嵌入式系统在智能家居环境中的应用

尹虎 于娟 戚明珠

（威海北洋电气集团股份有限公司 山东省威海市 264200）

科学技术的发展使社会生活呈现网络化，科技服务已经进入千家万户当中，智能化系统已经成为大势所趋，是人们在房屋装置当中更为需要的家居体系。智能家居是以住宅为平台，引入计算机技术、嵌入式技术、无线网络、通信技术、自动化技术、音频视频技术，进行融合型的家居构造与智能化管理。通过便捷性APP可以使得住户远程控制家电，并以自动提醒、自动报警的方式规避家庭住宅中煤气泄漏、门窗未密闭风险。因而，智能家居已经成为大势所趋，逐渐改变了人们生活与工作的方式。对此，本文将详细探究利用超低功耗的嵌入式处理器进行智能家居产品设计，如何满足用户高效便捷安全的智能生活。

1 智能家居发展现状与发展趋势

我国智能家居产业起步较晚，二十世纪末才将智能家居概念引入国内，海尔集团、长虹公司陆续推出了智能家居体系，2015年华为公司开始独立开发智能家居品牌，随后小米、百度、360、腾讯、京东、美的等公司也相应推出智能家居产品。20年来，我国智能家居产业从一无所有到开始引进智能家居概念，而后经由各大优势厂牌的推进与发展，使得我国智能家居逐渐成为产业链，并与新时期大数据系统、云空间、5G通信、智能语音等技术相融合，使我国智能家居市场规模逐步扩大。但目前智能家居主要分布在一线城市，智能家居技术标准不统一且成本较高，智能家居体系建立未能完善。但随着人工智能与大数据技术等新兴技术不断发展，5G通信技术的广泛应用，都深刻影响着智能家居的未来发展。就目前智能家居未来发展现状而言，各厂牌之间的通信力度不断强化，智能家居技术标准能够逐渐趋于统一，且未来智能家居已经朝着全民化方向发展，低成本、低功耗、便捷、智能、安全、舒适等特点已经成为人们选择智能家居的重要原因。除此之外，新技术的不断推出，使得智能家居体系包含了更多智能控制方式，扩大了智能控制范围，使得智能家居体系更完善。

2 系统相关技术与整体设计

2.1 系统基本需求分析

智能家居主要发挥了计算机技术优势，与家电设备进行协同工作，使得家居设备能够通过远程控制方式，进行家居设备的开关与调节。例如，可以通过手机、电脑，远程打开家中电器设备，调节室温，对空调、电视等电器设备进行调节。除此之外，智能家居能够对家庭内部环境的各项指标进行检测，从温度、湿度、光照强度等方面入手，通过传感器采集数据，进而营造最适宜家居的环境。智能家居还能够利用其安防看护功能，照顾家中老人、小孩与宠物，性价比较高。

2.2 系统总体设计方案

智能家居体系通过服务端与客户端对家居内部加电网络等进行总体控制，并根据家居环境的实际情况进行各类数据的采集，与防盗预警系统相连接，提高智能家居安全防护能力。其中PC客户端主要是为了服务智能家居的用户，与其之间形成交流互动，在客户端页面当中进行用户信息注册登记，让用户了解家庭内部温度、湿度、光照等相关信息，获取摄像头内容。嵌入式网络服务器能够强化数据传输能力，使家电模拟端与客户端之间形成有效的数据传输通道，将视频内容、音频内容、数据信息、传感器数据等相应情况传递到客户端。同时，用户能够注册登录进行密码修改。Wi-Fi无线传输主要是进行服务器与家电模拟端的数据透传。家电模拟器能够对家庭内部湿度温度光照进行循环采集，并通过Wi-Fi传输给服务器。

2.3 嵌入式技术

2.3.1 嵌入式系统框架

嵌入式系统的构建需要整合计算机技术，在互联网基础上进行系统搭建，进行软件与硬件的设计，提高CPU存储器的整体性能，并联合软件系统当中操作系统、文件系统与驱动系统进行模式优化。嵌入式系统依据用户的具体需求，进行数据模拟与运算，大大降低了功耗，且具有体积小的优点。利用人机交互模式，通过函数接口，进行嵌入式操作系统运营。

2.3.2 ARM处理器与其体系结构

ARM以微控制器行业为主，具备性能高、价格低、能耗低等优点，通过32位的RISC处理器进行精简指令发布。嵌入式处理器内部包含MCU、MPU、DSP、SOC等系统，根据不同场合启动不同类的处理器。ARM体系结构主要以工作模式、工作状态、指令系统为基础，其执行指令定长且执行指令的数目较少，使得处理器的执行处理速度较快，存储量大。

2.4 无线通信Wi-Fi技术

无线通信Wi-Fi可靠性高，数据冲突与数据错误等出现频率极低，物理兼容性强，且成本低、功耗低。以SOC芯片为基础的Wi-Fi无线传输，能够兼容Wi-Fi2012版本，该技术的安全性较高，可以通过加密技术来保障数据传输的安全性，且延时短。在通信与搜索设备下，其延迟等待时间较短。

2.5 网络通信技术

在网络通信技术当中，以网络通信协议为基础，可以检测网络传输中的差错，并对其进行纠正，该技术借助传输层协议进行三次握手和四次挥手，以保障通信连接稳定，数据传输准确。这对于需要大量数据传输且保障数据传输精准无误，能够及时通知用户，并进行账户管理的智能家居体系而言，是极为必要的。在网络连接过程当中，采取Socket编程技术，通过特殊的文件描述，沟通两台主机之间的通信通道，以流式套接字、数据报套接字、原始套接字等方式为基础，进行IP地址访问。将嵌入式系统技术、Wi-Fi技术与网络通信技术融入到智能家居体系当中，能够最大化地实现嵌入式服务器与智能家居其他模块之间的连接。

3 智能家居硬件系统

3.1 嵌入式网络服务器模块

以Exynos4412为核心处理器的嵌入式网络服务模块，搭载三星Exynos4412四核处理器，利用32位的RISC处理器进行系统运载，同时连接DDRⅢ双通道64bit内存单元、eMMC存储单元、USB HUB芯片USB3503、Samsung电源管理芯片S5M8767四个单元，并配以外围设备版的相关设备，进行服务器模块的整体搭建，从而构建出嵌入式Linux系统。通过USB接口将摄像头与服务器相连接，实现服务器与摄像头互联互通，完成视频采集，沟通家电模拟之间的信息通道。

3.2 无线通信模块

以CC2530为核心处理器，能够支持Wi-Fi2012协议的无线视频，单片机正常运转，且电压就低兼容性较强，功耗较低。通过无线通信的接口，能够进行AD采样实验、串口实验。利用天线进行无线信号接收，同时能够外接传感器。该硬件设备整体体积较小，重量较轻，拓展性与可靠性较强。以Wi-Fi为基础，打造智能家居体系、无线通信模块，进行内部设备无线连接，功耗消耗低、能组网，能够满足家庭内部智能家居的设备需求。

3.3 视频监控模块

视频监控模块主要是利用摄像头与数据传输系统，将视频的实时画面传输至用户端，以便于用户能够观察家中内部情况。因而在摄像头的选择上，需要满足稳定性高、传输数速率快等特点。同时，摄像头需要带有USB接口，能够与网络通信设备相连接。因而从成本方面考虑，是摄像头不需要投入过高成本，满足用户基本使用情况即可。通过USB端口将摄像头与网络相连接并与家电模拟端进行妥善连接。进而客户端能够接收到摄像头的视频信息数据。在摄像头的选择上，只要满足用户能够清楚观看智能家居内部基本情况即可。摄像头通过USB口与嵌入式网络服务器模块相连接，将视频数据传输给服务器。

3.4 家电模拟模块

在家电设备模拟板块主要以家电设备、电路板和DHT11温湿度传感器为主。LPC11C14微控制器电路板不需要借助外部振荡器也能够进行工作，其功耗较低、性能较好，具备简单指令集与统一寻址等优点，并降低了代码长度。因而，能够契合智能家居的需求。温湿度传感器主要集成了数字模块采集技术、温湿度传感技术，并对其进行了数据信号输出校准，使得温湿度传感器的可靠性与稳定性大大提高。在家电模拟板块上，利用电路板、蜂鸣器、温湿度传感器、光敏传感器，能够完成对智能家居内部家电的控制与家居环境信息采集，并能够将采集的数据信息传输至用户客户端。

4 智能家居系统软件设计

4.1 软件总体设计框图

在进行嵌入式智能家居组建过程当中，软件部分与硬件部分在嵌入式系统当中的具有极其重要的作用。硬件部分与软件部分紧密相连，二者完美结合才能够推进智能家居系统运行。软件总体设计框图以Wi-Fi无线通信、实时视频监控与以太网通信为基础，通过Wi-Fi无线通信连接家电控制端，并与实时监控系统、以太网通信系统共同连接网络服务器端。以太网通信同时需要连接PC客户端。

4.2 系统通信协议

系统通信协议需要包含客户端与服务器之间的通信协议和服务器与家电控制端的通信协议。通过统一的通信协议，才能够保障智能家居系统传输的数据准确性较高，在客户端与服务器之间通过TCP协议通信连接，并与应用层进行数据包格式定义，并兼有确认机制。数据包格式应包括报文类型、功能号、数据长度、数据内容。其中，报文类型主要指的是通信双方身份，功能号是指用户进行何种操作，数据长度是指数据包当中JSON格式的数据长度与大小，数据内容是指数据包所携带的数据信息。服务器与家电控制端的通信协议数据包格式内设有设备编号信息，通过设备编号进行同类设备区分。

4.3 应用程序的设计

智能家居体系以QT为应用程序，进行程序设计与开发。该程序利用信号与槽取代GUI工具包，以回调函数进行程序编写，使得通信程序编写更为简单。利用Qt Creator进行主页面开发，将头文件、源文件界面、文件资源以及其他文件加入到创建的工程之内。应用程序设计开发完成后，利用客户端进行用户信息注册与存储，同时能够在客户端页面将温湿度、光照信息、天气、日期、家电具体情况等基础信息进行整合显示。应用程序设计过程当中，还能够与智能家居系统其他家居电器相结合，优化自动花草浇水，自动控制电器电源开关、自动控制家庭网络、家庭影院与家庭影音视频等。在对应用程序设计过程当中，可以联通家居内部的各类电器，对其进行总体设计与分项管理。能够通过应用程序对个人健康进行整体管理，监测家居体系内部人员每日运动量，测量血压、血脂、体脂率等。同时对家庭的宠物、老人、小孩进行远程照看。以与智能语音等方式进行家电控制，家庭电器的开关与调节都可以通过语音控制实现。除此之外，电器系统、防盗报警系统、窗帘、门禁、空调、太阳能等，都可以借助应用程序进行远程手机、电脑控制，在服务器当中对其进行源代码开发，在主页面内将各类家具控制系统融入其中。

4.4 服务器程序的设计

服务器程序设计关乎智能家居系统的整体运营，是数据交互的核心，能够完成客户端与家电模拟编织之间的数据分析处理。开启服务器程序运营端，进入客户端连接服务器，并与家电模拟端的数据包相连接，通过服务器进行数据包解析，从而能够获知用户的基本信息，如家电控制开关、摄像头、温湿度、光照等相关数据。

客户端运行界面主要包含登陆主界面、控制子界面、视频子界面等。登录界面需要包含端口设置，用于用户注册、登录、密码设置。通过端口进行服务器IP和端口连接，从而在服务器之间搭建沟通桥梁，完成用户注册，将用户名称、密码、手机号等基本信息录入到系统当中。服务器当中，家电模拟端需要进行数据解析，通过循环读取Wi-Fi串口家电模拟端的数据信息进行基础信息分析，将实时工作信息进行及时整理，随后将客户端与服务器之间的通信信息进行打包，发送至客户终端平台。

4.5 Wi-Fi网络功能软件设计

Wi-Fi以IAR集成开发环境为主，该开发环境是交叉编译器的一款，与其他编译器相比，IAR具有完整、稳定、容易使用等特点，是专业嵌入式应用最为适宜使用的开发工具。通过Wi-Fi终端进行LPC11C14微处理器开发，并进行硬件环境测试，并搭配GBE协调器，以串口调试助手的软件环境为基础，进行整体的通信测试。Wi-Fi作为调节器，通过USB转串口与嵌入式网络服务器之间搭建桥梁。沟通嵌入式服务器端，通过透传模式将服务器与家电模拟端之间进行互通。通过API总线形式进行家电模拟端信处理。由此，需要率先在调节器与终端节点之间进行组网，利用调节器进行网络组件初始化。并通过信道扫描、选择信道、设置网络ID号等步骤，进行协调器节点创建。在终端节点，通过申请的方式加入设置的网络ID号，有此能够通过Wi-Fi进行通信。

4.6 家电模拟端软件设计

ARM公司率先推出RealView MDK，是微控制器专业嵌入式开发工具。将RVCT作为基础工具进行软件平台开发，该工具在编辑、工程管理以及编辑方面具有较强优势。在进行家电模拟端软件设计的过程当中，利用Wi-Fi与服务器之间进行无线连接，并通过串口连接的方式，将其作为协调器API总线，用于Wi-Fi的终端节点。因而，通过API即可完成与服务器之间的数据交互。在家电模拟端，需要将温湿度、光照信息等基本情况通过服务器传输到后台，后台对数据包进行解析，从而利用功能号进行功能操作。例如，在进行温湿度调节时，操作完毕以后服务器会发送确认包，在后台录入操作已完成等相关信息。

4.7 智能家居语音识别系统设计

智能家居系统的语音识别技术控制，以单片机为核心，进行语音识别模块建立，从而让智能家居系统内部服务器能够精准识别的语音信号，并对语音进行识别，同时在语音识别系统当中录入多种方言，以满足各类人群的需要。通过单片机进行语音结果识别，而后经由无线发送模块将识别结果传送到其他单片机模块，从而实现对智能家居内部家电控制的目的。由此，依托单片机主控模块为基础性核心部分，并装置电源模块接收端用以提供电能，以语音识别模块为基础，对其输入识别语音的命令，并经由无线模块进行信息传送。由此，语音识别技术、智能家居控制与串口通信技术是在进行智能家居语音控制系统设计过程当中至关重要的技术内容。在语音识别部分装有无线模块、家居连接端、程序下载接口、晶振、瓷片、电容电阻等器件。在智能家居体系当中，选择需要进行语音控制的家居内容，系统根据家居产品目前所处状态进行相应活动，而后发出指定的语音识别命令，对其进行语音控制。

5 智能家居的嵌入式系统搭建

5.1 交叉编译环境的搭建

交叉编译是由于开发阶段与运行环境所使用的服务器版本有所不同，因而需要以交叉编译的方式强化服务器后期运营的整体环境。交叉编译工具可以选择从网络上下载进行交叉环境的搭建。在ubuntu当中借助cd～命令进入home目录当中，创建toolchain目录。随后，将交叉编译压缩包添加到该目录之下并进行解压，然后添加环境变量，并重启配置文件。交叉编译程序安装好之后，即可在其他平台进行运营。

5.2 tftp和 nfs环境的搭建

tftp是简单文件传输协议，主要是将下载内核镜像和设备树等相关文件传送至开发板之上。该服务器是建立在ubuntu之上的，虚拟机和外网需要联通ubuntu与网络，且需要保证DNS配置正确。在安装tftp服务软件时，需要保证客户端与服务器都安装成功。随后需要进行tftp服务软件权限和参数的设定，创建tftpboot根目录，改变服务软件的权限，并转变其服务路径。以系统验证的方式进行tftp程序检验。nfs是网络文件系统，该系统能够直接利用系统服务器上的文件，极为适用于程序调试与文件系统，其安装程序与tftp大致相同。

5.3 嵌入式Linux操作系统的移植

嵌入式Linux操作系统移植需要先进行Boot loader移植。需要在网络当中下载U-boot，将其放入Ubuntu当中进行解压。解压之后，通过指定的交叉编译工具链对其进行Makefile修改，将产品的CPU嵌入到程序当中。引导程序源码，并指定对应的开发板创建文件，增加ARM板的外设支持，全部完成后即可进行make编译。内核移植方面需要下载内核压缩文件，修改Makefile文件，并添加交叉编译链，通过mack menuconfig进行内核配置。对内核进行编译，应对设备数文件进行修改，将内核文件与设备树文件拷贝到tftpboot目录之下，修改启动参数，进行内核移植。

5.4 SQLite3和JSON的移植

SQLite3作为开源数据库文件，其功能较为强大，体积小、运行快、性能优，利用该系统能够较为容易备份。在嵌入式智能家居体系当中，以该系统为基础进行智能家居系统整合更具优势，也是最为常用的嵌入式轻型数据库。利用交叉编译器进行SQLite3库的交叉编译，从网上下载数据库的压缩包，并进行源码包目录解压，创建home目录，保存生成的文件。将生成的动态库加入到系统的目录当中，随后在服务器程序开发板上进行指令执行。

JSON是轻量级的数据交换格式，在编写和阅读方面具有较大优势，记忆解析与生成作为数据交换语言而言是极为理想的，能够强化智能家居嵌入式体系的客户端与服务器之间的通信协议中数据包的数据内容。

6 结束语

智能家居体系实质上是以远程控制家电、视频安全防护、环境数据采集为基础的，新型家居智能环境。以嵌入式系统作为智能家居的处理器，用以维护服务器程序的整体运营环境，并连接摄像头进行实时的监控画面传输，使用户能够了解家居内部情况。通过Wi-Fi进行无线通信搭建，联通服务器、客户端、家电模拟端。并通过各类编程方案进行智能家居体系的搭建与设立。嵌入式智能家居体系在成本、功耗、性能等方面皆占据优势地位。在物联化、智能化、集成化的未来，家居体系必然成为人们生活当中必不可少的家居内容。