（机械电子工程专业论文）嵌入式智能家居控制器研究及家居网络开发.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着智能化向家电业的渗透、信息化的高度发展，家居智能化的需求大为增加，并 最终促成了智能家居的诞生和不断完善。智能家居控制主要通过家居控制器实现，智能 家居控制器包括主控制器和各从属控制模块。主控制器连接以太网和各从属控制模块； 各个控制模块采集家居环境数据和控制终端设备。 通过对现有的几种家居控制方案的分析，在不影响系统功能的前提下，提出了基于 r s 4 8 5 总线的家居控制系统的设计。该系统设计了一个单独的控制器接入以太网，不用 再依附于家用电脑：利用r s 4 8 5 总线组网，连接从属控制模块；使用标准通信协议。这 样使系统便于推广，结构简单，开发周期缩短。大部分家电控制器的设计主要是面向现 售家电的滞后设计，不仅增加了控制难度，也给用户带来了麻烦。针对于此，本课题提 出了一种面向家电生产厂家，生产时将控制模块嵌入家电中，只预留接口的、低成本、 低功耗、标准化的家电控制模块设计方案。 本课题主要完成了主控制器和各控制模块的硬件设计以及组建家庭网络，实现了模 拟控制空调、热水器等家用电器的运行模式和安防监控等。主控制器采用3 2 位a r m l p c 2 3 6 8 作为核心处理单元，其外围电路包括使用m a x 3 0 8 8 组成的r s 4 8 5 总线驱动电 路，利用l p c 2 3 6 8 内部集成的网络控制器辅以物理层芯片d m 9 1 6 1 组成的以太网电路 等。家电控制模块以a t 8 9 c 2 0 5 1 为核心，包括r s 4 8 5 电路、继电器驱动电路等组成。 安防监控模块以a t 8 9 s 5 2 为核心，包括r s 4 8 5 电路、由摄像传感器o v 7 1 4 1 组成图像 采集电路等。通过r s 4 8 5 总线将各模块同主控制器相连组成家庭内部通信网。 为保证终端接入模块和主控制器的无冲突数据传输，家庭内部通信网络使用了基于 r s 4 8 5 总线的、完善的m o d b u s 通信协议。设计了各个模块的软件，给出了软件流程图 通信协议的帧结构。 关键词：智能家居；r s 4 8 5 ；嵌入式；m o d b u s 嵌入式智能家居控制器研究及家居网络开发 s t u d y o ne m b e d d e ds m a r th o m ec o n t r o l l e ra n dd e v e l o p m e n to fh o m e n e t a b s t r a c t w i t ht h ei n f i l t r a t i o no fi n t e l l i g e n c ei n t ot h eh o u s e h o l da p p l i a n c e sa n dt h e r a p i d d e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i z a t i o n , t h ed e m a n do fi n t e l l i g e n c e i nh o m eh a si n c r e a s e d c o n s i d e r a b l y ，a n de v e n t u a l l yl e dt ot h eb i r t ho fs m a r th o m ea n dm a d ei ti m p r o v i n g t h e a c c e s st ot h es m a r th o m ec o n t r o li sm a i n l yt h r o u g ht h ec o n t r o l l e r s s m a r th o m ec o n t r o l l e r c o n s i s t so fam a s t e rc o n t r o l l e ra n dt h es l a v ec o n t r o lm o d u l e s t h em a s t e rc o n t r o l l e rc o n n e c t s e t h e m e ta n dt h es l a v ec o n t r o lm o d u l e s ；t h es a l v ec o n t r o lm o d u l e sg a t h e re n v i r o n m e n t a ld a t a a n dc o n t r o lt e r m i n a le q u i p m e n t s t h o u g ht h ea n a l y s i so fs e v e r a l c o n t r o lp r o g r a m sw h i c h h a v ee x i s t e d ，a n do nt h ep r e m i s e t h a tw i t h o ma f f e c t i n gt h es y s t e m sf u n c t i o n , w ed e s i g nas m a r th o m es y s t e mb a s e do nt h e r s 4 8 5b u s n l es y s t e mh a sa l li n d e p e n d e n tc o n t r o l l e rt h a tc o n n e c t st ot h ee t h e m e tw i t h o m d e p e n d i n go nh o m ec o m p u t e r i tu s e st h er s 4 8 5b u st oc o n n e c tt h ec o n t r o lm o d u l e sa n du s e t h es t a n d a r dc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 s om a k et h es y s t e mw i d e l yt ou s ea n dt h es t r u c t u r e s i m p l ea n dt h ed e v e l o p m e n tc y c l es h o r t m o s ts m a r th o m es y s t e m sa r ed e s i g n e df o rt h e p r o d u c t st h a th a v em a d e n o to n l yi n c r e a s et h ed i f f i c u l t i e so fc o n t r o l ，b u ta l s ob r i n g 仃o u b l e s t ou s e r s f o rt h a t , t h i sp a p e rd e s i g n sal o w - c o s t , l o w - p o w e r , s t a n d a r d i z e ds y s t e mf o rh o m e a p p l i a n c em a n u f a c t u r e r s ，w h oe m b e dt h ec o n t r o lm o d u l ei n t ot h eh o u s e h o l da p p l i a n c e ，j u s t l e a v i n ga ni n t e r f a c e n l i sp a p e rc o m p l e t e st h eh a r d w a r ed e s i g n so ft h em a s t e rc o n t r o l l e ra n dt h es l a v ec o n t r o l m o d u l e sa sw e l la ss e t su pah o m e n c ta n da c c o m p l i s h e st h es i m u l a t i o nc o n t r o lo fr u n n i n g m o d e so fa i rc o n d i t i o n e r ，w a t e rh e a t e ra n ds e c u r i t ym o n i t o r i n g t h em a s t e rc o n t r o l l e ru s e s 3 2 - b i ta r ml p c 2 3 6 8a st h ec o r eu n i t i t sp e r i p h e r a lc i r c u i t sm a i n l yi n c l u d e ：c i r c u i to fr s 4 8 5 b u sd r i v e r ，w h i c hc o m p o s e db yt h em a x 3 0 8 8 ；c i r c u i to fe t h e n e t , w h i c hc o m p o s e db y n e t w o r kc o n t r o l l e rt h a ti n t e g r a t e di nl p c 2 3 6 8a n dt h ep h y s i c a ll a y e rc h i pd m 9161 即1 e h o u s e h o l da p p l i a n c em o d u l eu s e sa t 8 9 c 2 0 51a st h ec o r eu n i t i t sp e r i p h e r a lc i r c u i t sm a i n l y i n c l u d e ：c i r c u i to fr s 4 8 5b u s c i r c u i to fr e l a yd r i v e r 1 1 1 es e c u r i t ym o n i t o r i n gm o d u l eu s e s a t 8 9 s 5 2a st h ec o r eu n i t i t sp e r i p h e r a lc i r c u i t sm a i n l yi n c l u d e ：c i r c u i to fr s 4 8 5b u s ，c i r c u i t o fc a m e r a , w h i c hc o m p o s e db yt h ei m a g es e n s o ro v 7 141 t h em a s t e rc o n t r o l l e ra n dt h es a l v e c o n t r o lm o d u l e sa r ec o n n e c t e dt h r o u g ht h er s 4 8 5b u st oc o m p o s et h eh o m e n e t i no r d e rt oe n s u r et h ea c c e s sb e t w e e nt e r m i n a lm o d u l e sa n dm a s t e rc o n t r o l l e rw i t h o n t c o n f l i c t s ，t h ed e s i g nu s e st h ep e r f e c tm o d b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，w h i c hb a s e do nt h e 大连理工大学硕士学位论文 r s 4 8 5b u s t h es o f t w a r eo fm o d u l e si sd e s i g n e d t h ef l o wc h a r t so fs o f t w a r ea n ds t r u c t u r e s o ft h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf r a m e sa r ei n t r o d u c e d k e yw o r d s ：s m a r th o m er s 4 8 5 ；e m b e d d e d ；m o d b u s - i i i 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：她鳖避墨整型龇型遮凰妇选 作者签名：碰釜鸽三一 日期：进年j 互月丛日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1课题背景 随着计算机技术、微处理器技术、电子技术、通信技术、集成电路技术的发展，嵌 入式系统已经成为计算机技术和计算机应用领域的一个重要组成部分。那什么是嵌入式 系统呢? 嵌入式系统有多种定义方法，这些定义有的是从嵌入式系统的应用定义的，有 的是从嵌入式系统的组成定义的，也有的是从其他方面定义的，这里给出一种定义方法： 嵌入式系统是以应用为中心，计算机技术为基础，软硬件可裁减，适应应用系统对功能、 可靠性、成本、功耗严格要求的专用计算机系统【l 】。嵌入式系统就是一个硬件和软件的 结合体，它通常由嵌入式处理器及外围设备、嵌入式软件平台或嵌入式操作系统和应用 软件组成。嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如电视机顶盒、手机、汽车、 微波炉、家庭自动化系统、空调、安全系统、蜂窝式电话与医疗仪器等。 家用电器将向数字化和网络化发展，电视机、微波炉、数字电话等都将嵌入微处理 机并通过家庭网关与i n t e m e t 连接，构成家庭信息网络。人们可以远程控制家里的电器 设备，可以实现远程医疗、远程教育，还可以提供各种网上服务等。不论是高度集成的 智能数字终端，还是各类数字融合产品，都离不开嵌入式系统的支持，可以说嵌入式系 统是家庭信息网络、i t 融合的重要技术基础，具有丰富功能，高度集成的智能化终端将 是未来的发展方向瞄j 。 随着嵌入式系统、现代通信技术和自动控制技术的迅速发展，建筑的智能化和信息 化在发达国家应运而生。1 9 8 4 年1 月，世界上第一座智能化大楼c i t yp l a c e 诞生在美国 康涅狄格州哈特福特市，它标志着智能建筑的形成。智能建筑( i b ，i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ) 将现代4 c 技术( 即c o m p u t e r 计算机技术、c o n t r o l 控制技术、c o m m u n i c a t i o n 通信技术、 c t r 图形显示技术) 成功地综合应用于建筑物之中，使建筑物具有通信、办公、建筑设 备自动化和智能化的特点，并为人们提供了一个“高效、安全、舒适、经济、便捷”的 工作、学习和生活环境。随着时代的前进、技术的发展、人们生活水平的提高，智能化 也正逐步迈进现代家庭生活中，促使住宅智能化、信息化、数字化及网络化成为了现实。 智能化住宅提供了一个由家居智能化系统构成的高度安全、生活舒适、通信快捷的信息 化与自动化融合的居住空间，这样可以满足当今社会人们快节奏的生活方式以及安全、 开放的生活需求。美国称这种智能化住宅为“智慧屋”，欧洲叫“时髦家居 ，在中国 则称“智能家居 。 嵌入式智能家居控制器研究及家居网络开发 一个完整的智能家居系统一般有照明控制系统、电器控制系统、安防门禁系统、消 防报警系统、远程控制系统等组成，整个系统实现了信息的采集、输入和输出、集中控 制、远程控制、联动控制等功能。与传统的家居系统相比，更强调人的主观能动性，重 视利用高新技术实现与居住环境的协调，能随心所欲地控制居住环境，达到智能化、便 捷化、高效舒适化等目的。智能家居的英文是s m a r th o m e ，又可称为智能住宅、数码 家庭、数码家居，或网络家庭等。它是指在小区内部宽带网络己经普及的基础上利用小 区内部的网络环境搭建的以家庭为单位的控制系统，并为住户提供以住宅为平台，兼备 建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理于一体的高效、 舒适、安全、便利的居住环境。相对于智能建筑而言，智能家居除了提供个性化的家庭 设备自动监控以外，还需要提供方便的用户操作界面和多种信息的输入、输出手段，让 用户能够随时了解家庭内部的情况。智能家居的发展不仅成为一个国家经济实力的体 现，同时也是一个国家科学技术水平的综合标志之一。它是建筑艺术、生活理念与信息 技术、电子技术等现代高科技手段完美结合的产物，它的出现满足了人们对住宅高性能、 智能化的要求。 有关人士提出，如今智能家居产业界所体现的三大技术趋势正是发展方向：1 、领 先的无线移动；2 、网络化发展；3 、不依靠p c 的独立形态。而推进这个发展趋势的正 是无线通信技术、网络技术以及嵌入式系统的广泛应用p j 。 1 2国内外研究现状 1 2 1 国外发展现状 世界上第一幢智能建筑出现以后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济 比较发达的国家先后提出了各种智能家居设计方案，并有着广泛地应用和发展。 智能化住宅小区在发达国家起步较早，始于2 0 世纪8 0 年代，装备有各种通信、家 电、安保等设施，通过总线技术应用计算机和信息技术，实现监视、控制与管理等智能 功能。美国是最先开始研究智能家居的，但普及工作做得比较好的却是在韩国，韩国的 智能家居做得非常好，这跟韩国先进的电子技术是分不开的，同时也要归功于政府对智 能小区和智能家居的政策扶持。目前，美国有4 万多户家庭安装了这类系统，在新加坡 有近3 0 个社区的近5 0 0 0 户家庭采用了这种家庭智能化系统。美国智能家居行业的专业 顾问公司p a r k s 的统计资料显示：1 9 9 5 年，美国一个家庭要安装家庭自动化设备的平 均费用在7 0 0 0 9 0 0 0 美元之间，而目前的费用己经大大降低。预计在今后的四年内，家 庭自动化市场的年平均增长率为8 。 大连理工大学硕士学位论文 美国和日本都已对住宅小区智能化系统制定了技术标准，按照技术标准进行智能化 住宅建设。应用于智能化居住小区的基础产品，在发达国家已形成系列。美国、意大利、 西班牙等国的产品，相当一部分已通过了国际质量认证，在国际市场上占据优势。智能 化居住小区的基础是家庭综合布线系统。美国朗讯公司、西蒙公司、奥地利公司、丽特 公司等已拥有家庭综合布线系统的成熟产品，而目前其家庭布线系统的价格却是较昂贵 的。目前市场上已出现的智能化信息家电和智能家居类的产品主要有：n e y w e l l 公司 的智能家居产品、s t a r g a t e 的家居自动化系统( d s 公司出品) 、n i 智能家居系统 ( h a i 公司出品) 和v a n t a g e 家居自动化系统( v a n t a g e 公司出品) 3 , 4 1 。 进入2 1 世纪以后，国外智能家居技术的发展达到了高潮。2 0 0 0 年4 月，德国弗劳 恩霍夫研究会与1 1 家公司联手合作，建成世界首座样板智能住宅，其内部完全实现了 电子化和网络化。2 0 0 4 年，美国己有近4 万户家庭安装了“家庭智能化系统 ，同样在 新加坡也有近3 0 个社区的5 0 0 0 户家庭采用了“家庭智能化系统 。2 0 0 5 年最受关注的 是美国微软公司总裁比尔盖茨花费了6 0 0 亿美金的巨资建筑了一套智能家居，而他之 前位于西雅图的智能住宅也耗资近5 3 亿美元。 1 2 2 国内发展现状 从智能家居开始在中国兴起到今天已经历了近7 年的发展，智能化将逐步成为电子 信息领域的支柱产业，智能化的系统将从锦上添花到普及应用，2 0 0 6 年则被i t 行业称 为智能家居的元年。 2 0 0 6 年也是家居智能防范到智能家居跃进的转折点，市场明显地表现为从普通的可 视对讲向高端的安防系统及家居智能逐步发展过来的特点，像可视对讲系统，从2 0 0 1 年的不到1 0 市场普及率到2 0 0 6 年的6 0 普及率，有了大幅度的增长。同时，带安防 功能的可视对讲及门禁一卡通等小区防范系统，2 0 0 6 年在小区中亦有约4 0 的普及率， 而较高档的彩色可视对讲及带信息发布系统等更多功能的系统，亦有1 5 左右的小区获 得应用，这无疑为更高档的纯口数字社区及智能家居发展打下了良好的市场基础，我 们有理由相信，今后五年，纯口数字社区及与之相结合的智能家居的应用，将达到2 0 的市场份额，若按每年6 0 0 万至7 0 0 万套的商品房建设规模及户均造价6 0 0 0 至8 0 0 0 元 计算，则2 0 1 0 年的市场需求将达到1 0 0 亿的规模，市场前景非常广耐5 1 。 我国现在智能家居行业高端产品主要是享受型产品，极大地提高使用者的生活品 质，这一市场以国外品牌为主导，相对来说价格也很高；中低端产品则是实用型产品为 主，也是目前国内智能家居的最大市场，在这块市场上，本土企业占有绝对优势，占据 着8 0 的市场份额。从价格上来讲，6 0 元平方米的智能家居配置属于低档配置，通常 嵌入式智能家居控制器研究及家居网络开发 只包括周界防范、门禁等；8 0 元平方米的智能家居配置则属于中档水平，而1 0 0 元平 方米以上的配置就属于高端行列了。从行业发展来说，智能家居从概念传播到产品研究、 推向市场，并没有出现井喷式发展，仍处于市场环境培育阶段，行业的发展障碍在于需 求没有充分挖掘，而技术成熟度还不够，功能花哨，价格高。 国内对于智能家居系统的研究起步相对较晚，但也形成了很多不同的标准。在国外 各大企业研发智能家居产品的同时，国内厂商也己开始智能家居产品的研发和生产，特 别是一些大型i t 企业利用自身在资金与技术方面的优势，在低端产品市场上占据了相 当重要的地位。比如：海尔u h o m e 、清华同方e - h o m e 事业部、南京普天楼宇智能有限 公司、中美科龙公司等都正加紧研发智能家居系统的相关产品。 去年8 月，由国家经贸委牵头成立了家庭信息网络技术委员会，信息网络技术体系 研究及产品开发已经被作为国家技术创新的重点专项计划。据悉，国家将投资1 5 亿元 人民币支持该项目的实施。目前，建设部已批准7 个普及型网络社区，而北京市已经计 划建设3 0 个网络社区，总户数将达3 万户。到2 0 1 0 年，我国将有7 0 以上的家庭拥有 i n t e m e t 入网设备。按照建设部的要求，到2 0 1 0 年，大中城市中5 0 的住宅要实现智能 化 6 1 。 1 3 课题的研究目的和意义 目前，中国已在经济发达地区如北京、深圳、广州、上海等地建立了一批智能住宅 小区，而且正快速地向其他地区辐射。建设部已将智能化住宅小区列为国家重点发展方 向。预计未来5 到1 0 年可以形成主流市场。智能家居将大大改变人们的生活方式和工 作方式，带动房地产业、智能化装修、小区服务中心、传统家电企业等相关产业的发展。 家居数字化、建筑智能化及相关技术产品正在得到发展，智能化家居将逐步走入人们的 生活【6 ，7 1 。 对于不断提高的生活水平来说，追求更加舒适，更加安全的生活空间和生活起居环 境将是未来生活的发展方向，一套智能家居设备能给我们提供更加人性化的生活环境。 与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的 家庭生活空间的同时，还使人和家由原来的被动与静止的关系转变为互动关系，优化了 人们的生活方式，帮助人们更有效的安排时间，同时降低了能源消耗，节约了资金。 面对当前智能家居系统高昂的花费和接入价格，种低廉、通用性广的智能家居系 统对于中国广大的中层收入者来说，无疑是最佳的选择。由于本设计使用的是通用总线 和标准协议，可以被广大的家电制造商采用，成为行业标准和通用接口。届时，一种通 用性广、面向普通家庭的、能够远程控制的智能家居控制系统将用于控制电冰箱、空调、 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 热水器等家用电器的运行和安防监控、灯光控制等。对于提升广大家庭的生活质量来讲， 具有重要的现实意义。此外，本系统采用的都是具有工业级标准的芯片、总线和协议， 可以用于工业现场监控。 1 4 课题的主要研究内容 智能家居控制系统是综合利用网络信息技术、计算机技术、控制技术和传感器技术， 使智能家居控制系统具有远程控制、实时通信的能力。为家庭提供低廉、高效和舒适安 全的家居环境做出了努力。 本课题借鉴了当前国外和国内在这方面的技术经验及其设计思想，开发了低成本的 基于r s 4 8 5 总线的智能家居控制器和家居网络。主要研究内容如下： 第一章简要的介绍了本课题的研究背景、意义及发展现状。 第二章主要论述了嵌入式智能家居控制的基本原理、系统组成。 第三章主要论述智能家居控制器硬件设计。包括主控制器、家电控制模块和安防监 控模块的硬件设计。 第四章主要论述了智能家居系统的软件设计和主控制器与各模块之间m o d b u s 通信 协议及通信帧的定义。 第五章结束语。对论文工作进行了总结，并对今后的发展做了展望。 嵌入式智能家居控制器研究及家居网络开发 2 嵌入式家居系统方案组成 2 1 需求分析 未来信息技术和网络技术的发展，因特网的接入已是家中必备的接口，一般家庭通 过因特网同家居系统进行通信将成为现实。智能家居控制器需要能够连接外部因特网， 才能方便的进行远程控制，满足大家在上班时间利用电脑或手机登陆因特网，对家用设 备进行控制和监控。 将来家庭主要的服务包括智能电器、家庭安防、远程抄表和灯光控制等。其各个服 务的需求如下： 1 ) 智能电器一般控制其开关、运行模式和状态信息传送。 2 ) 家庭安防一般分为防火、防盗和实时监控，需要安装各种传感器和通信模块。 3 ) 远程抄表一般即水表、电表和煤气表，传统三表的控制显示。 4 ) 灯光控制一般来说可以控制各个灯的亮度，实时的感应自动开关。 由于家庭不同于工业使用，家庭各个设备除了满足日常各种功用外，还蕴含了不同 人的个性需求。因此，从安防到灯光控制，以及到智能电器，形色各异，很难用一种形 式对其进行设计控制。鉴于此种情况，对安防模块进行了单独设计，对家电控制也是针 对于家电厂商进行的设计，使家电在出厂时就留有相应的接口，可以在以后使用中提供 方便，提高本系统的适用性。对其他模块没有进行详细设计，只做简要的论述。 2 2 嵌入式家居控制系统方案 2 2 1智能家居控制器方案 智能家居控制器作为家居控制的核心，有如下设计方案： ( 1 ) 电脑作为主控制器 由家用电脑作为主控制器，通过总线同各个设备、以太网相连，电脑充作了一个网 关和处理器的角色。同时在电脑上安装专门开发的软件管理系统，对家居各个设备进行 管理。这样的方案借助于现代计算机的强大功能和普及优势，开发周期短，开发难度下 降，但是功耗大、成本高，需要电脑2 4 小时开机。当家中没有人使用电脑的时候，仍 然需要开机，造成能源资源的浪费。使得智能家居控制系统的成本提高，适用性下降。 ( 2 ) 专门设计的嵌入式控制器 随着嵌入式芯片的发展，以单独的嵌入式系统连接外部以太网已经实现。而且嵌入 式系统的低功耗、低成本、高效能的特点，使嵌入式控制器成为家居控制器的首选。它 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 的低功耗特点使可以长期处于运行状态，又能使整个控制系统脱离家用电脑。缺点就是 开发周期长，标准不统一，市场价格比较高，应用面比较狭型踟。 2 2 2 家居网络拓扑方案 网络的拓扑结构是抛开网络物理连接来讨论网络系统的连接形式，网络中各站点相 互连接的方法和形式称为网络拓扑。它的结构主要有星型结构、总线结构、树型结构、 网状结构、蜂窝状结构等。在智能家庭网络中用的比较多的是星型结构和总线结构【9 , 1 0 。 1 、星型结构 星型结构是指将家中电器和传感器以星型方式连接成网。智能家居控制器是网络的 中央节点，其他节点( 传感器、家用电器) 都与控制器直接相连，这种结构以控制器为中 心，因此又称为集中式网络。它具有如下特点：结构简单，便于管理；控制简单，便于 建网；网络延迟时间较小，传输误差较低，可靠性高。如图2 1 所示： 图2 1 星型网络 f i g 2 ，1 s t a rn e t w o r k 2 、总线型结构 总线结构是指各节点( 家电和传感器) 均挂在一条总线上，各节点地位平等，没有中 心节点控制，公用总线上的信息多以基带形式串行传递，其传递方向总是从发送信息的 节点开始向两端扩散。各节点在接受信息时都进行地址检查，看是否与自己的工作站地 址相符，相符则接收线上的信息。总线型结构的网络特点是：结构简单，可扩充性好； 使用的电缆少，且安装容易；使用的设备相对简单，可靠性高。但是总线型结构维护难， 分支节点故障查找难。如图2 2 所示： 嵌入式智能家居控制器研究及家居网络开发 图2 2 总线型网络 f i g 2 2 b u sn e t w o r k 2 2 3 家居网络连接方案 智能家居系统内部传输接口可以通过两种传输途径来实现：其一是有线传输方式； 其二是无线传输方式 4 - 1 0 1 。 1 、有线式 有线式的家居网络主要有电力线、现场总线、双绞线( r s 4 8 5 等) 以及专用线 i e e e l 3 9 4 、i e e e l 3 9 4 b 。 电力线又叫电力载波。在基于电力线的智能家居系统中，数据通过入口或出口的调 制、解调模块后，再通过家庭内部2 2 0 v 电力线进行传输。电力线在家庭中扮演两个角 色：传送电能以及将家中所有电器设备连成家庭内部通信网络。电力线技术因为信号的 传输仅借助电力线完成，不需要繁杂的布线，因此在旧房改造中有较好的应用前景。但由 于国内电力质量不高，其稳定性受到较大限制，经常出现信号传输不稳定的现象，为此 需要增加不固定的阻波与滤波装置。另外，电力线的通信范围就是单一变压器的供电范 围，如果一个小区使用一台变压器，电力线信号会在小区内所有家庭间传输，容易造成 通讯干扰，所以就电力通讯而言，其技术是成熟的，但其在智能家居中的成功应用还需 要进行一段时间的探索。 目前市场上的现场总线种类比较多，例如l o n w o r k s 、e i b 、b a c n e t 、c a n 、 p r o f i b u s 、c e b u s 、a p b u s 、x 1 0 等，国内外市场上已经出现了基于现场总线技术的 智能家居系统。虽然如此，许多专家并不建议采用基于现场总线技术的智能家居系统。 以c a n 为例，c a n 总线最初是为解决汽车中各部件之间相互通信而设计的，它采用非 破坏总线仲裁、短帧结构等技术，具有通信速率高、传输距离远、抗干扰能力强、最多 支持1 1 0 个节点等特点，且在严重出错时具有自动关闭总线功能，主要被应用在对抗干 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 扰能力、实时通信能力要求较高和通信距离在3 - 5 k m 以内的一些场合，但c a n 总线单 次通信量较小，通信速率也比较低，对智能家居的应用，特别是随着将来家庭内部通信 量的提高，会产生瓶颈。 r s 4 8 5 总线是一种国际性的开放式的总线。采用双绞线差分传输方式，可连接成半 双工和全双工两种通信方式，最远传输距离为1 2 0 0 米。差分输入范围是- 7 v 计1 2 v ，接 收器输入灵敏度为_ _ _ 2 0 0 m v ，输入阻抗大于或等于1 2 kq ，标准接点数为3 2 个，即每 个r s 4 8 5 接口芯片的驱动器能驱动3 2 个标准r s 4 8 5 负载。根据规定，标准r s 4 8 5 接口 的输入阻抗为之1 2 圈，相应的标准驱动接点数为3 2 。为适应更多接点的通信场合，有些 芯片的输入阻抗设计成1 2 负载( 兰2 4 i m ) 、1 4 负载( 4 8 娥) ，甚至1 8 负载( 芝9 6 艘) 等，相应的节点数可增加到6 4 、1 2 8 和2 5 6 等。对于一般家庭中使用的设备来说，这个 数量已经足够使用了。 i e e e l 3 9 4 接口是苹果公司开发的串行标准，中文译名为火线接口。它支持的传输速 率有1 0 0 m b p s ，2 0 0 m b p s ，4 0 0 m b p s ，将来会提升到8 0 0 m b p s ，1 g b p s ，1 6 g b p s 。不需 要控制器，可以实现对等传输，最大连线4 5 米，大于4 5 米可采用中继设备支持，同 样支持即插即用。1 3 9 4 b 是1 3 9 4 技术的升级版本，是仅有的专门针对多媒体一视频、 音频、控制及计算机而设计的家庭网络标准。火线是目前唯一支持数字摄录机的总线， 所以多用在传输影像设备上。 2 、无线式 无线方式中常用的有无线射频( i 强) 、蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 、无线通信h o m e r f ( h o m e r a d i of r e q u e n c y ) 、i r d a 红外线技术等。 射频( r f ) 技术成熟度高、成本低廉，穿透性也非常好，但缺点是没有统一的标准， 各公司的通信协议都不一样。 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是一种低功率短距离的无线连接技术标准的代称，是由东芝、爱 立信、i b m 、i n t e l 和诺基亚于1 9 9 8 年5 月共同提出的近距离无线数据通讯技术标准。 普通无线通信模块更多的只是单一的点对点通信体系，而b l u e t o o t h 属于无线网络技术， 可以组建相应无线网络。而且b l u e t o o t h 支持i e e e s 0 2 1 5 标准，工作频率2 4 g h z ，采用 全双工的工作方式，支持电路交换及分组交换业务，带宽可达1 m b s ，此类参数完全可 以满足智能家居系统的需求，但它只有1 0 米左右的通信距离，这作为智能家居通信方 式显然不足。 h o m e r f 是专门为家庭用户设计的一种w l a n 技术标准。h o m e r f 利用跳频扩频 ( f h s s ) 方式，既可以通过时分复用支持语音通信，又能通过载波监听多重访问冲突避 免( c s m m c a ) 协议提供数据通信服务。同时，h o m e r f 提供了与t c p i p 良好的集成， 嵌入式智能家居控制器研究及家居网络开发 支持广播、多播和4 8 位p 地址。目前，h o m e r f 标准工作在2 4 g h z 的频段上，跳频 带宽为1 m h z ，最大传输速率为2 m b p s ，传输范围超过1 0 0 米。由于h o m e r f 协议没有 完全公开，对它的研究和报道也很少。 k d a 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技术都已比 较成熟。它的主要优点是：体积小、功率低，适合设备移动的需要，传输速率高，可达 4 m b p s ，成本低，应用普遍。红外技术有两个致命的缺点：首先，两个具有k d a 端口的 设备之间如果传输数据，会受到障碍物的限制，没有穿透性，方向性较差，也没有标准 的通信协议。其次，传输距离太近，只有1 米2 米远。 无线传输最大的优点就是省去了大量的电缆连线，移动性很好，可以随时增加链路， 安装、扩容很方便。采用无线通信技术可以免去在家庭内部布线的烦恼，无法重新布线 的旧住宅用户可以同新住宅用户一样享受到家庭联网的便利，同时对家庭用户来说，新 增的家电设备可以很方便的加入家庭网络之中，家电设备改变摆放位置也无需重新布 线，从而解决了移动设备的联网问题。无线通信的质量远低于有线通信，其信号衰减要 比同距离的有线通信多上很多，而且传输信道容易受到干扰，可靠性没有有线方式好。 随着人们健康意识的提高，对电磁辐射的重视也越来越大，无线传输方式也受到一定程 度的限制。 2 3 系统组成 从以上分析，本课题采用了总线型的网络拓扑方式。由一个主控制器连接以太网和 驱动家庭网络总线，采用主从式通信。这样既方便以后挂接设备，又方便同外部网络沟 通，经济实惠。 对于注重网络安全和稳定性的家庭比较适合用有线连接的家庭网络。因为同无线网 络相比，有线网络有不易断线、速度快等特点，并能提供较好的安全性。电磁辐射也越 来越受到人们的关注，选择有线网络更能受到广大消费者的青睐。因此选择有线方式。 有线连接中，考虑到传输距离、通用性、市场价格以及可连接节点数等因素，选择使用 了通用的r s 4 8 5 双绞线连接【1 1 , i2 】。r s 4 8 5 总线多机通信网络【1 3 】，如图2 3 所示： 大连理工大学硕士学位论文 图2 3r s 4 8 5 半双工网络 f i g 2 3h a l f - d u p l e xr s 4 8 5n e t w o r k 智能家居系统包括很多方面的控制，家电控制，安防报警，灯光控制，三表控制， 门窗控制等。每一方面的控制都包含了很多小的节点。如家电控制中，针对不同的家电 的控制节点。安防报警中，煤气报警，烟火报警和防盗等的设计，等等。由于时间有限， 不可能把各个方面都设计完整。经慎重考虑，选择了代表性较强的家电控制和安防监控 模块进行了重点设计。系统组成如图2 4 所示： 图2 4 系统功能图 f i g 2 4s y s t e mf u n c t i o nd i a g r a m 在主控制器中，对每一个控制的模块都分配一个状态寄存地址，主控制器向控制模 块查询状态数据，存储到该地址单元。当需要向远程上位机传送状态信息时，就直接读 嵌入式智能家居控制器研究及家居网络开发 取该地址内的状态信息，打包后由以太网传输。当远程上位机发送状态修改命令时，也 向相应的地址单元写数据，然后由主控制器分析命令，对从设备模块进行修改。从而达 到了远程控制家电及其他家用设备的目的。 大连理工大学硕士学位论文 3 智能家居控制器硬件设计 3 1主控制器硬件设计 主控制器是智能家居控制系统的主要核心部分，它担负着连接外部以太网以及连接 家庭内部r s 4 8 5 总线的任务。通过以太网通信可以实现远程的控制，通过r s 4 8 5 总线 建立家居网络。同时还有部分显示和设置功能。主控制器功能图如图3 1 所示： 远程端 图3 1 主机功能图 f i g 3 1 m a s t e rf u n c t i o nd i a g r a m 3 1 1 主控制器芯片的选择 主控制需要同外部以太网连接，其中t c p i p 协议对于计算机存储器、运算速度等 的要求比较高，对于8 位和1 6 位m c u ，支持t c p i p 等i n t e r a c t 协议将占用大量系统资 源，或根本不可能，因此在8 位和1 6 位m c u 上实现i n t e r n e t 通信协议是比较困难的。 所以要选择6 4 位的高性能处理器，从经济性和现实性上来说都是可行的。同时主控制 器同其他控制模块的通讯要使用串口，对其串口数量也有要求。在对外围功能开发的时 候需要较多的i o 接口。 在嵌入式系统的设计中，嵌入式微控制器是整个系统的核心部件，其性能的好坏直 接决定整个系统的运行效果。一般来说，选用嵌入式微控制器时应考虑微控制器应用的 类型、i o 接口、主频、功耗、所支持的存储器类型、总线、价格、封装、产品的生命 力和厂家的实力、技术支持以及第三方软件的支持等因素。 呷 抻 嵌入式智能家居控制器研究及家居网络开发 嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备4 个特点： ( 1 ) 对实时和多任务有很强的支持能力；( 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能；( 3 ) 具有可 扩展结构，以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处理器；( 4 ) 具有低功耗特点。 据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 种，流行的体系结 构有3 0 多个系列。根据现状，嵌入式计算机可分成下面几类：( 1 ) 嵌入式微处理器 ( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) ；( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 又称单片机；( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) ；( 4 ) 嵌入 式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) t 1 4 , 1 5 j 。 以上的嵌入式计算机中，嵌入式微处理器功能强大，应用越来越广泛，其中a r m 是典型代表。a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的简称，既可以认为是一个公司的名字， 也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。自从1 9 9 1 年， a r m 推出首个嵌入式r i s c 核心a r m 6 系列处理器以来，a r m 处理器目前已发展出数 个基于a r m 体系结构的处理器：从a r m 7 系列到a r m l 0 e 系列等。a r m 内核采用的 是相对简单的3 级流水线，这使得芯片结构变得简单。另外，a r m 内核还革命性地采 用了1 6 位t h u m b 指令集。1 6 位t h u m b 指令集是a r m