??? 摘? 要： 一種用戶可定制的嵌入式家庭控制器" title="家庭控制器">家庭控制器系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)論述了系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和各模塊的軟硬件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的特點(diǎn)是可以對(duì)現(xiàn)有家用電器和安防" title="安防">安防裝置進(jìn)行集中或異地監(jiān)視、控制以及三表的查收。?

??? 關(guān)鍵詞： 數(shù)字家庭；嵌入式家庭控制器" title="嵌入式家庭控制器">嵌入式家庭控制器；家庭網(wǎng)絡(luò)" title="家庭網(wǎng)絡(luò)">家庭網(wǎng)絡(luò)；家電控制

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??? 隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的高速發(fā)展，人們對(duì)日常生活水準(zhǔn)產(chǎn)生了更高的追求，家庭數(shù)字化成為一種必然。?

??? 數(shù)字家庭將家庭中各種與信息相關(guān)的設(shè)備，通過家庭網(wǎng)絡(luò)連接到一個(gè)家庭智能化系統(tǒng)上進(jìn)行集中或異地的監(jiān)視、控制，并保持這些設(shè)施與住宅環(huán)境的和諧統(tǒng)一。這些都是通過家庭數(shù)字化的核心——家庭控制器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。家庭控制器系統(tǒng)集測(cè)量、控制為一體，通過家庭網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭安防裝置的監(jiān)控和報(bào)警、三表的查收以及家電的控制等功能。由此可見，家庭控制器系統(tǒng)在數(shù)字家庭中占有重要地位。?

??? 目前，家庭控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案雖然較多，但主要還是以三表查收、電源開關(guān)控制、安防監(jiān)控和報(bào)警等為主。在家電控制方面，主要采用下面兩種方案：?

??? (1)網(wǎng)絡(luò)家電：由于標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，通用性較差，網(wǎng)絡(luò)家電的種類很少，用戶選擇的自由度小且價(jià)格昂貴；?

??? (2)對(duì)現(xiàn)有家電的控制：大多方案還局限于電源開關(guān)的控制，未能實(shí)現(xiàn)功能上的集中或遠(yuǎn)程控制，如空調(diào)溫度的調(diào)節(jié)、電視頻道的轉(zhuǎn)換等。雖然少數(shù)方案采用了遠(yuǎn)程控制，但不易擴(kuò)充，用戶不能根據(jù)自己的要求，任意添加、刪除設(shè)備或設(shè)備控制功能。?

??? 本系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)，用戶可以根據(jù)自身的需求選配控制模塊，然后通過紅外模塊提供的“自學(xué)習(xí)”功能，在家庭控制器終端上添加設(shè)備及該設(shè)備的控制功能。本系統(tǒng)通過在用戶現(xiàn)有家電紅外線所及范圍內(nèi)添加紅外模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶現(xiàn)有家電的集中或遠(yuǎn)程控制，免除了重新購(gòu)買電器的支出，可使普通百姓體驗(yàn)到數(shù)字家庭帶來的便利。?

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案?

??? 數(shù)字家庭通常定義為利用嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和綜合布線技術(shù)，通過家庭管理平臺(tái)將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的系統(tǒng)。數(shù)字家庭一般要求有三大功能單元：(1)一個(gè)兼容性強(qiáng)的數(shù)字家庭中央處理平臺(tái)，它是數(shù)字家庭的核心，通過它用戶可以和家居子系統(tǒng)進(jìn)行快速溝通。通過這個(gè)媒介平臺(tái)，構(gòu)成與外界的通訊通道，以實(shí)現(xiàn)與家庭以外的世界溝通信息，滿足遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測(cè)和交換信息的需求。(2)家庭布線系統(tǒng)是組建家庭局域網(wǎng)的基礎(chǔ)，它不僅將寬帶網(wǎng)連接到家庭，還可以根據(jù)各自家居的情況布設(shè)到每一個(gè)將來可能使用的位置。(3)真正的數(shù)字家庭生活至少需要寬帶互聯(lián)網(wǎng)、家庭互聯(lián)網(wǎng)和家庭控制網(wǎng)絡(luò)三種網(wǎng)絡(luò)的支持，也就是說要在一個(gè)家居中建立一個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)，為家庭信息提供必要的通路，在家庭控制器的控制下，通過相應(yīng)的控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)上所有家庭設(shè)備的控制和監(jiān)測(cè)。?

??? 嵌入式家庭控制器系統(tǒng)總體方案如圖1所示。首先，通過光纖網(wǎng)將Internet接入社區(qū)服務(wù)器以實(shí)現(xiàn)數(shù)字家庭的遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測(cè)，社區(qū)內(nèi)部采用數(shù)字有線電視網(wǎng)同軸電纜入戶，經(jīng)線纜調(diào)制解調(diào)器（Cable Modem）和無線路由器接入家庭控制器，家庭設(shè)備經(jīng)各自的控制單元（智能用戶控制終端模塊和智能家電開關(guān)控制模塊），通過RS-422總線與家庭控制器連接。嵌入式家庭控制器作為數(shù)字家庭中央處理平臺(tái)，一方面將現(xiàn)有家庭設(shè)備數(shù)字化，提供信息處理能力和通信能力；另一方面，提供統(tǒng)一的信息交換接口及控制規(guī)則，通過信息集成管理不同的功能子系統(tǒng)，使住宅成為一個(gè)有機(jī)的整體。?

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圖1? 嵌入式家庭控制器系統(tǒng)整體示意圖

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2 數(shù)字社區(qū)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案?

??? 如何構(gòu)建一個(gè)符合我國(guó)國(guó)情，并以社會(huì)各階層居民用戶為主體的有序化網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是家庭數(shù)字化的關(guān)鍵。數(shù)字社區(qū)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)主要包括寬帶接入網(wǎng)和家庭網(wǎng)絡(luò)兩大部份。?

2.1 寬帶接入網(wǎng)設(shè)計(jì)方案?

??? 目前，寬帶接入技術(shù)已十分成熟。就我國(guó)具體情況而言，雖然一些新建商業(yè)住宅小區(qū)已經(jīng)架設(shè)了基于雙絞線的局域網(wǎng)，但大量的舊住宅仍然以電話網(wǎng)（如ISDN、ADSL等）作為主要的接入方式。而在我國(guó)有線電視用戶數(shù)量已經(jīng)超過1億，尤其是近年來興起的數(shù)字有線電視，不僅使電視節(jié)目的圖像和音質(zhì)得到了提高，還可以使人們體驗(yàn)視頻點(diǎn)播和上網(wǎng)遨游的樂趣。據(jù)中國(guó)商業(yè)數(shù)據(jù)網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，2005年我國(guó)數(shù)字有線電視用戶已達(dá)369.4萬戶。?

??? 基于HFC（光纖/同軸電纜混合）接入技術(shù)的數(shù)字有線電視網(wǎng)是最佳的選擇方案。它既可免除重新布線的投入，又可實(shí)現(xiàn)“三網(wǎng)合一”的最終目標(biāo)。?

2.2 家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案?

??? 在家庭網(wǎng)絡(luò)方面，又分為家庭互聯(lián)網(wǎng)和家庭控制網(wǎng)兩部分。?

??? 家庭互聯(lián)網(wǎng)主要用于家庭控制器、PC機(jī)、PDA等設(shè)備互聯(lián)，通過架設(shè)無線路由器的方式即可解決。家庭控制器、臺(tái)式計(jì)算機(jī)等可通過有線的方式連接，筆記本電腦、PDA等可通過802.11無線的方式連接。?

??? 家庭控制網(wǎng)主要用于連接家庭控制器和智能家庭設(shè)備控制單元，在這方面雖然現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)LonWorks、無線接入技術(shù)（如HomeRF、Zigbee等）各具特點(diǎn)，但它們共同的缺點(diǎn)是總投入較大且無線接入的穩(wěn)定性較差。而基于RS-422通信協(xié)議的產(chǎn)品，雖然互用性不強(qiáng)，但其低廉的價(jià)格，在國(guó)內(nèi)具有很大的市場(chǎng)潛力。?

??? 基于上述分析，本文所論述的系統(tǒng)采用HFC接入技術(shù)和RS-422總線技術(shù)作為基本網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。?

3 智能家庭設(shè)備控制單元的設(shè)計(jì)?

??? 家庭設(shè)備主要包括家用電器、安防裝置和水、電、氣三表，根據(jù)這些設(shè)備自身的特性，將智能家庭設(shè)備控制單元?jiǎng)澐譃橹悄苡脩艨刂平K端模塊和智能家電開關(guān)控制模塊兩類，使用模塊化設(shè)計(jì)可以給用戶更靈活的配置余地。例如用戶家中只有1臺(tái)電視，但擁有十余個(gè)需要控制電源開關(guān)的電器設(shè)備，則可以選擇只安裝1個(gè)智能用戶控制終端，同時(shí)安裝2～3個(gè)智能家電開關(guān)模塊。?

??? 上述兩模塊通過RS-422總線與家庭控制器相接，采用自定義的通訊協(xié)議格式。總線電纜使用一般的5類非屏蔽雙絞線，其中2對(duì)線傳遞串行信號(hào)，另2對(duì)線接入12V電源，給需要從總線電纜中取電的模塊提供電力供應(yīng)，采用這種布線方式可以免除升級(jí)后為網(wǎng)絡(luò)家電重新布線的投入。?

3.1 智能用戶控制終端模塊的設(shè)計(jì)?

??? 智能用戶控制終端模塊主要用于對(duì)支持紅外遙控的家電進(jìn)行操作、抄表及安防裝置信號(hào)的監(jiān)測(cè)。?

??? 該模塊采用Atmel公司的AT89S52微控制器，可以采集2路安防開關(guān)量輸入(必要時(shí)可將此端子切換為I2C總線，以便接入新設(shè)備）及1路抄表脈沖輸入量。RS-422接口具有開路保護(hù)和終端匹配功能；板載LED指示燈用以指示通信收發(fā)狀態(tài)和程序運(yùn)行狀態(tài)、LCD顯示器和小鍵盤用于本地三表數(shù)據(jù)、安防裝置狀態(tài)的查看，并配有蜂鳴器報(bào)警電路。?

??? 該模塊上還包含一套紅外學(xué)習(xí)及重現(xiàn)的裝置，通過該裝置可將支持紅外遙控功能的家電改造成為網(wǎng)絡(luò)家電。該裝置使用PIC12C509微控制器構(gòu)成的UIR紅外接收解碼模塊來實(shí)現(xiàn)紅外信號(hào)的接收、解碼，并通過串口切換邏輯將信號(hào)送往RS422總線。由于MCU和UIR模塊均需要向RS422總線發(fā)送數(shù)據(jù)，所以對(duì)這兩者的信號(hào)采用了分時(shí)復(fù)用的設(shè)計(jì)方案。?

??? 該模塊采用2種供電方式，可通過開關(guān)選擇使用外接電源供電或從總線電纜上取電。用戶若想通過某模塊向總線供電，可以在使用外接電源的同時(shí)打開此開關(guān)，但必須確保總線上只能有一個(gè)向總線供電的模塊。?

??? 該模塊的控制程序由初始化程序、背景循環(huán)程序和一系列的中斷服務(wù)函數(shù)構(gòu)成。循環(huán)程序根據(jù)一些相關(guān)寄存器的數(shù)值對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行更新，并同時(shí)輪詢一些設(shè)備的事件。中斷服務(wù)函數(shù)則主要負(fù)責(zé)串口數(shù)據(jù)接收、鍵盤解碼和脈沖輸入計(jì)數(shù)等對(duì)響應(yīng)時(shí)間有要求的操作。?

3.2 智能家電開關(guān)控制模塊的設(shè)計(jì)?

??? 智能家電開關(guān)控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器電源的開關(guān)控制，也可應(yīng)用在自動(dòng)門鎖、報(bào)警器等需要開關(guān)量控制的場(chǎng)合。?

??? 該模塊采用Atmel公司的AT89C2051微控制器，提供了7路繼電器輸出，負(fù)荷能力為AC 250V 5A。該模塊也采用2種供電方式。?

??? 控制程序同樣由一個(gè)循環(huán)程序和一系列的中斷服務(wù)函數(shù)構(gòu)成，循環(huán)程序根據(jù)相關(guān)寄存器的數(shù)值對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行更新。?

4 嵌入式家庭控制器的設(shè)計(jì)?

4.1 嵌入式家庭控制器基礎(chǔ)平臺(tái)的選擇?

??? 嵌入式家庭控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，硬件平臺(tái)的選擇至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)選用了ICOP公司生產(chǎn)的一款工業(yè)級(jí)的瘦客戶機(jī)，采用X86架構(gòu)的嵌入式微處理器；具有2個(gè)RS-232接口，其中1個(gè)通過RS-232→RS-422轉(zhuǎn)換器，將家庭控制器掛接到家庭控制網(wǎng)上，另1個(gè)用于掛接Modem，當(dāng)有異常情況時(shí)可遠(yuǎn)程撥號(hào)到用戶預(yù)設(shè)的電話號(hào)碼提供語音報(bào)警；VGA接口可連接顯示器或數(shù)字電視作為顯示終端。?

??? 嵌入式家庭控制器采用Windows CE 5.0嵌入式操作系統(tǒng)。Windows CE是適于嵌入式產(chǎn)品的、小映像尺寸、32位實(shí)時(shí)、多任務(wù)、搶占式嵌入式操作系統(tǒng)。它允許開發(fā)人員利用可靠的核心操作系統(tǒng)服務(wù)和強(qiáng)大、完善的工具集合，針對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)。Windows CE還實(shí)現(xiàn)了更短的構(gòu)建-調(diào)試-部署周期，其應(yīng)用程序" title="應(yīng)用程序">應(yīng)用程序具有出色的遷移性，可以快速遷移到其他硬件平臺(tái)。?

4.2 嵌入式家庭控制器的軟件設(shè)計(jì)?

??? 家庭控制器終端軟件采用面向?qū)ο蟮亩噙M(jìn)程、多線程的程序結(jié)構(gòu)以及流水線式設(shè)計(jì)模式。本系統(tǒng)對(duì)家庭設(shè)備的控制、監(jiān)測(cè)可通過遠(yuǎn)程或本地兩種操作方式，在遠(yuǎn)程控制方式中，不需使用本地操作界面，為了提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，將程序分為用戶應(yīng)用程序和底層應(yīng)用程序，這兩個(gè)應(yīng)用程序通過進(jìn)程間通信協(xié)同運(yùn)行，如圖2所示。?

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4.2.1 用戶應(yīng)用程序設(shè)計(jì)?

??? 用戶應(yīng)用程序自上至下分為用戶接口層、用戶事件處理層和功能指令消息接口。?

??? 用戶接口層將接收到的用戶操作傳至下層，并將下層的信息反饋到屏幕上。界面設(shè)計(jì)采用了微軟最新的DirectDraw技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)畫式的用戶接口（可根據(jù)信息的多少自動(dòng)縮放）。將所有功能分為控制、設(shè)備、計(jì)費(fèi)、信息四大項(xiàng)，并輔以快速信息欄、天氣情況和桌面系統(tǒng)，方便用戶的使用。而在交互設(shè)計(jì)上則實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)誤提示、應(yīng)用向?qū)А⒖焖俜答仭⒎奖阃顺觥⑽恢蔑@示等特性。用戶可以方便地添加、刪除設(shè)備，并支持紅外遙控自學(xué)習(xí)功能。?

??? 在設(shè)備或設(shè)備功能的添加、刪除部分采用了向?qū)綀D形操作界面，用戶可根據(jù)需要自行添加、刪除設(shè)備，如空調(diào)、電視、CD機(jī)、電燈等。如果該設(shè)備支持紅外遙控功能，用戶只需將遙控器對(duì)準(zhǔn)紅外模塊的接收部分，通過“自學(xué)習(xí)”功能即可添加該控制功能，也可刪除該功能。這些數(shù)據(jù)將自動(dòng)保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，以備遠(yuǎn)程或本地控制時(shí)使用。?

??? 用戶事件處理層可將上層傳遞過來的用戶指令進(jìn)行翻譯，若是操作類指令則直接在本層處理并在處理完成后通知上層進(jìn)行相應(yīng)的顯示；若是控制類指令則繼續(xù)翻譯成一個(gè)或一串功能型指令并傳至下一層，還將接收指令反饋，對(duì)反饋信息加以處理，并根據(jù)需要通知上層進(jìn)行顯示。此外還可對(duì)由下層發(fā)起的指令進(jìn)行處理，其過程與上述過程基本相同，只是反饋信息傳遞方向不同。?

??? 功能指令信息接口負(fù)責(zé)與底層應(yīng)用程序的信息交互。?

4.2.2 底層應(yīng)用程序設(shè)計(jì)?

??? 底層應(yīng)用程序分為功能層和驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)層。?

??? 功能層負(fù)責(zé)接收由用戶應(yīng)用程序傳來的用戶請(qǐng)求，調(diào)用驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)層執(zhí)行相應(yīng)的請(qǐng)求，如調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)，控制單元驅(qū)動(dòng)，并將結(jié)果傳回用戶應(yīng)用程序。功能層作為定時(shí)服務(wù)的守護(hù)程序，會(huì)按時(shí)自動(dòng)運(yùn)行用戶訂制的定時(shí)任務(wù)。功能層還負(fù)責(zé)與社區(qū)服務(wù)器進(jìn)行交互，網(wǎng)絡(luò)消息處理機(jī)制使用WinSocket建立一個(gè)Socket端口監(jiān)聽服務(wù)器的請(qǐng)求，當(dāng)有請(qǐng)求時(shí)，程序從服務(wù)器下載加密后的XML文件，對(duì)其進(jìn)行解密、驗(yàn)證并執(zhí)行相應(yīng)的請(qǐng)求。?

??? 驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)層包括本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)（SQLCE）的操作，以及對(duì)智能用戶控制終端模塊和智能開關(guān)控制模塊的驅(qū)動(dòng)。?

5 社區(qū)服務(wù)器Web頁(yè)面的設(shè)計(jì)?

??? 社區(qū)服務(wù)器使用ASP.net進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)，結(jié)合C#語言實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與家庭控制器的數(shù)據(jù)通信。Web頁(yè)面設(shè)計(jì)在功能上可以分為用戶認(rèn)證管理系統(tǒng)、消息發(fā)布管理系統(tǒng)、新聞管理系統(tǒng)、社區(qū)消息發(fā)布系統(tǒng)、用戶控制頁(yè)面五大部分。?

??? 用戶控制頁(yè)面是用戶通過Internet對(duì)家庭設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、監(jiān)視的唯一途徑。在該頁(yè)面上用戶可以提交即時(shí)或定時(shí)的家電控制任務(wù)。?

??? 目前關(guān)于數(shù)字家庭的研究和設(shè)計(jì)方案很多，但仍有很多問題亟待解決，如沒有統(tǒng)一的互操作規(guī)范，尤其在標(biāo)準(zhǔn)化接口和通訊協(xié)議等方面。隨著相關(guān)技術(shù)不斷進(jìn)步，它必將向著調(diào)度智能化、靈活性和互操作性方向發(fā)展，從而進(jìn)入尋常百姓家。本文提出的以數(shù)字家庭控制器為核心的智能家居解決方案與單機(jī)的解決方案相比，更具有靈活性、兼容性和可擴(kuò)展性，并且能以更低的成本實(shí)現(xiàn)更為豐富的控制功能。系統(tǒng)具有的各種接口能兼容照明、三表、家電、安防裝置等多種設(shè)備的控制與監(jiān)視，用戶可以按照住宅環(huán)境或者經(jīng)濟(jì)能力來定制智能家居，輕松添加新的子系統(tǒng)。?

??? 嵌入式家庭控制器系統(tǒng)將當(dāng)今信息領(lǐng)域最為熱門的HFC寬帶網(wǎng)接入技術(shù)、嵌入式技術(shù)應(yīng)用到家庭控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，構(gòu)造了一個(gè)價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大、可定制的數(shù)字社區(qū)應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)，滿足了社會(huì)各階層居民用戶對(duì)數(shù)字化家庭的基本要求。?

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