智能家电控制系统的方案设计

2.1 智能家电控制系统设计

2.1.1 智能家电控制系统的解决方案

综合各方面因素考虑，我们设计出本系统的智能家电控制系统的解决方案，如图 2.1 所示。

图 2.1 智能家电控制系统的解决方案本文所完成的主要功能包括系统的家庭网关部分（系统的控制中心）、各功能节点部分（包括家用电器开关控制节点、温度采集节点、电量检测节点、视频采集节点等）和网络通信部分（包括下文介绍的 SWSN 无线传感器网络、WIFI 无线网络和 GPRS 通信），服务器软件和手机端控制软件由其他组员设计完成。每一部分都各具特色，并且可以在现有的基础上进行添加和裁剪，各部分提供的接口也方便以后升级和集成到家庭网关上，通过这些来满足客户的需求。由于芯片加工工艺的水平和芯片设计提高了，使得 SoC的功能越来越强大。目前市场上服务器主要用于存储智能家电控制系统中传输的数据，同时可以网络控制智能家电系统。

（二）嵌入式智能家电控制系统的网络

目前通信方式很多，错综复杂，其中无线通信是其中比较热的一环，由于其具有很好的移动性能、不需要布线、拓展性好等特点使其成为智能系统的首选。由于家中的设备具有位置固定不动的缺点，考虑到其中的布线麻烦且不具有移动的特性，所以智能家电系统中选择无线通信网络。无线协议有也有很多，选择时要考虑传输数据量的大小，根据传输量选择合适的协议进行传输。像智能家电系统中传输控制命令（如家用电器的开关）、查询状态（如照明灯是否亮）、数据时间段的检测（如电器用量的检测和温度传感器检测）等少量数据，并且不需要很高的速度传输数据，可以选择 SWSN（无线传感器网络）协议进行通信、Zig Bee、红外通信。从用电量、功耗、可靠性、体积和成本考虑，SWSN 协议比较符合智能家电控制系统的组网，它需要的成本相对来说是最低的并且功耗也相当的低，传输的距离能够满足需求。不过对于大数据传输（像视频、高清图片、大数据等）可以选择 WIFI 进行数据传输通信。

（三）与外部的通信方式

智能家电系统要实现智能必须实现与外部进行通信，而与外部通信的方式有很多，如有线通信（有线调制解调器和 ADSL 等）和无线通信（WIFI 和 GPRS 等）。本文中选择WIFI接入服务器与外部通信，用户只需要登录服务器就可以控制智能家电控制系统。并且前文已经选择了 WIFI 通信了，这样可以为系统节省不小的成本和降低系统的复杂度。当你在外地或偏远的地区不能上网的时候，这时不能登录 Internet 网，在遇到家中有急事的时候需要与家中的系统进行交互时，考虑到这种情况，本设计增加了 GPRS 通信，这种方式具有响应快的性能，紧急事件的通知可以选用这种方式。

（四）嵌入式操作系统的选择

（1）嵌入式系统内核要小。嵌入式操作系统一定要遵循小系统、低成本、能够兼顾系统的有限资源，内核要比通用操作系统小（或具有裁剪的性能）。选择 CPU 时要考虑功耗、性能、价格、资源、体积、高集程度等，使许多功能模块需要完成的任务集成到芯片上来实现，简化整个系统，使系统的的面积尽量的缩小。

（2）专用性要强（或具有裁剪性）。许多通用的操作系统结构非常复杂，功能也很强大，主要是为 PC 系统服务的，嵌入式操作系统是为完成某项或某些任务。嵌入式系统是要进行软硬件裁剪的，一般的 PC 系统不具有这样的功能，所以要选择小型具有裁剪特性的操作系统来满足设计要求。

（3）要具有现代系统的特点。随着社会的发展和人民生活水平的提高，人民对嵌入式系统的要求也越来越高，他们需要在执行一项任务的时候，还要完成别的任务。因此选择的嵌入式操作系统要具有并发、共享、虚拟、异步等现代操作系统的特点。同时网络性能要强，能够满足增加新网络的功能。杭州电子科技大学硕士学位论文用于控制的芯片种类繁多，并且都各具优势。本设计使用的是基于arm920t 核的一款性价比很高的控制器 S3C2440，这款控制器具有价格低、性能高、多接口、低功耗等优点，非常适合智能家电控制系统的网关设计。对于智能家电控制系统的通信方式，根据上文的分析和结合智能家电控制系统的自身特点，本设计选择的是 SWSN 无线传感器网络和 WIFI+GPRS 网络的组合，既考虑到低速少数据传输，也顾忌到大数据传输，同时兼顾后续升级，是一个合理的选择。各个节点的实现都遵循图2.2的机制：功能实现部分+MCU+通信部分。功能部分就是上文中所提到的功能，它们的实现需要MCU 的控制，MCU 再利用通信部分与家庭网关进行数据通信，完成各节点所要实现的功能。

整个系统的通信都是采用无线的方式，可以在一个人性化的距离范围内摆放智能家具，满足现代人们对生活的需求。由于本系统采用的 SWSN 协议，使得系统的成本大大降低，能够很好的推向市场。下面分析一下本系统设计中的关键问题。

2.1.2 系统设计的关键问题分析

系统的设计是智能家电控制系统的重要一环，关系到整个系统的性能和可行性，需要对系统中的几个关键性问题进行分析，确保系统方案能够合理的进行。

（一）智能家电控制系统的各部分组成

智能家电控制系统由家庭网关、各个节点模块、节点网络和服务器等组成。它们之间或用总线接口连接，或用网络连接，共同组成一个智能家电控制系统。

（1）家庭网关是智能家电控制系统的大脑组成部分，是整个系统的核心控制器。家庭网关作为系统的总控单元，需要完成许多功能：要根据各种协议通信方式从相应的网络或总线获取各个功能节点的数据信息，并分析这些传送的数据信息，最后根据分析的结果做出一些合理的指示，并把这些指示通过相应的网络或总线传送到相应的节点模块，各个节点模块根据网关传达的命令执行相应的功能，完成系统所交付的任务。家庭网关还必须提供网络功能，让用户能够远距离通过网络平台操控智能家电系统。

（2）各个节点模块主要完成系统指定的功能，其中包括家用电器的开关、电量的智能检测、温度的采集等，各个节点模块分工合作，完成智能家电系统的控制功能。

（3）节点网络（SWSN）是智能家电控制系统的中心枢纽，负责将系统中的各个智能家具连接起来组成一个网络，与系统中的家庭网关进行通信，实现真正的家电智能和智能控制，打破传统技术的壁垒。

（4）具有开源的特性。嵌入式系统对内核要求很高，不但代码量要轻，还要具有开源的特性。在设计嵌入式系统时，要经常对操作系统进行裁剪和内核的修改，使其更加适合系统的需求，能够修改内核源码的系统一般都要具有源码开放的特性，所以在设计系统时要选择源码开放的操作系统。根据上面的设计要求，我们选择目前用户量最多的 Android 系统。这款系统具有源码开放的特性，支持系统的裁剪，且是免费公开的，可以根据设计需求进行合理的修改，而且系统对电源的管理和智能家电系统的许多功能都有支持，是嵌入式智能家电控制系统的首选。