嵌入式家庭控制器系统的设计与实现

1、    嵌入式家庭控制器系统的设计与实现        韩德强 时间:2008年10月15日     字 体: 大 中 小        关键词:        ? 摘? 要：? 关键词：? 随着科学技术水平的不断提高，特别是计算机技术、通讯技术、网络技术、控制技术的高速发展，人

2、们对日常生活水准产生了更高的追求，家庭数字化成为一种必然。? 数字家庭将家庭中各种与信息相关的设备，通过家庭网络连接到一个家庭智能化系统上进行集中或异地的监视、控制，并保持这些设施与住宅环境的和谐统一。这些都是通过家庭数字化的核心家庭控制器系统实现的。家庭控制器系统集测量、控制为一体，通过家庭网络实现对家庭安防装置的监控和报警、三表的查收以及家电的控制等功能。由此可见，家庭控制器系统在数字家庭中占有重要地位。? 目前，家庭控制器系统的设计方案虽然较多，但主要还是以三表查收、电源开关控制、安防监控和报警等为主。在家电控制方面，主要采用下面两种方案：? (1)网络家电：由于标准不统一，通用性较差，

3、网络家电的种类很少，用户选择的自由度小且价格昂贵；? (2)对现有家电的控制：大多方案还局限于电源开关的控制，未能实现功能上的集中或远程控制，如空调温度的调节、电视频道的转换等。虽然少数方案采用了远程控制，但不易扩充，用户不能根据自己的要求，任意添加、删除设备或设备控制功能。? 本系统采用模块化的设计，用户可以根据自身的需求选配控制模块，然后通过红外模块提供的“自学习”功能，在家庭控制器终端上添加设备及该设备的控制功能。本系统通过在用户现有家电红外线所及范围内添加红外模块，实现对用户现有家电的集中或远程控制，免除了重新购买电器的支出，可使普通百姓体验到数字家庭带来的便利。?1 系统总体设计方案

4、? 数字家庭通常定义为利用嵌入式技术、网络技术和综合布线技术，通过家庭管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机结合的系统。数字家庭一般要求有三大功能单元：(1)一个兼容性强的数字家庭中央处理平台，它是数字家庭的核心，通过它用户可以和家居子系统进行快速沟通。通过这个媒介平台，构成与外界的通讯通道，以实现与家庭以外的世界沟通信息，满足远程控制、监测和交换信息的需求。(2)家庭布线系统是组建家庭局域网的基础，它不仅将宽带网连接到家庭，还可以根据各自家居的情况布设到每一个将来可能使用的位置。(3)真正的数字家庭生活至少需要宽带互联网、家庭互联网和家庭控制网络三种网络的支持，也就是说要在一个家居中建立一

5、个通讯网络，为家庭信息提供必要的通路，在家庭控制器的控制下，通过相应的控制单元和执行机构，实现对家庭网络上所有家庭设备的控制和监测。? 嵌入式家庭控制器系统总体方案如图1所示。首先，通过光纤网将Internet接入社区服务器以实现数字家庭的远程控制、监测，社区内部采用数字有线电视网同轴电缆入户，经线缆调制解调器（Cable Modem）和无线路由器接入家庭控制器，家庭设备经各自的控制单元（智能用户控制终端模块和智能家电开关控制模块），通过RS-422总线与家庭控制器连接。嵌入式家庭控制器作为数字家庭中央处理平台，一方面将现有家庭设备数字化，提供信息处理能力和通信能力；另一方面，提供统一的信息交

6、换接口及控制规则，通过信息集成管理不同的功能子系统，使住宅成为一个有机的整体。?图1? 嵌入式家庭控制器系统整体示意图?2 数字社区网络体系结构设计方案? 如何构建一个符合我国国情，并以社会各阶层居民用户为主体的有序化网络体系结构是家庭数字化的关键。数字社区网络体系结构主要包括宽带接入网和家庭网络两大部份。?2.1 宽带接入网设计方案? 目前，宽带接入技术已十分成熟。就我国具体情况而言，虽然一些新建商业住宅小区已经架设了基于双绞线的局域网，但大量的旧住宅仍然以电话网（如ISDN、ADSL等）作为主要的接入方式。而在我国有线电视用户数量已经超过1亿，尤其是近年来兴起的数字有线电视，不仅使电视节目

7、的图像和音质得到了提高，还可以使人们体验视频点播和上网遨游的乐趣。据中国商业数据网统计，2005年我国数字有线电视用户已达369.4万户。? 基于HFC（光纤/同轴电缆混合）接入技术的数字有线电视网是最佳的选择方案。它既可免除重新布线的投入，又可实现“三网合一”的最终目标。?2.2 家庭网络设计方案? 在家庭网络方面，又分为家庭互联网和家庭控制网两部分。? 家庭互联网主要用于家庭控制器、PC机、PDA等设备互联，通过架设无线路由器的方式即可解决。家庭控制器、台式计算机等可通过有线的方式连接，笔记本电脑、PDA等可通过802.11无线的方式连接。? 家庭控制网主要用于连接家庭控制器和智能家庭设备

8、控制单元，在这方面虽然现场总线技术LonWorks、无线接入技术（如HomeRF、Zigbee等）各具特点，但它们共同的缺点是总投入较大且无线接入的稳定性较差。而基于RS-422通信协议的产品，虽然互用性不强，但其低廉的价格，在国内具有很大的市场潜力。? 基于上述分析，本文所论述的系统采用HFC接入技术和RS-422总线技术作为基本网络体系结构。?3 智能家庭设备控制单元的设计? 家庭设备主要包括家用电器、安防装置和水、电、气三表，根据这些设备自身的特性，将智能家庭设备控制单元划分为智能用户控制终端模块和智能家电开关控制模块两类，使用模块化设计可以给用户更灵活的配置余地。例如用户家中只有1台电

9、视，但拥有十余个需要控制电源开关的电器设备，则可以选择只安装1个智能用户控制终端，同时安装23个智能家电开关模块。? 上述两模块通过RS-422总线与家庭控制器相接，采用自定义的通讯协议格式。总线电缆使用一般的5类非屏蔽双绞线，其中2对线传递串行信号，另2对线接入12V电源，给需要从总线电缆中取电的模块提供电力供应，采用这种布线方式可以免除升级后为网络家电重新布线的投入。?3.1 智能用户控制终端模块的设计? 智能用户控制终端模块主要用于对支持红外遥控的家电进行操作、抄表及安防装置信号的监测。? 该模块上还包含一套红外学习及重现的装置，通过该装置可将支持红外遥控功能的家电改造成为网络家电。该装

10、置使用PIC12C509微控制器构成的UIR红外接收解码模块来实现红外信号的接收、解码，并通过串口切换逻辑将信号送往RS422总线。由于MCU和UIR模块均需要向RS422总线发送数据，所以对这两者的信号采用了分时复用的设计方案。? 该模块采用2种供电方式，可通过开关选择使用外接电源供电或从总线电缆上取电。用户若想通过某模块向总线供电，可以在使用外接电源的同时打开此开关，但必须确保总线上只能有一个向总线供电的模块。? 该模块的控制程序由初始化程序、背景循环程序和一系列的中断服务函数构成。循环程序根据一些相关寄存器的数值对设备运行状态进行更新，并同时轮询一些设备的事件。中断服务函数则主要负责串口

11、数据接收、键盘解码和脉冲输入计数等对响应时间有要求的操作。?3.2 智能家电开关控制模块的设计? 智能家电开关控制模块实现对家用电器电源的开关控制，也可应用在自动门锁、报警器等需要开关量控制的场合。? 该模块采用Atmel公司的AT89C2051微控制器，提供了7路继电器输出，负荷能力为AC 250V 5A。该模块也采用2种供电方式。? 控制程序同样由一个循环程序和一系列的中断服务函数构成，循环程序根据相关寄存器的数值对设备运行状态进行更新。?4 嵌入式家庭控制器的设计?4.1 嵌入式家庭控制器基础平台的选择? 嵌入式家庭控制器是整个系统的核心，硬件平台的选择至关重要。本设计选用了ICOP公司

12、生产的一款工业级的瘦客户机，采用X86架构的嵌入式微处理器；具有2个RS-232接口，其中1个通过RS-232RS-422转换器，将家庭控制器挂接到家庭控制网上，另1个用于挂接Modem，当有异常情况时可远程拨号到用户预设的电话号码提供语音报警；VGA接口可连接显示器或数字电视作为显示终端。?4.2 嵌入式家庭控制器的软件设计? 家庭控制器终端软件采用面向对象的多进程、多线程的程序结构以及流水线式设计模式。本系统对家庭设备的控制、监测可通过远程或本地两种操作方式，在远程控制方式中，不需使用本地操作界面，为了提高系统运行效率，将程序分为用户应用程序和底层应用程序，这两个应用程序通过进程间通信协同

13、运行，如图2所示。? 用户应用程序自上至下分为用户接口层、用户事件处理层和功能指令消息接口。? 用户接口层将接收到的用户操作传至下层，并将下层的信息反馈到屏幕上。界面设计采用了微软最新的DirectDraw技术，实现了动画式的用户接口（可根据信息的多少自动缩放）。将所有功能分为控制、设备、计费、信息四大项，并辅以快速信息栏、天气情况和桌面系统，方便用户的使用。而在交互设计上则实现了错误提示、应用向导、快速反馈、方便退出、位置显示等特性。用户可以方便地添加、删除设备，并支持红外遥控自学习功能。? 在设备或设备功能的添加、删除部分采用了向导式图形操作界面，用户可根据需要自行添加、删除设备，如空调、

14、电视、CD机、电灯等。如果该设备支持红外遥控功能，用户只需将遥控器对准红外模块的接收部分，通过“自学习”功能即可添加该控制功能，也可删除该功能。这些数据将自动保存在本地数据库中，以备远程或本地控制时使用。? 用户事件处理层可将上层传递过来的用户指令进行翻译，若是操作类指令则直接在本层处理并在处理完成后通知上层进行相应的显示；若是控制类指令则继续翻译成一个或一串功能型指令并传至下一层，还将接收指令反馈，对反馈信息加以处理，并根据需要通知上层进行显示。此外还可对由下层发起的指令进行处理，其过程与上述过程基本相同，只是反馈信息传递方向不同。? 功能指令信息接口负责与底层应用程序的信息交互。? 底层应

15、用程序分为功能层和驱动与数据层。? 功能层负责接收由用户应用程序传来的用户请求，调用驱动及数据层执行相应的请求，如调用数据库，控制单元驱动，并将结果传回用户应用程序。功能层作为定时服务的守护程序，会按时自动运行用户订制的定时任务。功能层还负责与社区服务器进行交互，网络消息处理机制使用WinSocket建立一个Socket端口监听服务器的请求，当有请求时，程序从服务器下载加密后的XML文件，对其进行解密、验证并执行相应的请求。? 驱动与数据层包括本地数据库（SQLCE）的操作，以及对智能用户控制终端模块和智能开关控制模块的驱动。?5 社区服务器Web页面的设计? 社区服务器使用ASP.net进行

16、网页设计，结合C#语言实现服务器与家庭控制器的数据通信。Web页面设计在功能上可以分为用户认证管理系统、消息发布管理系统、新闻管理系统、社区消息发布系统、用户控制页面五大部分。? 用户控制页面是用户通过Internet对家庭设备进行远程控制、监视的唯一途径。在该页面上用户可以提交即时或定时的家电控制任务。? 目前关于数字家庭的研究和设计方案很多，但仍有很多问题亟待解决，如没有统一的互操作规范，尤其在标准化接口和通讯协议等方面。随着相关技术不断进步，它必将向着调度智能化、灵活性和互操作性方向发展，从而进入寻常百姓家。本文提出的以数字家庭控制器为核心的智能家居解决方案与单机的解决方案相比，更具有灵活性、兼容性和可扩展性，并且能以更低的成本实现更为丰富的控制功能。系统具有的各种接口能兼容照明、三表、家电、安防装置等多种设备的控制与监视，用户可以按照住宅环境或者经济能力来定制智能家居，轻松添加新的子系统。? 嵌入式家庭控制器系统将当今信息领域最为热门的HFC宽带网接入技术、嵌入式技术应用到家庭控制系统的设