单片机技术在智能家具中的应用与发展

孙建平，单海斌

(东北林业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150040)

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2～3 a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 (Single 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所示)。

图1 智能建筑、小区、家居和家具的从属关系图［9］Fig.1 Subordinate relationship diagram of the intelligent building，residential，home and furniture

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 (Digital 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。

图2 智能家具三大系列设计模型框架图［8］Fig.2 Smart furniture three series model framework diagram

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。

(l)CMOS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。

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