??? 摘? 要： 一種用戶可定制的嵌入式家庭控制器" title="家庭控制器">家庭控制器系統的總體設計方案，詳細論述了系統采用的網絡結構和各模塊的軟硬件設計。本系統的特點是可以對現有家用電器和安防" title="安防">安防裝置進行集中或異地監視、控制以及三表的查收。?
??? 關鍵詞： 數字家庭；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；家庭網絡" title="家庭網絡">家庭網絡；家電控制
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??? 隨著科學技術水平的不斷提高，特別是計算機技術、通訊技術、網絡技術、控制技術的高速發展，人們對日常生活水準產生了更高的追求，家庭數字化成為一種必然。?
??? 數字家庭將家庭中各種與信息相關的設備，通過家庭網絡連接到一個家庭智能化系統上進行集中或異地的監視、控制，并保持這些設施與住宅環境的和諧統一。這些都是通過家庭數字化的核心——家庭控制器系統實現的。家庭控制器系統集測量、控制為一體，通過家庭網絡實現對家庭安防裝置的監控和報警、三表的查收以及家電的控制等功能。由此可見，家庭控制器系統在數字家庭中占有重要地位。?
??? 目前，家庭控制器系統的設計方案雖然較多，但主要還是以三表查收、電源開關控制、安防監控和報警等為主。在家電控制方面，主要采用下面兩種方案：?
??? (1)網絡家電：由于標準不統一，通用性較差，網絡家電的種類很少，用戶選擇的自由度小且價格昂貴；?
??? (2)對現有家電的控制：大多方案還局限于電源開關的控制，未能實現功能上的集中或遠程控制，如空調溫度的調節、電視頻道的轉換等。雖然少數方案采用了遠程控制，但不易擴充，用戶不能根據自己的要求，任意添加、刪除設備或設備控制功能。?
??? 本系統采用模塊化的設計，用戶可以根據自身的需求選配控制模塊，然后通過紅外模塊提供的“自學習”功能，在家庭控制器終端上添加設備及該設備的控制功能。本系統通過在用戶現有家電紅外線所及范圍內添加紅外模塊，實現對用戶現有家電的集中或遠程控制，免除了重新購買電器的支出，可使普通百姓體驗到數字家庭帶來的便利。?
1 系統總體設計方案?
??? 數字家庭通常定義為利用嵌入式技術、網絡技術和綜合布線技術，通過家庭管理平臺將與家居生活有關的各種子系統有機結合的系統。數字家庭一般要求有三大功能單元：(1)一個兼容性強的數字家庭中央處理平臺，它是數字家庭的核心，通過它用戶可以和家居子系統進行快速溝通。通過這個媒介平臺，構成與外界的通訊通道，以實現與家庭以外的世界溝通信息，滿足遠程控制、監測和交換信息的需求。(2)家庭布線系統是組建家庭局域網的基礎，它不僅將寬帶網連接到家庭，還可以根據各自家居的情況布設到每一個將來可能使用的位置。(3)真正的數字家庭生活至少需要寬帶互聯網、家庭互聯網和家庭控制網絡三種網絡的支持，也就是說要在一個家居中建立一個通訊網絡，為家庭信息提供必要的通路，在家庭控制器的控制下，通過相應的控制單元和執行機構，實現對家庭網絡上所有家庭設備的控制和監測。?
??? 嵌入式家庭控制器系統總體方案如圖1所示。首先，通過光纖網將Internet接入社區服務器以實現數字家庭的遠程控制、監測，社區內部采用數字有線電視網同軸電纜入戶，經線纜調制解調器（Cable Modem）和無線路由器接入家庭控制器，家庭設備經各自的控制單元（智能用戶控制終端模塊和智能家電開關控制模塊），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字家庭中央處理平臺，一方面將現有家庭設備數字化，提供信息處理能力和通信能力；另一方面，提供統一的信息交換接口及控制規則，通過信息集成管理不同的功能子系統，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整體示意圖
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2 數字社區網絡體系結構設計方案?
??? 如何構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絡體系結構是家庭數字化的關鍵。數字社區網絡體系結構主要包括寬帶接入網和家庭網絡兩大部份。?
2.1 寬帶接入網設計方案?
??? 目前，寬帶接入技術已十分成熟。就我國具體情況而言，雖然一些新建商業住宅小區已經架設了基于雙絞線的局域網，但大量的舊住宅仍然以電話網（如ISDN、ADSL等）作為主要的接入方式。而在我國有線電視用戶數量已經超過1億，尤其是近年來興起的數字有線電視，不僅使電視節目的圖像和音質得到了提高，還可以使人們體驗視頻點播和上網遨游的樂趣。據中國商業數據網統計，2005年我國數字有線電視用戶已達369.4萬戶。?
??? 基于HFC（光纖/同軸電纜混合）接入技術的數字有線電視網是最佳的選擇方案。它既可免除重新布線的投入，又可實現“三網合一”的最終目標。?
2.2 家庭網絡設計方案?
??? 在家庭網絡方面，又分為家庭互聯網和家庭控制網兩部分。?
??? 家庭互聯網主要用于家庭控制器、PC機、PDA等設備互聯，通過架設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。?
??? 家庭控制網主要用于連接家庭控制器和智能家庭設備控制單元，在這方面雖然現場總線技術LonWorks、無線接入技術（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定性較差。而基于RS-422通信協議的產品，雖然互用性不強，但其低廉的價格，在國內具有很大的市場潛力。?
??? 基于上述分析，本文所論述的系統采用HFC接入技術和RS-422總線技術作為基本網絡體系結構。?
3 智能家庭設備控制單元的設計?
??? 家庭設備主要包括家用電器、安防裝置和水、電、氣三表，根據這些設備自身的特性，將智能家庭設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控制模塊兩類，使用模塊化設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的電器設備，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，采用這種布線方式可以免除升級后為網絡家電重新布線的投入。?
3.1 智能用戶控制終端模塊的設計?
??? 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路安防開關量輸入(必要時可將此端子切換為I2C總線，以便接入新設備）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狀態和程序運行狀態、LCD顯示器和小鍵盤用于本地三表數據、安防裝置狀態的查看，并配有蜂鳴器報警電路。?
??? 該模塊上還包含一套紅外學習及重現的裝置，通過該裝置可將支持紅外遙控功能的家電改造成為網絡家電。該裝置使用PIC12C509微控制器構成的UIR紅外接收解碼模塊來實現紅外信號的接收、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總線發送數據，所以對這兩者的信號采用了分時復用的設計方案。?
??? 該模塊采用2種供電方式，可通過開關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，但必須確保總線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、背景循環程序和一系列的中斷服務函數構成。循環程序根據一些相關寄存器的數值對設備運行狀態進行更新，并同時輪詢一些設備的事件。中斷服務函數則主要負責串口數據接收、鍵盤解碼和脈沖輸入計數等對響應時間有要求的操作。?
3.2 智能家電開關控制模塊的設計?
??? 智能家電開關控制模塊實現對家用電器電源的開關控制，也可應用在自動門鎖、報警器等需要開關量控制的場合。?
??? 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程序和一系列的中斷服務函數構成，循環程序根據相關寄存器的數值對設備運行狀態進行更新。?
4 嵌入式家庭控制器的設計?
4.1 嵌入式家庭控制器基礎平臺的選擇?
??? 嵌入式家庭控制器是整個系統的核心，硬件平臺的選擇至關重要。本設計選用了ICOP公司生產的一款工業級的瘦客戶機，采用X86架構的嵌入式微處理器；具有2個RS-232接口，其中1個通過RS-232→RS-422轉換器，將家庭控制器掛接到家庭控制網上，另1個用于掛接Modem，當有異常情況時可遠程撥號到用戶預設的電話號碼提供語音報警；VGA接口可連接顯示器或數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。Windows CE是適于嵌入式產品的、小映像尺寸、32位實時、多任務、搶占式嵌入式操作系統。它允許開發人員利用可靠的核心操作系統服務和強大、完善的工具集合，針對硬件設備進行創意設計。Windows CE還實現了更短的構建-調試-部署周期，其應用程序" title="應用程序">應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計?
??? 家庭控制器終端軟件采用面向對象的多進程、多線程的程序結構以及流水線式設計模式。本系統對家庭設備的控制、監測可通過遠程或本地兩種操作方式，在遠程控制方式中，不需使用本地操作界面，為了提高系統運行效率，將程序分為用戶應用程序和底層應用程序，這兩個應用程序通過進程間通信協同運行，如圖2所示。?
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4.2.1 用戶應用程序設計?
??? 用戶應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。界面設計采用了微軟最新的DirectDraw技術，實現了動畫式的用戶接口（可根據信息的多少自動縮放）。將所有功能分為控制、設備、計費、信息四大項，并輔以快速信息欄、天氣情況和桌面系統，方便用戶的使用。而在交互設計上則實現了錯誤提示、應用向導、快速反饋、方便退出、位置顯示等特性。用戶可以方便地添加、刪除設備，并支持紅外遙控自學習功能。?
??? 在設備或設備功能的添加、刪除部分采用了向導式圖形操作界面，用戶可根據需要自行添加、刪除設備，如空調、電視、CD機、電燈等。如果該設備支持紅外遙控功能，用戶只需將遙控器對準紅外模塊的接收部分，通過“自學習”功能即可添加該控制功能，也可刪除該功能。這些數據將自動保存在本地數據庫中，以備遠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的顯示；若是控制類指令則繼續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，并根據需要通知上層進行顯示。此外還可對由下層發起的指令進行處理，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責與底層應用程序的信息交互。?
4.2.2 底層應用程序設計?
??? 底層應用程序分為功能層和驅動與數據層。?
??? 功能層負責接收由用戶應用程序傳來的用戶請求，調用驅動及數據層執行相應的請求，如調用數據庫，控制單元驅動，并將結果傳回用戶應用程序。功能層作為定時服務的守護程序，會按時自動運行用戶訂制的定時任務。功能層還負責與社區服務器進行交互，網絡消息處理機制使用WinSocket建立一個Socket端口監聽服務器的請求，當有請求時，程序從服務器下載加密后的XML文件，對其進行解密、驗證并執行相應的請求。?
??? 驅動與數據層包括本地數據庫（SQLCE）的操作，以及對智能用戶控制終端模塊和智能開關控制模塊的驅動。?
5 社區服務器Web頁面的設計?
??? 社區服務器使用ASP.net進行網頁設計，結合C#語言實現服務器與家庭控制器的數據通信。Web頁面設計在功能上可以分為用戶認證管理系統、消息發布管理系統、新聞管理系統、社區消息發布系統、用戶控制頁面五大部分。?
??? 用戶控制頁面是用戶通過Internet對家庭設備進行遠程控制、監視的唯一途徑。在該頁面上用戶可以提交即時或定時的家電控制任務。?
??? 目前關于數字家庭的研究和設計方案很多，但仍有很多問題亟待解決，如沒有統一的互操作規范，尤其在標準化接口和通訊協議等方面。隨著相關技術不斷進步，它必將向著調度智能化、靈活性和互操作性方向發展，從而進入尋常百姓家。本文提出的以數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更為豐富的控制功能。系統具有的各種接口能兼容照明、三表、家電、安防裝置等多種設備的控制與監視，用戶可以按照住宅環境或者經濟能力來定制智能家居，輕松添加新的子系統。?
??? 嵌入式家庭控制器系統將當今信息領域最為熱門的HFC寬帶網接入技術、嵌入式技術應用到家庭控制系統的設計中，構造了一個價格低廉、功能強大、可定制的數字社區應用體系結構，滿足了社會各階層居民用戶對數字化家庭的基本要求。?
參考文獻?
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[4] Microsoft Corporation.Programming Microsoft Windows CE.NET/Douglas Boling.--3rd Edition.Microsoft Press，2003.?
[5] 智能家居市場的九大出路.中國智能家居網，http：//www.smarthomecn.com.