嵌入式智能家居控制系统设计

深圳市赛元微电子有限公司 翟冠杰

当今世界，科技水平的发展突飞猛进，科技成果也开始进入大家的生活中，在智能家居方面表现异常活跃，发展速度迅猛。高科技也为人们追求更加舒适的高品质生活提供了保障。传统的家居控制系统存在着能耗高、效率低下等不足。笔者对嵌入式智能家居的控制系统进行了设计与分析，涉及处理器设计、无线射频系统设计、传感器设计、液晶显示设备设计、电源系统设计、监控系统设计等系统。为智能家居技术的相关研究和该技术的发展提供了有益的参考。随着科技的发展和人们对生活质量要求的提高，嵌入式智能家居控制系统能够为人们提供更加便捷舒适的生活环境。智能家居控制系统涉及到的技术较多，其中软件系统和硬件系统有存在较多分支，每一个环节对于智能控制系统的有效运行都至关重要，因此笔者着重对嵌入式智能家居控制系统中的软件设计和硬件设计进行了分析研究。1 嵌入式智能家居控制系统的硬件设计分析

笔者对智能家居控制系统进行了深入研究分析，同时对嵌入式系统进行了相应的研究，最终形成了嵌入式智能家居控制系统，使用者可以利用该系统对室内的温度范围、各种气体含量、照明灯具使用情况、门禁远程控制开关等进行操控。目前较好的智能家居控制系统有多芯片的嵌入处理系统和单芯片的嵌入系统，目前较为常用的单芯片的微型处理装置嵌入系统。笔者设计研究的单芯片的嵌入式智能家居控制系统主要由处理器设计、无线射频系统设计、传感器设计、液晶显示设备设计、电源系统设计、监控系统设计等部分组成，其工作原理结构示意图如图1所示。

图1 嵌入式家居控制系统原理示意图

1.1 处理器设计

嵌入式智能家居控制系统中最为重要的部分是处理器的设计研发，笔者设计的处理器采用了三十二位的中央式处理器，其型号为ARM Cortex-M3，该型号的中央处理器相比之下在价格费用、功能消耗、性能品质、快速反馈等方面具有较大优势，该处理器与ARM7处理器耦合后能够更好地发挥低能耗、高性能等优势。其具体结构如图2所示。1.2 无线射频系统设计

嵌入式智能家居控制系统的设计研究中另一个重要部分是通信系统，无线射频系统的功能主要体现在以下两个方面：首先是传感设备与中央数据控制系统之间的数据信息传递，其次是中央控制系统对智能家居环境中的各种设备的使用参数分析。笔者设计的无线射频系统采用的nRF24L01型号，该无线射频系统具有的优点主要体现在以下几个方面：较好的抗击射线干扰能力、无费用的频道选择、较长的距离传输功能、较低的能耗量、较高的信息数据传输速度。

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图2 嵌入式家居控制系统处理器结构示意图

1.3 传感器设计

传感器在智能家居控制系统中的作用主要体现在对相关参数数据信息的采集，这里主要包括温度、湿度、空气优良度、光亮暗度、空气水分含量、人体体感舒适度等相关信息。笔者在进行嵌入式智能家居控制系统的设计中的选择上进行了优化分析，最终选用了能够对温度进行实时精准监控的温度控制传感器，型号选择DS18ZB20，在对空气优良度和空气水分含量的检测方面选用气体质量监控传感装置，型号选择设计为MQ-2型实现对智能家居的环境进行监控和记录。笔者设计的传感装置均可以使用I/O设备耦合装置与无线射频系统进行数据传输的连接，同时也可以通过无线通信系统实现与中央数据处理装置ARM Cortex-M3的物理连接以及数据信息的交流传输。1.4 液晶显示设备设计

液晶显示设备主要应用于嵌入式智能家居系统的监控数据的时时显示，可以为使用者提供更加直观的交互界面，智能家居使用者可以通过液晶显示设备随时查阅家中的各项数据参数。笔者设计的嵌入式智能家居系统采用的液晶显示设备具有较好的显示能力、信息存储能力，其型号为128*64，具有多行多字符显示等功能。1.5 电源系统设计

嵌入式智能家居系统中的电源系统部分主要作用是为整个系统提供能量和动力，为了确保嵌入式智能家居系统中各个部分的高效运行，一个好的电源系统设计很有必要，通常情况下，电源系统是通过线路与其它各系统实现互通和供能的。笔者设计的电源供电系统一般有以下两种供电模式可以选用，一个是采用室内明线供电方式，电线外部与市政电网连接，所有系统直接由市政公共电网供电，另一种设计方式是采用蓄电池的模式，采用蓄电池的模式后会大大减少室内外连接电线的量，确保了嵌入式智能家居系统的简单便捷，在使用过程中要确保蓄电池的电压、电流保持稳定，避免不稳定的电压、电流对其它相关系统、设备造成损害。

2 嵌入式智能家居控制系统的软件设计分析

2.1 监控系统软件设计

监控系统设计是嵌入式智能家居控制系统中最重要的部分，从技术层面讲，嵌入式智能家居控制系统一般有以下两种，一种是无操作系统的监控系统，另一种是有操作系统的监控系统。无操作系统的监控系统一般只能显示整个设备最末端的相关数据参数，对于家中的各种监控数据、信息进行录制后采用无限循环、不断覆盖的

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ELECTRONICS WORLD・技术交流方向、滚筒运动线速度方向彼此留出一个角度，顺势滋生出跑偏现象。而跑偏方向主要朝着张力较小的一侧，根源就是落煤点不正、清扫器和料槽对于皮带产生的摩擦力不够均匀，还有则是输送皮带本身存在局部损伤等等。又如皮带两侧长度不一样，而滚筒两侧的线速度一致，此时皮带较长的一侧在实际运动时自然会有部分难以被吸收，造成皮带内部张力分布出现严重的失衡现象，随后皮带运动和滚筒线速度方向间会呈现出一定大小的角度，致使皮带过分跑偏，对应的根源点则在于皮带接头胶不正、皮带材质不佳、输送带不够直等等。至于这部分跑偏现象则可以配合在皮带两旁机架上的跑偏开关加以检测，一旦说皮带偏离正常位置时，对应的开关塑料轴则会在皮带影响下出现转动迹象，一旦说偏转的角度超出预设标准时，就会令内部开关常开触点出现闭合现象，随后直接接通控制回路并报警显示跑偏位置开关等信息，控制器经过反馈通知之后，则会第一时间内来调整驱动滚筒、皮带方向等。

范围内时，自然不会执行报警和降温等操作；而一旦说发现皮带和轮毂温度超标时，则会快速发出报警信号。

除此之外，技术人员还可以沿用超声波检测方式，即选择在皮带运输机和托辊彼此间进行波导管添加，波导管的存在意义就是滋生出超声波和对应的波振荡，并且借助对应的检测器来及时接收超声波。在皮带运输机运转正常的情况下，包括产生波和接受波都维持在正常状态之上，检测器则直接发出正常信号；而在皮带运输机遗留故障问题时，波导管则会因为受损而出现弯曲迹象，导致接受波和发送波各自产生异常，此时超声波检测器会自动传送异常信号，判定皮带已经出现故障。

五、结语

综上所述，主运输皮带机械在我国煤矿生产活动中已经得到长时期的应用，不过因为平时运输距离过长，想要快速检测诊断有关故障并加以针对性保护，单纯依靠人工操作是不现实的，经常会引发巡检效率过低、现场劳动强度过大、实时性不强等问题。基于此，技术人员须全面认证皮带运输机一系列的故障特征，随后开发出一套完善的皮带运输机故障检测系统，借此保障主运输皮带的长期安全运行。久而久之，辅助相关企业赢得更多数量的经济和社会效益，落实企业整体的可持续运营与发展目标。

作者简介：李亚哲（1980—），男，陕西渭南人，大学本科，工程师，现供职于天地（常州）自动化股份有限公司，主要从事煤矿自动化系统的研发、应用及市场推广工作。

四、皮带温度检测和火灾保护方面

煤矿主运输皮带运行过程中难免会出现包括打滑、跑偏、堆媒等一系列不良状况，如若处理不及时和妥当，就会令皮带部分位置出现温度超标的状况，严重时直接催生出不同规模的火灾事故。而在其中，导致火灾事故、威胁到现场煤矿生产安全和高效率的主要设备，便是井下皮带运输机。基于此，选择加大对主运输皮带的温度进行深入性检测，显得极为关键。至于皮带温度则可以借助红外温度传感器加以检测，具体原理则是通过A/D转换成为数字信号，随后交由PLC进行细致化分析处理，进一步确认是否要进行报警亦或是喷水降温操作。如在检测后发现皮带和轮毂温度维持在可接受

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方式实现。具体原理流程如图3所示。

图3 嵌入式智能家居系统监控系统原理图

2.2 服务管理系统设计

服务管理系统的主要功能是对用户数据信息进行管理分析。具体的软件运行主要包括以下几个方面，软件的安装、软件的升级、软件的开启和退出等。为了满足服务管理系统的各方面要求，采用的虚拟化技术为Docker技术，该技术在充分利用linux系统的基础上，对控制组实现服务管理软件的隔离和对家居系统的监控，能够在较少的资源利用量的情况下实现各个系统独立。2.3 访问程序系统设计

访问程序系统的主要作用是指挥相应智能化装置对智能家居内部的系统进行访问，主要是对授权的访问过程及访问安全进行把

控。在智能家居系统运行期间，不允许其它程序对智能家居系统进行访问，充分确保智能家居系统数据信息的可靠性与安全性，没有被授权的装置禁止访问相应系统。新装置的访问需要先进行注册，让后才可以进入智能家居控制系统进行访问。

为保证嵌入式智能家居控制系统的安全运行，避免不法分子的入侵，对于计算机网络进行从严掌控，只允许特定的局域网对智能家居内部本地端口的网络进行访问且做到每次的端口不同，该技术主要采用netesh advfirewall程序实现，可以有效阻止外部非正常访问。嵌入式智能家居控制系统在确定访问程序不存在安全隐患后，允许外部程序与内部系统进行信息互通与相应系统的访问，同时对整个过程进行监控和数据信息记录。2.4 节能调度系统设计

嵌入式智能家居控制系统一般具有自动控制能量消耗的功能，通过内部程序控制各系统稳定工作，减少能耗发生，一般做法是通过使用计算机对控制系统中的相关节能数据进行统计分析。目前比较常用的方法是按照需求量大小提供相应的活动，比如当嵌入式智能家居控制系统没有工作任务时可以让整套系统进入休眠低能耗状态，当嵌入式智能家居控制系统需要进行工作时，及时唤醒系统并进入运行状态。为实现休眠和唤醒系统功能的快速准确切换，笔者设计了定时检测系统，每间隔一定的时间对系统进行检查，是否存在工作任务，如果没有则进入休眠低能耗状态。

作者简介：翟冠杰（1973—），男，河南人，硕士，现供职于深圳市赛元微电子有限公司，主要从事集成电路芯片设计及销售工作，专注于8051内核8位Flash MCU和ARM内核32位MCU产品的设计和销售。• 188 •