。下面我将阐述嵌入式系统对传统家居生活的影响及对新时代家居生活的变革。

2.2 安防系统

在智能家居生活管理中，安防系统是智能系统正常运行的保证，也是嵌入式系统中最重要的子系统之一，而安防系统的组成，在硬件方面是由传感器，网络设备及云计算组组成。软件方面由安防报警系统，视频监控系统，问题反馈数据库系统组成。选用三星公司S3 C2240微处理器作为硬件开发平台，软件实现采用嵌入式Linux 系统将家庭监控摄像头，传感器模块，无线通信模块与硬件开发平台相互连，然后搭建交叉编译环境，Linux 内核移植及文件系统的制作，之后完成各模块的驱动源文件程序的编译与调试，最后将家庭搭建的系统环境通过通信系统与手机等电子设备互联实现远程控制。当家庭环境出现变化导致传感器运作致安防报警系统运行，将会向与家庭系统互联的电子设备发送威胁警告，用户可以通过手机连接家庭网络来控制视频监控系统查看家中情况。

2.2.1 防盗报警系统

防盗报警系统是智能家居系统安防系统的细化组成之一，主要针对于传统门窗存在的低防护，非实时，无报警等缺点并进行改善。采用多传感器技术融合嵌入式系统对入侵信息进行采集，分析，筛选，报警来提高家庭安全性。采用Zig Bee 网络拓扑结构，设计系统需要的星型结构结合振动传感器，温差传感器，光电传感器以TC35GSM模块作为信息传输通道。再与家中防盗家居相结合，一旦防盗设备收到撬锁，砸门等振动信号或者高温低温等破坏防盗环境的威胁便会触发传感器，连接到通信模块连接户主手机。

2.2.2 烟雾/水浸报警系统

智能家居管理中，厨房是事故多发地，因此对于厨房的安防系统也是非常重要的，考虑到厨房存在明火可能导致烟雾问题与火灾问题。基于这种隐患，安防系统采用STM32 作为烟雾/水浸报警系统的开发平台，引用MQ-2 型半导体可燃气体传感器来监测厨房烟雾浓度，用释热传感器来监控厨房温度变化。将烟雾传感器与空间中换气装置相连接，当厨房烟雾浓度过高将会触发MQ-2 型半导体可燃气体传感器，实时控制空间中换气装置打开以及相关嵌入系统运行。而释热传感器运行也大致相同，只是会实时控制水浸系统进行控制。这两个系统也会与家庭通信系统相连接，让户主能够知晓家中情况，进一步保护 家中安全。

2.3 远程控制系统

家庭中部分家居的启动到达到要求范围需要一定的时间进行缓冲，而智能化的家庭管理中虽然不能减少家居缓冲时间，但是可以将这个缓冲时间进行合理化。当你冒着烈日回到家中，希望回到家中就能感受到空调调节的合适温度，这时只需要用手机控制家庭中空调就能做到，而如何做到这种控制？就需要STM32 的嵌入式开发板对家居与网络进行互连，将Zigbee 技术和嵌入式ARM 技术混合实现，通过Zigbee 技术收集空间中的物理信息，用嵌入式的智能网关对信息进行整合。最终连接网络，通过无线的方式进行远程控制，用户只用通过手机连接特定的无线网段进入家庭管理系统就能够远程控制家居运行。

3 总结

正是随着智能化的不断发展，人们越来越注重快捷高效的生活方式，而采用嵌入式为核心的智能家庭逐渐符合大众的选择，嵌入式家庭管理系统不仅免去了繁重的人工操作，也减少了家庭由于家居过多而导致的设备管理混论，随着计算机网络及嵌入式系统的不断发展与完善，具有嵌入式系统的家居将会不断普及，人们的生活将会不断趋于智能自动化。