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基于嵌入式系统的智能家居网关的研究

  智能家居  

高刃; 汪成义 2010-11-29

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【中心议题】

  • 分析了智能家居网络的构成
  • 对搭建智能家居系统进行了模拟与分析

【解决方案】

  • 采用s3C4510B微处理器
  • 10M100M以太网接口为系统提供以太网接入的物理通道

依靠3C技术(Computer TechnologyCommunication TechnologyConsumer Technology),伴随信息家电的发展,组建一个家庭局域网络。把各种设备连接起来,通过电话和因特网实现对各种家用设备的远程使用和控制,最终为用户提供一种更加安全、舒适、快捷、方便的智能化和信息化生活空间。

不同国家先后提出智能家居的方案不同。如早期新加坡的模式的家庭智能化系统包括三表抄送、安防报替、可视对讲、监控、家电控制、有线电视接入、智能布线箱、宽带网络接入等。而今天的智能家居控制系统将拥有更加丰富的内容,系统配置也越来越复杂,智能家居包括网络接入、防盗报警系统、消防报警系统、电视对讲、远程报警、紧急求助、室内电器自控管理、网上购物、视频点播、网上教育等。目前已出现在市场上的智能信息家电和智能家居类的产品主要有:

1)美国的X10系统。该系统是通过电力线作为网络平台,采取集中控制方式实现多种功能,目前在国内应用极少,这套系统的功能较为强大,但它暂时不具备在国内市场推广的条件。首先,它是基于美国的电力环境设计的,很难适应国内恶劣的电力线环境;其次,它的功能虽然强大,但是针对西方消费的习惯设计的,难以满足国内消费者的要求;最后,也是最为重要的因素,它的价格也是国内的房地产品和普通消费难以接受的。

2)德国的EBI系统。该系统采用的是预埋总线及中央控制方式实现各种控制功能,目前在国内应用极少。究其原因,一个是其工程要求较为复杂、严格;另一方面是由于它需要进行线路预埋,因此主要客户对象是新建小区的开发商,但它较高的价格是这些开发商所难以承受的,所以一直无法打开国内市场。

3)新加坡8X系统。该系统采用预埋总线和集中控制方式实现各种功能,同时,利用的产品可对系统进行扩展。目前该系统在国内有少量应用。应该说8X系统最大优势在于系统较为成熟,是比较适合中国国情的系统,在国内及东南亚市场有成功应用的范例,但在系统架构、灵活性、价格等方面还难以满足要求。首先,8X采用的预埋总线方式决定了它的切入点只能是新建小区,对于旧房改造这一潜在的巨大市场它无能为力;其次,8X集中控制的方式降低了用户的可选择性,前期投入成本较高,而这正是房地产商最为关心的问题。

我国的智能家居相对于国外起步较晚,尚未形成一定的国家标准,主要采用国外的技术和产品,但也有一些企业推出了自己的产品,其中主要有海尔、清华同方和科龙等企业在开发不同的产品。

1智能家居系统的通讯媒体技术

家庭网络的通讯主要是以物理媒体层的实际电磁信号为主要传输载体,所以物理媒体层传输介质是整个家居网络的物质基础。因而家庭网络的通讯媒体的选用是很重要的。目前,家庭网络的通讯媒体主要有以太网(双绞线)、电话线、电力线、无线射频、红外线、电缆和光纤等几种,但当前主要以双绞线、电话线和电力线为主,家庭无线网络主要采用红外、无线方式等,将以其灵活方便和可移动计算的特点而成为未来发展的方向。

 

根据接入设备的类型及实际需要,家庭局域网可以用有线或无线方式实现,也可以用混合型网络实现。以下分别对这几种方案进行比较,有线通讯方式主要利用家庭中的电话线、有线电视线、交流电力线等己经存在的配线进行通讯。

1)电话线网络。电话线网络利用住宅内现有电话线路的家庭网络具有较好的发展前景,因为电话应用已经普及,施工和安装比较方便,通过频分复用技术可以使一根电话线利用不同频率同时传输数据、网络信息和声音。相对其它技术而言,基于电话线路的网络产品价格较低,数据传输不容易受到干扰。利用电话按键可实现简单、方便、廉价的远程控制。

2)电力线网络。采用电力线作为传输介质一般使用窄带通讯方式和扩频通讯方式,在家庭网络中适合采用扩频通讯方式。

使用电力线的最大优点在于不用改动家庭布线,利用现有的插座就可以实现家用电器的方便联网,因此施工和安装更为方便。

但对于家庭中所使用的手持移动设备来说无法采用电力线连入家庭网络。它的缺点在于传输速率只有300Kbps,噪声和干扰比较大,不能满足数字视频和音频信号的传输,保密性较差,而且没有统一的标准。

此外由于信号与家用电器在同一对线上传输,对所使用的元件的耐压要求比较高,在安全问题上有一定的隐患。目前国际上采用电力线作为联网介质推出的解决方案有—X10CEBUS等。

3)以太网。采用专门铺设的线缆布网,数据传输速率相当高,可达到10Mbits100Mbits能够传输电话、数据、视频和家电控制信息,主要用于基于个人电脑的有线局域网和高速因特网。它的优势在于技术已经十分成熟,以太网的组网设备在市场上可以很方便地买到。其缺点是以太网组网成本较高,对维护者的技术水平要求也较高。需要专门布线。通过采用专用总线的形式来组建智能家居系统,如Lon-Work总线。它的优点是抗干扰能力强,技术成熟;缺点是需要重新铺设线路。

家庭网络无线通讯方式主要集中于红外线和无线射频两种技术的应用。红外技术是由红外线数据标准协会提出并推行的。这种通信方式使用850nm的红外光来传输数据和语音。采用该技术的设备无需专门申请特定频率的使用执照,体积小、功率低,耗电量很低。红外技术的传输速率可达16Mbits,特别适合于传输容量较大的数据文件和多媒体信息流。红外技术只能实现点到点的连接,这虽然会使数据传输所受到的干扰较少,但却无法灵活的构成网络。另外,红外技术必须在视线可达的范围内定向传输,中间不能有任何阻挡,并容易受到光线干扰,同时要求通信设备的位置相对固定,无法用于移动设备。红外遥控的主要问题是红外线无法穿透墙壁,应用受到空间的限制,因此只适合作为家庭网络的辅助通讯媒体。

无线射频技术的成熟性在很多应用领域已经得到了验证。与其它方式的家庭网络系统相比,无线系统的费用较为昂贵。一方面,是因为要有专门的较大功率的收发器;另一方面,是要用数字信号处理芯片过滤来自其它设备的干扰。当前无线局域网有多种技术标准,因不同厂家产品不能互操作而给其市场拓展带来限制。

有线方式数据传输的速率高,可靠性强,但灵活性差,布线复杂;无线方式便于移动设备的连接,非常灵活,但速率相对较低,抗干扰性和安全性也是需要解决的问题。有线和无线技术,既是相互竞争的也是相互补充的,既有各自的优点也有各自的缺点,目前是多种技术的混合和共存的局面。但随着无线技术的发展成熟,无线技术必将取代优先技术,成为最终的发展趋势。

2智能家居网络的构成

从组成结构上划分,智能家庭网络可包括如下四个部分:

1)宽带接入。它为家庭内部网络提供与外部网路的高速双向互连,可以提供实时、可靠的数据传输服务。目前可以选用的宽带接入技术有xDsLFTTHISDN等。

 

2)中央控制器(或家庭网关)。它是家庭网络的核心设备,不仅为家庭内部网络环境和外部网络环境提供了连接,还提供了路由选择、内外部子网之间的协议转换等服务。

3)信息家电网络。它是指家庭内部网络环境,将家庭内部的信息家电互连组网。对于消费用户而言该网络应该是不可见、无需配置的。

4)信息家电。信息家电是融合了计算机技术、数字通信技术的消费电子产品,是3C技术融合的产物,以利用信息家电网络主动或被动交互信息来完成产品功能为主要特征,相互之间可以协同完成特定任务,并且通过家庭中央控制器(或家庭网关)可以接入外部网络。

家庭智能系统的体系结构的总体框图见图1

从功能的方面看,智能家居系统由两部分组成:嵌入式家庭智能应用终端、嵌入式智能家庭内网通信模块(即信息家电网络和宽带接入),嵌入式智能家庭网关。

3智能家居网关

智能家居网关(Residential Gateway)技术是智能家居中的关键技术。家庭网关技术主要解决各种信息家电之间的信息传输,以保证把家庭外部连接传入的信息传输到相应的家电上去,同时可以把家庭内部信息传输到外部连接上。

 

家庭网关在家庭内部提供不同类型、不同结构子网的桥接能力,使这些子网内的信息家电可以相互通信;在家庭外部,通过Internet将各种服务商连接起来以提供实时、双向的宽带接入,同时还提供防火墙的能力,阻止外界对家庭内部信息设备的非法访问和攻击。在家庭网关的设计上,可以采用代理(Agent)技术,即以不同的私有互联协议连接到采用不同技术构成的网络,并将整个控制算法分解成针对不同情况的控制代理。这样把对各种信息家电的控制通过代理的方式转移到家庭网关上,在信息家电上只要增加一个网络接口,从而形成一种胖服务器一瘦客户机的体系结构。这时家庭网关就演化成一种家居服务器,它除了完成家庭网关所具有的一切功能,还拥有丰富的软硬件资源,通过家居服务器可以实现与各种信息家电联系。这样整个家庭网络就形成了一种以家居服务器为核心的智能家居体系结构。

4嵌入式家庭网关实现

目前家庭网关和外界连接的平台主要有两个:用于语音传输的电话网和Internet,前者主要借助音频拨号实现一些简单的控制,它的数据传输能力和应用都比较有限,后者是真正的全球化信息交互平台,具有大量的数据传输能力和丰富的应用功能。Interment为各种网络互连提供了统一的标准TCPIP,它具有完全的开放性和无限的可扩展性,而且家庭网络和TCPIP网络的差异只在于复杂度、实时性和网络容量等方面,他们完全可以作为层次化网络体系中相邻的两层,无需中间层的介入。所以,家庭网络直接接入运行TCPIP协议的

局域网和广域网是合理的,也是可行的。

家庭网关的演变大致经历了三个不同的阶段:一是传输介质与设备对象一一对应,设备之间各不相关;二是不同用途的专用网关开始相互衔接,不同协议与不同传输介质的家庭网关开始相互结合;三是家庭网关一体化,功能集中、平台无关、鲁棒和高性能等等。图2是是嵌入式家庭网关硬件系统框图。本网关系统采用Samsung3C4510B处理器。由于ARM采用了RISC的体系结构,程序运行的时间更具有可估算性,更容易实现实时性,与传统的CISC结构体系相比RISC体系结构还有如下的优点:使用相当少的指令和寻址模式;

几乎在单一周期内完成指令的执行;微处理器中拥有更多的寄存器;使用最优化的程序代码编译;微处理器的内存存取主要用于指令的加载及存储;简易的编码指令格式;高度并行化处理。

 

家庭网关的硬件架构,包括微处理器、内存以及输入输出装置等。微处理器采用以ARM7TDMI为核心的samsung3C4510B,内存使用两片DRAM,每片16M,一共32M;还有ROMflash,分别是1M4M;其他是各种接口:USB、串口、网口等。系统硬件构架见图3

各部分基本功能描述如下:串行接口电路用于3C4510B系统与其他应用系统的短距离双向串行通讯;复位电路可完成系统上电复位和在系统工作时用户按键复位;电源电路为SV33VDC转换器,给3C4510B及其他需要33V电源的外围电路供电;10MHz有源晶振为系统提供工作时钟,通过片内PLL电路倍频为50MHz作为微处理器的工作时钟;FLASH存储器可存放己调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统或其他在系统掉电后需要保存的用户数据等;SDRAM存储器作为系统运行时的主要区域,系统及用户数据、堆栈均位于SDRAM存储器中;

10M100M以太网接口为系统提供以太网接入的物理通道,通过该接口,系统可以10M100MbPs的速率接入以太网;JTAG接口可对芯片内部的所有部件进行访问,通过该接口可对系统进行调试、编程等;系统总线扩展引出了数据总线、地址总线和必须的控制总线,便于用户根据自身的特定需求,扩展外围电路。

5结语

本文通过详细了解智能家居、嵌入式系统的发展历史以及目前国内外的发展趋势,阅读和研究大量的智能家居、嵌入式系统的标准和相关文献,对基于3C4510B微控制器芯片设计出功能完善的智能家居系统的网关系统以及在此基础上成功组建的家庭网络进行了深入的研究。但是在智能家居系统的布局布线合理性上存在一些问题,没能集成语音识别技术。这是本文的不足之处,需要进一步的研究。

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