Keywords: SCM; intelligent; furniture
单片机技术从最初问世至今已走过了近30a的 发展历程,纵观其30a的发展可以看出,在以微处 理器 ( MPU) 技术和超大规模集成电路技术发展 的先导下, 单片机技术不断发展成熟并迅速向其他 应用领域延伸。特别是在近年来新兴的智能家具领 域表现出极大的发展潜力, 其自身也已随着科技的 进步开始向 着 CMOS 化、低 功耗、小体积、大容 量、高性能和外围电路内装化等方向发展。单片机 技术对于家具行业的巨大作用不仅仅表现于使家具 更加安全、舒适、绿色和环保, 而且使家具从机电 一体化向着智能自动化大步迈进。
1 单片机的发展
单片机的出现得益于1970年微处理器的成功研
收稿日期: 2012 -03 -02
基金项目: 教育部高等学校特色专业建筑项目 ( TS21. 62)
第一作者简介: 孙建平 (1974 -) ,男,四川南江人,博士,副 教授。研究方向: 计算机辅助设计、生物质材料智能无损检测与优 化设计。
引文格式: 孙建平,单海斌. 单片机技术在智能家具中的应用 与发展 [J]. 森林工程,2012,28 ( 5) : 45 - 49. 制。1971年美国Intel公司生产的4位单片机4004, 1972年生产的雏型8位单片8008, 特别是1976年9 月Intel公司的MCS -48单片机问世以来,在短短的 十几年间, 经历了多次更新换代, 其发展速度大约每 2~3a要更新一代,集成度增加一倍,功能翻一 番[1]。 其惊人的发展速度和广阔的应用范围为世界所 惊叹, 形成了一股单片机应用热潮。
单片机从其最初产生发展到如今的最新一代单 片机, 主要经历了 SCM, 即单片微型计算机 ( Sin gle Chip Microcomputer) 阶段; MCU, 即微控制器 ( Micro Controller Unit) 阶段; SoC, 即系统集成芯 片设计技术 ( System on a Chip) 阶段。 特别是在 SoC 阶段, 它指的是一种多芯片整体整合的设计方 法, 集成各种功能模块, 每一种功能都是由硬件描 述语言设计程序, 然后在 SoC 内由电路实现的。 每一个模块不是一个已经设计成熟的 ASIC “器 件”, 只是利用芯片的一部分资源去实现某种传统 的功能。 SoC 可以有效地降低电子信息系统产品的 开发成本, 缩短开发周期, 提高产品的竞争力, 是 未来工业界将采用的最主要的产品开发方式。
单片机之所以会在这么短的时间内被广泛的应 用,首先归功于其控制功能,即让产品实现计算机 控制。于此同时其具有的寿命长、体积小、功耗 小、可靠性好以及性价比高等特点,也是其高速发 展的本源。
2 单片机的应用领域 近年来,随着单片机技术的快速发展与广泛应 用,其身影几乎已遍布于我们生活的各个领域。具 体来说主要集中在以下几个方面。
( 1) 仪器仪表领域。由于单片机所具有的小 体积、低功耗、长寿命、高可靠性、扩展灵活以及 性价比高等特点,非常适合于仪器仪表有限的内部 空间和低成本的要求,同时又可与不同类型的传感 器相结合,实现对多种物理量的测定,使仪器仪表 真正实现智能化。
( 2) 工业自动化领域。在工业过程控制、监 测、工业控制器及机电一体化控制系统中,除了一 些小型工控机之外,许多都是由单片机为核心组成 的单机或多机网络系统。如工业机器人的控制系统 是由中央控制器、感觉系统和行走系统等节点构成 的多机网络系统。
( 3 ) 电器领域。 在当今电器的生产中, 几乎 不能脱离单片机的使用。在家电中,小到遥控器和 电子秤,大到液晶电视和洗衣机等,都采用了不同 型号的单片机来实现智能化功能。在其他电器中, 例如各种医用呼吸机、分析仪和监护仪等,也都广 泛采用各种单片机。
( 4) 通讯和网络领域。由于最新的单片机几 乎都具有通讯接口,可以非常方便的实现不同设备 间的数据交换,为满足近些年来通讯及网络需求持 续增长提供了良好的物质条件。例如在PDA、手 机、 对讲机和路由器等设备中都有单片机的影子。
( 5) 交通设备领域。 现如今为了给乘客们提 供更好的旅途感受,交通工具的发展也是日新月 异,越来越趋向智能化。 例如飞机上的自动飞行控 制系统、 高铁及动车上的智能烟雾感应器和汽车发 动机上的连续可变气门正时机构等,都是新型多功 能单片机应用的结果。
( 6 ) 智能家居领域。 随着社会的发展, 人们 对居住环境及其安全性要求也随之越来越高,另一 方面由于燃气泄露而引起中毒和火灾事故,以及屋 内无人时的入室盗窃案件时有发生给家庭和社会带 来了巨大损失,因此普通的家庭装修已经不能满足 人们的需要,而能够对室内环境温湿度、 可燃气体 泄露以及非法入室进行实时监测及控制,并及时报 警的智能家庭环境监控系统开始为人们所广泛接 受[2]。 可以说家居智能化已成为现代生活的标志 之一,而单片机技术的发展正好给智能家居系统的 发展带来了新的契机,可以使智能家居更加便捷、 经济、 高效。
3 单片机在家具领域的应用 在介绍单片机在智能家具领域的应用之前,首 先简单了解其在智能建筑和智能家居领域的应用, 因为家具是从属于建筑和家居这个范畴内 ( 如图 1
1984 年 1 月,美国联合科技公司将建筑设备 信息化、 整合化概念应用于美国康乃迪克州哈特佛 特市的City Place Building,世界上第一座智能化大 楼诞生, 它成功地将 4C 技术 ( Computer 计算机技 术、 Control 控制技术、 Communication 通信技术和 CRT 图形显示技术) 应用于建筑当中, 使建筑物 具有通信、 办公、 建筑设备自动化和智能化的特 点, 并为人们提供了一个“高效、 安全、 舒适、 经济、 便捷”的工作、 学习和生活环境, 这一成 果标志着智能建筑的形成, 从此智能建筑便在美、 日、 欧及世界各地蓬勃发展起来[3]。
智能家居概念的起源甚早, 但一直未有具体的 建筑案例出现, 直到 1984 年首栋智能化大楼诞 生, 从此揭开了全世界争相建造智能家居的序 幕 4 。 智能家居, 在国外常用 Smart Home 表示, 也可称为电子家庭 ( E - home) 或数字家园 ( Dig ital family) 等。 其目标就是: 将家庭中各种与信 息相关的通讯设备, 家用电器和家庭保安装置通过 家庭总线技术 ( HBS) 连接到一个家庭智能化系统 上进行集中的或异地的监视、 控制和家庭事务性管 理,并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协 调[5]。此外,用户可以通过键盘设定系统的各项 参数,还可以通过显示器读取室内温湿度等信息来 了解家居环境的实时状况[6]。最终目的是满足人 们在家庭中对安全、舒适、方便地工作和生活的需 要[7]。进入21 世纪以后,伴随着智能家居的快速 发展,智能家具作为智能家居中的一个重要组成部 分也随之进入到发展的快车道。 “智能” 又叫做 “智慧”,词典上的解释是具有人的某些智商和能 力; “家具”,家庭用具,主要指床、柜、桌、椅、 沙发等。“智能家具”顾名思义就是具有人的某些 智商和能力的家庭用具。它会搜集人的行为、记录 人的习惯,经过判断和处理,从而做出最能够满足 人当时想法的家具。换个角度说,它是机器人,除 了不能和您聊天; 当然,如果您需要的话,它也能 做到,至少它能够接受您的语音指令,只要您的普 通话、英语或日语标准。
“智能家具”在目前国际上一般归类于“概念 家具”,“概念”即前卫的、新颖的、潮流的,有未 来的趋势的,并且不具备大规模生产能力的。但随 着科技进步,高新技术进入民用的进程加快,特别 是单片机技术的飞速发展, “智能家具” 就有了民 用的技术基础。智能家具按其使用性质分为民用型 工作型和特殊型 ( 如图2所示) 。而其使用的技术除 了传统家具生产工艺和机械传动技术之外,还包含 计算机控制技术、数字通讯技术和传感技术等。
计算机技术包括通用计算机系统和嵌入式计算 机系统两大分支。而嵌入式计算机系统最典型的代 表就是单片机,它的广泛使用极大的推动了嵌入式 计算机系统的发展。嵌入式系统是把微处理器 ( CPU) 或微控制器 ( MCU ) 的系统电路与其专用 的软件平台相结合,以此来达到系统的最高效率, 其设计的目的在于满足某种特殊的功能[9]。嵌入 式系统主要由中央处理器、内存、输入与输出、操 作系统和应用软件这5 部分组成,其核心是嵌入式 微处理器,即单片机。作为智能家具的核心和 “中枢神经系统”,通过在智能家具中安装单片机, 然后输入编写好的特定控制系统,接着由该系统通 过运行特定的应用程序对家具进行管理和控制,从 而实现一定智能。
目前,国内外家具市场出现的智能家具产品基 本上都属于嵌入式系统。另一方面由于其诱人发展 前景和巨大消费市场,国内外企业都已经投入巨大 的人力物力开始对智能家具进行开发研究,市场竞 争也日趋白热化。
在国外,几乎所以发达国家都在美国成功建成 第一幢智能建筑后,开始竞相设计开发各种类型的 智能家居和家具方案。特别是在进入21 世纪以后, 国外智能家居和家具技术的发展达到了鼎盛。2000 年4月,德国弗劳恩霍夫研究会与11 家公司联手 合作,建成一座内部完全实现了电子化和网络化的 样板智能住宅; 2005 年最受关注的当属美国微软 公司总裁比尔•盖茨花费巨资构建的智能家居系 统,堪称当今智能家居的经典之作[10-11]。
为了与智能家居相匹配,国外的智能家具也随 之取得了快速的发展,一些智能化家具产品及其相 关的配套产品已经开始进入人们的生活。2003 年爱 尔兰的兰开斯特大学与苏黎世、德国、瑞典及芬兰 等学府合作开发智能科技,发明了一系列智能家具。 如其开发的 “智能书架”会在负荷过重时做出投 诉; “智能药品柜”会在药物过期时发出警告; “智 能沙发”可以开启电视机、激活电话录音机、订外 卖,甚至还可以认出是谁坐在沙发上,懂得说欢迎 辞。美国纽约现代博物馆展馆中央放着一张智能化 桌子,里面装了400多个芯片及20 多个网络接入 点,通过感应手的动作,控制有信息装置的特定物 体。德国乌尔姆大学的一个研究小组研制出了一种 智能轮椅,它安装有一个先进的导航系统,这一系 统利用它的传感器和激光仪连续不断地搜索其周围 的障碍物,然后利用自身的嵌入式小型计算机分析 出如何选择穿过人群的最佳路线,从而能自动穿行 于拥挤的火车站大厅,而不会与人相撞[12]。
在国内,智能家居行业起步于20世纪80 年代 末。尽管起步较晚,但发展非常迅速,这主要归功 于国外相关的先进技术所提供的借鉴和参考作用, 以及政府的大力扶持。1986 年国家科委和国家计 委将 “智能化办公大楼可行性研究”列为国家 “七五”重点科技攻关项目; 1996 年2 月,建设部 成立建设部科技委智能建筑技术开发推广中心,以 协助有关部门管理我国的智能建筑市场,并于 1998 年成立建筑智能化系统工程设计专家委员会; 2000 年我国正式开始实施智能化试点工作; 2004 年8 月,国家经贸委成立了家庭信息网络技术委员 会,将信息网络技术体系研究及产品开发作为国家 技术创新重点专项计划; 2008 年2月29 日,第三 届中国国际建筑智能化暨住宅社区数字化展览会在 北京国际会展中心召开,会议探讨了先进的技术热 点问题,展示了家居数字化发展的前沿动态[13]。
国内智能家居的快速发展必然带动其附属领域 的智能家具行业的发展, 一部分具有超前意识的家 具生产研发企业在借鉴参考国外同行经验成果的基 础上,努力创新,生产出符合中国国情的智能家具 产品。家具智能化必然是未来家具发展的主要趋势 之一。青川[14]提到未来社会家具将向智能化、生 态化趋势发展,家具的使用材料将向自然材料与模 拟仿真的高科技智能化的多元人工材料方向发展。 王树才[15]等人提出机电一体化家具的概念,定义 集造型、机械传动、电器电路于一体的家具为机电 一体化家具,并指出机电一体化家具的发展趋势为 智能化家具。深圳市大富豪实业发展有限公司,正 以“富之岛•小狗第一”的旗帜在国内率先推出 了智能婴儿床,能在婴儿尿床时立即向家长发出温 馨提示。另外还有能够定时自动弹起的懒汉床、能 够接受声音指令的智能按摩床、能教人化妆的梳妆 台等等众多新款智能家具。这些家具之所以具有智 能,除了传感器和硬件控制电路以外,单片机发挥 了大脑指挥作用[9]。
4 单片机在智能家具中应用的发展 趋势
从总体上来说,我国的智能家具发展尚处于探 索阶段,在与国外同类产品相比时缺乏足够的竞争 力,这主要是由于我国智能家具研发起步较晚; 家 具工业基础比较薄弱; 从业人员素质不高,创新设 计能力较差; 加工工艺整体水平不高、做工粗糙、 生产效率低和加工费用高; 知识产权保护不力; 市 场拓展不够等因素的影响。于此同时,国内家具企 业缺乏对新产品开发的热情,不愿意做第一个吃螃 蟹的人也是制约智能家具发展的一个重要因素。
智能家具,作为一种将机械传动、传感器、控 制器和单片机等高新技术融入家具本体,使其具有 一定的柔性和智能的概念家具。其未来的发展主要 还是从硬件技术发展和产品设计这两方面出发。
在硬件技术方面,以作为 “中枢神经系统” 的单片机技术最为关键, 其主要有以下几方面发展 趋势。
⑴CMOS化。CMOS芯片采用半导体工艺生 产,不但具有功耗低的特点,而且还具有功耗的可 控性,这样就可以使单片机工作在功耗精细管理状 态下,满足了智能家具的节能和保护环境的要求。
(2) 大容量化。 随着人们对多用途多功能家 具的需求越来越多,多功能集成技术就对微处理器 的性能特别是存储器容量的需求也越来越大,需不 断采用新工艺,使片内存储器大容量化。
(3) 高性能化。 通过采用精简指令集 ( RISC) 结构和流水线技术,进一步改进 CPU 的性能,加 快其指令运算速度和提高系统控制可靠性。 此外由 于指令运算速度的提高,就可以用软件来模拟 I/O 功能,引入虚拟外设的新概念,以此来满足未来家 具多功能和高性能的要求。
( 4) 外围电路内装化。这也是单片机未来发 展的主要方向。随着半导体集成工艺的进步,将促 使更多的外围功能器件集成到单片机内部,如声音 发生器、监视定时器、液晶显示驱动器等。这样可 使单片机引脚设计的更少、结构更加简化和规范, 成为集成度更高、体积更小及功能更强的“单片” 机。在实现家具功能多样化的同时,尽可能减少对 家具整体造型设计的影响。
在产品设计方面,随着时代的发展、技术的创 新和新材料的应用,家具的外观形态设计一直处于 变化的状态,这其中技术进步是最主要因素。对于 智能家具来说,大量元器件和机械装置的内置必定 会影响到家具的外形设计。所以智能家具的外形设 计不能只考虑三维尺寸,还必须将时间考虑进去, 也就是所谓的四维设计。比如通过传感器调节桌面 倾斜度使桌面自动折叠变形等功能,这个变量使家 具外形具有了不固定性。因此如何科学合理地对智 能家具进行四维设计也就成为未来家具产品设计的 一个重点和难点。
本文以沙发为例来憧憬一下未来智能家具的样 子。当您回到家,它会根据您的行为判断您将会 客、看电视或休息。如果是会客、下棋或者聊天, 它将会把坐垫和靠背调整到适合您的角度,降低您 的疲劳程度; 如果看电视,它将移动到距离电视机 一个能够保护您视力的距离,并且判断您短时间观 看还是长时间观看做出不同反应,如果短时间它就 将扶手调整到单人沙发的适合程度,如果长时间它 就将调整到双人沙发状态,并且您的呼吸及心跳频 率判断您是否进入睡眠状态,如果您进入睡眠状 态,它将根据室温将空调调到适合睡眠的温度,并 为您披上空调被或毛毯; 如果您还有事情未完成却 睡着了,它会在您刚进入睡眠状态的时候提醒您, 前提是您告诉它您在某时有事情需要做,如果您贪 睡,它会产生声音、气味温度刺激,在多次催促无 效后它将逐渐将双人沙发调整到单人状态,然后在 保障您安全的准备工作后将您调整到站立状态,直 到您醒来并且向它发出语音清晰的指令。这个智慧 沙发还能够检测坐在它上面的人的身体状况,如有 异常则发出警报,在警报后如果家中无人则直接拨 打物业及医院电话,叫物业帮忙及医院救护。 5 结束语
我国的家具业要想由大变强,技术创新和产品 创新是其必由之路[16],而对智能家具的开发正是 其中的一个重要组成。目前,家具 “智能化” 已 成为我国家具业新的发展趋势[17]。据估计,到 2010 年,中国智能化家具的市场份额可能会突破 100亿元,到2015年有可能飞速提升至500 亿元 左右18。这意味着在未来不到10a时间,智能家 具从无到有, 从小到大, 将发展成为一个颇具规模 的独立产业。 但是要实现这一目标, 除了专业人才 的培养和提高行业加工工艺等因素之外, 核心就是 让智能家具有一个发达的大脑。 然而具有体积小、 功耗低及性能强等特点的单片机正好符合它的要 求, 因此单片机的发展及在家具中的广泛应用必定 能推动智能家具迈上发展的快车道。
【参 考 文 献】
1 张俊谟.单片机的发展与应用J .电子制作,2007(8):6-9.
2郑惟晖.智能家居控制系统的设计J .黄山学院学报,2010,12
( 5) :16 -18.
B]王再英•智能建筑:楼宇自动化系统原理与应用[M].北京:电 子工业出版社,2005.
4 本刊编辑部•走进智能家居J -电脑知识与技术,006 (1) : 3 -5.
5王燕•嵌入式家居环境网络监控系统的设计与实现D .西 安: 西安科技大学,2010.
[6] 何立民. MCS -51 系列单片机应用系统设计系统配置与接口技 术M -北京:北京航空航天大学出版社,003.
7 周 洪,胡文山•智能家居控制系统[M].北京:中国电力出版 社,2006.
8 李 政,王述洋•浅析机电一体化家具的人性化设计J .机电 产品开发与创新,2008,12(5):28-30.
9 段海燕•智能化家具的研究D -南京:南京林业大学,006.
[10] Jiang L , Liu D, Yang B. Smart home research[A]. Proceedings of 2004 International Conference on Machine Learning and Cybernet- ics[C], 2004, 2: 659 -663.
[11] Wu C H, Jan R H. System integration of WAP and SMS for home network system[J]. Computer Networks, 2003 , 42( 4) :493 -502.
12 智能家具的研究与探索 EB/OL .
13]李福彬.浅析智能家居J .智能建筑与城市信息,004,0 ( 95) :39 -43.
[14] 青 川.21世纪居室文化消费新概念及智能化居室与家具的 发展趋势J.家具与室内装饰,999(5): 12-14.
15]王树才,邓在京,余有明•机电一体化家具的探讨J -木材工 业,2004,18(1):36-38.
[16] 杨 扬,王逢瑚,李丽明,等.家具设计存在的问题及应对措施 [J] .森林工程,2011,27(3):43-44.
17] 宋莎莎,赵十杰•家具的分形研究进展及应用J .林业机械与 木工设备,2010,38(6):4-5.
18] 高科技智能家具让模仿者得以终结[EB/OL] .
[责任编辑:李 洋]