目前智能家居流行的組網(wǎng)方案有4類：基于TcP／IP協(xié)議的控制網(wǎng)絡(luò)；基于EIB(European InstallaTIon Bus)總線的控制網(wǎng)絡(luò)；基于電力載波的控制網(wǎng)絡(luò),；基于無線協(xié)議(ZigBee)的控制網(wǎng)絡(luò)。本文采用TCP/IP協(xié)議與CAN總線協(xié)議,，兩種協(xié)議取長(zhǎng)補(bǔ)短,，使整個(gè)系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定，功能更加豐富,。

        完整的智能家居系統(tǒng)包括5個(gè)部分：主控模塊,、電器控制子系統(tǒng)、照明控制子系統(tǒng),、安全控制子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制子系統(tǒng),，5個(gè)部分功能上各司其職，邏輯上構(gòu)成一個(gè)完整的控制實(shí)體,。整個(gè)系統(tǒng)為人們提供智能,、舒適、安全的家庭環(huán)境,，同時(shí)提供遠(yuǎn)程信息監(jiān)控能力,。

        主控模塊是智能家居的大腦，子系統(tǒng)是智能家居的四肢,。主控模塊,，負(fù)責(zé)子系統(tǒng)的信息集中、存儲(chǔ),、分析和決策,。嵌入式芯片發(fā)展使主控模塊越來越精巧，功能日益豐富,。

       電器控制子系統(tǒng),，負(fù)責(zé)監(jiān)控電器的運(yùn)行狀態(tài)，執(zhí)行主控模塊的控制指令。網(wǎng)絡(luò)家電的發(fā)展掃清了不同家電的識(shí)別和互連的障礙,，也簡(jiǎn)化了電器控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì),。照明控制子系統(tǒng)，又名情景控制,，核心是對(duì)光影和色彩的智能控制,。該子系統(tǒng)控制燈光在角度、明暗,、顏色等方面的組合以滿足不同的情景需求,。該子系統(tǒng)也滿足時(shí)間控制的概念，具有機(jī)械動(dòng)作傳感器,、人體移動(dòng)傳感器和照度傳感器等,。

       安全控制子系統(tǒng)，針對(duì)引起安全問題的諸多因素,，起到防范和報(bào)警的作用,，煙霧傳感器、溫度傳感器,、一氧化碳傳感器負(fù)責(zé)環(huán)境安全控制,；可視對(duì)講系統(tǒng)預(yù)防陌生人的干擾；門磁傳感器和窗磁傳感器起到防盜作用,。
       遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)子系統(tǒng),，滿足家庭網(wǎng)絡(luò)和公共網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)網(wǎng)控制功能。孤立的家庭網(wǎng)絡(luò)使智能家居大打折扣,，而和GPRS(General Packet RADIo Service)網(wǎng)絡(luò)和Internet互聯(lián),，又使智能家居別樣精彩。

　　智能家居系統(tǒng)的組成如圖1所示,。智能家居是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，主控模塊是系統(tǒng)的控制中樞和通信中樞,，家庭網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)的神經(jīng)系統(tǒng),，傳輸系統(tǒng)信息流和控制流。家居中的設(shè)備眾多,，設(shè)備的接口各異,，要實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備的智能控制面對(duì)巨大挑戰(zhàn)。針對(duì)目前智能家居系統(tǒng)功能單一,、聯(lián)網(wǎng)能力差的缺點(diǎn),，本設(shè)計(jì)采用分布式技術(shù)、總線技術(shù)和嵌入式技術(shù)構(gòu)造了一個(gè)多功能,、通信能力強(qiáng)的智能家居主控模塊,。

　　1 主控模塊的功能和硬件設(shè)計(jì)

　　嵌入式技術(shù)的發(fā)展，特別是嵌入式控制芯片在功耗,、速度,、集成度方面的持續(xù)發(fā)展,，使用單片控制芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的控制成為可能。主控模塊從圖2中可以看出要完成以下工作：和子系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng),、GPRS通信功能,、以太網(wǎng)通信功能、顯示功能,、監(jiān)控軟件等,。其中GPRS通信和以太網(wǎng)通信邏輯上屬于網(wǎng)絡(luò)控制子系統(tǒng)，但是這兩種功能是在主控模塊上實(shí)現(xiàn)的,，這樣一方面提高了集成度和穩(wěn)定性,；另一方面充分利用了主控模塊在硬件和軟件上的資源。

　　arm芯片選用S3C2410,，該芯片的很多特性很適合做智能家居的主控模塊,。內(nèi)置的STN／CSTN／TFT LCD控制器和4線制電阻式觸摸屏控制器簡(jiǎn)化液晶顯示的電路設(shè)計(jì)；標(biāo)準(zhǔn)工作頻率為203 MHz,，運(yùn)算能力強(qiáng),，功耗低，可滿足主控模塊的運(yùn)算要求,；外圍接口豐富,，為主控模塊的聯(lián)網(wǎng)功能提供良好的支持。GPRS模塊選用支持AT命令集的西門子 MC35I模塊,，它與主控模塊通過串口進(jìn)行通信,；以太網(wǎng)芯片選用Realtek RTL8139以太網(wǎng)控制器；主控模塊和子系統(tǒng)之間由CAN總線組網(wǎng),，主控模塊上相應(yīng)的有CAN通信電路,；FLASH，SDRAM,EEPROM和SD卡都是信息存儲(chǔ)介質(zhì),，設(shè)計(jì)EEPROM來存儲(chǔ)系統(tǒng)配置信息,，配置64 MB NANDFLASH和64 MB SDRAM；語音電路輸出提醒或警告聲音等,；信息包含時(shí)間信息才有意義,，主控模塊上時(shí)鐘電路提供精確的時(shí)間；液晶屏可以直觀地顯示各種信息,，有利于增強(qiáng)系統(tǒng)的親和力,，選用8．O英寸TFT液晶屏。

　　2 主控模塊和子系統(tǒng)的CAN總線通信

　　主控模塊的處理能力有限,，多個(gè)子系統(tǒng)和主控模塊由現(xiàn)場(chǎng)總線組網(wǎng)構(gòu)成一個(gè)分布式控制系統(tǒng),。各個(gè)子系統(tǒng)在主控模塊的控制下協(xié)同工作。主控模塊和子系統(tǒng)之間主要傳輸信息流和控制流。主控模塊到子系統(tǒng)傳輸?shù)闹饕强刂屏?，這些控制流完成子系統(tǒng)的配置或者命令子系統(tǒng)完成特定的任務(wù),。子系統(tǒng)到主機(jī)傳輸?shù)闹饕菙?shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流主要包含子系統(tǒng)中各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)或傳感器數(shù)據(jù)等,。主控模塊和子系統(tǒng)的通信可以采用有線方式或無線方式,。鑒于有線方式速度快、可靠性高,、成本低,、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)采用CAN總線完成主控模塊和子系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng),。系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示,。

　　CAN協(xié)議是最流行的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。為保證協(xié)議的靈活性,，該協(xié)議只定義了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層,，一般CAN控制器會(huì)實(shí)現(xiàn)這兩層協(xié)議，針對(duì)具體應(yīng)用需要開發(fā)應(yīng)用層協(xié)議,。CAN應(yīng)用層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)有DeviceNet和CANOpen,。這兩種協(xié)議是面向大型系統(tǒng)，針對(duì)工廠自動(dòng)化控制和汽車電子開發(fā)的,，所以智能家居需要使用自定義的CAN應(yīng)用層協(xié)議,。智能家居中子系統(tǒng)和主控模塊采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式。自定義應(yīng)用層協(xié)議基于非對(duì)稱型主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),。應(yīng)用層幀結(jié)構(gòu)定義如圖 4所示,。Dir(1 bit)：數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颍?表示主控模塊到子系統(tǒng)；1表示子系統(tǒng)到主控模塊,。

Address(7 bit)：CAN總線網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的地址編號(hào),。
Type(3 bit)：幀類型，分為：廣播單幀,，廣播多幀開始,，廣播多幀結(jié)束，普通單幀,，普通多幀開始,，普通多幀結(jié)束,。
Index(2 bit)：索引號(hào),，指示多幀時(shí)，某幀的索引編號(hào),，多幀最長(zhǎng)4幀,。
Count(3 bit)：幀包含的字節(jié)數(shù)。
Data(8 byte)：幀中的數(shù)據(jù)負(fù)載。

　　為了防止由于數(shù)據(jù)交換錯(cuò)誤而影響整個(gè)系統(tǒng)安全,，有兩種策略可以考慮：提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；軟件處理中增加必要的容錯(cuò)處理。CAN協(xié)議采用數(shù)據(jù)塊編碼的方式通信,，CAN總線在40 m以下具有高速(1 Mbit／s)數(shù)據(jù)傳輸能力,。CAN協(xié)議非常適合主控模塊和其他子系統(tǒng)之間的通信和控制。

　　3 主控模塊的軟件設(shè)計(jì)

　　3．1 主控模塊的軟件架構(gòu)

　　智能家居主控模塊要完成4個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)同工作,，采用模塊化設(shè)計(jì)思想,，需要4個(gè)軟件模塊分別處理4個(gè)子任務(wù)，主控模塊的軟件架構(gòu)如圖5所示,，主任務(wù)協(xié)調(diào)4個(gè)子任務(wù)正常工作,。每個(gè)子系統(tǒng)又可以劃分成很多更細(xì)的任務(wù)。如果采用結(jié)構(gòu)化的程序方法,，程序設(shè)計(jì)非常復(fù)雜,，系統(tǒng)會(huì)存在很多潛在問題。嵌入式硬件資源日益豐富,，成本也較低廉,，資源的增強(qiáng)使軟件有更多的資源可以利用。主控模塊的硬件資源非常豐富,，軟件系統(tǒng)也非常龐大,，軟件系統(tǒng)無法避免在訪問資源時(shí)遇到?jīng)_突、數(shù)據(jù)同步,、數(shù)據(jù)交換的問題,，所以需要一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理硬件資源，并對(duì)軟件開發(fā)提供良好的基礎(chǔ)環(huán)境,，比如：內(nèi)存管理,、進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理,、文件系統(tǒng),、設(shè)備管理、消息機(jī)制,、數(shù)據(jù)同步,、數(shù)據(jù)交換、多線程,、套接字等,。操作系統(tǒng)雖然占據(jù)一定的存儲(chǔ)空間，但是給軟件開發(fā)帶來的便利更加可觀,。操作系統(tǒng)采用 Linux2．6內(nèi)核,。主控模塊沒有特殊的外設(shè),，驅(qū)動(dòng)開發(fā)和內(nèi)核開發(fā)的任務(wù)量就很小。開發(fā)工作主要集中在子系統(tǒng)的任務(wù)開發(fā)和監(jiān)控軟件的開發(fā)上,。Linux 開發(fā)是在宿主機(jī)上建立交叉編譯環(huán)境,，根據(jù)硬件的配置確定編譯選項(xiàng)，編譯后得到Linux的可執(zhí)行映像,。

　　3．2 主控模塊的主程序

　　智能控制主控模塊硬件上資源豐富,，軟件上有Linux操作系統(tǒng)的支持，主控模塊的軟件開發(fā)運(yùn)用了模塊化思想,，模塊的劃分依據(jù)是高內(nèi)聚低耦合,，將邏輯上緊密耦合的一組功能劃分為一個(gè)模塊。模塊劃分結(jié)果以數(shù)據(jù)流圖呈現(xiàn)出來,。主控模塊的數(shù)據(jù)流圖如圖6所示,。安全控制子系統(tǒng)、電器控制子系統(tǒng)和照明控制子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流和控制流,，通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街骺啬K,，主控模塊的CAN通信監(jiān)控子線程解析CAN網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。接著,，主控模塊的數(shù)據(jù)分發(fā)處理器子線程根據(jù)數(shù)據(jù)的類型將數(shù)據(jù)分發(fā)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序,。處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，并在界面直觀顯示分析后的信息,。

　　網(wǎng)絡(luò)模塊在邏輯上是一個(gè)獨(dú)立的模塊,，在實(shí)現(xiàn)上由于其特殊性是在主控模塊實(shí)現(xiàn)的。遠(yuǎn)程PC通過Internet方式,，手機(jī)通過GPRS方式將網(wǎng)絡(luò)流發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)模塊,，網(wǎng)絡(luò)模塊會(huì)調(diào)用網(wǎng)絡(luò)信息處理模塊處理網(wǎng)絡(luò)流，數(shù)據(jù)處理后或存儲(chǔ)或通過CAN總線轉(zhuǎn)發(fā)到其它控制子系統(tǒng),。

　　4 系統(tǒng)的測(cè)試

　　測(cè)試主控模塊的性能主要體現(xiàn)在通信速度和通信質(zhì)量,。為了獲得這些參數(shù)，需要測(cè)試主控模塊和子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸能力,。測(cè)試方式是：無競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試,；有競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試。測(cè)試指標(biāo)是：傳輸時(shí)間和誤碼率,。傳輸200 KB的數(shù)據(jù)量測(cè)試結(jié)果如表1所示,。

　　測(cè)試結(jié)果表明主控模塊和子系統(tǒng)之間的通信比較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸速率較高,，可以滿足實(shí)時(shí)性要求,。測(cè)試中誤碼率很低，一方面說明CAN協(xié)議的穩(wěn)定性,；另一方面由于在數(shù)據(jù)測(cè)試中的數(shù)據(jù)量較小,，從而出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率就小。

　　5 結(jié)論

　　智能家居系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),，由于控制對(duì)象過多,，單個(gè)智能控制系統(tǒng)無法完成控制任務(wù)，需要構(gòu)成一個(gè)家庭控制網(wǎng)絡(luò),。智能控制系統(tǒng)主控模塊在網(wǎng)絡(luò)中起到調(diào)度和協(xié)調(diào)的作用,。本文分析了家庭控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，提出了主控模塊的軟硬件模型和設(shè)計(jì)方案,，提出了主控模塊和其他功能子系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的一種實(shí)用通信方案,。

　　較其它方案，本方案內(nèi)部采用CAN總線協(xié)議,，具有組網(wǎng)方便,、性能穩(wěn)定、成本低廉的特點(diǎn),；外部采用TCP／IP協(xié)議,，具有遠(yuǎn)程控制能力、擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn),。最后介紹了主控模塊軟件的設(shè)計(jì)和主控模塊和其它功能子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸性能測(cè)試,。測(cè)試結(jié)果表明，主控模塊結(jié)構(gòu)合理,，和子系統(tǒng)通信能力強(qiáng),，能較好地完成主控模塊和子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)流和控制流的雙向傳輸。