智能家電控制系統的方案設計
2.1?智能家電控制系統設計
2.1.1?智能家電控制系統的解決方案
綜合各方面因素考慮，我們設計出本系統的智能家電控制系統的解決方案，如圖 2.1 所示。
圖 2.1 智能家電控制系統的解決方案本文所完成的主要功能包括系統的家庭網(wǎng)關(guān)部分（系統的控制中心）、各功能節點(diǎn)部分（包括家用電器開(kāi)關(guān)控制節點(diǎn)、溫度采集節點(diǎn)、電量檢測節點(diǎn)、視頻采集節點(diǎn)等）和網(wǎng)絡(luò )通信部分（包括下文介紹的 SWSN 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )、WIFI 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和 GPRS 通信），服務(wù)器軟件和手機端控制軟件由其他組員設計完成。每一部分都各具特色，并且可以在現有的基礎上進(jìn)行添加和裁剪，各部分提供的接口也方便以后升級和集成到家庭網(wǎng)關(guān)上，通過(guò)這些來(lái)滿(mǎn)足客戶(hù)的需求。由于芯片加工工藝的水平和芯片設計提高了，使得 SoC的功能越來(lái)越強大。目前市場(chǎng)上服務(wù)器主要用于存儲智能家電控制系統中傳輸的數據，同時(shí)可以網(wǎng)絡(luò )控制智能家電系統。
（二）嵌入式智能家電控制系統的網(wǎng)絡(luò )
目前通信方式很多，錯綜復雜，其中無(wú)線(xiàn)通信是其中比較熱的一環(huán)，由于其具有很好的移動(dòng)性能、不需要布線(xiàn)、拓展性好等特點(diǎn)使其成為智能系統的首選。由于家中的設備具有位置固定不動(dòng)的缺點(diǎn)，考慮到其中的布線(xiàn)麻煩且不具有移動(dòng)的特性，所以智能家電系統中選擇無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )。無(wú)線(xiàn)協(xié)議有也有很多，選擇時(shí)要考慮傳輸數據量的大小，根據傳輸量選擇合適的協(xié)議進(jìn)行傳輸。像智能家電系統中傳輸控制命令（如家用電器的開(kāi)關(guān)）、查詢(xún)狀態(tài)（如照明燈是否亮）、數據時(shí)間段的檢測（如電器用量的檢測和溫度傳感器檢測）等少量數據，并且不需要很高的速度傳輸數據，可以選擇 SWSN（無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )）協(xié)議進(jìn)行通信、Zig Bee、紅外通信。從用電量、功耗、可靠性、體積和成本考慮，SWSN 協(xié)議比較符合智能家電控制系統的組網(wǎng)，它需要的成本相對來(lái)說(shuō)是最低的并且功耗也相當的低，傳輸的距離能夠滿(mǎn)足需求。不過(guò)對于大數據傳輸（像視頻、高清圖片、大數據等）可以選擇 WIFI 進(jìn)行數據傳輸通信。
（三）與外部的通信方式
智能家電系統要實(shí)現智能必須實(shí)現與外部進(jìn)行通信，而與外部通信的方式有很多，如有線(xiàn)通信（有線(xiàn)調制解調器和 ADSL 等）和無(wú)線(xiàn)通信（WIFI 和 GPRS 等）。本文中選擇WIFI接入服務(wù)器與外部通信，用戶(hù)只需要登錄服務(wù)器就可以控制智能家電控制系統。并且前文已經(jīng)選擇了 WIFI 通信了，這樣可以為系統節省不小的成本和降低系統的復雜度。當你在外地或偏遠的地區不能上網(wǎng)的時(shí)候，這時(shí)不能登錄 Internet 網(wǎng)，在遇到家中有急事的時(shí)候需要與家中的系統進(jìn)行交互時(shí)，考慮到這種情況，本設計增加了 GPRS 通信，這種方式具有響應快的性能，緊急事件的通知可以選用這種方式。
（四）嵌入式操作系統的選擇
（1）嵌入式系統內核要小。嵌入式操作系統一定要遵循小系統、低成本、能夠兼顧系統的有限資源，內核要比通用操作系統?。ɑ蚓哂胁眉舻男阅埽?。選擇 CPU 時(shí)要考慮功耗、性能、價(jià)格、資源、體積、高集程度等，使許多功能模塊需要完成的任務(wù)集成到芯片上來(lái)實(shí)現，簡(jiǎn)化整個(gè)系統，使系統的的面積盡量的縮小。
（2）專(zhuān)用性要強（或具有裁剪性）。許多通用的操作系統結構非常復雜，功能也很強大，主要是為 PC 系統服務(wù)的，嵌入式操作系統是為完成某項或某些任務(wù)。嵌入式系統是要進(jìn)行軟硬件裁剪的，一般的 PC 系統不具有這樣的功能，所以要選擇小型具有裁剪特性的操作系統來(lái)滿(mǎn)足設計要求。
（3）要具有現代系統的特點(diǎn)。隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展和人民生活水平的提高，人民對嵌入式系統的要求也越來(lái)越高，他們需要在執行一項任務(wù)的時(shí)候，還要完成別的任務(wù)。因此選擇的嵌入式操作系統要具有并發(fā)、共享、虛擬、異步等現代操作系統的特點(diǎn)。同時(shí)網(wǎng)絡(luò )性能要強，能夠滿(mǎn)足增加新網(wǎng)絡(luò )的功能。杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文用于控制的芯片種類(lèi)繁多，并且都各具優(yōu)勢。本設計使用的是基于arm920t 核的一款性?xún)r(jià)比很高的控制器 S3C2440，這款控制器具有價(jià)格低、性能高、多接口、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，非常適合智能家電控制系統的網(wǎng)關(guān)設計。對于智能家電控制系統的通信方式，根據上文的分析和結合智能家電控制系統的自身特點(diǎn)，本設計選擇的是 SWSN 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和 WIFI+GPRS 網(wǎng)絡(luò )的組合，既考慮到低速少數據傳輸，也顧忌到大數據傳輸，同時(shí)兼顧后續升級，是一個(gè)合理的選擇。各個(gè)節點(diǎn)的實(shí)現都遵循圖2.2的機制：功能實(shí)現部分+MCU+通信部分。功能部分就是上文中所提到的功能，它們的實(shí)現需要MCU 的控制，MCU 再利用通信部分與家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數據通信，完成各節點(diǎn)所要實(shí)現的功能。
整個(gè)系統的通信都是采用無(wú)線(xiàn)的方式，可以在一個(gè)人性化的距離范圍內擺放智能家具，滿(mǎn)足現代人們對生活的需求。由于本系統采用的 SWSN 協(xié)議，使得系統的成本大大降低，能夠很好的推向市場(chǎng)。下面分析一下本系統設計中的關(guān)鍵問(wèn)題。
2.1.2 系統設計的關(guān)鍵問(wèn)題分析
系統的設計是智能家電控制系統的重要一環(huán)，關(guān)系到整個(gè)系統的性能和可行性，需要對系統中的幾個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題進(jìn)行分析，確保系統方案能夠合理的進(jìn)行。
（一）智能家電控制系統的各部分組成
智能家電控制系統由家庭網(wǎng)關(guān)、各個(gè)節點(diǎn)模塊、節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )和服務(wù)器等組成。它們之間或用總線(xiàn)接口連接，或用網(wǎng)絡(luò )連接，共同組成一個(gè)智能家電控制系統。
（1）家庭網(wǎng)關(guān)是智能家電控制系統的大腦組成部分，是整個(gè)系統的核心控制器。家庭網(wǎng)關(guān)作為系統的總控單元，需要完成許多功能：要根據各種協(xié)議通信方式從相應的網(wǎng)絡(luò )或總線(xiàn)獲取各個(gè)功能節點(diǎn)的數據信息，并分析這些傳送的數據信息，最后根據分析的結果做出一些合理的指示，并把這些指示通過(guò)相應的網(wǎng)絡(luò )或總線(xiàn)傳送到相應的節點(diǎn)模塊，各個(gè)節點(diǎn)模塊根據網(wǎng)關(guān)傳達的命令執行相應的功能，完成系統所交付的任務(wù)。家庭網(wǎng)關(guān)還必須提供網(wǎng)絡(luò )功能，讓用戶(hù)能夠遠距離通過(guò)網(wǎng)絡(luò )平臺操控智能家電系統。
（2）各個(gè)節點(diǎn)模塊主要完成系統指定的功能，其中包括家用電器的開(kāi)關(guān)、電量的智能檢測、溫度的采集等，各個(gè)節點(diǎn)模塊分工合作，完成智能家電系統的控制功能。
（3）節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )（SWSN）是智能家電控制系統的中心樞紐，負責將系統中的各個(gè)智能家具連接起來(lái)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò )，與系統中的家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，實(shí)現真正的家電智能和智能控制，打破傳統技術(shù)的壁壘。
（4）具有開(kāi)源的特性。嵌入式系統對內核要求很高，不但代碼量要輕，還要具有開(kāi)源的特性。在設計嵌入式系統時(shí)，要經(jīng)常對操作系統進(jìn)行裁剪和內核的修改，使其更加適合系統的需求，能夠修改內核源碼的系統一般都要具有源碼開(kāi)放的特性，所以在設計系統時(shí)要選擇源碼開(kāi)放的操作系統。根據上面的設計要求，我們選擇目前用戶(hù)量最多的 Android 系統。這款系統具有源碼開(kāi)放的特性，支持系統的裁剪，且是免費公開(kāi)的，可以根據設計需求進(jìn)行合理的修改，而且系統對電源的管理和智能家電系統的許多功能都有支持，是嵌入式智能家電控制系統的首選。
