??? 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,。本系統(tǒng)的特點是可以對現(xiàn)有家用電器和安防" title="安防">安防裝置進行集中或異地監(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,，特別是計算機技術(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)連接到一個家庭智能化系統(tǒng)上進行集中或異地的監(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)實現(xiàn)的。家庭控制器系統(tǒng)集測量,、控制為一體,，通過家庭網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對家庭安防裝置的監(jiān)控和報警、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格昂貴,；?

??? (2)對現(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,，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，實現(xiàn)對用戶現(xiàn)有家電的集中或遠(yuǎn)程控制,，免除了重新購買電器的支出,，可使普通百姓體驗到數(shù)字家庭帶來的便利,。?

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案?

??? 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),，通過家庭管理平臺將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機結(jié)合的系統(tǒng),。數(shù)字家庭一般要求有三大功能單元：(1)一個兼容性強的數(shù)字家庭中央處理平臺，它是數(shù)字家庭的核心,，通過它用戶可以和家居子系統(tǒng)進行快速溝通,。通過這個媒介平臺，構(gòu)成與外界的通訊通道,，以實現(xiàn)與家庭以外的世界溝通信息,，滿足遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測和交換信息的需求,。(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，也就是說要在一個家居中建立一個通訊網(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)行機構(gòu),，實現(xiàn)對家庭網(wǎng)絡(luò)上所有家庭設(shè)備的控制和監(jiān)測,。?

??? 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)器以實現(xiàn)數(shù)字家庭的遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測,，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，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),，使住宅成為一個有機的整體。?

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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)計方案?

??? 如何構(gòu)建一個符合我國國情,，并以社會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)計方案?

??? 目前，寬帶接入技術(shù)已十分成熟,。就我國具體情況而言,，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,，還可以使人們體驗視頻點播和上網(wǎng)遨游的樂趣。據(jù)中國商業(yè)數(shù)據(jù)網(wǎng)統(tǒng)計,，2005年我國數(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,，又可實現(xiàn)“三網(wǎng)合一”的最終目標(biāo),。?

2.2 家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案?

??? 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、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、臺式計算機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)場總線技術(shù)LonWorks,、無線接入技術(shù)（如HomeRF、Zigbee等）各具特點,，但它們共同的缺點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,，但其低廉的價格,，在國內(nèi)具有很大的市場潛力。?

??? 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?

??? 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)備控制單元劃分為智能用戶控制終端模塊和智能家電開關(guān)控制模塊兩類,，使用模塊化設(shè)計可以給用戶更靈活的配置余地,。例如用戶家中只有1臺電視，但擁有十余個需要控制電源開關(guān)的電器設(shè)備,，則可以選擇只安裝1個智能用戶控制終端,，同時安裝2～3個智能家電開關(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對線傳遞串行信號,，另2對線接入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?

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

??? 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現(xiàn)紅外信號的接收、解碼,，并通過串口切換邏輯將信號送往RS422總線,。由于MCU和UIR模塊均需要向RS422總線發(fā)送數(shù)據(jù),，所以對這兩者的信號采用了分時復(fù)用的設(shè)計方案,。?

??? 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打開此開關(guān)，但必須確?？偩€上只能有一個向總線供電的模塊,。?

??? 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)值對設(shè)備運行狀態(tài)進行更新,，并同時輪詢一些設(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數(shù)等對響應(yīng)時間有要求的操作,。?

3.2 智能家電開關(guān)控制模塊的設(shè)計?

??? 智能家電開關(guān)控制模塊實現(xiàn)對家用電器電源的開關(guān)控制,，也可應(yīng)用在自動門鎖、報警器等需要開關(guān)量控制的場合,。?

??? 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)值對設(shè)備運行狀態(tài)進行更新,。?

4 嵌入式家庭控制器的設(shè)計?

4.1 嵌入式家庭控制器基礎(chǔ)平臺的選擇?

??? 嵌入式家庭控制器是整個系統(tǒng)的核心,，硬件平臺的選擇至關(guān)重要。本設(shè)計選用了ICOP公司生產(chǎn)的一款工業(yè)級的瘦客戶機,，采用X86架構(gòu)的嵌入式微處理器,；具有2個RS-232接口，其中1個通過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個用于掛接Modem，當(dāng)有異常情況時可遠(yuǎn)程撥號到用戶預(yù)設(shè)的電話號碼提供語音報警,；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位實時、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)和強大、完善的工具集合,，針對硬件設(shè)備進行創(chuàng)意設(shè)計,。Windows CE還實現(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,。?

4.2 嵌入式家庭控制器的軟件設(shè)計?

??? 家庭控制器終端軟件采用面向?qū)ο蟮亩噙M程、多線程的程序結(jié)構(gòu)以及流水線式設(shè)計模式,。本系統(tǒng)對家庭設(shè)備的控制,、監(jiān)測可通過遠(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，這兩個應(yīng)用程序通過進程間通信協(xié)同運行,，如圖2所示,。?

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4.2.1 用戶應(yīng)用程序設(shè)計?

??? 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)計采用了微軟最新的DirectDraw技術(shù),，實現(xiàn)了動畫式的用戶接口（可根據(jù)信息的多少自動縮放）,。將所有功能分為控制、設(shè)備,、計費,、信息四大項，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)計上則實現(xiàn)了錯誤提示,、應(yīng)用向?qū)?、快速反饋、方便退出,、位置顯示等特性,。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、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)將自動保存在本地數(shù)據(jù)庫中，以備遠(yuǎn)程或本地控制時使用,。?

??? 用戶事件處理層可將上層傳遞過來的用戶指令進行翻譯,，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行相應(yīng)的顯示；若是控制類指令則繼續(xù)翻譯成一個或一串功能型指令并傳至下一層,，還將接收指令反饋,，對反饋信息加以處理，并根據(jù)需要通知上層進行顯示,。此外還可對由下層發(fā)起的指令進行處理,，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?

??? 底層應(yīng)用程序分為功能層和驅(qū)動與數(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求,，調(diào)用驅(qū)動及數(shù)據(jù)層執(zhí)行相應(yīng)的請求,，如調(diào)用數(shù)據(jù)庫，控制單元驅(qū)動,，并將結(jié)果傳回用戶應(yīng)用程序,。功能層作為定時服務(wù)的守護程序，會按時自動運行用戶訂制的定時任務(wù),。功能層還負(fù)責(zé)與社區(qū)服務(wù)器進行交互,，網(wǎng)絡(luò)消息處理機制使用WinSocket建立一個Socket端口監(jiān)聽服務(wù)器的請求，當(dāng)有請求時,，程序從服務(wù)器下載加密后的XML文件,，對其進行解密、驗證并執(zhí)行相應(yīng)的請求,。?

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

5 社區(qū)服務(wù)器Web頁面的設(shè)計?

??? 社區(qū)服務(wù)器使用ASP.net進行網(wǎng)頁設(shè)計,，結(jié)合C#語言實現(xiàn)服務(wù)器與家庭控制器的數(shù)據(jù)通信,。Web頁面設(shè)計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)、用戶控制頁面五大部分,。?

??? 用戶控制頁面是用戶通過Internet對家庭設(shè)備進行遠(yuǎn)程控制,、監(jiān)視的唯一途徑。在該頁面上用戶可以提交即時或定時的家電控制任務(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的解決方案相比，更具有靈活性,、兼容性和可擴展性,，并且能以更低的成本實現(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)計中,，構(gòu)造了一個價格低廉、功能強大,、可定制的數(shù)字社區(qū)應(yīng)用體系結(jié)構(gòu),，滿足了社會各階層居民用戶對數(shù)字化家庭的基本要求。?

參考文獻?

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