智能家居设计

摘要：

智能家居是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。本文提出通过嵌入式技术将家中的各种设备（如音视频设备、照明系统、窗帘控制、空调控制、安防系统、数字影院系统、网络家电以及三表抄送等）连接到一起，提供家电控制、照明控制、窗帘控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、以及可编程定时控制等多种功能和手段。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间；还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交互功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。本文以ZigBee作为内部通信方式，基于S3C2410为控制核心的智能家居解决方案。

关键词： 智能家居 嵌入式 总体设计

Abstract：

Smart Home is a residential platform, both buildings, network communications, information appliances, equipment automation, collection system, structure, services, management as one of the efficient, comfortable, safe, convenient, environmental friendly living environment. This paper presents a variety of devices in the home through the embedded technology (such as audio and video equipment, lighting systems, curtain control, climate control, security systems, Digital Theater Systems, Network Appliance, and copy the three tables, etc.) to connect with together, and to provide appliance control lighting control, curtain control, telephone remote control, indoor and outdoor, remote control, anti-theft alarm and a programmable timing control by a variety of functions and means. Compared with ordinary home, smart home not only has the traditional function of living to provide a safe and comfortable, high-grade and pleasant family living space; but also converted to a tool of active wisdom from passive static structure, to provide a full range of information and interactive features to help families smooth exchange of information with external optimize people's way of life, to help people effectively arrange a time to enhance the security of home life, and even save money for different kinds of energy costs.In this paper,the ZigBee as internal communication based on S3C2410 control core of intelligent home solutions.

Keyword: Smart Home Embedded Overall design

1 绪论 1.1 引言

智能家居系统(Smart home)是以住宅为平台，利用计算机技术、嵌入式技术、传感器技术、网络通信技术以及自动控制技术等将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。

图1.1 智能家居示意图

智能家居系统是个多功能的系统集成，一般可分成基本功能系统和扩展功能系统。目前，普遍认同的基本功能系统必须包括：智能家居系统中央控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统。扩展系统包括：家居布线系统、家庭网络系统、背景音乐系统、家庭影院与多媒体系统、家庭环境控制系统等。 1.2 智能家居系统发展现状

如何建立一个高效率、低成本的智能家居系统，己成为当今世界的一个热点问题。近年来，国际上许多大公司提出了相应的解决方案，但迄今为止，这一领域的国际标准尚未成熟。各国正努力研制适合于本国国情的智能家居系统。

国外智能家居系统市场展开的研发竞争激烈，欧洲、美国、加拿大、日本等国家及地区在提出了几种家居网络专用协议(如EIB、EHS、BatiBUS等)的同时也

将常见的现场总线，如CAN、DROFIBUS、FF、LonWorks等成功应用于家居网络中。

国外的许多大公司也看到了智能家居系统巨大的市场潜力，Itran、IBM、 Motorola、LG等国外大型IT公司纷纷参与智能家居系统的研发。大多数国外智能家居产品，主要注重于家庭内部的功能实现，其价格较高和联网能力差。目前，在国外比较成功的智能家居系统工程及研究成果有：IBM公司的网络化家居和梦幻空间(dream space)工程；HoneyWell公司的家庭自动化工程；Motorola公司的智能家居工程；亚利桑那大学的WAVES和12SEE项目；科龙公司的智能家居管理系统易威等。

近年来，我国智能家居系统的研究与开发也相当活跃。在研究国外标准的同时，我们国家也着手进行智能家居系统规范的制定工作。1997年一2002年，我国先后制定了系统的规范以支持智能家居系统在国内的推广，如《小康住宅电气设计(标准)导则》(讨论稿)、《全国住宅小区智能化系统示范工程建设要点和技术导则(试行稿)》、《智能建筑设计标准GB／T50314-2000》、《建设行业智能建筑试点项目住宅小区智能化系统工程验收评估标准》等。

国内多家公司也积极参加智能家居系统的开发，如上海复瑞华信息技术有限公司自主开发了Smart Home智能家庭系统，西南交通大学科技公司开发了网络智能控制数据终端系统网(Intelligent Control Network Data Terminal，NOT)，海信的“智能家居控制系统”，清华同方的e．Home数字家园，正星特科技开发的ST--100IPHM住宅智能化系统等。2009年，海尔与中国电信联手，推出U．home技术平台，包含家电、灯光窗帘控制，兼有多媒体娱乐，并提供可视对讲、安防报警、环境检测、远程监护和故障反馈等支持，实现家庭的安全防范。

我国智能家居系统产业的发展正处于有利时机，国家的规范和引导、市场的需求和推动，都给整个行业的发展带来了难得的契机，智能家居系统将朝着集成化，智能化，多功能化方向发展。 1.3 课题研究目的

国内的房价高居不下，普通大众很难使充足的财力再去购买新的带有智能化的房子。因此，如何对已有的房子进行改造，在有限的时间和空间内里运用现代科技使自己生活得更加充实、更有意义是普通大众的共同愿望。当前我国正在着力建设资源节约型社会，家居设备的节能化必然会成为一个我国人们和政府最求

的目标，这些都给智能家居系统的发展提供了很大的市场空间和机遇。随着社会的发展，人们认识到信息、时间、生命的重要性，对于生活质量的要求也越来越高。智能家居可以有效地提高人民群众的生活质量。

本文所使用的ZigBee通信网络以及基于S3C2410控制核心的技术是成熟的，也有利于降低家居智能化的成本。 1.4 课题主要研究内容

本文假设了智能家居的建筑背景，在此背景基础上提出了需求，并做了需求分析以及可行性验证。初步确定了实现该系统的软硬件系统。

本文根据居家环境中采集到数据的特点以及数据传输的要求，提出了基于ZigBee的通信方式，为智能家居系统提供了可靠、快速、低成本的通信方式。 同时，本文提出了基于嵌入式平台S3C2410的控制核心，依照用户的需求进行模块的增减，使得控制系统成本大大的降低。 1.5 本章小结

1.6 本章主要介绍了智能家居系统的研究背景，发展现状，以及本课题的研

究内容和目的。 2

研发目标

2.1 智能家居系统应用背景

本文以一个中等大小的家庭规模为研究背景。本文假设的家庭建筑面积为140平方米，建筑的构成区域有：大门、玄关、客厅/餐厅、厨房、洗手间、浴室、主卧房和客卧房、楼梯/走廊、书房。这类中等规模的住宅具有广泛的代表性，它反映我国目前最为广大的人民群众的居住环境。 2.2 智能家居需求分析

建筑的大门，安全是设计的重点，因此，如何提高大门区域的安全性是设计的主要任务。大门区域设置的设备：指纹门锁、可视对讲机、夜视防水摄像机。 大门提供的功能：指纹门锁辨识主人的指纹，为主人开门。可视对讲机可以为访客与主人提供交流平台，主人通过可视对讲机确认访客身份，从而为访客开门。大门区域设置夜视防水摄像机，主人通过电视、掌上设备实时观察门口的影像，并记录保存。

建筑内部的玄关设置有吸顶式无线亮度感应器、吸顶式红外感应器、可视对

讲机、布/撤防键盘、智能触控面板。在有人进出门时，在玄关灯亮度不够时，联动把玄关处的灯打开，当人经过玄关后，灯光自动熄灭。主人进门后，在玄关处进行安防系统撤防，出门时安防系统布防。同时，玄关处安装有LED控制面板，屏幕上有建筑物的全局实时图，建筑物内的情况一目了然。控制面板可以实现对建筑物内灯光和空调的控制。玄关控制面板还能完成与访客的对讲、开门功能。 在客厅和餐厅内，本文设置了智能触控面板、LED电视、无线遥控器、吸顶式光线传感器、吸顶式无线温度湿度感应器、吸顶式烟雾感应器。客厅是主人会客、娱乐的主要场所，所以对光线的要求比较高。在智能触控面板中，内置了会客、电影、用餐、酒会等场景模式。主人可以根据不同的需求来开启不同的模式。模式的不同，灯光的强度、颜色也不同。比如在会客模式下，要求灯光颜色以白色为主，并且要求有较高的亮度。而在电影模式下，要求灯光较暗，为主人提供良好的电影环境。无线遥控器的使用可以大大方便主人对灯光、空调的控制。温度和湿度传感器可以感知室内的温湿度，从而自动调节空调，为室内营造舒适的环境。

在厨房内，设置了智能触控面板、可燃气体传感器。智能控制面板功能较为丰富，主人可以通过面板调节厨房内的灯光亮度以及自来水的温度，可以通过面板切断厨房内一切电源以及燃气。可燃气体传感器可以及时检测出室内的可燃气体，检测出可燃气体泄漏之后，系统自动切断燃气，并开启通风设备。 在洗手间内设置了吸顶式红外感应器，当有人进入洗手间后，灯光自动缓缓亮起，这样，即使是在黑暗中，客人不需要寻找开关了。如果无人活动，一段时间后，系统自动关闭灯光，防止忘记关灯而造成的能源浪费。

楼梯和走廊处，设置了红外传感器以及光线感应器。红外感应器与光线感应器协同工作，有人经过楼梯时，如果环境亮度不够，楼梯处的灯光自动开启，人经过后自动熄灭。

书房内设置了智能触摸面板、背景音乐面板和触摸联动模块。在书房内侧设置智能触摸面板，设计如下场景：看书、休闲、全关。在书房门口设置背景音乐面板，随时选定不同的音乐，播放CD、MP3、FM任由选择，并可调节音量的大小。 主卧房设置设备：智能触摸面板、背景音乐面板、触摸联动模块、紧急按钮。在卧室门口内侧设置一个触摸调光模块，通过触摸此模块，卧室灯光实现开关。

床头设置智能触控面板，设计如下场景：休闲、温馨、看书、休息、起夜、全关。这几种场景模式，涵盖了主人在卧房所遇到的所有的情况。床头设置背景音乐面板随时选定不同风格的音乐，一段轻音乐，帮助主人入睡或唤醒主人起床。窗帘控制模块也会在清晨自动开启窗帘。高级人体传感器、吸顶式无线温湿度感应器协同工作，联动 DAIKIN空调系统和新风系统，自动调节卧室的空气环境，让主人始终有一个空气清新的睡眠空间；夜深时，根据季节的要求，在中央控制系统的指令下，空调 系统进入预先设好的睡眠运转模式，以利于人体睡眠状态下对温度的要求。液晶电视不但可以欣赏有线电视、卫星频道、DVD，也可以随时切换到视频监控画面，看看大门和庭院的动静。如果发生危险的事情，可以触动紧急按钮报警

浴室设置了触摸联动模块、吸顶式红外感应器。当客人进入浴室，灯光自动缓缓亮起，这样，即便在黑暗时，客人也不需要寻找开关了。使用时，也可以通过联网跷板开关开灯关灯。客人也可以通过触摸联动模块，调节浴室内温度以及洗澡水的温度，达到最舒适的洗澡环境。

本系统还提供了远程控制，通过 Internet 或手机 WAP，主人在办公室或旅游地，可以随时看到别墅设定 视频图像，查看灯光、空调、家电的使用情况，随时控制。

图2.1 智能家居实例

2.3 智能家居可行性分析

基于智能家居系统的特点及需求，本文从以下三个方面进行深入的研究：

1） 嵌入式系统平台的搭建； 2） 各个功能模块的实现；

3） 智能家居系统集成控制系统方案。

传感器技术结合嵌入式技术的应用，可以达到本文提出的智能家居的所有功能。

2.4 本章小结

本章主要介绍了本文所设计的智能家居系统的设计背景以及智能家居系统所要达到的目标和所具有的功能，随后进行了需求分析以及可行性分析。 3 智能家居控制系统总体设计 3.1 智能家居系统设计

3.1.1 智能家居系统设计中的问题分析 1）智能家居系统的组成

智能家居系统一般可有四个部分组成：中央控制器、功能子模块、内部通信网络以及系统外部通信。

中央控制器是整个智能家居系统的核心，其主要完成以下工作：作为智能家居系统的总控制器，接收功能子模块的数据并进行分析，根据分析的结果对家居设备进行控制：作为智能家居系统的网络协调器，协调各个功能子模块间通信，提供消息转发服务：作为智能家居系统的网关，为外部网络访问家居设备提供支持；完成部分的数据采集功能，作为一个特定的功能子模块等。

功能子模块提供特定的功能，比如温度信息的采集、窗帘的控制、灯光的开闭等，是智能家居系统功能完成的重要支撑点，散落在家庭的各个角落，或进行数据的采集，或响应中央控制器的控制命令。

智能家居系统内部通信网络是整个系统的神经网络，用于为中央控制器和功能子模块之间的信息传递提供支持。智能家居系统内部通信网络直接影响到整个智能家居系统的稳定性、安全性及工程实施的便捷性。

智能家居系统外部通信是以中央控制器为唯一的出入口。用户通过网络可以和智能家居系统进行通信，从而能够及时了解到家居环境信息以及实现对家居设备的远程控制。

2）智能家居系统的内部通信方式

不可否认，无线通信方式由于其移动性好、网络扩展性强、无布线麻烦等特点，将成为未来智能家居系统内部通信方式的发展趋势。同时，考虑到本系统设计的是手持的智能家居系统控制器，基于无线的通信方式成为了首要选择。 在智能家居系统中，需要传送的数据包括：控制命令数据，如照明系统的开关量等；间断的环境数据，如温度传感器采集到的温度数据等；不间断的视频数据。其中，控制命令和间断的环境数据的数据量都比较小，对于传输的速度要求不高，可采用ZigBee、蓝牙进行无线通信。但考虑到数据采集模块的成本、体积以及功耗等因素，拥有省电、可靠、短延时及高保密性等特点的ZigBee可作为这两个类型的数据传输协议。 3）智能家居系统的网络拓扑结构

常见的局域网拓扑结构有星型拓扑、环型拓扑、总线拓扑、树型拓扑和网型拓扑。拓扑结构的选择与传输媒体的选择及媒体访问控制方法的确定密切相关，在选择的时候需要考虑可靠性、费用、灵活性、响应时间和吞吐量等因素。 智能家居系统采用的中央控制器和功能子模块相结合的方式。中央控制器是整个系统的核心，占据主导地位；功能子模块辅助中央控制器完成智能家居系统的功能性要求，犹似众星拱月。所以，本文在选择智能家居内部网络的拓扑结构的时候，首要考虑星型拓扑。星型拓扑具有控制简单、故障诊断和隔离容易以及方便服务等特点。同时，基于无线的内部通信方式有效地避免了星型拓扑在所需电缆、安装工作量等方面的劣势。 4）智能家居系统的外部通信

随着网络技术的发展以及人们对于网络技术的依赖．智能家居系统的网络化是其必然趋势。目前，常见的宽带入户的接入方式有：有线方式，如ADSL、有线调制解调器等：无线方式，W1F1、GPRS等。 3.1.2 智能家居系统总体解决方案

图3.1 智能家居系统总体设计图

在功能需求方面，本论文给出的智能家居系统解决方案，具备了智能家居基本功能系统——智能家居系统控制器、照明控制系统及家庭安防系统(指纹识别模块、家居环境信息采集模块等)。同时，根据客户的要求添加了一些特色模块，能够满足用户的需求。根据网络中各个通信节点的作用不同，采用星型拓扑结构进行组网。在构建星型拓扑网络时，智能家居系统控制器自任为网络协调器，同时选择一个未被其覆盖区域内的其他网络使用的PAN标识(网络号)作为自身的PAN标识。在完成PAN标识确定后，中央控制器就可以把功能子模块加入到网络中。完成网络构建后，所有的功能子模块只能同中央控制器进行通信，功能子模块之间的通信必须通过中央控制器进行转发。

由于目前智能家居系统内部通信方式还没有一个统一的标准，各个通信协议之间互有优势。本论文在分析各协议的优势，同时结合智能家居系统内部数据的特点及传输的要求，提出一种综合的智能家居系统内部通信方式：ZigBee，对以后智能家居系统内部通信方式的选择具有借鉴作用。智能家居系统采用WIFI作为宽带接入方式，可实现智能家居系统无线宽带接入，同时减低了系统的成本及复杂度。另外，智能家居系统在发现危险情况时候，还可以通过GPRS将该情况告知

主人。

整个系统基于嵌入式的技术进行设计，摆脱了传统智能家居系统中对于PC机的依赖，在系统的安装便捷性、系统成本控制等方面具有其自身的优势。 3.2 通信相关技术介绍与分析 3.2.1 智能家居系统通信技术

智能家居系统总线将家庭范围内的设备或仪表与自动控制装置或系统之间连接起来，以实现数字式多点双向数据通信。目前应用在智能家居系统中的总线按照传播介质来划分可分成有线方式和无线方式。

目前，智能家居系统中的有线通信协议主要有：最初应用于工业控制领域的总线协议，如Profibus总线、Lonworks总线、RS485总线和CAN总线、以太网等；专门针对智能建筑的总线和通讯协议，如美国的CEBus和BACnet、欧洲的EIB等；电力载波通信技术PLC。

目前，常见的适合在智能家居系统中进行使用的无线通信技术有：近场通信技术NFC、蓝牙(Bluetooth)、超宽频UWB(Ultra Wide Band)、无线局域网(W1FI)和ZigBee，其中，ZigBee技术是本文推荐使用的通信技术。

传统的智能家居系统控制系统一般采用有线的方式来组网，有些有线通信方式已经比较成熟，在行业中也有通用性和标准性，但同时也存在着一些缺点：

1)布线麻烦。智能家居系统采用有线通信方式只适合新建筑，而对于旧房改造或是增减设备等需要重新布线的地方，显然有线布线方式有其天生的局限性，如系统扩展性差、安装维护成本高等。

2)移动性能差。对于有线通信，家居设备只能固定在具体的位置，不能随意移动。而无线通信则可以解决这个问题，其辐射范围可以涵盖到家庭中的每一个角落，只要在该范围内，设备都能够正常运行，没有任何位置的需要。

如果采用无线通信的话，无线通信方式一些自身弊端也不得不考虑： 1)由于家中墙壁的影响，无线通信传输的有线距离会降低，也容易在家中

形成信号死角；

2)容易受到外部通信频率的影响而造成串扰，而且信号的保密性差； 3)成本一般比较高，同时，长期生活在电磁波环境中对于人的影响，还需

要进一步的确切的科学定论。

总之，每一种布线方式都有其自身的优缺点，在实际的项目进行中，需要根据自身的建筑的特点、数据传输的类型、项目成本以及项目功能需求等方面进行综合考虑。

3.2.2 ZigBee无线局域网技术

ZigBee是一种短距离、低成本、低功耗、低速率的无线组网通信技术。“ZigBee”一词源自于源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡” (zig)地抖动翅膀的“舞蹈\"来与同伴传递所发现新食物的位置、距离和方向等信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。

ZigBee采用调频技术和扩频技术，分别提供250 kbps(2．4GHz，全球

通用)、40kbps(915MHz，美国)和20kbps(868 MHz，欧洲)的原始数据吞吐率。在室内通常传输距离能达到30到50米，在室外如果障碍物少，可以达到100米。ZigBee联盟所主导ZigBee协议栈网络层以上的协议标准，包括网络层、安全层、应用层、以及各种应用产品的资料，而物理层及媒体访问控制则是采用国际电子电机工程协会(IEEE)所定制的IEEE802．15．4标准。

ZigBee可用于所有低数据速率的无线通信，从ZigBee联盟和一些主流厂商的推介来看，在未来的几年将被广泛应用于无线传感器网络、智能家居系统、遥测遥控、汽车自动化、农业自动化和医疗护理等领域。 3.2.3 ZigBee网络设备组成及拓扑结构

ZigBee网络中，根据设备功能的不同，可分成了全功能设备(FFD)和简化功能设备(RFD)。FFD具有由标准指定的全部IEEE802.15.4功能和特征，支持任何一种拓扑结构，可作为网络协调器和普通终端，并且可以和任何一种设备进行通信。而RFD只是根据特点的应用需要实现了IEEE802.15.4协议的一部分，往往同时只和一个FFD关联，并只作为不需要传输大量数据、需要最少的资源和存储容量来实现的普通终端。

根据设备在网络中承担任务的不同，ZigBee网络中的设备可分为：网络协调器、路由器和终端设备。一个ZigBee网络中有且仅有一个网络协调器。路由器节点只有在簇状网络和网状网络中存在。终端设备一般作为边缘设备，不具备成为父节点或路由器的功能，负责与实际的监控对象相连。

ZigBee以一个个独立的工作节点为依托，通过无线通信可组成星形、簇状型和网状型三种拓扑结构。

在星型拓扑中，所有终端设备只能和网络中协调器进行数据传输，终端设备之间的通信必须通过网络协调器进行转发。终端设备一般电池供电。网络协调器可以有自己的应用，可以是通信的起点或终点，也可以是设备间通信的转发设备，多采用持续电力系统供电。星状网络适合家庭自动化、PC机的外设等小范围的户内应用。

在簇状网络中，绝大多数的设备是FFD设备。任何一个FFD都可能成为协调器/ZigBee路由器，为其他设备提供同步服务。

网状网络是以簇状网络为基础，将网络中所有具有路由功能的节点直接互连，通过路由器中的路由表实现消息的网状路由。网状型网络通过花费更多的存储空删束获取消息传递低延时和高可靠性保障。 3.2.4 ZigBee技术在智能家居系统内部通信方式的优势

ZigBee从低功耗、低速率、近距离、低成本的目的出发进行协议设计，被认为在未来将广泛用于智能家居系统的内部通信中，其优势表现在： 1）传输速率

智能家居系统内部通信数据多为控制开关，数据量较小。ZigBee的理论传输速率可达到250Kbps，可实际可利用的传输速率不到100Kbps，但这已经满足了智能家居系统的数据传输要求。 2）传输距离

由于受一般家庭面积所限，智能家居系统的设备之间的数据传输距离较近，一般不会超过30m。而ZigBee室内传输范围一般在30到50m之间，其传输距离完全符合智能家居系统要求。 3）成本

相对于其他的无线通信标准，ZigBee通过精简协议，所要求的处理器性能较低，且ZigBee协议是开放的，使用该协议无需支付专利费，从而大大的降低了智能家居系统中的通信成本。同时，由于ZigBee技术传输速率低，数据量少，所以该技术具有很高的节能效果，数节电池就可以为系统提供一年的供电。

4）可靠性和安全性

智能家居系统作为家居设备的控制系统，其用户也非专业人士，对于安全性以及系统的可靠性稳定性要求比较高。ZigBee提供了三级安全模式，为系统中的数据传输提供安全保障。同时，多种机制的采用也为整个系统数据传输提供可靠性保障，如物理层采用可在一定程度上抵抗干扰的扩频技术，MAC应用层(APS部分)的应答重传机制，MAC层采用CSMA机制以及信道切换功能等。 3.3 本章小结

本章首先对智能家居系统设计中的问题予以解决，并且给出了总体设计方案，在此基础上对智能家居系统中所涉及的技术进行介绍。 4 系统硬件的总体设计

智能家居系统可分为两大部分：手持智能家居系统控制器和功能子模块。手持智能家居系统控制器是整个系统的核心，本章将重点进行介绍。本课题设计的功能子模块包括：温度信息采集模块、气体密度采集模块、窗帘控制模块、照明系统控制模块、指纹识别模块、收音机模块、信息屏显示模块及摄像头模块。 表4.1 详细硬件芯片 处理器 SDRAM NandFlash 显示屏 触摸屏 按键 ZigBee模块 GPRS模块 WIFI模块 指纹识别模块 收音机模块 温度传感器 气敏传感器 视频采集模块 三星S3C2410 64MB 64MB 8寸TFT彩色液晶宽屏 8寸电阻式触摸屏 1个开关键、1个复位键 SZ05 900/1800 MC35i AW-GH321 CCD器件、光学采集 TEA5767 DS18B20 MQ-2 UWCA-200 主频203MHz 分辨率800*480 串口通信 天线内置 SDIO/GSPI接口 自动搜台功能 支持WIFI 串口 电池 3个 锂电池 可充电 4.1 手持智能家居系统控制器的结构设计

根据上文提到的智能家居的功能需求，智能家居系统控制器硬件结构如下：

图4.1 智能家居系统控制器硬件架构 1）处理器选择

S3C2410处理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T处理器核，采用0.18um制造工艺的32位微控制器。该处理器拥有：独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache，MMU，支持TFT的LCD控制器，NAND闪存控制器，3路UART，4路DMA，4路带PWM的Timer ，I/O口，RTC，8路10位ADC，Touch Screen接口，IIC-BUS 接口，IIS-BUS 接口，2个USB主机，1个USB设备，SD主机和MMC接口，2路SPI。S3C2410处理器最高可运行在203MHz。核心板的尺寸仅相当于名片的2/3大小，尺寸如此小巧

的嵌入式核心板是国内首创。开发商可以充分发挥想象力，设计制造出小体积，高性能的嵌入式应用产品。、

基于S3C2410处理器的这些特点，采用该处理器可大大降低了整个系统的成本和设计的复杂性，有效地减少了总体系统开销，加快系统开发进度。

2）存储空间的确定

在智能家居系统的设计过程中，将存储系统分成了两个部分：NandFlash和 SDRAM。NandFlash用于保存启动代码、Linux内核和文件系统映像，以及其他一些相关的驱动、应用程序和数据等，大小为64M。SDRAM用于支持整个系统的运行，大小为64MB。 3）电源芯片接口

系统采用RN5T564C作为电源变压芯片，为整个系统提供不同要求的电压支持。RN5T564C专用于手持设备，提供两个高效的降压型DCDC控制器，5个低漏电流的稳压器，并通过IIC总线和处理器实现通信。 4）ZigBee接口电路设计

ZigBee模块采用顺舟科技SZ05系列嵌入式无线通信模块。该模块集成了符合ZigBee协议标准的射频收发器和微处理器，它具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活、性能可靠稳定等优点和特性。

SZ05模块可实现点对点、一点对多点、多点对多点之间的设备间数据的透明传输；可组成星型、树型和蜂窝型网状网络结构；可通过跳线设置或软件配置来选择通信节点的类型：网络协调器、路由器和终端节点；通过1]几电平收发、串口通信等方式同控制器进行数据交互，可以大大简短模块的嵌入开发时间；输入电压为5V，最大发射电流为70mA，最大接收电流为55mA，在睡眠模式下的功耗仅为30uA/h。

5） GPRS接口电路设计

本系统使用的GPRS模块是西门子公司生产的MC35i。该款GPRS模块具有很高的性能，支持EGSM900MHz和GSMl800MHz双频段，使用AT命令控制，采用多种模式进行电源控制，可以广泛应用于以下场合：POS终端、自动售货机、安全系统、远程遥测、交通控制、手持设备、GPRS调制解调器等。 5）气敏传感器接口

本系统采用MQ-2进行敏感气体的密度采集。MQ-2传感器主要电导率较低的半导体气敏材料二氧化锡(Sn02)，利用与其气体接触时使半导体的导电率等物理性质发生变化来检测待测气体的成分和浓度，具有灵敏度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长等优点。 4.2 本章小结

本章介绍了系统硬件的总体设计，并对几个主要的模块进行了详细的介绍。 5 智能家居系统的软件总体设计

在本课题的软件设计中，系统采用嵌入式Linux2．6操作系统。Linux操作系统具有硬件和文档支持丰富、源码开放、内核稳定及网络功能丰富等特点，成为嵌入式操作系统的理想选择。Linux具有功能强大、高性能、稳定性好以及源码开放等优势，使其成为一种流行的嵌入式操作系统。同时，Linux内核具有可裁剪性，用户可根据特定的系统需求对内核进行配置或裁剪，恰恰满足了嵌入式应用的差异性需求。

基于Linux的智能家居系统的基本软件平台开发过程主要包括：引导程序的移植、Linux内核的修改、配置和移植、文件系统的选择及图形界面GUI的移植、驱动程序的设计等。在完成嵌入式软件基本平台的搭建后，需要进行Boa的移植，以支持Web访问。最后，还需要根据目标应用的不同，编写应用程序实现特定的功能。

在本系统中，引导程序使用U-Boot，Linux内核采用Linux2．6．14版本，根文件系统采用Yaffs，嵌入式图形界面GUI采用QT/Embeded。智能家居系统的软件架构如下图所示：

图5.1 智能家居系统软件总体设计

5.1 智能家居系统控制器软件平台搭建 5.1.1 引导程序移植

作为系统加电后运行的第一段软件代码，引导加载程序即Bootloader，完成初始化硬件设备、建立内存空间映射图等工作，将系统的软硬件环境创造合适的状态，为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。在嵌入式系统中，Bootloader是严重依赖于硬件而实现的。不同的处理器架构，不同的嵌入式系统板级设备的配置都需要不同的Bootloader。常见的Bootloader有：vivi，U-Boot，RedBoot，ARMBoot，Blob等。在本系统中采用U-Boot。

U-Boot是目前功能最多、灵活性最强并且开发最积极的开源Bootloader，支持PowerPC、ARM、MIPS、X86等体系结构，支持多种嵌入式操作系统内核，由DENX的Wolfgang Denk维护。移植U-Boot工作就是添加开发板硬件相关的文件、配置选项，然后配置编译。开始移植之前，需要先比较出硬件配置最接近的开发板，原则是，首先处理器相同，其次处理器体系结构相同，然后是以太网接口等外围接口。

5.1.2 嵌入式Linux内核移植

Linux具有功能强大、高性能、稳定性好以及源码开放等优势，使其成为一种流行的嵌入式操作系统。同时，Linux内核具有可裁剪性，用户可根据特定的系统需求对内核进行配置或裁剪，恰恰满足了嵌入式应用的差异性需求。 5.1.3 嵌入式文件系统及嵌入式GUI移植

嵌入式系统一般采用专门设计的存储装置，如Hash闪存芯片、小型闪存卡等，因此嵌入式文件系统必须具有掉电安全、平均使用和高效垃圾回收等特殊要求。基于这些要求，产生了很多专门为Hash设备而设计的文件系统，常见的有：Romfs、Cramfs、Ramfs，JFFS2和Yaffs。

本系统采用的文件系统为Yaffs。Yaffs是专门为NandFlash设计的嵌入式文件系统，适用于大容量的存储设备。 5.2

驱动软件总体设计

设备驱动程序是Linux内核的重要组成部分。它作为操作系统内核和机器硬件之间的接口，主要工作是完成对硬件寄存器的操作，屏蔽硬件的底层细节，简化应用程序对设备的访问。Linux把所有的设备都当做文件来处理，并分成3类：字符设备、块设备和网络设备㈨。在本系统中所有的设备皆为字符设备。下图所示为驱动程序在应用程序和硬件字符设备之间接口功能的流程图。

图5.2 驱动程序接口流程图

5.2 应用软件功能模块设计

智能家居系统软件设计最重要的是在应用软件功能的实现上。在本课题的智能家居系统设计中，横向上按功能划分上可分成：功能子模块，通信功能部分和手持中央控制器。在纵向上面可分成几个大系统：照明控制子系统，门禁子系统，环境监测子系统，无线视频监控子系统，娱乐子系统。

图5.3 手持智能家居控制器系统 6 总结 6.1 研究成果

本文确定了智能家居系统的应用背景，提出了一个具体的应用模型，在此基础上本文提出了智能家居的构想，进行需求分析和可行性研究。

根据研发的构想以及目标，本文给出了系统设计的总体方案，并且详细说明了选择该方案的原因。

本文还给出了智能家居系统的硬件和软件总体设计方案，并给出了该方案的优点。

由于篇幅有限，部分模块无法展开并深入讨论，在此给出了大体设计，不足之处还望老师指正。