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關部分（系統的控制中心）、各功能節點部分（包括家用電器開關控制節點、溫度采集節點、電量檢測節點、視頻采集節點等）和網絡通信部分（包括下文介紹的 SWSN 無線傳感器網絡、WIFI 無線網絡和 GPRS 通信），服務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關上，通過這些來滿足客戶的需求。由于芯片加工工藝的水平和芯片設計提高了，使得 SoC的功能越來越強大。目前市場上服務器主要用于存儲智能家電控制系統中傳輸的數據，同時可以網絡控制智能家電系統。
（二）嵌入式智能家電控制系統的網絡
目前通信方式很多，錯綜復雜，其中無線通信是其中比較熱的一環，由于其具有很好的移動性能、不需要布線、拓展性好等特點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的缺點，考慮到其中的布線麻煩且不具有移動的特性，所以智能家電系統中選擇無線通信網絡。無線協議有也有很多，選擇時要考慮傳輸數據量的大小，根據傳輸量選擇合適的協議進行傳輸。像智能家電系統中傳輸控制命令（如家用電器的開關）、查詢狀態（如照明燈是否亮）、數據時間段的檢測（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（無線傳感器網絡）協議進行通信、Zig Bee、紅外通信。從用電量、功耗、可靠性、體積和成本考慮，SWSN 協議比較符合智能家電控制系統的組網，它需要的成本相對來說是最低的并且功耗也相當的低，傳輸的距離能夠滿足需求。不過對于大數據傳輸（像視頻、高清圖片、大數據等）可以選擇 WIFI 進行數據傳輸通信。
（三）與外部的通信方式
智能家電系統要實現智能必須實現與外部進行通信，而與外部通信的方式有很多，如有線通信（有線調制解調器和 ADSL 等）和無線通信（WIFI 和 GPRS 等）。本文中選擇WIFI接入服務器與外部通信，用戶只需要登錄服務器就可以控制智能家電控制系統。并且前文已經選擇了 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的時候，這時不能登錄 Internet 網，在遇到家中有急事的時候需要與家中的系統進行交互時，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 時要考慮功耗、性能、價格、資源、體積、高集程度等，使許多功能模塊需要完成的任務集成到芯片上來實現，簡化整個系統，使系統的的面積盡量的縮小。
（2）專用性要強（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 系統服務的，嵌入式操作系統是為完成某項或某些任務。嵌入式系統是要進行軟硬件裁剪的，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滿足設計要求。
（3）要具有現代系統的特點。隨著社會的發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越高，他們需要在執行一項任務的時候，還要完成別的任務。因此選擇的嵌入式操作系統要具有并發、共享、虛擬、異步等現代操作系統的特點。同時網絡性能要強，能夠滿足增加新網絡的功能。杭州電子科技大學碩士學位論文用于控制的芯片種類繁多，并且都各具優勢。本設計使用的是基于arm920t 核的一款性價比很高的控制器 S3C2440，這款控制器具有價格低、性能高、多接口、低功耗等優點，非常適合智能家電控制系統的網關設計。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，本設計選擇的是 SWSN 無線傳感器網絡和 WIFI+GPRS 網絡的組合，既考慮到低速少數據傳輸，也顧忌到大數據傳輸，同時兼顧后續升級，是一個合理的選擇。各個節點的實現都遵循圖2.2的機制：功能實現部分+MCU+通信部分。功能部分就是上文中所提到的功能，它們的實現需要MCU 的控制，MCU 再利用通信部分與家庭網關進行數據通信，完成各節點所要實現的功能。
整個系統的通信都是采用無線的方式，可以在一個人性化的距離范圍內擺放智能家具，滿足現代人們對生活的需求。由于本系統采用的 SWSN 協議，使得系統的成本大大降低，能夠很好的推向市場。下面分析一下本系統設計中的關鍵問題。
2.1.2 系統設計的關鍵問題分析
系統的設計是智能家電控制系統的重要一環，關系到整個系統的性能和可行性，需要對系統中的幾個關鍵性問題進行分析，確保系統方案能夠合理的進行。
（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關、各個節點模塊、節點網絡和服務器等組成。它們之間或用總線接口連接，或用網絡連接，共同組成一個智能家電控制系統。
（1）家庭網關是智能家電控制系統的大腦組成部分，是整個系統的核心控制器。家庭網關作為系統的總控單元，需要完成許多功能：要根據各種協議通信方式從相應的網絡或總線獲取各個功能節點的數據信息，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，并把這些指示通過相應的網絡或總線傳送到相應的節點模塊，各個節點模塊根據網關傳達的命令執行相應的功能，完成系統所交付的任務。家庭網關還必須提供網絡功能，讓用戶能夠遠距離通過網絡平臺操控智能家電系統。
（2）各個節點模塊主要完成系統指定的功能，其中包括家用電器的開關、電量的智能檢測、溫度的采集等，各個節點模塊分工合作，完成智能家電系統的控制功能。
（3）節點網絡（SWSN）是智能家電控制系統的中心樞紐，負責將系統中的各個智能家具連接起來組成一個網絡，與系統中的家庭網關進行通信，實現真正的家電智能和智能控制，打破傳統技術的壁壘。
（4）具有開源的特性。嵌入式系統對內核要求很高，不但代碼量要輕，還要具有開源的特性。在設計嵌入式系統時，要經常對操作系統進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放的特性，所以在設計系統時要選擇源碼開放的操作系統。根據上面的設計要求，我們選擇目前用戶量最多的 Android 系統。這款系統具有源碼開放的特性，支持系統的裁剪，且是免費公開的，可以根據設計需求進行合理的修改，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。
