嵌入式系统、智能家电及家居网络
简介对嵌入式系统的概念、形式进行了探讨,同时讨论了嵌入式系统和智能家用电器的关系,指出了家用电器智能化的智能理论。介绍了家居网络以及家用电器上网的方法,家居网络的形式,Echelon公司的LonWorks网络及家用电器上网问题。比较了几种上网方法的优缺点,最后讨论了发展的趋向。
关键词嵌入式系统 家居网络 智能家电
单片机最早是以嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller)的面貌出现的。在嵌入式系统中,它是最重要也是应用最多的智能核心器件。无论在交通、通讯、工业、仪器、医疗等领域,都有大量的单片机应用,但是家用电器无疑是单片机用量最大的领域之一。
从结构的角度讲,由于单片机是嵌入家用电器内部并作为核心控制部件,故家用电器的结构体系很明显是一个嵌入式系统。而单片机在家用电器中一般来说有两个作用：一个是用作智能控制部件,另一个是用作智能管理部件。无论这种智能控制及智能管理看起来多么简单和初步,毕竟已体现了人类的一定的智慧能力。
显然,智能家用电器是一种嵌入式系统,反之可以说,嵌入式系统的一种形态表现在家用电器中。
随着网络技术的发展,家用网络系统HNS(Home Networked System）又促进了嵌入式系统的发展。在家居网络系统中,对家用电器提出了两种可以分别称之为“个性化”和“社会化”的要求。所谓“个性化”就是提高家用电器的智能特点;所谓“社会化”就是提高家用电器通过网络与其他设备或人进行信息交流的能力。
如果把网络看成是一个系统,家用电器在网络中的位置则相当于嵌入式系统中的一个器件,这时,HNS则可以看成一个嵌入式系统。这种包含作用和数学上的子集类同,任何一个嵌入式系统可看成一个物理子集,一个物理子集可以含有若干个物理子集,相信不久将会有形式化描述网络的数学方法产生。
一、 嵌入式系统的家用电器
家用电器由于单片机的嵌入,不但提高了品质和性能,而且出现了智能。这和传统机械型家用电器有很大区别,这种区别除了导致结构的改变之外,还产生了很多新的功能和能力。这种进步关键在于两种很重要的技术,一种是单片机的集成硬件技术,另一种是单片机的智能软件技术。
单片机硬件依靠半导体集成工艺,单片机的智能软件则依赖于软件方法及智能理论。在家用电器中,单片机硬件只能选择现存的产品,对于设计者而言,则关键在于嵌入式系统中的控制电路设计。
1. 家用电器的嵌入式结构
从作用机制上来说,家用电器的嵌入式结构有单核嵌入和双核嵌入两种。一般电脑电饭煲,它的内部只有一个单片机,这种控制系统是单核嵌入。对于分体式空调,则在室内机和室外机分别有1个单片机,显然分体空调机这种嵌入式系统是双核嵌入结构。
从物理位置上来说,家用电器的嵌入式结构有中心嵌入、边缘嵌入、顶部嵌入、底部嵌入等多种形式。模糊电磁灶的单片机及控制部件在其中心部位,这是典型的中心嵌入;电饭煲的单片机控制器通常在煲的外边缘,这是典型的边缘嵌入;电脑热水瓶的单片机控制器在顶部,故是顶部嵌入;模糊蒸炖煲的单片机安装在底部,故是底部嵌入。
从逻辑结构上来说,家用电器有独立嵌入结构,主从嵌入结构、复合嵌入结构等多种方式。一般的家用电器只有一个单片机,故是独立嵌入结构;在分体空调机中,室外机有一个控制用的单片机,而室内机有1个用于对室内机进行控制同时又接收红外遥控信号,并对室内外机进行管理。因此,室内单片机和室外单片机是主从嵌入结构,而它们又是复合结构。
2. 家用电器的嵌入式智能基础
家用电器要实现智能,必然把软件嵌入其内部,在本质上就是需要有智能理论指导进行软件编制,这些理论就是智能基础理论。在目前,可以嵌入到家电之中的智能理论和技术方法一般有如下几种：
（1） 启发式搜索
在家电控制中,其智能化除了有良好的人机对话功能之外,更重要的是对主要指标的最优化控制。启发式搜索方法是人工智能求解中开发出来的对目标求解的最优化方法。它主要依靠和任务无关的信息来简化搜索进程,但它可以从任务中得到的启发信息来确定搜索方向,从而大大减少了优化时间。这种方法在洗衣机的程序选择过程中是十分有用的。
（2） 人工神经网络
