基于ARM9智能家居系统设计

专业综合实训报告1佳木斯大学信息电子技术学院基于ARM9智能家居系统设计摘要：这是一套综合性智能家居系统，系统包含家电控制模块，远程监控模块，安全报警和预处理模块等一系列智能家居系统核心部分。本系统以ARM9微处理器为核心，采用ZigBee等无线通信技术，综合布线技术组成家庭无线通信网络。结合家电控制端模块与高度灵敏的传感器，达到准确操作和实时通信的效果。本设计有功能丰富，操作简单的特点。关键词：智能家居，嵌入式系统，GPS，ZigBee1.引言智能家居是利用计算机技术、综合布线技术、网络通信技术和传感技术等，按照人体工程学原理，把家居生活里的各种电子设备有机的结合在一起，通过网络化综合智能管理和控制的一种嵌入式系统。通信、电子、传感和网络技术的不断发展和人民生活质量的提高，家居生活里的电子产品不但种类越来越丰富，功能更加完善，应用也更加普遍，而且越来越智能化，最普遍的家居生活电子产品种类达到数百种，实现对如此多的家居电子产品的综合控制是智能家居发展的趋势。文中提出基于ARM9的无线智能家居控制系统，是以ARM9微处理器为核心，结合GPRS和ZigBee通信技术，根据实际的需要实现对家居电子设备进行本地和远程两种方式的无线控制，本地控制是指在本地通过互联网将控制指令传输给控制系统来实现各种家居电器的监控，远程控制是指用计算机网络或手机将控制指令传输给控制系统来实现对各种家居电器的远距离监控，这两种控制方式的结合将给我们的工作和生活带来极大的便捷，是未来智能化家居生活发展的必然趋势。（1）研究背景智能家电是计算机技术、电子技术、控制技术向传统家电产业渗透发展的必然结果。近年来随着信息化的普及应用，通讯的高层次化与自由化、业务量急速增加，以及人类对工作、生活环境的安全性、效率性、舒适性要求的提高，对家居智能化提出了强劲需求；此外在技术方面，由于电子技术、计算机控制技术、通信技术的飞速进步，也促进了智能家居的发展。目前通常把智能家居定义为利用计算机技术和电子控制技术，通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合的一个系统。也就是说，首先它们都要在一个家居中建立一个通讯网络，为家庭信息提供所需的通路，在家庭网络操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行体系，实现对连接在家庭网络上的家电和设备的监控。其次，它们要通过一定的系统界面平台，构成与外界的通讯通道，实现与家庭以外的网络互通信息，实现远程控制、监视和交换信息的，最终满足人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的越来越高的需求。进入21世纪，数字化技术取得了更专业综合实训报告2佳木斯大学信息电子技术学院加迅猛的发展并日益渗透到各个领域。随着Internet网向普通家庭生活不断扩展，消费电子、通讯、计算机一体化趋势日趋明显，智能化信息家电产品已经开始步入社会和家庭。智能家居在我国已经历了7年的发展。智能家居涉及不少行业领域：电子、通信、计算机、自动控制、建筑装饰等，在实际需求确定中最重要的一点不是智能化如何先进，产品如何高档，而是智能家居系统怎样与家居环境有机融为一体。智能家居怎样做到实用、易用、人性化，真正提高人们的生活品质，才是智能家居的发展方向。（2）国内、外智能家居的发展与现状早在1979年，美国斯坦福研究所就提出了在建筑物内将家用电器、电器设备的控制线统一为家庭总线的概念。之后，在美国成立了现代住宅研究会，专门从事这一顿域的研究。1983年，美国电子工业协会开始制定家用电器的设计标准。1984年，第一幢智能建筑在美出现后，美国住宅建筑者协会成立了现代住宅开发公司，开始有关基础性研究工作，并在1989年推出了将电力供应、空调控制和数据通信合成一个整体的布线系统示范单元。在这期间，智能住宅的概念在欧美等发达国家得到了广泛的认同和发展。欧洲在1985年把集成化的家居系统研究列为尤利龙计划，大力进行该方面的研究。在上世纪80年代，欧洲电器标准化委员会制定了家用数字总线标准，进一步规划了智能住宅的技术标准。在东南亚，新加坡的智能建筑技术研究处于领先水平，如宝德胜家庭智能化系统，已经用于30多个住宅小区。在“亚洲家庭电器与电子消费品国展览会”上展示的“未来之家”，其智能品质受到人们的普遍关注。由于我国的房地产，自动化技术等起步较晚，对智能住宅的研究刚刚起步，但己经引起了有关部门的高度重视。有关机构统计表明，全球家庭智能化市场的年平均增长率为8％，家庭网络市场总额为57亿美元，智能家居产品销售额达到140亿美元。为了抢夺这块“蛋糕”．国内众多企业纷纷试水该产业，包括TCL、海尔、清华同方等大型企业利用品牌优势系入该产业，而数干家中小企业也一日益成为行业中的生力军。业界人士认为，制约该产业发展有“三道坎”：一是由于智能家居产业国家还没有统一的行业标准，很多中小企业各自为政，相互间的产品不具兼容性；第二，由于技术人员投有做深入的市场调查，开发出的产品虽然技术上具有先进性，但实用性差，操作复杂，与市场需求脱节：第三，由于技术上需要投入大量研发资金，一些中小企业没有能力持续创新，更难形成规模生产，造成产品价格居高不下。总的来说，我国智能家居信息化有着广泛的市场前景，研究适合于中国国情的智能家居系统必然有着巨大的市场前景。（3）系统的需求分析经过前几年各商家、媒体对家居智能化概念性的宣抟，现在消费者对智能家居产品已经不断熟悉。有关调查显示，消费者已经接受了智能家居这一产品的概念且有购买意向。而在家电控制产品价格方面绝大多数的消费者的承受价位在专业综合实训报告3佳木斯大学信息电子技术学院5000元以内，近l／3的消费者承受价位在2000元以下。然而时至今日，国内厂家自行研制、开发的智能家居产品不太成熟，而有一些国外的知名品牌由于价格太高，无法满足国内市场的需求。所以智能化家居产品的确蕴涵了无限商机。但是要真正挖掘如此大的市场，则需要研究消费者的深层需求哪。嵌入式技术在最近几年得到了广泛的发展。嵌入式处理器的性能得到了显著的提高，这就为以嵌入式为基础的智能化家居系统的发展奠定了硬件基础，使较复杂的检测和识别算法在系统中得到应用。在软件方面，出现了丰富的支持嵌入式设备的软件，使嵌入式系统的开发的难度降低。出现了大量专注于嵌入式的企业，使嵌入式开发中能得到良好的技术支持。同时智能化家居的概念也更加明确。相关的智能化技术得到了显著的发展，使开发能获得大量先进的资料。随着互联网技术的发展，宽带网络在全国范围内迅速扩展。许多新建住宅小区都将以太网铺设到了用户家庭，使得整个小区的居民通过以太网实现宽带上两成为可能。同时，随着社区服务的完善。智能小区需要通过一个安装在每个家庭的终端设备实现信息发布、物业管理、三表传送、紧急求助等功能。以往，这样的信息终端和社区服务中心通过铺设专线，如485总线来进行连接，工程量大，故障率高，且由于只能采取主机轮循方式而效率较低。如果能够利用已经铺设到用户家庭的、现成的、稳定的以太网络组建社区综合服务体系是一项非常有意义的事情。而目前基于以太网的信息终端通常采用32bit的微处理器和Linux等通用操作系统，这种结构开发周期短、功能强、信息交换速率高、但致命的是成本太高，这也是一直在国内无法推广的主要问题。因此，向智能小区的每个住宅提供一个基于16/32位MCU连接以太网的低成本信息终端。不仅具有实用价值，而且市场前景也相当广阔。2.无线智能家居控制系统总体结构及功能设计中提出的基于ARM9的无线智能家居控制系统主要包括ARM9核心控制模块，无线通信模块、LCD触摸屏模块和家居电器，另外还有传感检测，语音报警和电源等模块。系统总体结构模型图如图1所示。图1结构模型图ARM为整个系统的控制核心，通过GPRS和ZigBee无线通信网络的收发控制指令实现对家居电器进行综合监控，同时提供防火墙的功能，阻止外界对家庭内部设备的攻击和非法访问。无线通信模块分为本地和远程两部分，本地通信主要ZigBeeARM9控制核心S3C2440计算机传感器模块语音报警模块电源模块LCD显示模块GPRS通信手机模块专业综合实训报告4佳木斯大学信息电子技术学院通过新型的ZigBee无线通信技术实现系统与家居电器的通信，达到对其控制；远程通信是利用手机通过GPRS通信网络或利用计算机通过互联网实现人与控制系统的通信，进而达到对家居电器的远程监控。采用无线通信技术省去了布线使家居布局更加灵活，远程控制使家居电器工作更加贴近人们的工作和生活要求。（1）智能家居控制系统的具体功能包括：家居电器综合监控：对所控制的家居电器进行开关、工作参数的设置和工作状态的检测。安全防盗：家居中的所有与控制系统连接的电器设备均可实现与主人通信，一旦盗贼对某设备进行操作，或某设备工作状态异常时，系统将立即通知主人，以达到安全和防盗的目的。自动报警：当检测到家居环境的温度、湿度、煤气、烟气等超标，或检测到有陌生人强行开启室门或进入室内时就自动报警，告知居室主人。室内环境信息采集：采集家居环境的温度、湿度信息和煤气、烟气等有毒气体的检测。远程控制：用户远程可以通过手机短息或互联网对家居电器进行控制或工作状况查询。本地控制：用户在本地可通过计算机或家居电器本身的操作键对家居电器进行监控。（2）系统硬件实现系统硬件主要由ARM9微处理器、ZigBee通信技术、GPRS通信网络、LCD触摸屏、语音报警和电源等模块组成。①ARM9微处理器微处理器我们采用三星公司的ARM9(S3C2440)。S3C2440是一款高性能32位的RISC微处理器,采用了ARM920T内核，0.13um的CMOS标准宏单元和存储器单元，最高主频可以达到400MHz，提供多款液晶屏配置。ARM920T实现了MMU，AMBABUS和Harvard高速缓冲体系结构，这一结构具有独立的16Kb指令Cache和16Kb数据Cache，每个都是由具有8字长的行组成。通过提供一套完整的通用系统外设，无需配置额外的组件从而减少整体系统成本，为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。应用范围：ARM9处理器是多种应用中先进数字产品的核心ARM9系列处理器可为要求苛刻、成本敏感的嵌入式应用提供可靠的高性能和灵活性。丰富的DSP扩展使SoC设计不再需要单独的DSP。此外，PPA特别适合各种应用。消费品智能手机、PDA、机顶盒、PMP、电子玩具、数码相机、数码摄像机等。联网无线局域网、802.11、蓝牙、Firewire、SCSI、2.5G/3G基带等。汽车，电力火车、ABS、车身系统、导航、信息娱乐等。嵌入式USB控制器、蓝牙控制器、医用扫描仪等。存储硬盘控制器、固态驱动器等。专业综合实训报告5佳木斯大学信息电子技术学院性价比：从单一设计到永久拥有采用多种处理器授权使用方式提供单次使用许可、多期许可和永久使用许可也可以硬宏形式提供，从而缩短上市时间，降低设计风险。体系：在ConnectedCommunity中，有650多名成员支持ARM9处理器。业界范围广泛的编译器、调试器和RTOS工具体系众多设计服务合作伙伴可帮助完成设计任务大量第三方IP可与处理器集成。特点：基于ARMv5TE体系结构高效的5阶段管道，可增加吞吐量和提高系统性能提取/解码/执行/内存/写回同时支持ARM和Thumb®指令集高效ARM-Thumb交互操作允许最佳组合性能和代码密度哈佛体系结构-独立的指令和数据内存接口增加了可用内存带宽同时访问I&D内存改进了性能31x32位寄存器32位ALU和桶式移位器增强型32位MAC块CoreSight™ETM9接口用于增强型调试和跟踪功能标准AMBA®AHB™接口协处理器接口内存控制器内存控制器②无线通信网络GPRS网络是覆盖范围最广，性能较为完善的无线网络，GPRS网络本身具有较强的数据纠错能力，数据传输速率最高可达128Kb/s，能够保证数据传输的可靠性和实时性。ZigBee技术组成的无线传感器网络结构简单、体积小、成本低；采用GPRS网络进行数据传输的模块体积小、功耗低，适合作为无线传感器网络的数据节点，ZigBee技术与