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， ZigBee 1. 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 专业综合实训报告 2 佳木斯大学信息电子技术学院 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 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 专业综合实训报告 3 佳木斯大学信息电子技术学院 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

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： 专业综合实训报告 4 佳木斯大学信息电子技术学院 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。 ① ARM9 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 ，AMBA BUS 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、