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摘要：文章对家庭智能终端装置的功能进行阐述，研究并设计了一款基于ARM微控制器的、Linux作为操作系统的智能化终端，给出了系统实现的软硬件解决方案，论证了未来家庭实现智能化的可行性。
关键词：家庭智能终端；ARM；通讯模块；嵌入式开发；智能控制
中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）11-0003-02
随着生产技术的发展，一方面由于实现大规模复杂系统的控制需要，另一方面由于现代计算机技术、人工智能等学科的高速发展，使得控制科学进入了一个智能化的时代，智能控制作为一门独立学科应运而生。
人类社会的进步和科学技术的迅猛发展，人类开始迈入以数字化和网络化为平台的智能化社会，开始出现了诸如“智能化仪表、智能化机器人、智能化汽车”等具有不同智能程度的产品、设备、工具，并且呈现出迅猛发展的趋势。家庭智能终端装置是20世纪70年代后期开始出现的，80年代在许多国家兴起，各种家庭智能终端装置应运而生。
家庭智能终端装置是指将家庭内部所有的设备和应用系统通过网络数据终端连接成一体，以实现安全、经济、舒适、方便等指标综合平衡的家庭系统，它是计算机、通信及控制等相关技术与传统家庭系统相结合的产物。随着全球信息化时代的到来，以往的家庭已不再满足于高质量的电器设备，而是逐步融入到信息社会中来。家庭智能控制网络已成为信息技术领域中一个跨世纪的研究热点。家庭智能控制网络的普及将大大提高人们的生活水平和质量。
一、家庭智能终端装置的主要功能
使用家庭智能终端装置最重要的目的就是为了保障居民人身和财产的安全。因此安防报警和可视化对讲，是必须具有的功能模块。
家居安防功能是通过外接报警传感器探头来实现的，报警器的种类主要有门磁、红外栅窗、烟温感、燃气和水位传感器。当有警情发生的时候，传感器发出报警信号，并将报警信号传至智能终端，并由智能终端对报警信号进行记录和判断后上传至门口机。家庭智能终端还在内部安装有一个撬壳开关，当有人恶意破坏智能终端的时候，只要外壳被撬开就会立即发出报警信号。
可视对讲功能使住户在家里通过智能终端的显示屏就可看到门口的状况，看到访客后再决定是否打开单元门锁。这一功能使住户避免在不知来访者身份的情况下开门而产生的安全隐患，也使访客不必费力解释自己的身份，为住户提供了更好的安全保障，也为访客提供了方便。
住宅小区的管理员可以通过上位机可以向住户家里的智能终端发布如天气预报、缴费通知、设备检修等重要的公共信息和个人信息。用户也可以定制新闻发布业务，不必出屋即可知天下事。对于这些信息，用户可以根据自己的需求，通过菜单提示进行信息的查看、读取、删除、清空等操作。
智能终端的家电控制功能则可以使用户对家电进行集中操作。首先将各家电的开关线路集中到一个家电控制装置中，住户通过智能终端对这个家电控制装置发布命令，从而达到控制家用电器的目的。有了这种功能，用户在开车回家途中，用手机打个电话就可以提前打开家里的空调，让榨汁机准备一杯新鲜的果汁，再让家庭音响准备好最喜欢的音乐等。
高档智能终端还可以具有留言的功能。当住户不在家而又有客人来访的时候，通过留言功能，可简单描述身份以及来访的主要目的。此外，如果主人临时有事而又暂时没有联络的其他家庭成员的时候，可以在智能终端里给家人留下口讯。
随着我国网络技术的发展，宽带网已经进入了一般居民的住宅和小区，使家庭智能终端具有上网功能将成为其今后发展的一个趋势。有了这一功能，即使身在千里之外，只要登陆到自己的家庭网站，用户就可以对家庭的智能终端进行家电控制、查看消息和留言，甚至可以查看家庭安全防护系统的摄像记录。
二、家庭智能终端装置的硬件设计
（一）ARM微控制器介绍
此芯片作为整个家庭信息中心的主控制器，对整个家庭信息中心的数据进行处理，ARM（Advanced RISC Machines）是精简指令集计算机（RISC），其设计实现了外型非常小但性能高的结构。
ARM内核分为ARM7、ARM9、ARM10以及StrongARM等几类。其中每一类又根据其各自包含的功能模块而分成多种构成。ARM是目前应用很广的嵌入式RISC处理器。T：表示Thumb，该内核可从16位指令集扩充到32位ARM指令集。D：表示Debug，该内核中放置了用于调试的结构，通常它为一个边界扫描链JTAG，可使CPU处在实时调试模式，从而可方便地进行断点设置、单步调试。M：表示Multiplier，是8位乘法器。I：表示EmbedbediceLogic，用于实现断点观测及变量观测的逻辑电路部分，其中的TAP控制器可接入到边界扫描链。
ARM处理器结构的简单使ARM的内核非常小，这样使器件的功耗非常低。因此，在本设计中，采用了基于ARM体系结构的32位微控制器。
（二）家庭智能化终端装置的主要功能模块
1．微控制器：它是家庭智能终端装置的核心部分。微处理器将接收到的外部信号进行处理后发出数据或控制信号给芯片外部的各个模块，使之进行相应的操作。
目前在嵌入式开发应用上，32位嵌入式RISC领域中，ARM体系结构有着极大的影响力，并几乎成为了事实上的标准。家庭智能终端装置的功能较多，对微控制器资源（如GPIO、RAM和Flash等）的需求自然比较高。如果选用资源丰富的高端8位单片机产品如CygnalF020，其价格要比ARM芯片如LPC2214的价格高，而芯片资源不如LPC2214丰富，在运行速度上更无法与ARM芯片相比。而用于ARM内核的标准单片机开发工具也可以很方便地找到。
2．通信模块：用来实现智能终端与门口机之间的通信，以及与家电控制装置进行通信。
智能终端与家电控制模块之间由数据通信线相连，当用户通过操作触摸屏向智能终端发出各种指示，这些命令也按照通信协议发给家电控制装置，并由家电控制装置对家电进行控制。
3．音频处理模块：实现终端与门口机的对讲。门口机的麦克和喇叭通过音频总线与本单元内每户家里的智能终端的喇叭和麦克相连，当门口机与终端接通后，家里的住户即可与单元门口的访客进行对讲。
4．防区报警模块：由微处理器对各防区（如栅窗、门磁、烟温感、燃气和防水）的报警信号进行识别，向用户发出报警音，并通过通信模块上传至门口机，然后再由门口机传给园区管理处。
由于烟温感、燃气和防水传感器传来的报警信号，产生的警情破坏力大，且误报率低，一检测到就立即上传通知管理处。
5．视频叠加模块：在屏幕上显示文字信息和门口机传来的视频图像。这一部分主要用来实现在智能终端的液晶屏上显示管理处发布的公共和个人信息。此外，由于终端采用触摸屏操作方式，当接通门口的视频画面后，需要在画面叠加接听、挂机等文字来提示用户的下一步操作。
6．触摸屏及按键扫描模块：用户只需根据终端屏幕上的提示点击屏幕的相应位置，就可以很方便地查看单元门口的景象，对上位机发来的信息进行查看、读取、翻页、删除、清空等操作。
7．远程家电控制模块：用来实现用户不在家时对家用电器的控制。用户拨打家里的电话，智能终端接通后，用户按照语音提示进行按键操作，智能终端根据用户的要求向家电控制模块发出命令，即可实现对家用电器进行远程控制。
8．语音留言模块：通过智能终端可以实现语音留言功能。当有客来访而住户不在家，且无法与住户取得联系的时候，来访者可以通过智能终端给住户留下口信以表明身份及来访目的。
9．JTAG接口：对32位微处理器进行程序下载调试的专用接口。JTAG（Jonit Test Action Group）接口主要应用于电路的边界扫描测试和可编程芯系统编程。JTAG编程方式是在线编程，它的出现改变了传统生产流程中，先对芯片进行预编程后再装到板子上的方式，减小了芯片被损坏的机率，减少了工作量。
三、家庭智能终端装置的软件设计
1．基于ARM的嵌入式操作系统。此设计采用嵌入式Linux内核系统作为整个家庭信息中心的控制操作系统，它不仅要满足面向信息设备的实时控制的要求，同时还要满足强大的网络功能，以满足家庭各个信息设备的智能化控制。并且此系统是精简的且可以添加和减少多种终端，具有统一的微内核技术。
家庭信息中心软件总体结构主要包括：（1）嵌入式Linux内核有进程调度、内存管理、文件管理等；（2）设备底层包括对IC卡读写的支持软件、内外网通信协议支持软件、底层协议与应用层协议的交互软件；（3）应用层包括界面设计与实现、输入方式的设计与选择，信息检索和发布功能的设计等。
2．图形界面GUI系统。便于实现人机交换，增强操作界面友好程度，能够实现傻瓜操作。
3．启动程序、触摸屏驱动软件、手写驱动软件。
4．一套通信协议（在此上可完成家庭信息中心与各种通信物理层进行通信）。
5．各种智能卡如非接触式逻辑加密卡向非接触式CUP卡的转换软件和各种数据的计量转换软件。家庭数据中心的这2个软件，可以将金额转换成各种数据值（水的流量、电量、煤气量等），并随时接收各个计量仪表传送来的数据，然后从总的金额中减去消耗量，一张卡可以替代所有的其他计量收费卡（水卡、电卡、煤气卡）。
四、结语
家庭智能终端装置将会得到不断的发展和完善，为人提供更为安全、舒适、便利的生活环境，而且该系统的使用会更加方便、价格更低、性能更可靠，本文给出基于ARM芯片实现家庭智能化的设计模型，并提供一个比较实用的系统设计方案，在理论和实践上都解决了嵌入式家庭智能化项目研制的关键技术难题，预计在现实中有很大的应用前景。
参考文献
[1]王永初．智能控制理论与系统的发展评述[J]．华侨大学学报，2004，（1）．
[2]周立功，等．ARM嵌入式系统基础教程[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2005．
[3]蔡自兴．智能控制（第二版）[M]．电子工业出版社，2004．
作者简介：黄雨生（1974－），男，河南修武人，河南理工大学图书馆现代化技术部工程师，教师，硕士，研究方向：计算机应用。
关键词：家庭智能终端；ARM；通讯模块；嵌入式开发；智能控制
中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）11-0003-02
随着生产技术的发展，一方面由于实现大规模复杂系统的控制需要，另一方面由于现代计算机技术、人工智能等学科的高速发展，使得控制科学进入了一个智能化的时代，智能控制作为一门独立学科应运而生。
人类社会的进步和科学技术的迅猛发展，人类开始迈入以数字化和网络化为平台的智能化社会，开始出现了诸如“智能化仪表、智能化机器人、智能化汽车”等具有不同智能程度的产品、设备、工具，并且呈现出迅猛发展的趋势。家庭智能终端装置是20世纪70年代后期开始出现的，80年代在许多国家兴起，各种家庭智能终端装置应运而生。
家庭智能终端装置是指将家庭内部所有的设备和应用系统通过网络数据终端连接成一体，以实现安全、经济、舒适、方便等指标综合平衡的家庭系统，它是计算机、通信及控制等相关技术与传统家庭系统相结合的产物。随着全球信息化时代的到来，以往的家庭已不再满足于高质量的电器设备，而是逐步融入到信息社会中来。家庭智能控制网络已成为信息技术领域中一个跨世纪的研究热点。家庭智能控制网络的普及将大大提高人们的生活水平和质量。
一、家庭智能终端装置的主要功能
使用家庭智能终端装置最重要的目的就是为了保障居民人身和财产的安全。因此安防报警和可视化对讲，是必须具有的功能模块。
家居安防功能是通过外接报警传感器探头来实现的，报警器的种类主要有门磁、红外栅窗、烟温感、燃气和水位传感器。当有警情发生的时候，传感器发出报警信号，并将报警信号传至智能终端，并由智能终端对报警信号进行记录和判断后上传至门口机。家庭智能终端还在内部安装有一个撬壳开关，当有人恶意破坏智能终端的时候，只要外壳被撬开就会立即发出报警信号。
可视对讲功能使住户在家里通过智能终端的显示屏就可看到门口的状况，看到访客后再决定是否打开单元门锁。这一功能使住户避免在不知来访者身份的情况下开门而产生的安全隐患，也使访客不必费力解释自己的身份，为住户提供了更好的安全保障，也为访客提供了方便。
住宅小区的管理员可以通过上位机可以向住户家里的智能终端发布如天气预报、缴费通知、设备检修等重要的公共信息和个人信息。用户也可以定制新闻发布业务，不必出屋即可知天下事。对于这些信息，用户可以根据自己的需求，通过菜单提示进行信息的查看、读取、删除、清空等操作。
智能终端的家电控制功能则可以使用户对家电进行集中操作。首先将各家电的开关线路集中到一个家电控制装置中，住户通过智能终端对这个家电控制装置发布命令，从而达到控制家用电器的目的。有了这种功能，用户在开车回家途中，用手机打个电话就可以提前打开家里的空调，让榨汁机准备一杯新鲜的果汁，再让家庭音响准备好最喜欢的音乐等。
高档智能终端还可以具有留言的功能。当住户不在家而又有客人来访的时候，通过留言功能，可简单描述身份以及来访的主要目的。此外，如果主人临时有事而又暂时没有联络的其他家庭成员的时候，可以在智能终端里给家人留下口讯。
随着我国网络技术的发展，宽带网已经进入了一般居民的住宅和小区，使家庭智能终端具有上网功能将成为其今后发展的一个趋势。有了这一功能，即使身在千里之外，只要登陆到自己的家庭网站，用户就可以对家庭的智能终端进行家电控制、查看消息和留言，甚至可以查看家庭安全防护系统的摄像记录。
二、家庭智能终端装置的硬件设计
（一）ARM微控制器介绍
此芯片作为整个家庭信息中心的主控制器，对整个家庭信息中心的数据进行处理，ARM（Advanced RISC Machines）是精简指令集计算机（RISC），其设计实现了外型非常小但性能高的结构。
ARM内核分为ARM7、ARM9、ARM10以及StrongARM等几类。其中每一类又根据其各自包含的功能模块而分成多种构成。ARM是目前应用很广的嵌入式RISC处理器。T：表示Thumb，该内核可从16位指令集扩充到32位ARM指令集。D：表示Debug，该内核中放置了用于调试的结构，通常它为一个边界扫描链JTAG，可使CPU处在实时调试模式，从而可方便地进行断点设置、单步调试。M：表示Multiplier，是8位乘法器。I：表示EmbedbediceLogic，用于实现断点观测及变量观测的逻辑电路部分，其中的TAP控制器可接入到边界扫描链。
ARM处理器结构的简单使ARM的内核非常小，这样使器件的功耗非常低。因此，在本设计中，采用了基于ARM体系结构的32位微控制器。
（二）家庭智能化终端装置的主要功能模块
1．微控制器：它是家庭智能终端装置的核心部分。微处理器将接收到的外部信号进行处理后发出数据或控制信号给芯片外部的各个模块，使之进行相应的操作。
目前在嵌入式开发应用上，32位嵌入式RISC领域中，ARM体系结构有着极大的影响力，并几乎成为了事实上的标准。家庭智能终端装置的功能较多，对微控制器资源（如GPIO、RAM和Flash等）的需求自然比较高。如果选用资源丰富的高端8位单片机产品如CygnalF020，其价格要比ARM芯片如LPC2214的价格高，而芯片资源不如LPC2214丰富，在运行速度上更无法与ARM芯片相比。而用于ARM内核的标准单片机开发工具也可以很方便地找到。
2．通信模块：用来实现智能终端与门口机之间的通信，以及与家电控制装置进行通信。
智能终端与家电控制模块之间由数据通信线相连，当用户通过操作触摸屏向智能终端发出各种指示，这些命令也按照通信协议发给家电控制装置，并由家电控制装置对家电进行控制。
3．音频处理模块：实现终端与门口机的对讲。门口机的麦克和喇叭通过音频总线与本单元内每户家里的智能终端的喇叭和麦克相连，当门口机与终端接通后，家里的住户即可与单元门口的访客进行对讲。
4．防区报警模块：由微处理器对各防区（如栅窗、门磁、烟温感、燃气和防水）的报警信号进行识别，向用户发出报警音，并通过通信模块上传至门口机，然后再由门口机传给园区管理处。
由于烟温感、燃气和防水传感器传来的报警信号，产生的警情破坏力大，且误报率低，一检测到就立即上传通知管理处。
5．视频叠加模块：在屏幕上显示文字信息和门口机传来的视频图像。这一部分主要用来实现在智能终端的液晶屏上显示管理处发布的公共和个人信息。此外，由于终端采用触摸屏操作方式，当接通门口的视频画面后，需要在画面叠加接听、挂机等文字来提示用户的下一步操作。
6．触摸屏及按键扫描模块：用户只需根据终端屏幕上的提示点击屏幕的相应位置，就可以很方便地查看单元门口的景象，对上位机发来的信息进行查看、读取、翻页、删除、清空等操作。
7．远程家电控制模块：用来实现用户不在家时对家用电器的控制。用户拨打家里的电话，智能终端接通后，用户按照语音提示进行按键操作，智能终端根据用户的要求向家电控制模块发出命令，即可实现对家用电器进行远程控制。
8．语音留言模块：通过智能终端可以实现语音留言功能。当有客来访而住户不在家，且无法与住户取得联系的时候，来访者可以通过智能终端给住户留下口信以表明身份及来访目的。
9．JTAG接口：对32位微处理器进行程序下载调试的专用接口。JTAG（Jonit Test Action Group）接口主要应用于电路的边界扫描测试和可编程芯系统编程。JTAG编程方式是在线编程，它的出现改变了传统生产流程中，先对芯片进行预编程后再装到板子上的方式，减小了芯片被损坏的机率，减少了工作量。
三、家庭智能终端装置的软件设计
1．基于ARM的嵌入式操作系统。此设计采用嵌入式Linux内核系统作为整个家庭信息中心的控制操作系统，它不仅要满足面向信息设备的实时控制的要求，同时还要满足强大的网络功能，以满足家庭各个信息设备的智能化控制。并且此系统是精简的且可以添加和减少多种终端，具有统一的微内核技术。
家庭信息中心软件总体结构主要包括：（1）嵌入式Linux内核有进程调度、内存管理、文件管理等；（2）设备底层包括对IC卡读写的支持软件、内外网通信协议支持软件、底层协议与应用层协议的交互软件；（3）应用层包括界面设计与实现、输入方式的设计与选择，信息检索和发布功能的设计等。
2．图形界面GUI系统。便于实现人机交换，增强操作界面友好程度，能够实现傻瓜操作。
3．启动程序、触摸屏驱动软件、手写驱动软件。
4．一套通信协议（在此上可完成家庭信息中心与各种通信物理层进行通信）。
5．各种智能卡如非接触式逻辑加密卡向非接触式CUP卡的转换软件和各种数据的计量转换软件。家庭数据中心的这2个软件，可以将金额转换成各种数据值（水的流量、电量、煤气量等），并随时接收各个计量仪表传送来的数据，然后从总的金额中减去消耗量，一张卡可以替代所有的其他计量收费卡（水卡、电卡、煤气卡）。
四、结语
家庭智能终端装置将会得到不断的发展和完善，为人提供更为安全、舒适、便利的生活环境，而且该系统的使用会更加方便、价格更低、性能更可靠，本文给出基于ARM芯片实现家庭智能化的设计模型，并提供一个比较实用的系统设计方案，在理论和实践上都解决了嵌入式家庭智能化项目研制的关键技术难题，预计在现实中有很大的应用前景。
参考文献
[1]王永初．智能控制理论与系统的发展评述[J]．华侨大学学报，2004，（1）．
[2]周立功，等．ARM嵌入式系统基础教程[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2005．
[3]蔡自兴．智能控制（第二版）[M]．电子工业出版社，2004．
作者简介：黄雨生（1974－），男，河南修武人，河南理工大学图书馆现代化技术部工程师，教师，硕士，研究方向：计算机应用。