時間：2023-06-29 16:23:40
導語：在智能家居設計的撰寫旅程中，學習并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優秀范文，愿這些內容能夠啟發您的創作靈感，引領您探索更多的創作可能。
摘要：簡要介紹了電力線通信技術，分析了對利用電力線通信技術實現智能家居網絡的載波技術、網絡控制技術等組網關鍵問題，介紹了一種基于LonWorks技術的電力線智能家居網絡解決方案。
基于電力線通信技術的智能家居網絡系統，利用電力線通信技術通過電源插座完成家庭聯網，并為家庭網絡提供互聯網接入和多媒體音視頻業務，通過家庭服務器對接入家庭網絡的信息家電、安全系統實行監控和管理。
一、電力線通信技術概述
電力線通信技術(PLC)是把載有信息的高頻加載于電流，用電力線傳輸，通過調制解調器將高頻信號從電流中分離出來，傳送到計算機或其他信息家電，以實現信息傳遞的一種通信方式。目前PLC技術已經形成寬帶接入型與家庭網絡型兩種發展模式，家庭網絡型是指通過電力線在用戶家中組建高速LAN。這種模式的PLC只提供家庭內部聯網，即通過家庭的內部的普通電力線，進行組網連接家庭內部局域網。電力線通信技術有以下優點：信息家電可以通過電力線進行通信，無需另外布線，利用電源線實現智能家居網絡成本較低；電力網是覆蓋范圍最廣的網絡，PLC技術可以輕松地滲透到每個家庭，其應用范圍廣泛；網絡的接入點是電源插座，電源插座隨處可見，數目較多且接插方便；不需要撥號，接入電源插座即接入網絡；電力線載波通信較容易實現自動抄表、家居監控等功能。利用電力線載波通信技術實現智能家居網絡最方便。
二、電力線智能家居網絡的關鍵問題
2.1載波技術1)正交頻分多路復用技術。低壓電力線載波信道的傳輸特性的特點是具有時變性，衰減較大，而且各種干擾噪聲復雜。為提高電力線網絡的傳輸質量，電力線通信大都采用正交頻分多路復用技術(OFDM)進行調制。即將串行數據轉化為N個并行數據分配給N個不同的正交子載波，實現并行數據傳輸。這樣既可得到很高的數據傳送速率，又能夠有效地抑制碼間干擾。應用OFDM技術于電力線通信中具有明顯的優越性。OFDM頻帶不僅利用率高，而且抗干擾性強，可以克服電力線上固有的高噪聲、多徑效應和頻率衰減等現象，有效利用現有低壓電力線實現高速數字通信。2)擴展頻譜調制技術。這一技術的抗干擾和抗多徑效應也較強。因此，也有一些廠家采用這種技術開發電力通信產品。擴展頻譜調制技術在相對較寬的頻帶上擴展了信號頻譜，降低了信號的功率譜密度，降低了電磁輻射，削弱了對其他通信系統的干擾。而且接收端通過窄帶濾波技術提取有用信號，信號的信噪比很高，抗干擾性增強。另外，擴頻通信可以實現碼分多址。對于1Mbps左右的系統，應用擴頻技術就可以完全滿足傳輸容量的要求，且其設備簡單，擴頻調制方式較為經濟。當傳輸速率要求在10Mbps及以上時，擴頻技術實現起來較困難。在10Mbps及以上傳輸速率宜采用OFDM調制技術。
2.2網絡控制技術目前，家庭自動化網絡標準有許多種，較為成熟的有X210、CEBus和LonWorks等。1)X210是最早應用于家庭設備自動控制系統的。X210的控制模式為主從控制模式，信息是單向傳輸的，從控點只能接收主控點發來的信息，不能反饋。X210的系統信息的傳輸較慢(傳送一個指令需時0.883s)，抗干擾性能差，可用節點數為256個，只能用于普通家庭中的簡單控制和專項控制。但其價格十分低廉，而且安裝使用較方便，如僅組建一個簡單的家居智能網絡，可以考慮X210技術。2)CEBus是一個較完整的開放系統，美國電子工業協會(EIA)于1992年正式推出，并定為IS260/EIA2600標準。它定義了在幾乎所有傳送媒體(Medium)中信號的傳輸標準，并要求控制信號在所有的媒體中都要以相同的傳送速度(10Kbps)傳送，從而有效地避免信號傳輸中可能出現的“瓶頸”問題。CEBus的抗干擾能力比X210強，控制功能亦十分豐富。但接口技術比較復雜，價錢較貴，在中國的應用不多見。3)LonWorks是由美國Echelon公司于1990年12月開發成功的全分布式智能控制網絡技術。1997年8月，被EIA的集成家庭系統技術委員會定為家庭網絡(HomeNetworking)的標準。Lon2Works完全支持OSI的7成協議，具有良好的開放性、互操作性，其網絡系統組成以分布控制為控制模式。對于網絡家電來說，只需要將已定義的的網絡家電之間信息傳遞的語法和語義標準在應用層實現后，就能夠實現不同廠商之間產品的相互兼容。LonWorks的分布式架構使其具有獨立性，部分節點的故障不會造成系統癱瘓。LonWorks最基本的部件是同時具有通信與控制功能的神經元芯片，具有很強的通信能力和一定的數據處理能力。其抗干擾能力很強，其可靠度是這三種網絡控制技術最高的(約99.8%)，并具有完善的開發系統和工具。LonWorks的分布式架構，每一個控制裝置都可以有隨插即用的功能，減免了二次拉線造成的成本，并避免了重新布線的不便。LonWorks可擴展性強，在將來對系統升級時，可充分利用原有資源，降低升級的復雜性及成本。上述三類家庭自動化網絡技術都是各有其特點，組網時可根據實際情況進行選擇。但如果要組建一個統一的、操作性強、功能完善、可靠性高、可擴展性強的家居智能網絡，采用LonWorks技術是一個明智的選擇。
三、電力線智能家居網絡的組成
本文以LonWorks技術為基礎，采用電力線載波技術來構建家居智能網絡。該網絡以分布控制、集中管理為控制模式，其網絡系統可依靠網絡節點完成自治的控制功能，通信媒體采用電力線。主控節點與家用電腦相連，可控制從節點的功能配置并監控從節點的狀況，并且還負責與Internet的通信。通過主控節點可查看電表、水表、煤氣表的讀數，實現三表的集抄。從節點可接收從電力線傳來的控制信息，完成自治的控制功能，同時反饋家電的一些狀態信息。從節點由電力線網關、信息家用電器組成。在這個網絡系統中，電力網關是一個重要的部件，它用于對網絡信息的發送與接收。電力網關由基于LonWorks網絡系統的LonTalk網絡協議和神經芯片、電力線載波模塊和耦合電路組成。
一、智能家居系統設計的流程
單片機系統是微機應用產品化的最佳機種之一，其系統本身具備很多優點。例如，較其他系統，單片系統的體積更小，成本更低，功能性更加強大，單片機所帶來的系統已經在智能化產品工業制作中被廣泛應用。并且隨著技術水平的不斷進步，逐漸完善的單片機系統能夠滿足設計過程中的各種要求。
在總體設計的流程中，外界信息經過感應器傳導，其信號內容進行放大與整形，進一步傳導單片機信號分析處理，再由單片機系統與外部信息結構進行指導交換，引導紅外與光電裝置，將信息內容傳遞于執行器件。在控制系統中，系統控制器會接收到遠端傳遞過來的信號，并且對其解碼，再傳遞給中央處理系統。在控制系統的設計中，我們要充分考慮用戶使用的便捷性，在控制系統中添加語音提示操作系統，使用戶能夠在無人值守系統的情況下，更好地進行系統操作。
二、智能家居系統的應用設計
(一)傳感器應用設計
傳感器的應用設計，是家庭智能設計過程中的信號來源。在傳感器設計上，應根據產品本身的特點添加各種感應裝置。在智能家居系統中，火災警報傳感器是設計的第一項，火災煙霧傳感器的體積小、可靠性高，能夠及時將煙霧信號轉換為電信號，在智能家居的設計中，煙霧傳感器可以固定在每個房間的天花板或者墻壁上，將家居系統與小區或消防警報系統相鏈接，充分利用智能家居系統的安全性。
其次，我們要設立可燃氣體傳感器，將感應器放置于廚房等氣體容易泄露的地方，監視氣體疏通管道的安全性，如果發生天然氣泄露等情況，感應器會自動關閉天然氣輸送管道閥門，并且向外界發出信號，及時通知家庭以及小區物業，降低財產損失。在可燃氣體感應器設置上，利用氣體濃度來對天然氣等裝置進行監控。在智能家居生活中，防盜報警系統可以分為兩部分，一部分是對家庭周圍環境的防護，例如周圍環境的監視控制，門窗系統中的開關以及玻璃周圍的感應系統等;另一部分是針對
家庭無人的情況，對于室內的感應防盜系統，利用紅外感應裝置，在他人進入房間且未關閉監控系統的情況下發出警報。在房間有人活動的時候，關閉室內防盜系統，開啟室外防盜系統，在無人活動的情況下，室外系統與室內系統均開啟，并且防盜系統的靈敏程度可以根據房屋周圍環境而設定。
(二)通訊接口應用設計
智能家居的生活控制系統中，數據通信電路需要完成信息的接受與發送、與計算機的溝通、與軟件的控制等幾個方面。分析模塊組成部分可以發現，GSM基帶處理器相較于供電模塊、閃存、天線接口等幾個部分而言是TC35的核心，GSM主要負責處理終點內的語音與數據信號，并且在不需要額外增加電路支持的情況下，可以完成FR和EFR的編碼工作。
在連接方式上，TC35與單片機需要采用串行異步通信接口，使用紅外和通信電纜兩種傳輸方式進行傳輸。在整體的傳輸設計過程中，紅外接口的特點在于信號穩定，接口之間相互獨立，使用方面抗干擾性強，不會對手機的通訊產生影響，缺點是傳輸的距離有限，傳播的方向受到接口的限制。而電纜連接的通訊裝置傳輸距離遠，可靠性高，不過缺點在于傳輸接口的電氣參數不兼容，設計過程中容易對手機的通訊產生影響。在接口的設計中，要分析家庭周圍的環境，考慮接口信號對于家庭通訊設備的影響，選擇合適的接口，應力求將紅外接口與電纜接口進行結合，提高智能家居系統工作的效率。
(三)紅外線應用設計
在系統設計的控制方面，可以加入更多的紅外設計理念，在智能家居設計中，紅外遙控器是被廣泛應用的，但是在實際操作過程中，一個紅外遙控器所針對的只是特定的品牌產品，遙控器之間的兼容性很差，在新型智能家居設計中，可以利用紅外插座、紅外開關等產品，將電器的操作信號與電信號進行混合，利用紅外系統中的學習與記憶功能，使紅外插座成為信號傳遞的樞紐，同時利用單片機對遙控器發射出信號的波形進行測量，然后對測量數據進行反饋，從而提高遙控器的效率，實現家庭智能控制系統的優化。
總之，在智能家居系統的設計中，首先要明確選擇系統的性質，其次建立合理的設計流程。設計過程要符合信息技術的要求，并且最大化地提高用戶的使用效率。在應用設計方面，分析傳感器的種類并選擇合適的連接端口，提高控制系統的靈敏度，并結合紅外線感應技術，增強智能家居控制系統的完整性，使其能更好地提高人們生活質量。
關鍵詞：物聯網技術；智能家居；系統設計
隨著科學技術的迅速發展，世界也開始進入了信息化時代，而如今科學家將計算機技術和信息技術融入了人們的日常生活和工作中，也就是智能化的應用。智能化的應用雖然從起源到現在只有二十多年的時間，但是其發展速度已經在各大發達國家中得到廣泛應用，特別是在建筑行業以及家居行業中已經使用在人們的生活和工作當中，這不僅僅是世界科學上的一大突破，更是讓人們的生活和工作迎來了一個全新的、高科技和安全舒適的環境。
1物聯網技術的智能家居與傳統智能家居的比較及發展趨勢
物聯網技術的智能家居是通過無線連接方式將家庭中的各種使用電器科學合理的組織、聯系起來，形成一個完整的控制系統，而傳統的智能家居是每個家居帶有智能化的獨立工作，它們是單一化的、無聯系性的個體，因此在兩者比較中，可以發現物聯網技術的智能家居在控制和管理方面會比傳統的智能家居更加的節省時間以及管理成本，在使用處理方面會更加的簡單方便，可以說物聯網技術的智能家居給人們的生活和工作帶來更簡便、更統一以及更加實用的體驗。但是由于物聯網技術的智能家居還未能廣泛的使用，所以在購買成本使用上會比傳統的智能家居更高，在維護和維修方面則需要全面整體的排查，所需的費用也就更加的昂貴。因此物聯網技術的智能家居比傳統智能家居存在著巨大的優勢，但是也存在著時間發展的限制。隨著社會經濟的發展以及家庭人口結構的復雜化，人們對于家居環境的需求也就越來越高，特別是在環境的舒適程度以及安全方面，與此同時大多數經濟條件較好的家庭對家居產品的功能要求不僅僅是使用上的安全舒適，更多的是要求整個系統能在功能之上有更多的擴展和更多的服務需求，能做到全面、簡單又有舒適、有效率，所以物聯網技術的智能家居不僅會受經濟和科學的發展而逐漸取代傳統的智能家居，更是人們對未來生活和工作的需求慢慢普及到每個家庭中。
2物聯網技術的概括說明及智能家居的系統技術構造分析
2.1物聯網技術的概括說明物聯網的應用是與所連接的物體，可以進行遠程感知并控制，物聯網主要由感知層、傳輸層以及應用層所組成物。聯網由傳感器的傳感技術為基礎用于采集信息和連接電器產品，再通過輸出層進行數據上的傳輸和計算，最后通過應用層來實現所接收信息的應用和服務。
2.2智能家居系統的構造分析智能家居主要由簡易信息家電、信息處理模塊、通信模塊、功能驅動模塊以及外界信息的接口模塊所構成。信息家電就是通過帶上PC，利用計算機和信息技術與普通家電連接而成的主要功能的家電產品，屬于家庭中的新型家用電器；信息的處理模塊是系統的處理器，可以將比較分散和獨立的信息進行信息的共享和協同工作，主要現實功能就是對家電工作所處的狀態和發出的需求進行收集并處理，再將結果傳輸到功能驅動模塊當中；通信模塊是系統模塊之間連接的“線路”，根據不同的家庭和所處的生活環境，通信模塊也不盡相同，所需求的功能狀態不就不一樣；功能驅動模塊是系統的信息指令中心，是信息的流入和流出與家電的接口，根據不同生產商的電器，首先需要經過驅動模塊來將指令翻譯成家電器所能夠執行的電子信號，還將各種復雜狀態的信息轉化為簡單易懂的二進制信息；外界信息的接口模塊是外界與家庭連接的“關卡”，使得家庭的內部中的各種信息在共享的基礎上，進一步的實現了基于因特網的資源共享，通常被指定為今后發展智能家居關鍵所在。
2.3智能家居系統的主要技術智能家居系統的主要技術有：網絡通信技術、網絡移動終端技術以及網絡控制技術。網絡通信技術可以分為有線網絡通信和無線網絡通信技術，現在主要流行的是無線網絡技術，其比較有線的網絡技術更具有低耗能、低成本以及廣范圍的覆蓋的優勢，是未來智能家居發展的主要通信技術；網絡移動終端技術通常以智能手機為主要代表，也有的使用智能電視機或是平板電腦。網絡移動終端技術現在主要嵌入的系統是比較被廣泛的安卓系統，用于移動互聯網上。網絡控制技術通常由家庭網關互聯、外部擴展的模塊與家電互聯以及直接嵌入系統應用：智能家居的主要核心就是家庭網關，用于完成家庭的內部網絡中的各種通信的連接轉換和共享，并同外界通信網絡的數據進行交換和對家庭智能家居的管理和控制；通過外部擴展的模塊與家電互聯進行遠程控制，按照規定的通信協議對家電進行控制；直接嵌入系統應用實現了網絡功能與家居中的單片機相互協調控制的功能，使僅有單片機控制的家電升級到單片機與網絡相連接的多功能控制。
3物聯網技術的智能家居系統設計的研究方向
3.1由移動智能終端，隨時隨地控制管理家居通過比較傳統的智能家居，會發現一個問題是傳統家居沒有統一的管理性，往往一個家電器發生什么意外事故或者是軟硬件的損壞，用戶都難于察覺或者在外無法對意外事件提前警覺，因此在使用物聯網技術的智能家居設計中，需要設計一款由移動智能終端來隨時隨地可以控制管理家居的系統，在移動智能終端上設置功能需要有家電用器的開啟與關閉的功能和設置家電器工作狀態的功能，主要由于家電器擺放或是設置的開關之間有一定的距離，為了方便用戶通過移動智能終端可以節省生活中不必要浪費的時間，另一方面更為了防止人的惰性而能隨時隨地的關閉不必要的家電器使用，節省電能源。
3.2實現一鍵控制家居模式對于傳統的智能家電來說，用戶在使用時都需要對每個家電進行繁瑣的操作，實現一鍵控制家居模式是物聯網技術的智能家居系統設計的主要研究方向，設想下一個剛從繁忙工作回來的工作者，一回到家里打開電燈、開空調、插電煮水來準備洗澡、洗后還要用洗衣機洗衣服、開電腦或看電視，似乎又回到家工作一般，如果實現一鍵控制家居模式，根據用戶日常習慣設定后，一切通過一鍵實現運作，不僅僅是生活中的享受，更是大大節約了大部分繁瑣操作的時間。關于物聯網技術的智能家居系統設計需要能對日常安排的家電使用能夠有靈活變動的功能，也必須能在遠程進行操作，提前設定好功能
。3.3安全系統的監控與設定物聯網技術的智能家居系統設計必不可少的是安全系統的設定，安全系統主要要注意的方面有：家電器具的安全管理，對家電器具的開關使用情況都有安全模式通過移動智能終端設置警報提醒；另外是網絡安全的設置，對于黑客或是有意進入的網絡擾亂的侵入者，可以設置移動智能端進行監控和清除的功能；最后需要安全系統設置的是為防止房屋的盜竊，設置防盜系統，用于檢測外來人員進入房屋的掃描功能和自動報警功能，在這兩個功能設置之外還可以設置移動智能終端進行視頻監控的功能，從多個角度和多個功能方式來安全防護，讓用戶減少不必要的財產損失。
4總結
總而言之，物聯網技術的智能家居系統的發展是隨著經濟的提升以及科學技術進步的，比較傳統智能家居是為了更好的吸取其中的優勢，去除繁瑣的操作，為了人們今后擁有更加安全、舒適而又簡便的生活，物聯網技術的智能家居系統還需要更多的完善和改進。
參考文獻：
[1]梁爽.基于物聯網技術的智能家居系統設計[D].西南交通大學，2013.
[2]鄧楨文，程洪亮，蔡藝韻，等.基于物聯網技術的智能家居系統設計[J].福建電腦，2016，32（2）：21~22.
自1985年在德國首先出現家居數字系統基礎上，很多國家或地區爭先恐后研發各類系統理念方案、產品設備。同時這一現代化生活系統在全球實現了較大范圍的實施。1988年，國際電子工業協會提出第一個適用于家居環境的電器設計標準，即“Homeautomationsystemandcommunicationstandards”（家庭總線系統標準，哈佛商學院）。智能家庭系統已經進入中國家庭中，其安全、舒適、高效的生活方式已成為人們的一種追求。2012年，在城市和農村住宅科技產業項目實施計劃中，數字建設是中國首批新能源研發項目，此項目在實施的過程中，中央部門大力重視這個項目的實施，在建設部批準建設網絡社區，有30000數字家庭在華中地區社區實施。
1.設備不統一
相對獨立研發，通過添加一些簡單的遠程操作功能，稱其產品數字家庭系統。一個家庭在多個獨立的專有數字系統信息中，多個重疊數字家庭系統用戶在功能上往往比較混亂。
2.產品不穩定
國內數字產業在數字家庭方面的發展中，并沒有一個統一的相關標準規定，在這樣的一個市場環境下，許多中型小型企業獨立經營標準，加上市場炒作，不注意用戶的實際體驗，很多是簡單增加在某一性能或功能基礎上就投入市場，產品間的聯系不強，互不相容，甚至互相干擾，不利于數字家庭系統的修改和擴展，只能給用戶帶來不好的影響。
二、智能系統在家居設計中的狀態
從今天的產品體系看，國內還未樹立完整的智能數字理念，市場提供的產品間大都無一定的功能與形式的聯系，各類產品都獨自研發與更新。部分產品研發程序中過多地在電器的使用初級階段加入指令命令，沒有一個完善的整體處理系統。構架內各類設備與電器產品聯系較少，超控性能較低，使用效率不高，同時在核心的遠程命令體驗上的問題需要改進。從使用者的角度出發，智能數字家庭系統的出現首要功能是把人從煩瑣的家庭工作解放出來，更多地來享受生活和工作之余歸家的放松；同時能掌握家庭中的每一個信息數據，并分析相應的智能家電設備的智能操作以完成某些任務。此系統應用前景非常廣闊，適應不同國家、地區人生活的功能需求；同時更應該注意到不同國家、地區、民族、季節等方面的不同，根據用戶的需求量身定做對應的數據庫、監控方式、信息源代碼，保證信息記錄與搜索的必要功能。
（一）智能家居系統的性能需求
1.系統10s從每個傳感器節點收集的數據。
2.數據的準確性小數點后1位小數。
3.快速響應用戶的請求。
4.問題處置利用圖像控制。
5.各類參數信息建立在系統內，便于搜索。
（二）智能數字家庭系統功能層次
不同層的智能家居系統根據用戶需求，根據硬件處理能力分配任務。系統劃分為兩層平臺。一級使用嵌入式開發板硬件支持平臺，與此同時，選擇電腦作為二級處理系統平臺。由于嵌入式設備的處理能力和內容容量限制，選擇使用這個系統級負責數據收集平臺，與一些復雜程度不高的智能家用電器的開啟和關閉，發送數據到輔助平臺，從個人電腦（PC）接受數據傳輸任務。所以利用PC機應用一個二級硬件設備、圖像安保，目的是為使用者及時處置相關數據，同時處理數據的保存任務。在前期硬件設計過程中多級平臺建設必須具有以下原則。
1.透明模擬。利用Java語言研發可供使用的仿真體系，并能夠運行至少兩個Windows和Linux操作系統上，系統抽象OSGI組件技術和設備的使用服務，以Bundle的形式。仿真平臺是面向服務為主的，所以不必關心虛擬設備和服務真實設備。
2.可配置性。SmartHome是一個動態的設備，具有各種不確定因素的各式各樣的工作。出現各種類型的檢測要求。檢測工作中會出現能搭檔的數據模式。
3.模擬環節方便性能平臺是二維圖像版式。SHEmu平臺是圖形界面視覺顯示領域的設備，設備工作狀態之間具有互操作性，Xml通過配置文件來記錄設備的不同狀態，相應的圖像資源在GU視圖與其中某一個文件相搭配，實現不同視圖對應不同設備的關系。
4.數據庫統。SHEmu提供數據的分類，數據庫的管理通過消息記錄和初始信息來實施。
三、智能系統在居住空間中的應用
關鍵詞：家庭控制器 自動監控 安全防范
l 引言
隨著國民經濟和科學技術水平的提高，特別是計算機技術、通信技術、網絡技術、控制技術的迅猛發展與提高，促使了家庭實現了生活現代化，居住環境舒適化、安全化。這些高科技已經影響到人們生活的方方面面，改變了人們生活習慣，提高了人們生活質量，家居智能化也正是在這種形勢下應運而生的。
2 智能家居控制系統概述
智能家庭控制系統是以HFC、以太網、現場總線、公共電話網、無線網的傳輸網絡為物理平臺，計算機網絡技術為技術平臺，現場總線為應用操作平臺，構成一個完整的集家庭通信、家庭設備自動控制、家庭安全防范等功能的控制系統。
智能家居控制系統的總體目標是通過采用計算機技術、網絡技術、控制技術和集成技術建立一個由家庭到小區乃至整個城市的綜合信息服務和管理系統，以此來提高住宅高新技術的含量和居民居住環境水平。
系統通常由系統服務器、家庭控制器(各種模塊)、各種路由器、電纜調制解調器頭端設備CMTS、交換機、通訊器、控制器、無線收發器、各種探測器、各種傳感器、各種執行機構、打印機等主要部分組成。
3 智能家居控制系統功能
智能家庭控制系統的主要功能包括家庭通信、家庭設備自動控制、家庭安全防范三個方面。
3．1家庭通信
家庭通信可采用電話線路、計算機互聯網、CATV線路、無線局域網等方式。
(1)電話線路
通過電話線路實現雙向傳輸語音信號和數據信號。
(2)計算機互聯網
通過互聯網實現信息交互、綜合信息查詢、網上教育、醫療保健、電子郵件、電子購物等。
(3)CATV線路
通過CATV線路實現VOD點播和多媒體通信。
(4)無線局域網
通過無線收發器、天線、各種無線終端，實現雙向傳輸數據信號。
3．2家庭設備自動監控
家庭設備自動監控包括電器設備的集中、遙控、遠距離異地(通過電話或Internet)的監視、控制及數據采集。
(1)家用電器的監視和控制
按照預先所設定程序的要求對熱水器、微波爐、視像音響等家用電器進行監視和控制。
(2)熱能表、燃氣表、水表、電度表的數據采集、計量和傳送根據小區物業管理的要求所設置數據采集程序，通過傳感器對熱能表、燃氣表、水表、電度表的用量進行自動數據采集、計量，并將采集結果遠程傳送給小區物業管理系統。
(3)空調機的監視、調節和控制
按照預先所設定的程序，根據時間、溫度、濕度等參數對空調機進行監視、調節和控制。
(4)照明設備的監視、調節和控制按照預先設定的時間程序，分別對各個房間照明設備的開、關進行控制，并可自動調節各個房間的照度。
(5)窗簾的控制
按照預先設定的時間程序，對窗簾的開啟／關閉進行控制。
3．3家庭安全防范
家庭安全防范主要包括多火災報警、可燃氣體泄漏報警、防盜報警、緊急求救、多防區的設置、訪客對講等。家庭控制器內按等級預先設置若干個報警電話號碼(如家人單位電話號碼、手機電話號碼、尋呼機電話號碼和小區物業管理安全保衛部門電話號碼等)，在有報警發生時，按等級的次序依次不停地撥通上述電話進行報警(可報出家中是哪個系統報警了)。同時，各種報警信號通過控制網絡傳送至小區物業管理中心，并可與其它功能模塊實現可編程的聯動(如可燃氣體泄漏報警后，聯動關閉燃氣管道上的電磁閥)。
(1)防火災發生
通過設置在廚房的感溫探測器和設置在客廳、臥室等的感煙探測器，監視各個房間內有無火災的發生。如有火災發生家庭控制器發出聲光報警信號，通知家人及小區物業管理部門。家庭控制器還可以根據有人在家或無人在家的情況，自動調節感溫探測器和感煙探測器的靈敏度。
(2)防可燃氣體泄漏
通過設置在廚房的可燃氣體探測器，監視燃氣管道、灶具有無燃氣泄漏。如有燃氣泄漏家庭控制器發出聲光報警信號，并聯動關閉燃氣管道上的電磁閥，同時通知家人及小區物業管理部門。
(3)防盜報警
防盜報警的防護區域分成兩部分，即住宅周界防護和住宅內區域防護。住宅周界防護是指在住宅的門、窗上安裝門磁開關，在對外的玻璃窗、門附近安裝玻璃破碎探測器；住宅內區域防護是指在主要通道、重要的房間內安裝被動紅外探測器或被動紅外／微波雙技術探測器。當家中有人時，住宅周界防護的防盜報警設備(門磁開關、玻璃破碎探測器)設防，住宅內區域防護的防盜報警設備(紅外探測器或被動紅外／微波雙技術探測器)撤防。當家人出門后，住宅周界防護的防盜報警設備(門磁開關、玻璃破碎探測器)和住宅內區域防護的防盜報警設備(被動紅外探測器或被動紅外／微波雙技術探測器)均設防。當有非法侵入時，家庭控制器發出聲光報警信號，并通知家人及小區物業管理部門。另外，通過程序可設定報警裝置的等級和報警器的靈敏度。
(4)訪客對講
住宅的主人通過訪客對講設備與來訪者進行雙向通話或可視通話，確認是否允許來訪者進人。住宅的主人利用訪客對講設備，可以對大樓入口門或單元門的門鎖進行開啟和關閉控制。
(5)緊急求救
當遇到意外情況(如疾病或有人非法侵入)發生時，按動報警按鈕向小區物業管理部門進行緊急求救報警。緊急求救信號在網絡傳輸中具有最高的優先級別，由于是人在緊急情況下的求救信號，其誤報的可能性很小。
4 智能家居控制系統類型
4．1系統類型
智能家庭控制系統可分成采用公共電話網的智能家庭控制系統、HFC的智能家庭控制系統、以太網的智能家庭控制系統、LonWorks的智能家庭控制系統、KS485的智能家庭控制系統、無線網的智能家庭控制系統等類型。
4．2基本特點、功能、適用范圍
(1)采用公共電話網的智能家庭控制系統采用公共電話網的智能家庭控制系統圖參見國家建筑標準設計
·基本特點：家庭智能控制器內配置了與電話線連接的收發器，利用電話網絡作為信息傳輸網。該系統不僅在功能上能完全滿足要求，而且大大地簡化了布線，可以節省布線的投資。
·系統組成：系統由系統服務器、家庭控制器(內置了與電話線連接的收發器)、路由器、收發器、各種探測器、各種傳感器、各種執行機構、打印機等組成。
·系統功能：實現家庭通信、家庭設備自動控制、家庭安全防范。
·適用范圍：該系統適用于新建、擴建的智能化住宅(小區)工程，且特別適用于改造的智能化住宅(小區)工程，利用原有的電話線就可實現數據信號的共網傳輸。
(2)采用HFC的智能家庭控制系統
采用HFC的智能家庭控制系統圖參見國家建筑標準設計
·基本特點：家庭智能控制器內配置了CableModem，利用有線電視的HFC網絡作為信息傳輸網。該系統不僅在功能上能完全滿足要求，而且大大地簡化了布線，可以節省布線的投資。
HFC網絡采用共享方式，其共享帶寬為36Mbps。當上網人數較多時，上網的速度會變慢。由于Cable Modem設備費用較高，用戶網絡的開通費用高。
·系統組成：系統由系統服務器、家庭控制器(內置了Cable Modem)、路由器、電纜調制解調器頭端設備CMTS、有線電視傳輸網絡、各種探測器、各種傳感器、各種執行機構、打印機等組成o
·系統功能：實現家庭通信、家庭設備自動控制、家庭安全防范。
·適用范圍：該系統適用于新建、擴建的智能化住宅(小區)工程，且特別適用于改造的智能化住宅(小區)工程，僅將原有的有線電視HFC網絡進行雙向改造，就可實現數據和圖像信號的共網傳輸。
(3)采用以太網的智能家庭控制系統
采用以太網的智能家庭控制系統圖參見國家建筑標準設計
·基本特點：家庭智能控制器內配置了以太網網卡，利用以太網作為信息傳輸網。以太網同時支持住戶計算機和智能家庭控制系統。該系統不僅在功能上能完全滿足要求，而且大大地簡化了布線，可以節省布線的投資。
以太網傳輸速率較高，傳輸速率有10Mbps、100Mbps等。根據傳輸距離的要求，由小區物業管理中心至各樓交換機采用5類以上4對對絞線、多模光纜或單模光纜，由交換機至家庭控制器采用超5類4對對絞電纜。
·系統組成：系統由系統服務器、家庭控制器、路由器、交換機、各種探測器、各種傳感器、各種執行機構、打印機等組成。
·系統功能：實現家庭通信、家庭設備自動控制、家庭安全防范。
·適用范圍：該系統適用于新建、擴建和改造的智能化住宅(小區)工程，用以太網實現數據和圖像信號的雙向傳輸。
(4)采用LonWorks的智能家庭控制系統采用LonWorks的智能家庭控制系統圖參見國家建筑標準設計《智能家居控制系統設計施工圖集如3X602第21、22、23頁。
·基本特點：采用一個覆蓋全部ISO／OSI標準七層通信協議、開放性的LonWork總線技術，一臺系統服務器最多可連接127臺LONWorks路由器，一臺LonWorks路由器最多可連接63臺家庭控制器。每臺家庭控制器為LonWork一個通道上的網絡節點，每個網絡節點包括有神經元(NEURON)芯片、振蕩器、電源、一個通過媒介通信的收發器和與監控設備接口的I／O設備(電路)、存儲器等。
LonWorks直接通信距離可達2700m(雙絞線、78Kbps)，其通信傳輸速度最大可達1．25Mbps(此時有效傳輸距離為130m)。LonWorks路由器至小區物業管理中心線路長度超過2700m時，需在總線上加裝中繼器。傳輸線通常采用雙絞線，根據需要也可采用同軸電纜或電力線。
·系統組成：由系統服務器、家庭控制器、路由器、LonWorks路由器、交換機、各種探測器、各種傳感器、各種執行機構、打印機等組成。
·系統功能：實現家庭通信、家庭設備自動控制、家庭安全防范。
·適用范圍：該系統特別適用于新建、擴建的智能化住宅(小區)工程。
(5)采用KS485的智能家庭控制系統
采用KS485的智能家庭控制系統圖參見國家建筑標準設計03X602第18、19、20頁。
·基本特點：KS485串行接口總線為主從式網絡，它的通信為半雙工、采用雙向單信道連接方式。RS485串行接口總線的傳輸介質采用雙絞線，它可以高速地進行遠距離傳輸，傳輸速度與傳輸距離的技術指標如下：傳輸速率為10Mbit／s時，最大傳輸距離是12m；傳輸速率為1Mbit／s時，最大傳輸距離是120m；傳輸速率為100kbit／s時，最大傳輸距離是1200m。
·系統組成：由系統服務器、家庭控制器、路由器、通訊器、控制器、各種探測器、各種傳感器、各種執行機構、打印機等組成。
·系統功能：實現家庭通信、家庭設備自動控制、家庭安全防范。
·適用范圍：該系統特別適用于新建、擴建的智能化住宅(小區)工程。
(6)采用無線網的智能家庭控制系統
采用無線網的智能家庭控制系統圖參見國家建筑標準設計03X602第24、25頁。
·基本特點：利用無線作為信息傳輸網，該系統不僅在功能上能完全滿足要求，而且從系統服務器至家庭控制器、家庭控制器至各種現場末端裝置均采用無線傳輸方式，小區、樓內、戶內無需布線，施工簡單，可以節省施工的投資。
無線網的工作頻率符合IEEE802．11b標準要求。
·系統組成：由系統服務器、家庭控制器、無線收發器、各種探測器、各種傳感器、各種執行機構、打印機等組成。
·系統功能：實現家庭通信、家庭設備自動控制、家庭安全防范。
·適用范圍：該系統適用于新建、擴建的智能化住宅(小區)工程，且特別適用于改造的智能化住宅(小區)工程，不用敷設線路就可實現數據信號的傳輸。
5 系統設計及產品選用要點
5．1智能家庭控制系統類型的選用
新建、擴建的智能化住宅(小區)工程，宜采用LonWorks的智能家庭控制系統、以太網的智能家庭控制系統或采用RS485的智能家庭控制系統。改造的智能化住宅(小區)工程，宜采用公共電話網的智能家庭控制系統、HFC的智能家庭控制系統或無線網的智能家庭控制系統。
5．2家庭控制器的選用
家庭控制器的選用主要包括功能、總線技術及模塊化設計、擴展功能、可按用戶的基本要求進行配置等方面的選用要求。
(1)家庭控制器功能的選用
家庭控制器通常具有以下功能：
·家庭防盜報警；
·家庭火災報警；
·家庭燃氣泄露報警；
·家庭緊急求助；
·遠程設防與撤防；
·遠程報警；
·訪客對講；
·家用電器監控；
·家用表具數據采集及處理；
·空調機監控；
·接入網接口；
·小區電子公告；
·信息查詢；
·家用設備報修等。
(2)家庭控制器功能的選擇
在工程設計中，家庭控制器功能的選擇可參見下表所示。
5．3總線技術及模塊化設計
·家庭控制器要求采用總線技術，如LonWorks、R5485、BACnet、C^NBlls、CEBus、X一10；
·家庭控制器要求采用模塊化設計，以便用戶可以根據需求選擇不同的模塊完成不同的功能。
5．4擴展功能
家庭控制器要有一定的擴展功能，考慮能適應今后發展的需要。
5．5可按用戶的基本要求進行配置應能根據用戶提出有哪些被控設備及監視控制要求(功能要求)等因素，來對家庭控制器組成進行配置，包含模塊種類的選擇和各種模塊數量的選擇。 6 設備的安裝
6．1交換機、路由器、控制器、放大箱、分配箱、電話分線箱
康居住宅家庭控制器功能設置表
級嗣
消防
安防
訪客對講
家電監控
表具數據遠傳
基本級(1A)
1．在住戶內安裝緊急按鈕開關。
2．在住戶內安裝入侵報警探測器。
具有語音對講及控制開啟樓道人口處防盜門功能。
1~2點
熱能表、燃氣表、水表、電度表的自動抄收及遠傳、超限判斷、自動檢查、分時計費、實時計量、管理功能。
提高級(2A)
在室內安裝可燃氣體泄
漏自動報警裝置。且能就地
發出聲光報警信號。
1．在住戶內兩處安裝緊急按鈕開關。
2．在住戶內安裝入侵報警探測器，在戶門、及用臺、外窗安裝
人侵報警裝置。
具有語音對講及控鑭開啟樓道人口處防盜門功能?？蓪?/p>
現住戶與安防監控中心的直接聯系。
2點以上
熱能表、燃氣表、水表、電度表的自動抄
收及遠傳、超限爿斷、自動檢查、分時計費、實時計量、管理功能。
先進級(3A)
1．在室內安裝可燃氣體泄漏自動報警裝置，當燃氣體泄漏報警后能自動切斷氣源、打開捧氣裝置，且能就地發出聲光報警信號。
2．在住戶內設置火災自動報警裝置。
1．在住戶內不少于兩處安裝緊急按鈕開關。
2．在住戶內安裝入侵報警探測器，在戶門及陽臺門、外窗安裝入侵報警裝置。
具有語音、可視對講及控翻開啟樓道入口處防盜門功能，可實現住戶與安防監控中心的直接聯系。
2點以上
熱能表、燃氣表、水表、電度表的自動抄收及遠傳、超限判斷、自動檢查、分時計費、實時計量、管理功能。
這些設備均應安裝在電氣豎井內或公共走道的墻上(內)。
6．2家庭控制器
暗裝(或明裝)在墻內(上)，其底邊距地面1．4m左右。家庭控制器應設置在住戶大門附近(宜距戶門0．5m以內)，且容易操作(包括設防與撤防)的地方。
6．3可燃氣體探測器
安裝在廚房內的燃氣管道、灶具附近，當住戶使用的是天然氣，燃氣探測器吸頂棚安裝在距頂棚300ram以內的地方；當住戶使用的是液化石油氣，燃氣探測器安裝在距地面300mm以內地方。
6．4感溫探測器設置在廚房內，它吸頂棚安裝。
6．5感煙探測器設置在起居室、臥室等房間內，它吸頂棚安裝。
6．6緊急按鈕開關
設置在起居室沙發和主臥室床頭附近的墻上，及衛生間的墻上。緊急按鈕開關暗裝在墻內，其底邊距地面0．5m~1．2m。
6，門(窗)磁開關
安裝在門扇和門框內或窗扇和窗框內。
6．8玻璃破碎探測器
安裝在窗戶和玻璃門(陽臺)附近的墻上或吸頂棚安裝。
6．9被動紅外侵入探測器和被動紅外／微波雙技術探測器
安裝在住戶的主要通道、重要的房間內，它吸頂棚安裝或安裝在頂棚的墻角處。
6．10紅外遙控器
安裝在被控電器設備正面附近的墻上，距離不能超過紅外線工作范圍，且與電器設備之間沒有遮擋。
7 工程設計實例
以二室戶型為例介紹戶內的智能家庭控制系統設計，設計標準采用康居住宅先進級(3A)。采用以太網的家居控制系統，家庭控制器與戶內各模塊之間采用R．$485總線，家庭控制器可通過電話線或計算機網絡接收控制指令、發出信息，所選用的家庭控制器具有可視訪客對講功能。家居控制系統圖參見國家建筑標準設計03X602第17頁，二室戶型家居控制平面圖參見圖1、2所示，家庭控制器與室內設備的連接參見圖3所示。
在起居廳、臥室設置了感煙探測器，廚房設置了感溫探測器、可燃氣體探測器，各房間的窗戶、陽臺推拉門上及附近設置了門(窗)磁開關和玻璃破碎探測器，起居廳設置了被動紅外侵入探測器，起居廳、臥室、衛生間設置了緊急按鈕開關。對電、水、燃氣進行計量；可對餐廳、起居廳、臥室的燈進行控制；當可燃氣體探測器探測到有燃氣泄漏后，聯動控制關閉燃氣管道上電磁閥、開啟排煙風機；當有各種探測器報警后，聯動警報發聲器發出報警聲音。
家庭控制器共提供13路輸入：電度表(電度表安裝在照明配電箱內)、燃氣表、熱能表、可燃氣體探測器、感溫探測器、感煙探測器、緊急按鈕開關、被動紅外侵入探測器、玻璃破碎探測器各1路，水表、門(窗)磁開關各2路。
家庭控制器共提供7路輸出：警報發聲器控制1路、燃氣管道上電磁閥控制1路、排煙風機控制1路、照明控制4路。
三室戶型、復式結構、別墅的智能家庭控制平面圖及家庭控制器與室內設備的連接參見國家建筑標準設計
智能家居系統產業在我國得到快速發展。如何設計出安全完整性等級高的系統產品和工程應用項目,使該系統能更好地提升人們的現代化居住條件是一個非常重要的課題,本文闡述了功能安全通用概念和智能家居系統功能安全的特點和設計對策。
智能家居系統在歐美國家已有近二十年的發展歷史,其產業形態和系統設計已日臻成熟。歐洲也已擁有成熟的技術標準、產品的標準和產品認證模式。與之相比,智能家居在我國起步較晚,2000年智能家居的概念才傳到深圳和內地。隨著我國住宅產業的高速發展,智能家居也得到了迅猛發展。一方面新建的高端住宅項目都進行了智能家居系統的設計,并將智能家居系統作為住宅銷售的賣點加以宣傳推廣;另一方面,在國外許多專業智能家居廠商迅速搶占中國市場的同時,國內本土智能家居系統產品的廠家也得到了快速的成長。
在智能家居的市場推廣中,我們發現,無論是發展商提出的智能家居的需求,還是工程商設計智能家居系統以及國產智能家居系統的研發、推廣,都還停留在“功能”至上的階段。大家對系統的研發和應用都以求“全”、求“新”、求“奇”為主要特征。然而,一個完整的智能家居系統往往由許多子系統構成,需控制的設備種類也日新月異。要在短時間內研發出所有的子系統往往是不現實的。除了像Bticino這樣專注智能家居的品牌能提供較全的子系統外,就連許多國外品牌也只是能提供智能家居系統中的一部分子系統。因此,部分工程設計往往是由二個或多個品牌的子系統集成的。
就電子通訊來說,功能實現的同時,我們還必須重視由此而產生的安全問題。嚴格地說,只要是由電子、電氣構成的系統都存在功能安全問題,無論是一個簡單的小系統還是一個復雜的大系統,對系統集成的大系統就更需要進行功能安全的設計、檢測和評估。而這一點,目前的絕大多數智能家居系統的工程項目設計和系統研發是欠缺的,有的甚至尚無功能安全的設計理念和意識。下面,我們詳細的來探討智能家居系統的功能安全設計。
一、智能家居系統功能安全的概念和意義
功能安全是指與受控設備(EUC)和EUC控制系統相關的總體安全部分,它取決于電氣、電子、可編程電子(E/E/PE)安全相關的系統機能、其它技術安全相關的系統和外部風險降低實現的功能。
對智能家居系統而言,功能安全是指避免因應用或操作智能家居系統而引發不可接受的傷害風險,這些傷害的來源包括:正常操作時、合理可預見的誤操作時、系統或產品出現故障時、暫時性的干擾時等。
對于因應用或操作智能家居而引發的不可接受的傷害風險是指對財產或環境的破壞而直接或間接地導致對人體健康的損害或人身損傷,既包含人員面臨的火災或爆炸等短期危險,也包含有毒物質的釋放等對人體有長期影響的危險。
二 、智能家居系統功能安全生命周期的實現
功能安全涉及到智能家居系統及產品從研發到工程應用的各個層面,需要從產品的生命周期的層面來考慮功能安全的實現,也可以稱作功能安全的生命周期。一般情況下,我們可以依據下圖功能安全的各個階段來設計。
智能家居系統是一種通過公共通信方式連接起來的分布式多重應用的總線系統,該系統的控制功能包括開關、開環控制、閉環控制、監控和系統管理。智能家居系統是由復雜的硬件、通信傳輸介質、各種應用軟件等技術的綜合實現的。其系統硬件和軟件的功能安全生命周期的實現可按下圖的流程來管理。
三、智能家居系統的風險和安全完整性
1. 根據智能家居系統當今行業的水準,并依據傷害的嚴重程度、暴露在危險中的人數、暴露在危險中的頻率和持續時間,我們設定以下以允許風險為基礎的功能安全規范要求:
(1)系統的功能安全取決于網絡的性能以及連接的所有控制器、執行器或其他設備的性能。
(2)網絡或系統中任何部件的故障不會引起該系統產品或受控設備的不安全。
(3)在工作條件下,單獨的控制器、執行器或其他設備不應只依賴于系統。
(4)在工作條件下,任何產品與其它智能家居產品或系統的系統交互作用都不會引起系統的不安全操作。
2. 安全完整性等級(SIL)是指用于規定分配給E/E/PE安全相關系統的安全功能的安全完整性要求,SIL設4個等級,1-4個等級由低到高排序,SIL4是最高等級。 確定SIL等級需要先根據ALARP(在合理的情況下風險降至最低的原則)來確定容許風險,并根據實際的系統特點和經濟投入及安全法規來對風險進行分級。風險等級的意義見下表:
為了達到允許風險的目標,我們也可以講一系定的風險后果分配,允許頻率如下表:
一般情況下,我們對智能家居系統的安全完整性等級(S1L)設計可以根據允許風險和硬件、軟件的失效率來綜合確定。(具體的計算和設定方法限于篇幅,本文從略)
四、智能家居系統中涉及功能安全的危險來源和危險事件
1. 根據智能家居系統的系統結構和系統特性,我們分析了智能家居系統中設計功能安全的危險來源如下:
(1)材料和結構的特性;
(2)系統的可靠性;
(3)正常操作可能引起的危險;
(4)與其他產品無意識的交互作用;
(5)與其他廠商的智能家居系統的交互作用;
(6)異常條件;
(7)可預見的誤用,包括未授權和惡意的代碼下載,以及非故意的配置修改;
(8)系統或產品的使用壽命;
(9)應用環境可能引起的危險。
2. 根據危險來源和智能家居系統的應用特性,我們分析概括了一下危險事件:
(1)電源失效;
(2)總線短路;
(3)總線上過壓;
(4)市電過壓;
(5)絕緣損害(溫度、浪涌、機械);
(6)錯誤連接;
(7)過高溫度;
(8)火災;
(9)機械沖擊、振動;
(10)腐蝕;
(11)電磁干擾;
(12)擾的通信;
(13)污染;
(14)部件或產品的壽命終止;
(15)合理可預見的誤用;
(16)軟件失效;
(17)過載;
(18)可靠性的喪失;
(19)材料的斷裂(機械地);
(20)不正確的設計/結構;
(21)損壞設備和子系統間的交換;
(22)遠程控制;
(23)執行器同時接收到兩處指令;
(24)系統失效。
五、智能家居系統中涉及功能安全的設計對策
智能科技家居管理系統可以定義為一個過程或者一個完整系統。應用先進的計算機技術、網絡通信技術、綜合布線技術、將與家居生活有關的各種子系統，有效地聯合在一起，通過統籌模式管理，讓家居生活更加溫馨、安全、有效。
一、系統設計主要任務
本文使用凌陽ARM9嵌入式實驗箱，S3C2440 CPU核心板以及Linux系統或者裝有Linux虛擬機的PC機一臺。本設計包括有：控制軟件的編寫與調試和系統硬件的設計與調試。
(一)硬件部分。
智能家居控制系統其硬件部分主要由五大部分組成：GPRS模組、以太網模塊、SHT11溫濕度傳感器、攝像頭、S3C2440 、CPU板模塊與接口和電源部分。用戶可以通過GPRS模組上的RS232接口和PC機相互連接并且使用，通過SHT11溫濕度傳感器來檢測溫度變化，為各個部分提供工作電源的則是電源部分。
(二)軟件部分。
軟件設計部分主要由五大部分構成：就是Boa服務器搭建、CGI程序編寫，AT命令集，GPRS初始化與驅動、攝像頭驅動和各個驅動程序編寫
二、方案設計
(一)系統方案論證。
1.控制部分： 計劃一：將MCS-51單片機作為總的控制元件。計劃二：將凌陽單片機SPCE061A作為總的控制元件。計劃三：將ARM作為總的控制元件。
比較論證： 計劃一MCS-51單片機功用較少，不具有模數轉換等功能，因而需要增加一些外圍電路來實現一些功能，使得電路復雜化，精確度不高，采樣速率偏低。而計劃二簡化了電路，增加了系統的穩定性。凌陽SPCE061A在設計方面提供了極大的便利，它的益處在于，功用較多，因為它不僅囊括了一般單片機一切的功能，更增加了許多新的功能，如： A/D、D/A轉換， 語音等，另外又提供了方便的編程環境。計劃三更加智能，它可以移植LINUX系統到CPU中，對于處理我們的多媒體和網絡更勝一籌，而且LINUX下的資源非常豐富，可以運用LINUX下的資源完善我們的系統，與外網的聯系變得更加簡單。
2.顯示部分：方案：采用LED發光管。
3.服務器部分：方案一： 采用UDP服務器或者TCP。方案二：采用boa服務器。
比較論證：計劃一盡管可行，但搭建容易，移植和執行都比較困難，而計劃二則不同，Boa服務器雖然和普通Web 服務器一樣， 但是能夠很容易完成接收客戶端請求、分析請求、響應請求、向客戶端返回請求結果。
(二)系統總體設計和分析。
本設計屬于嵌入式應用系統。，進行系統設計最重要、最關鍵的一步就是確定嵌入式管理系統總體方案。總體方案的好壞與否，直接影響到了整個控制系統的性能以及實施細則。被控對象的任務及工藝要求是由總體方案的設計而確定的。設計方法大抵如下：按照系統要求，首先確定出系統屬于哪種類型。選取檢測元件，在確定總體方案的時候，必需先選擇好被檢測參數的測量元件，它直接影響到控制系統精度。選擇合適的執行機構，執行機構是微控制系統的重要組成部件之一。執行機構的選擇一方面要匹配到控制算法，另一方面要根據被控對象的實際狀況來確定。選擇合適的輸出/輸入通道和外圍設備。選擇時應考慮以下問題：被控對象參數的數量;各輸出/輸入通道是并行操作或串行操作;各通道數據傳遞的速率;各通道數據的字長和選擇位數;對顯示、打印有什么要求
三、系統制作與調試
(一)系統硬件調試。
由于應用的是凌陽研制的s3c2440開發板，所以，只需根據要求連接好虛擬機與開發板，并把程序分別燒入開發板，連接好GPRS模組，設置好相應選項。
主控制器和GPRS模組使用標準串互。模組帶有10針的接口，該接口能夠直接和MCU相連接，也可以通過該模組上的RS232接口轉化電平后和PC機連接。在GPRS模組的SIM卡座旁邊有J5和JP1組成的配置跳線。在使用GPRS模組之前，需要首先正確配置這些跳線，以便選擇使用 MCU還是PC與模組通信。
(二)主控程序調試。
先將虛擬機與pc機建立好連接，以便互相傳輸數據和文件;然后建立虛擬機與開發板之間的連接，調試好虛擬機的nfs服務器和samba服務器將對后來的設計提供更多的方便。給開發板燒寫操作系統(bootloader，kernel，rootfs.yaffs)，以便boa服務器可以在其上運行。
四、結論
隨著科技發展水平的不斷提高，智能家居越來越普及到人們生活之中，也是未來人們研究發展的重中之重。本文簡略地闡述了遠程控制原理、短消息發送的實現方法、以及相關電路的設計原理，設計中充分利用了系統的硬件和軟件資源，實現了各個模塊的協調控制，提高了系統的穩定性和通用性。
【關鍵詞】無線控制；遠程控制；溫度控制；安防控制；能源管理
1.引言
近年來隨著人民生活水平和知識層次的不斷提高，人們也將注意力越來越多的放在了生活環境的安全性、舒適性和便利性上，因此也就產生了對家居智能化的需求；與此同時，在科學技術方面，計算機控制技術與電子信息通訊技術的飛速發展也促成了智能家居系統的出現。開發智能家居相關產品不僅能夠滿足人們生活的需要，對整個社會信息化進程的推動作用也不可忽略。
我們基于上海未來伙伴機器人有限公司創新套件設計了一套智能家居控制系統，利用結構部件、連接部件和傳動部件以及傳感器完美得組合在一起，通過能力風暴控制器、單片機系統、無線模塊、GSM模塊等，實現了家居的無線控制、遠程控制、溫控、安防控制等功能，使人們的生活更加便捷、安全、舒適。
2.系統總體設計方案
家居智能的基本目標是，將家庭中各種與信息相關的通信設備、家用電器和家庭安防裝置連接到一個家庭智能化系統上進行集中或者異地的監視、控制和家庭事務性管理，并保持這些家庭設施與住宅環境的協調。根據智能家居所需要的功能，我們按照與家庭所處位置的遠近，將系統歸納為遠程控制、無線遙控控制和本地集中控制三種控制方式。
遠程控制通過手機發送短信形式進行控制，此方案主要用到GSM模塊和單片機，手機發送指令到GSM模塊的SIM卡，然后根據用戶的指令來控制家電設備或者接收報警信號并向用戶報告。使人們身在外地就可了解家中的各種狀態。
無線控制功能是通過無線發射接收模塊實現近距離控制功能，主要包括對家電的近距離控制和接收報警信號，節省了無線通信不必要的費用，也省去了花在綜合布線上的費用和精力。其主要電路由51單片機模塊電路、無線發射接收電路、能力源控制器、AS-UⅢ智能機器人組成。
“自動+手動”控制包括路燈、太陽能草坪燈、走廊燈控制的自動控制，可節約能源?？照{、花園澆水、窗簾是采用“自動+手動”控制，既可以自己通過按鍵控制開關，也可以自動控制。
3.硬件電路設計
3.1 無線控制系統
用戶通過終端控制器發射指令，由接收系統對電飯煲、熱水器、排風扇進行開關控制。用戶通過終端控制器發射相關指令，接收系統對大門、車庫門、房門也可進行開關。采用AT89C51單片機，通過功能按鍵選擇以上的開關控制，由12864液晶顯示器進行顯示相關狀態，同時蜂鳴器起到報警的作用，使用2400bit/s無線模塊實現近距離無線控制。無線終端控制器的框圖如圖1（左圖）所示。接收系統通過解碼實現對家用電器、門等控制。同時門上安裝磁敏傳感器檢測門的位置，使門實現自動開關功能。接收系統的框圖如圖1（右圖）所示。
無線終端器的電路原理圖見圖2所示，電源為5V直流電，12864液晶顯示器中RP1可以調節顯示器的亮度，S1-S6為無線終端控制器的功能選項按鈕，S7為單片機復位按鈕。AY1為蜂鳴器，當單片機20腳輸出低電平時，Q1導通，蜂鳴器開始鳴響。2400bit/S為無線模塊，當接收到無線信號時，單片機進行解碼，并通過12864與蜂鳴器顯示相關數據。
3.2 遠程控制系統
用戶通過手機發送短信，GSM模塊接收到手機的指令，通過單片機進行遠程控制電飯煲、浴室熱水器、浴室換氣扇等的開關?？刂葡到y框圖如圖3所示。
手機發送指令給GSM指定號碼，從而實現遠程控制的功能。指令表見表1。
3.3 “自動+手動”控制
3.3.1 溫控系統
臥室內，用戶可以“手動”設定空調的溫度，使室內的溫度控制在人體舒適度范圍之內，當室內溫度和設定溫度有偏差時，就會“自動”啟動空調開關，并且會自動進行制冷或制熱的選擇?？刂瓶驁D如圖4所示。
3.3.2 自動灑水系統
通過傳感器檢測土壤濕度，土壤干燥時啟動灑水系統為花草澆水，當濕度達到一定值時，灑水機停止工作，或人為進行灑水系統的開關?？刂葡到y的框圖如圖5所示。
3.3.3 風力發電系統
當風力達到一定時，風力發電系統自動工作，由存儲裝置儲存電能，供電給用電器。
3.3.4 自動太陽能草坪燈系統
白天，通過屋頂上的4塊太陽能板進行蓄電，晚上，電池給草坪燈進行供電，控制器采用5251專用芯片進行光線檢測、升壓驅動。
3.3.5 燈光控制系統
利用光敏傳感器檢測太陽光，當白天接收到太陽光時，路燈滅。晚上接收不到太陽光時，路燈點亮；利用聲音傳感器檢測走廊聲響，當有人走過發出聲音時，傳感器接收到信號，走廊燈亮，延時10秒后，走廊燈熄滅；利用光敏傳感器檢測環境明亮程度，當早上接收到太陽光時，電機正轉，窗簾打開；晚上光線比較弱時，電機反轉，窗簾關閉，框圖如圖6所示。
3.4 安防系統
本系統設計的安防系統包括防火系統、防盜系統和緊急求救系統?？驁D如圖7所示。
利用溫度傳感器檢測室內溫度，當發生火災時，溫度升高，啟動報警功能，房屋周圍4個LED燈閃爍，喇叭聲音報警，同時滅火系統（噴水）啟動。并通過無線模塊向終端控制器發送一個信號，終端控制器報警以及時提醒房主，同時，GSM模塊也向房主發送短信進行提示。
利用紅外反射、接收裝置安裝在門上，當大門關閉時，如果有人進入，啟動報警，無線控制終端顯示盜賊進入，并報警，提醒房主及時處理，同時，GSM模塊也向房主發送短信。
當別墅內人員（尤其是弱勢群體的老人和小孩），出現緊急情況時，按下呼叫按鈕，啟動緊急呼叫系統，報警器會發出“嗚嗚～”的報警聲，同時GSM模塊也向房主發送短信，表示家中有緊急情況。
4.軟件程序設計
本系統用的軟件主要采用上海未來伙伴機器人有限公司提供的VJC流程圖編程和單片機C語言編程相結合，VJC流程圖編程更加直觀形象，流程圖采用模塊化編程的形式，接近人類自然語言，流程圖程序的形式與標準流程圖完全一致，簡單易學，是學習單片機C語言編程的基礎。編譯好的流程圖下載到能力源控制器，然后進行程序的調試，最后實現其功能。
4.1 走廊燈路燈程序
4.2 風力發電與自動灑水
5.制作和調試
本系統利用上海未來伙伴機器人有限公司創新套件設計了一套智能家居控制系統，將結構部件、連接部件和傳動部件以及傳感器完美得組合在一起，搭建成一套家居系統的框架，再通過能力風暴控制器、單片機系統、無線模塊、GSM模塊等，實現了智能家居控制系統。實物如圖10所示，經過調試，系統都完成了以上功能。
6.總結
本套智能家居控制系統具有以下創新點：
（1）無線控制和遠程控制相結合，既能進行近距離無線遙控控制也能進行遠距離控制。
（2）具有太陽能、風力發電裝置，為晚上草坪燈供電，起到了很好的節能作用。
本套智能家居控制系統通過模擬實物制作和調試，都能達到智能家居的功能，達到預期的效果。在應用到實際家庭中，也能實現這些功能。因此對開發智能家居控制系統有一定的借鑒意義。
參考文獻
[1]潘慶浩，古鵬.智能家居控制系統技術問題的研究與探討[J].計算機工程應用技術，2008（6）.
[2]張周.ZigBee技術研究及其在智能家居中的應用[D].廈門大學碩士學位論文，2007.
[3]古鵬，溫武，陳耀華.新型單片機芯片實現家居智能控制的單元設計[J].電腦知識與技術，2008（7）.
關鍵詞:上位機; 單片機; 智能家居系統; 協議; 串行通信; MSComm控件
中圖分類號:TP18 文獻標識碼:A
文章編號:1004-373X(2010)13-0133-04
Upper Computer Control in Intelligent Home System Based on Serial Communication
JIANG Yong-chi
(Shantou Polytechnic College, Shantou515078, China)
Abstract: Serial communication is the most important communication method between upper computer control and lower model(MCU) in the design of intelligent home system. By comparison between MSComm control of Windows and self-written serial transcieving dynamic control during the design of the uppercomputer to improve the communication efficiency of the upper computer control and the model at lower end, it is found that the communication efficiency of the upper computer program written by MSComm control is low, and the rate of error-frame and lost-frame is high though the program can be written out quickly with MSComm control. Two different ways to test the serial port communication abbility and find the follow facts: MSComm control can only use in single model can′t use in a multi-model system.
Keywords: upper computer control; MCU; intelligent home system; protocols; serial communication; MSComm control
0 引 言
上位機設計是智能家居系統的一個重要組成部分,擔負著管理、控制、維護和用戶界面操作的重任,高效可靠的上位機設計是整個系統正常運作的重要保障。上位機與系統的通信實際上是與下端單片機的通信[1]。單片機或單片機系統是智能家居控制的核心,當計算機作為單片系統的一個角色時,通常被稱為“工控機”或“上位機”,各獨立的單片機是系統中實現功能的一個模塊,所以有時也稱單片機為模塊。
計算機與單片機是通過串口來實現通信的,本文著重討論計算機與單片機的串口通信的實現方法和MSComm控件技術。
1 上位機在智能家居系統的角色
首先,必須認識計算機在智能家居系統的作用,可以概括為以下幾個方面:
1.1 通信測試工具
傳統的單片機系統的通信測試通過示波器來監測,既不直觀又容易丟失信息。將計算機加入到系統中,可以實時監測到線路中的信息,并以數字化呈現,使各個單片機間的通信得到檢驗,及時解決系統存在的問題。所以計算機在加速系統的開發和保證系統的運行質量的作用就不言而喻了。
1.2 系統維護
一個單片機系統往往需要對系統中各個不同功能的模塊(單片機)進行參數的設置,以適應不同的運行環境,雖然可以通過各模塊的控制面板來調整,但操作通常比較麻煩,非專業人員不易掌握。同時對于一些需要定義其地理位置的參數難以實現,不夠直觀。計算機加入到系統中,不但可以解決操作上的問題,同時還可以讀取各模塊的參數,以便于調整[2]。
1.3 單片機
計算機可以作為單片機系統的一個模塊,完成相應的功能。計算機應答系統的請求、處理系統中的信息,一方面將信息呈現給用戶,另一方面計算機程序通過自動計算或用戶的輸入,將信息反饋到系統中,參與系統的控制。
1.4 主控機
在單片機系統中,往往存在一個主控機或主控模塊,負責對整個系統的統籌和設置。單片機系統通常是通過各功能模塊的輸入和響應來實現其功能的,因此必須有一個負責收集輸入任務并指定響應模塊的主控模塊。計算機系統中既可以是一個普通的模塊,又可以是負責總體協調的主控器。
2 通信協議
一個單片機系統是由硬件系統和軟件系統構成的。硬件是實現功能的前提,而系統功能則是通過軟件來實現的,為了保證各個模塊通信,實現系統信息交流,必須制訂系統的通信協議。
從物理上來說,系統各模塊是以半雙工的模式來通信的,下文提及的智能照明系統下端模塊就是以半雙工的RS 485總路線為通信架構的。而計算機的RS 232串口是以全雙工的模式來實現通信的,因此,計算機要通過串口參與到單片機系統中必須增加一個RS 232和RS 485總線轉換的模塊[3]。
從邏輯上講,要實現各模塊之間的通信,就必須在模塊間約定一個共同遵守的通信協議。單片機以位(b)為基本單位,傳輸時以8位1字節(B)來傳輸,單片機以毫秒間距發送若干個字節為一個數據包,也稱為┮恢―,幀之間又規定若干毫秒的間隙。通過計算機程序可以捕獲線路中每一幀信息。
下面以智能照明系統為例,講述單片機系統的通信協議。
本協議采用異步串行通信方式,字節幀格式:1個起始位+8個數據位+1個停止位,無校驗位。
幀格式如下[4]:
1幀=幀頭(F4H F5H)+數據包+幀尾(F4H FBH)
數據包=有效字節數(1 B)+傳輸層數據+校驗和(1 B)
幀數據的發送、接收過程中前后兩字節數據傳送延時不得超過0.5 s。
各模塊分配兩個字節的地址碼,第一字節代表模塊類型,第二字節代表模塊在系統中分配的順序。各模塊獲取總線上的幀后,對自己的地址幀響應,其他的幀拋掉。
以下是本協議中的關于“燈開?？刂啤钡膮f議:
描述:該信息是輸出子模塊的各路燈的開或關控制。
構成:該信息發送時由信息頭和信息內容構成,返回時由信息頭構成。
主控器或PC機發給輸出模塊時:
MessageType53
MessageSubType0/2
Result0
信息內容:
第一字節,燈號字節10:不相關,1:相關,bit7~bit0分別對應本模塊8~1號燈
第二字節,燈號字節10:不相關,1:相關,bit6~bit0分別對應本模塊15~9號燈
第三字節,開度值0:關,1~63亮度值:開,128:突關,255:突關
第四字節,變光時間0~255
輸出模塊返回給主控器時,信息頭定義如下:
MessageType53
MessageSubType0/2
ResultDependent on operation(1 or 0)
系統的通信按照規定的各條協議來執行。
3 計算機通信的實現
計算機硬件上通過RS 232與RS 485接口轉換與下端模塊進行通信。而軟件的實現有多種方法,下面主要介紹在VB 6.0通過MSComm控件來實現通信的方法[5]。
3.1 將MSComm控件引入到VB平臺
MSComm 控件通過串行端口傳輸和接收數據,為應用程序提供串行通訊功能。MSComm控件在串口編程時非常方便,程序員不必去花時間去了解較為復雜的API函數[6],而且在VC,VB,Delphi等語言中均可使用。
MSComm是Microsoft公司提供的簡化Windows下串行通信編程的ActiveX控件,它為應用程序提供了通過串行接口收發數據的簡便方法。具體的來說,它提供了兩種處理通信問題的方法:一是事件驅動(Event-driven)方法,一是查詢法。
3.2 MSComm控件的設置
3.2.1 MSComm控件的屬性
MSComm控件有很多重要的屬性,正確設置其屬性是程序進行正常通信的保證,下面介紹幾個必須熟悉的屬性[7] 。
CommPort:設置并返回通訊端口號。
Settings:以字符串的形式設置并返回波特率、奇偶校驗、數據位、停止位。
PortOpen:設置并返回通訊端口的狀態,也可以打開和關閉端口。
Input:從接收緩沖區返回和刪除字符。
InputMode:接收模式,取0值時,接收文本數據;取1時,接收二進制數據。
Output:向傳輸緩沖區寫一個字符串。
Rthrehold:響應模式,取整數。當接收字符后,若Rthrehold屬性設置為 0,則不產生OnComm 事件;若設置為1,則接收緩沖區收到每一個字符都會使 MSComm控件產生OnComm事件。
Sthreshold:發送模式,設置0(缺省值),數據傳輸事件不會產生OnComm事件;設置為1,當傳輸緩沖區完全空時,MSComm控件產生OnComm 事件。如果在傳輸緩沖區中的字符數小于value,CommEvent 屬性設置為comEvSend,并產生OnComm 事件。
Handshake:通信握手模式,取值為0時,無握手;取值為1時,表示XOn/Xoff握手;取值為2時,表示Request-to\\-send/clear-to-send握手;取值為3時,表示equest-to-send & clear-to-send握手皆可。
3.2.2 MSComm控件兩種處理通訊的方式
MSComm控件提供下列兩種處理通訊的方式:事件驅動方式和查詢方式[8]。
(1) 事件驅動方式
事件驅動通訊是處理串行端互作用的一種非常有效的方法。在許多情況下,在事件發生時需要得到通知,例如,在串口接收緩沖區中有字符,或者Carrier Detect(CD)或Request To Send(RTS)線上一個字符到達或一個變化發生時。在這些情況下,可以利用MSComm控件的OnComm事件捕獲并處理這些通訊事件。OnComm事件還可以檢查和處理通訊錯誤。所有通訊事件和通訊錯誤的列表,參閱CommEvent屬性。在編程過程中,就可以在OnComm事件處理函數中加入自己的處理代碼。這種方法的優點是程序響應及時,可靠性高。每個MSComm控件對應著一個串行端口。如果應用程序需要訪問多個串行端口,必須使用多個MSComm控件。
(2) 查詢方式
查詢方式實質上還是事件驅動,但在有些情況下,這種方式顯得更為便捷。在程序的每個關鍵功能之后,可以通過檢查CommEvent屬性的值來查詢事件和錯誤。如果應用程序較小,并且是自保持的,這種方法可能是更可取的。例如,如果寫一個簡單的電話撥號程序,則沒有必要對每接收一個字符都產生事件,因為惟一等待接收的字符是調制解調器的“確定”響應。
3.3 計算機信息發送和接收的實現
下面以智能照明系統中PC機與主控器的通信,說明計算機與單片機通信的實現方法。以下是實現的主要子程序。
頁面裝載程序:
Private Sub Form Load()
com sl="com1"
bauty=9600
For i=0 To 59
Text2(i).Text=""
Next i
Open "recieve.txt" For Output As #1
End Sub
MSComm控件的設置程序:
Private Sub Command1 Click()
com sl=Combo1.Text
bauty=Combo2.Text
convert=Check1.Value
Form2.Hide
mand6.Enabled=False
mand4.Enabled=True
End Sub
通信口控制子程序:
Private Sub Command4 Click()
Select Case bauty
Case 1200
MSComm1.Settings="1200,n,8,1"
Case 2400
MSComm1.Settings="2400,n,8,1"
Case 9600
MSComm1.Settings="9600,n,8,1"
Case 19200
MSComm1.Settings="19200,n,8,1"
…
Case 57600
MSComm1.Settings="57600,n,8,1"
End Select
If com sl="com1" Then mPort=1
…
If com sl="com7" Then mPort=7
MSComm1.RThreshold=0
If MSComm1.PortOpen=False Then
MSComm1.PortOpen=True
End If
Command4.Enabled=False
Command5.Enabled=True
Command3.Enabled=False
If convert Then MSComm1.RTSEnable=True
End Sub
通信建立后,計算機就可以與下端單片機通過設定的協議進行通信,可以測試下端模塊的響應。
4 MSComm控件的問題和解決辦法
在實際應用中,MSComm控件對于一問一答式的通信,效果還是可以的,所以用于單模塊的通信測試問題不大。但是,如果計算機作為單片系統的一個角色,要實時捕獲總線上的信息并響應,存在失幀和誤幀的問題[9],如果系統要求不高,還可以對付,而象智能照明這樣要求信息持續、實時、準確的系統,利用MSComm控件處理串口通信就難以勝任了[10]。
在智能照明系統中,采用了自編制的動態庫Transdata.dll程序,作為處理串口通信的接口,誤幀率和失幀率較低,能滿足產品化的要求。
Transdata.dll使用說明:
(1) 初始化串口并處于通訊狀態
Init OpenCom(byval m str as string,byval nbaud as Integer) as Boolean
參數說明:m str為串口名稱,如“com1”“com2”等;nbaud為波特率,可為1 200,2 400,4 800,9 600等;返回值為Boolean,若為true則成功,否則失敗false。
(2) 關閉串口結束通訊
CloseCom()
(3) 發送通訊數據
SendData(n str as byte,byval ncount as Integer)
參數說明:n str 為要發送byte的數組的第一個字節;如要發dim ndata(11) as byte這個數組,只需用ndata(0)作為n str參數即可;ncount為要發送的字節數。
(4) 接收返回的數據
GetData(byval m str as string)as string
參數說明:m str 必須為已有能容納所要接收字串的長度空間返回接收到的字串,各個字節以“\\t”隔開。
5 結 語
利用MSComm控件雖然可以方便快捷編制出的 上位機程序,但其通信效率偏低,誤幀和失幀率較高,只適用于單模塊測試。對于多模塊實時通信系統,宜采用其他控件或自編制更有效的收發程序。
參考文獻
[1]錢衛東.樓宇智能化技術概論[ M] .北京:電子工業出版社,2006.
[2]江永池.智能照明控制系統上位機軟件Ihome技術說明書[ M] .順德:廣東科龍集團華傲電子公司,2002.
[3]侯艷.用VS2005實現AT89C51單片機與PC的串行通信[ J] .現代計算機,2009(2):198-200.
[4]陳堅波.燈光控制通訊協議1.2.6[ S] .順德:廣東科龍集團華傲電子公司,2001.
[5]王賀艷.基于VB的PLC與PC機串行通信的實現[ J] .福建電腦,2009(2):150-154.
[6]北京博彥科技發展有限公司.Visual Basic開發教程[ M] .北京:清華大學出版社,2006.
[7] 佚名.單片機與計算機RS 232串行通信開發實例[ EB/OL] .[ 2009-07-15] ./source/1316480.
[8]李墨.單片機與PC機的串行通信[ J] .中國新技術新產品,2009(13):29.