孫建平，單海斌

(東北林業(yè)大學材料科學與工程學院，哈爾濱150040)

單片機技術從最初問世至今已走過了近30a的發(fā)展歷程，縱觀其30a的發(fā)展可以看出，在以微處理器 (MPU)技術和超大規(guī)模集成電路技術發(fā)展的先導下，單片機技術不斷發(fā)展成熟并迅速向其他應用領域延伸。特別是在近年來新興的智能家具領域表現出極大的發(fā)展?jié)摿?，其自身也已隨著科技的進步開始向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能和外圍電路內裝化等方向發(fā)展。單片機技術對于家具行業(yè)的巨大作用不僅僅表現于使家具更加安全、舒適、綠色和環(huán)保，而且使家具從機電一體化向著智能自動化大步邁進。

1 單片機的發(fā)展

單片機的出現得益于1970年微處理器的成功研制。1971年美國Intel公司生產的4位單片機4004，1972年生產的雛型8位單片8008，特別是1976年9月Intel公司的MCS－48單片機問世以來，在短短的十幾年間，經歷了多次更新換代，其發(fā)展速度大約每2～3 a要更新一代，集成度增加一倍，功能翻一番［1］。其驚人的發(fā)展速度和廣闊的應用范圍為世界所驚嘆，形成了一股單片機應用熱潮。

單片機從其最初產生發(fā)展到如今的最新一代單片機，主要經歷了SCM，即單片微型計算機 (Single Chip Microcomputer)階段;MCU，即微控制器(Micro Controller Unit)階段;SoC，即系統(tǒng)集成芯片設計技術 (System on a Chip)階段。特別是在SoC階段，它指的是一種多芯片整體整合的設計方法，集成各種功能模塊，每一種功能都是由硬件描述語言設計程序，然后在SoC內由電路實現的。每一個模塊不是一個已經設計成熟的ASIC“器件”，只是利用芯片的一部分資源去實現某種傳統(tǒng)的功能。SoC可以有效地降低電子信息系統(tǒng)產品的開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，提高產品的競爭力，是未來工業(yè)界將采用的最主要的產品開發(fā)方式。

單片機之所以會在這么短的時間內被廣泛的應用，首先歸功于其控制功能，即讓產品實現計算機控制。于此同時其具有的壽命長、體積小、功耗小、可靠性好以及性價比高等特點，也是其高速發(fā)展的本源。

2 單片機的應用領域

近年來，隨著單片機技術的快速發(fā)展與廣泛應用，其身影幾乎已遍布于我們生活的各個領域。具體來說主要集中在以下幾個方面。

(1)儀器儀表領域。由于單片機所具有的小體積、低功耗、長壽命、高可靠性、擴展靈活以及性價比高等特點，非常適合于儀器儀表有限的內部空間和低成本的要求，同時又可與不同類型的傳感器相結合，實現對多種物理量的測定，使儀器儀表真正實現智能化。

(2)工業(yè)自動化領域。在工業(yè)過程控制、監(jiān)測、工業(yè)控制器及機電一體化控制系統(tǒng)中，除了一些小型工控機之外，許多都是由單片機為核心組成的單機或多機網絡系統(tǒng)。如工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)是由中央控制器、感覺系統(tǒng)和行走系統(tǒng)等節(jié)點構成的多機網絡系統(tǒng)。

(3)電器領域。在當今電器的生產中，幾乎不能脫離單片機的使用。在家電中，小到遙控器和電子秤，大到液晶電視和洗衣機等，都采用了不同型號的單片機來實現智能化功能。在其他電器中，例如各種醫(yī)用呼吸機、分析儀和監(jiān)護儀等，也都廣泛采用各種單片機。

(4)通訊和網絡領域。由于最新的單片機幾乎都具有通訊接口，可以非常方便的實現不同設備間的數據交換，為滿足近些年來通訊及網絡需求持續(xù)增長提供了良好的物質條件。例如在PDA、手機、對講機和路由器等設備中都有單片機的影子。

(5)交通設備領域?，F如今為了給乘客們提供更好的旅途感受，交通工具的發(fā)展也是日新月異，越來越趨向智能化。例如飛機上的自動飛行控制系統(tǒng)、高鐵及動車上的智能煙霧感應器和汽車發(fā)動機上的連續(xù)可變氣門正時機構等，都是新型多功能單片機應用的結果。

(6)智能家居領域。隨著社會的發(fā)展，人們對居住環(huán)境及其安全性要求也隨之越來越高，另一方面由于燃氣泄露而引起中毒和火災事故，以及屋內無人時的入室盜竊案件時有發(fā)生給家庭和社會帶來了巨大損失，因此普通的家庭裝修已經不能滿足人們的需要，而能夠對室內環(huán)境溫濕度、可燃氣體泄露以及非法入室進行實時監(jiān)測及控制，并及時報警的智能家庭環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)開始為人們所廣泛接受［2］。可以說家居智能化已成為現代生活的標志之一，而單片機技術的發(fā)展正好給智能家居系統(tǒng)的發(fā)展帶來了新的契機，可以使智能家居更加便捷、經濟、高效。

3 單片機在家具領域的應用

在介紹單片機在智能家具領域的應用之前，首先簡單了解其在智能建筑和智能家居領域的應用，因為家具是從屬于建筑和家居這個范疇內 (如圖1所示)。

圖1 智能建筑、小區(qū)、家居和家具的從屬關系圖［9］Fig.1 Subordinate relationship diagram of the intelligent building，residential，home and furniture

1984年1 月，美國聯合科技公司將建筑設備信息化、整合化概念應用于美國康乃迪克州哈特佛特市的City Place Building，世界上第一座智能化大樓誕生，它成功地將4C技術 (Computer計算機技術、Control控制技術、Communication通信技術和CRT圖形顯示技術)應用于建筑當中，使建筑物具有通信、辦公、建筑設備自動化和智能化的特點，并為人們提供了一個“高效、安全、舒適、經濟、便捷”的工作、學習和生活環(huán)境，這一成果標志著智能建筑的形成，從此智能建筑便在美、日、歐及世界各地蓬勃發(fā)展起來［3］。

智能家居概念的起源甚早，但一直未有具體的建筑案例出現，直到1984年首棟智能化大樓誕生，從此揭開了全世界爭相建造智能家居的序幕［4］。智能家居，在國外常用 Smart Home表示，也可稱為電子家庭 (E－h(huán)ome)或數字家園 (Digital family)等。其目標就是:將家庭中各種與信息相關的通訊設備，家用電器和家庭保安裝置通過家庭總線技術 (HBS)連接到一個家庭智能化系統(tǒng)上進行集中的或異地的監(jiān)視、控制和家庭事務性管理，并保持這些家庭設施與住宅環(huán)境的和諧與協(xié)調［5］。此外，用戶可以通過鍵盤設定系統(tǒng)的各項參數，還可以通過顯示器讀取室內溫濕度等信息來了解家居環(huán)境的實時狀況［6］。最終目的是滿足人們在家庭中對安全、舒適、方便地工作和生活的需要［7］。進入21世紀以后，伴隨著智能家居的快速發(fā)展，智能家具作為智能家居中的一個重要組成部分也隨之進入到發(fā)展的快車道。 “智能”又叫做“智慧”，詞典上的解釋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、沙發(fā)等?！爸悄芗揖摺鳖櫭剂x就是具有人的某些智商和能力的家庭用具。它會搜集人的行為、記錄人的習慣，經過判斷和處理，從而做出最能夠滿足人當時想法的家具。換個角度說，它是機器人，除了不能和您聊天;當然，如果您需要的話，它也能做到，至少它能夠接受您的語音指令，只要您的普通話、英語或日語標準。

“智能家具”在目前國際上一般歸類于“概念家具”，“概念”即前衛(wèi)的、新穎的、潮流的，有未來的趨勢的，并且不具備大規(guī)模生產能力的。但隨著科技進步，高新技術進入民用的進程加快，特別是單片機技術的飛速發(fā)展，“智能家具”就有了民用的技術基礎。智能家具按其使用性質分為民用型、工作型和特殊型 (如圖2所示)。而其使用的技術除了傳統(tǒng)家具生產工藝和機械傳動技術之外，還包含計算機控制技術、數字通訊技術和傳感技術等。

圖2 智能家具三大系列設計模型框架圖［8］Fig.2 Smart furniture three series model framework diagram

計算機技術包括通用計算機系統(tǒng)和嵌入式計算機系統(tǒng)兩大分支。而嵌入式計算機系統(tǒng)最典型的代表就是單片機，它的廣泛使用極大的推動了嵌入式計算機系統(tǒng)的發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)是把微處理器(CPU)或微控制器 (MCU)的系統(tǒng)電路與其專用的軟件平臺相結合，以此來達到系統(tǒng)的最高效率，其設計的目的在于滿足某種特殊的功能［9］。嵌入式系統(tǒng)主要由中央處理器、內存、輸入與輸出、操作系統(tǒng)和應用軟件這5部分組成，其核心是嵌入式微處理器，即單片機。作為智能家具的核心和“中樞神經系統(tǒng)”，通過在智能家具中安裝單片機，然后輸入編寫好的特定控制系統(tǒng)，接著由該系統(tǒng)通過運行特定的應用程序對家具進行管理和控制，從而實現一定智能。

目前，國內外家具市場出現的智能家具產品基本上都屬于嵌入式系統(tǒng)。另一方面由于其誘人發(fā)展前景和巨大消費市場，國內外企業(yè)都已經投入巨大的人力物力開始對智能家具進行開發(fā)研究，市場競爭也日趨白熱化。

在國外，幾乎所以發(fā)達國家都在美國成功建成第一幢智能建筑后，開始競相設計開發(fā)各種類型的智能家居和家具方案。特別是在進入21世紀以后，國外智能家居和家具技術的發(fā)展達到了鼎盛。2000年4月，德國弗勞恩霍夫研究會與11家公司聯手合作，建成一座內部完全實現了電子化和網絡化的樣板智能住宅;2005年最受關注的當屬美國微軟公司總裁比爾·蓋茨花費巨資構建的智能家居系統(tǒng)，堪稱當今智能家居的經典之作［10－11］。

為了與智能家居相匹配，國外的智能家具也隨之取得了快速的發(fā)展，一些智能化家具產品及其相關的配套產品已經開始進入人們的生活。2003年愛爾蘭的蘭開斯特大學與蘇黎世、德國、瑞典及芬蘭等學府合作開發(fā)智能科技，發(fā)明了一系列智能家具。如其開發(fā)的“智能書架”會在負荷過重時做出投訴;“智能藥品柜”會在藥物過期時發(fā)出警告;“智能沙發(fā)”可以開啟電視機、激活電話錄音機、訂外賣，甚至還可以認出是誰坐在沙發(fā)上，懂得說歡迎辭。美國紐約現代博物館展館中央放著一張智能化桌子，里面裝了400多個芯片及20多個網絡接入點，通過感應手的動作，控制有信息裝置的特定物體。德國烏爾姆大學的一個研究小組研制出了一種智能輪椅，它安裝有一個先進的導航系統(tǒng)，這一系統(tǒng)利用它的傳感器和激光儀連續(xù)不斷地搜索其周圍的障礙物，然后利用自身的嵌入式小型計算機分析出如何選擇穿過人群的最佳路線，從而能自動穿行于擁擠的火車站大廳，而不會與人相撞［12］。

在國內，智能家居行業(yè)起步于20世紀80年代末。盡管起步較晚，但發(fā)展非常迅速，這主要歸功于國外相關的先進技術所提供的借鑒和參考作用，以及政府的大力扶持。1986年國家科委和國家計委將“智能化辦公大樓可行性研究”列為國家“七五”重點科技攻關項目;1996年2月，建設部成立建設部科技委智能建筑技術開發(fā)推廣中心，以協(xié)助有關部門管理我國的智能建筑市場，并于1998年成立建筑智能化系統(tǒng)工程設計專家委員會;2000年我國正式開始實施智能化試點工作;2004年8月，國家經貿委成立了家庭信息網絡技術委員會，將信息網絡技術體系研究及產品開發(fā)作為國家技術創(chuàng)新重點專項計劃;2008年2月29日，第三屆中國國際建筑智能化暨住宅社區(qū)數字化展覽會在北京國際會展中心召開，會議探討了先進的技術熱點問題，展示了家居數字化發(fā)展的前沿動態(tài)［13］。

國內智能家居的快速發(fā)展必然帶動其附屬領域的智能家具行業(yè)的發(fā)展，一部分具有超前意識的家具生產研發(fā)企業(yè)在借鑒參考國外同行經驗成果的基礎上，努力創(chuàng)新，生產出符合中國國情的智能家具產品。家具智能化必然是未來家具發(fā)展的主要趨勢之一。青川［14］提到未來社會家具將向智能化、生態(tài)化趨勢發(fā)展，家具的使用材料將向自然材料與模擬仿真的高科技智能化的多元人工材料方向發(fā)展。王樹才［15］等人提出機電一體化家具的概念，定義集造型、機械傳動、電器電路于一體的家具為機電一體化家具，并指出機電一體化家具的發(fā)展趨勢為智能化家具。深圳市大富豪實業(yè)發(fā)展有限公司，正以“富之島·小狗第一”的旗幟在國內率先推出了智能嬰兒床，能在嬰兒尿床時立即向家長發(fā)出溫馨提示。另外還有能夠定時自動彈起的懶漢床、能夠接受聲音指令的智能按摩床、能教人化妝的梳妝臺等等眾多新款智能家具。這些家具之所以具有智能，除了傳感器和硬件控制電路以外，單片機發(fā)揮了大腦指揮作用［9］。

4 單片機在智能家具中應用的發(fā)展趨勢

從總體上來說，我國的智能家具發(fā)展尚處于探索階段，在與國外同類產品相比時缺乏足夠的競爭力，這主要是由于我國智能家具研發(fā)起步較晚;家具工業(yè)基礎比較薄弱;從業(yè)人員素質不高，創(chuàng)新設計能力較差;加工工藝整體水平不高、做工粗糙、生產效率低和加工費用高;知識產權保護不力;市場拓展不夠等因素的影響。于此同時，國內家具企業(yè)缺乏對新產品開發(fā)的熱情，不愿意做第一個吃螃蟹的人也是制約智能家具發(fā)展的一個重要因素。

智能家具，作為一種將機械傳動、傳感器、控制器和單片機等高新技術融入家具本體，使其具有一定的柔性和智能的概念家具。其未來的發(fā)展主要還是從硬件技術發(fā)展和產品設計這兩方面出發(fā)。

在硬件技術方面，以作為“中樞神經系統(tǒng)”的單片機技術最為關鍵，其主要有以下幾方面發(fā)展趨勢。

(l)CMOS化。CMOS芯片采用半導體工藝生產，不但具有功耗低的特點，而且還具有功耗的可控性，這樣就可以使單片機工作在功耗精細管理狀態(tài)下，滿足了智能家具的節(jié)能和保護環(huán)境的要求。

(2)大容量化。隨著人們對多用途多功能家具的需求越來越多，多功能集成技術就對微處理器的性能特別是存儲器容量的需求也越來越大，需不斷采用新工藝，使片內存儲器大容量化。

(3)高性能化。通過采用精簡指令集 (RISC)結構和流水線技術，進一步改進CPU的性能，加快其指令運算速度和提高系統(tǒng)控制可靠性。此外由于指令運算速度的提高，就可以用軟件來模擬I/O功能，引入虛擬外設的新概念，以此來滿足未來家具多功能和高性能的要求。

(4)外圍電路內裝化。這也是單片機未來發(fā)展的主要方向。隨著半導體集成工藝的進步，將促使更多的外圍功能器件集成到單片機內部，如聲音發(fā)生器、監(jiān)視定時器、液晶顯示驅動器等。這樣可使單片機引腳設計的更少、結構更加簡化和規(guī)范，成為集成度更高、體積更小及功能更強的“單片”機。在實現家具功能多樣化的同時，盡可能減少對家具整體造型設計的影響。

在產品設計方面，隨著時代的發(fā)展、技術的創(chuàng)新和新材料的應用，家具的外觀形態(tài)設計一直處于變化的狀態(tài)，這其中技術進步是最主要因素。對于智能家具來說，大量元器件和機械裝置的內置必定會影響到家具的外形設計。所以智能家具的外形設計不能只考慮三維尺寸，還必須將時間考慮進去，也就是所謂的四維設計。比如通過傳感器調節(jié)桌面傾斜度使桌面自動折疊變形等功能，這個變量使家具外形具有了不固定性。因此如何科學合理地對智能家具進行四維設計也就成為未來家具產品設計的一個重點和難點。

本文以沙發(fā)為例來憧憬一下未來智能家具的樣子。當您回到家，它會根據您的行為判斷您將會客、看電視或休息。如果是會客、下棋或者聊天，它將會把坐墊和靠背調整到適合您的角度，降低您的疲勞程度;如果看電視，它將移動到距離電視機一個能夠保護您視力的距離，并且判斷您短時間觀看還是長時間觀看做出不同反應，如果短時間它就將扶手調整到單人沙發(fā)的適合程度，如果長時間它就將調整到雙人沙發(fā)狀態(tài)，并且您的呼吸及心跳頻率判斷您是否進入睡眠狀態(tài)，如果您進入睡眠狀態(tài)，它將根據室溫將空調調到適合睡眠的溫度，并為您披上空調被或毛毯;如果您還有事情未完成卻睡著了，它會在您剛進入睡眠狀態(tài)的時候提醒您，前提是您告訴它您在某時有事情需要做，如果您貪睡，它會產生聲音、氣味溫度刺激，在多次催促無效后它將逐漸將雙人沙發(fā)調整到單人狀態(tài)，然后在保障您安全的準備工作后將您調整到站立狀態(tài)，直到您醒來并且向它發(fā)出語音清晰的指令。這個智慧沙發(fā)還能夠檢測坐在它上面的人的身體狀況，如有異常則發(fā)出警報，在警報后如果家中無人則直接撥打物業(yè)及醫(yī)院電話，叫物業(yè)幫忙及醫(yī)院救護。

5 結束語

我國的家具業(yè)要想由大變強，技術創(chuàng)新和產品創(chuàng)新是其必由之路［16］，而對智能家具的開發(fā)正是其中的一個重要組成。目前，家具“智能化”已成為我國家具業(yè)新的發(fā)展趨勢［17］。據估計，到2010年，中國智能化家具的市場份額可能會突破100億元，到2015年有可能飛速提升至500億元左右［18］。這意味著在未來不到10a時間，智能家具從無到有，從小到大，將發(fā)展成為一個頗具規(guī)模的獨立產業(yè)。但是要實現這一目標，除了專業(yè)人才的培養(yǎng)和提高行業(yè)加工工藝等因素之外，核心就是讓智能家具有一個發(fā)達的大腦。然而具有體積小、功耗低及性能強等特點的單片機正好符合它的要求，因此單片機的發(fā)展及在家具中的廣泛應用必定能推動智能家具邁上發(fā)展的快車道。

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