李云霞,李合菊,吳曉燕

(萊蕪職業(yè)技術學院,271100）

1 嵌入式智能家居控制系統(tǒng)概述

嵌入式家居系統(tǒng)在通信標準上并沒有達成一致條件，有些家居系統(tǒng)選擇電力載波技術，而有的系統(tǒng)則選擇綜合布線技術。雖然通信標準存在差異，但是其信息傳輸都是以網(wǎng)絡通信技術為載體，嵌入式智能家居系統(tǒng)的關鍵技術就是網(wǎng)絡通信技術。

智能家居系統(tǒng)主要包括家電控制、安全防范、遠程信息交互、照明等功能。智能家電控制系統(tǒng)主要以家庭常用的智能化電器為管理對象，例如自動窗簾、空調(diào)等設備。以往都要通過手動方式對室內(nèi)溫度進行調(diào)節(jié)，而智能化家居系統(tǒng)可以直接實現(xiàn)遠程控制。由于用戶處于睡眠狀態(tài)時感知能力偏低，為了避免造成能源浪費，自動會在規(guī)定時間內(nèi)自動調(diào)節(jié)為用戶提前設置好的溫度。安全防范系統(tǒng)安裝的主要目的就是確保家庭的安全，當家庭發(fā)生危險時，安全防范系統(tǒng)能夠自動通知小區(qū)物業(yè)，請求援助。

遠程信息交互系統(tǒng)主要是通過網(wǎng)絡信息技術可以實現(xiàn)對家庭設備的遠程控制，了解室內(nèi)的具體情況。除此之外，用戶還能夠?qū)崿F(xiàn)和物業(yè)管理中心的直接聯(lián)系，得知家庭的耗水、耗電情況。

照明系統(tǒng)具備調(diào)光與開關兩種控制功能，調(diào)光控制的實現(xiàn)必須依靠控硅，控硅給用戶隨時調(diào)節(jié)室內(nèi)光線提供了方便。開關控制的實現(xiàn)過程比較特殊，它需要以控制繼電器為前提條件，達到控制室內(nèi)開關的目的。照明系統(tǒng)對動作非常敏感，一旦它檢測出用戶即將進入室內(nèi)時，系統(tǒng)便能夠自動調(diào)節(jié)成提前設置好的燈光亮度開燈，若室內(nèi)無人，燈會自動關閉。

2 嵌入式智能家居控制終端通信設計

2.1 系統(tǒng)結構設計的主要組成部分

智能家居控制終端系統(tǒng)包括燈光系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等，它由副板與主控板兩大部分組成，副板以接線端口為載體，實現(xiàn)與主板之間的相互連接。與副板相比，主控板涉及的內(nèi)容更廣，從電板強度上來看，它相對較弱。主控板主要包括復位電路、微處理器、RS-232接口、開關量輸入等，開關量的輸入按鈕有緊急按鈕與普通燈管按鈕，輸出的實現(xiàn)主要通過對繼電器進行控制，從而達到控制室內(nèi)電器設備的目的。系統(tǒng)設計的主要內(nèi)容包括電源出路、以太網(wǎng)、輸入輸出、BDM調(diào)試、RS485、電源轉換電路、調(diào)光模塊等。其中電源轉換電路原理非常簡單，例如開關電源輸出電壓為6v，CPU工作電壓顯示為3.4v，利用三段穩(wěn)壓管可以實現(xiàn)CPU電壓與開關源電壓之間的相互轉換。

2.2 調(diào)光模塊設計

調(diào)光模塊主要通過家庭網(wǎng)關設計而成，它是多種調(diào)光技術集合的體現(xiàn)，采用可控硅調(diào)光方法，能夠滿足用戶對燈光調(diào)節(jié)的所有需求。調(diào)光模塊包括兩大部分，一是可控硅驅(qū)動電路；二是過零檢測電路，這兩種電路均位于副板上，過零測電路的主要目的就是對交流電過零點進行檢測，系統(tǒng)在獲取過零點之后，就會以獲得的過零點為基準合理控制導通腳大小，以便于實現(xiàn)光線的調(diào)節(jié)功能。在系統(tǒng)運行過程中，交流器件電路極有可能出現(xiàn)二次穿擊現(xiàn)象，通過過零檢測電路能夠起到一定的保護作用。在調(diào)節(jié)室內(nèi)光線時，利用移相的調(diào)制方法使光持續(xù)可調(diào)。

2.3 通信電路的設計

通信方式主要有三種，分別是RS-485通信、RS-232及以太通信。以太網(wǎng)控制器電路不需要外擴，在電路設計上極為簡單，成本也相對較低。RS-232通信的主要目的是調(diào)試軟件，以串口為輔助工具，仔細觀察軟件的運行狀態(tài)和變化情況。RS-485所帶動的家庭儀器儀表設備非常多，由于室內(nèi)的范圍小，距離短，因此，室內(nèi)與RS-485接口相連接的設備同控制終端的通信采用RS-485即可。RS485通信軟件協(xié)議與其他通信軟件一致，采用Modbus協(xié)議，用戶可以自動義數(shù)據(jù)格式。

2.4 軟件結構設計

現(xiàn)階段，嵌入式智能系統(tǒng)的TCP/IP 協(xié)議棧基本上都是以BSD 版協(xié)議棧作為依據(jù)，經(jīng)過改編之后而成。商業(yè)嵌入式協(xié)議棧由于價格過于昂貴，使用的人較少，一般而言，用戶會選擇免費的嵌入式協(xié)議棧。目前，免費的協(xié)議棧主要有NichLite、μC/IP(TCP/IP stack for μC/OS-II)協(xié)議棧等，NichLite協(xié)議棧具備高性能的特點，并且占用空間小，能夠?qū)f(xié)議的實踐過程進行嚴格把關，把每種協(xié)議都能夠轉化為簡單、獨立的構建，以此確保軟件的可重用性。它的存儲容量在13KB以下，可以使系統(tǒng)的存儲效率大大提升，并能夠節(jié)約能量，降低使用成本。

3 嵌入式智能家居控制終端通信的實現(xiàn)

3.1 網(wǎng)際協(xié)議的實現(xiàn)

網(wǎng)際協(xié)議又稱IP協(xié)議，是網(wǎng)絡層中的重要組成部分，網(wǎng)絡接口層可以把數(shù)據(jù)包傳送至IP層，IP層可以將數(shù)據(jù)類型傳送至TCP協(xié)議。不過IP數(shù)據(jù)包具有不可靠性，它沒有對數(shù)據(jù)進行確認，也不會自動按照順序傳輸。IP接受處理函數(shù)需要對接收到的數(shù)據(jù)包做出判斷，辨別字段的有效性，若數(shù)據(jù)包中的任一字段匹配無效，則表明數(shù)據(jù)包存在失誤，此時需要釋放IP數(shù)據(jù)包。若數(shù)據(jù)包通過了首部檢驗，則以協(xié)議類型字段為依據(jù)，找出使用IPv6為TCP 協(xié)議的高層協(xié)議，并對處理程序進行調(diào)節(jié)。

3.2 傳輸層協(xié)議的實現(xiàn)

嵌入式智能家居控制終端通信設計的傳輸層協(xié)議為UDP協(xié)議，它是上層協(xié)議與IP協(xié)議的接口，UDP協(xié)議可以對在同一設備上運行的應用程序進行辨別。UPC首部由數(shù)據(jù)包長度、目標端口號、校驗值、源端口號組成。

從它本身的定義上看，它主要是給計算機的通信協(xié)議提供相應數(shù)據(jù)，它屬于IP下層協(xié)議，用戶能夠通過它建立協(xié)議機制，且無需保護復制與連接確認，其實現(xiàn)過程非常簡單，所占內(nèi)存空間較小。

3.3 控制報文協(xié)議的實現(xiàn)

控制報文協(xié)議是IP協(xié)議中的副本，也可以說它是IP協(xié)議中的子協(xié)議，它的主要功能就是傳遞控制消息，控制消息主要指IP主機、路由器、網(wǎng)絡的運行狀態(tài)，它不等同于數(shù)據(jù)傳輸，不過給數(shù)據(jù)傳輸提供了條件。

如果經(jīng)IP協(xié)議檢測后，辨別出接收到的數(shù)據(jù)包為控制報文協(xié)議，它會對數(shù)據(jù)包進行函數(shù)處理，函數(shù)處理工作比較復雜，主要包括字段類型的判斷、報文的校驗等。如果系統(tǒng)顯示為回顯請求，則答復也改為回顯應答。

3.4 傳輸控制協(xié)議的實現(xiàn)

端與端間的數(shù)據(jù)交換主要依靠傳輸控制協(xié)議（TCP協(xié)議），應用層的字節(jié)流服務也由TCP協(xié)議提供。TCP報頭的組成部分非常復雜，其組主要的組成部分是32位確認號與順序號。順序號是指源主機將數(shù)據(jù)發(fā)送至主機的數(shù)據(jù)排序，給主機提供正確序號的數(shù)據(jù)包，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘玫教嵘?。主機對源主機的反饋信息稱為確認號，它能夠?qū)?shù)據(jù)包已經(jīng)接收的消息告知主機。

3.5 轉換通信協(xié)議

嵌入式智能家居控制終端通信系統(tǒng)需要監(jiān)控與管理每個子設備，除此之外，它還要實現(xiàn)與后臺的通信，因此，通信協(xié)議一般包括兩個部分，一個是子設備與控制終端的通信協(xié)議，另一個是后臺與控制終端的通信協(xié)議。

若用戶需要對溫控器進行遠程控制，使用以太網(wǎng)能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸至控制終端，控制終端接收到數(shù)據(jù)后，便可以將其格式進行轉換，并且解析里面的具體內(nèi)容，將其輸送至溫控器。通過遠程設置，用戶能夠了解到溫控器的具體運行狀態(tài)，若設備沒有自帶通信接口，用戶同樣可以將以太網(wǎng)作為載體，控制設備的運行狀態(tài)。

4 結束語

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和生活質(zhì)量的提升，人們享受生活的欲望越來越強烈，各種智能系統(tǒng)豐富了人們的生活，并且給大家提供了很多方便，例如嵌入式智能家居控制系統(tǒng)就是如此，它是科技力量進步的體現(xiàn)，且有利于促進了我國智能家居市場的健康發(fā)展。智能家居系統(tǒng)的結構設計非常復雜，軟件結構、通信電路及調(diào)光模塊都是其中的重點設計內(nèi)容，通過這各特別的智能軟件，人們能夠?qū)崿F(xiàn)對家居電器設備的遠程調(diào)控，家庭內(nèi)、外部的網(wǎng)絡環(huán)境也能夠相互交替。家居控制終端系統(tǒng)是實現(xiàn)過程同樣十分繁瑣，本文首先對嵌入式控制家居智能系統(tǒng)做了一個簡單的介紹，然后著重分析了系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方法，有利于幫助大家更透徹地了解智能家居系統(tǒng)。這類系統(tǒng)還可以進行進一步優(yōu)化，例如引入無線網(wǎng)模塊、強化系統(tǒng)的集成模式等。

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