ＡｍＩ環境下智能家居控制系統的設計與實現

摘要:智能家居控制系統系統實現的技術難點是如何進行自然的人機交互，完成異構網絡間的數據傳輸和滿足用戶在特定環境下對系統物理尺寸的要求。研究了以Virtex－4TM和SpartanⅢ兩種FPGA芯片作為核心控制器件，采用藍牙自動感知#65380;數據協議轉換等先進技術的智能家居控制系統，成功地解決了上述難題，充分體現了環繞智能的概念。

關鍵詞:環繞智能; 智能家居; 自動感知; BACnet協議

中圖分類號:TP273.5文獻標志碼:A

文章編號:1001－3695(2008)02－0613－03

AmI是2001年由歐洲信息社會咨詢組(Information Society Technologies Advisory Group，ISTAG)提出的新概念，它是一種具有智能特性，可對用戶行為作出類似人類知覺反應的電子環境。同時，ISTAG還闡述了環繞智能信息社會的構想[1]。環繞智能的本質是無所不在的IT#65380;計算和通信。環繞智能這一全新的概念對未來通信網絡結構和協議提出了全新的技術需求，而達到這些功能目標的前提是需要一套復雜的#65380;先進的#65380;多功能的智能感知系統[2，3]。

環繞智能系統按照嵌入的位置及交互方式可以劃分為三類:a)交互空間。利用嵌入到周圍環境中的計算#65380;感知設備，解除空間對人的限制，擺脫計算機#65380;鼠標#65380;桌面#65380;圖標，甚至無須人們對計算設備進行模式的轉換，使環境自動感知人們的信息，如Korea Electronics Technology Institute的Context－Aware Home[4]。該系統能夠很好地將多媒體#65380;保健#65380;智能控制#65380;管理集成到一起，但建立的感知網絡還存在一定缺陷，不能得到很好的推廣。b)可穿戴計算。將控制#65380;計算#65380;感知設備嵌入到人們的衣物當中，從而可以使人機交互直接進行。INSA將智能穿戴應用在社會醫療#65380;家庭保健#65380;疾病預防上[5]，充分體現了普適計算的優越性。但是類似系統需要大量感知器獲取數據，限制了應用的范圍。c)信息設備。主要是將計算#65380;感知設備嵌入到日常生活物品#65380;辦公場所#65380;交通設施等場所中，使其充當人機交互的接口，人們能夠在使用這些物品#65380;置身這些場所時實現人機交互。

本文所做的環繞智能家居控制系統(AmI家居控制系統)就是屬于信息設備這一類。系統在感知網絡的建立和實用性方面有了更大改進。在該系統中用戶可使用PDA#65380;手機等手持設備或計算機通過無線網絡#65380;有線網絡在任何時間#65380;任何地點直接控制任何家用電器的各項功能，同時查看家用電器的相關信息。該系統使人們的生活變得更加方便#65380;快捷。

1系統整體設計方案

AmI家居控制系統是AmI中的一個重要支撐子系統，面向人們的主要生活場所。整個系統的設計采用樹型結構，如圖1所示，以AmI控制盒(即AmIBox模塊)為中心與外界進行通信，中心與每個分支的通信遵循IPv6通信協議。每個模塊均有自己的IP地址，這樣模擬了未來家庭環境中每個家電均有一個自己的IP地址的情況(DDC(direct digital controller)模塊除外，對于DDC模塊控制的家電共用一個IP地址)。

AmIBox模塊是整個系統的核心部分，它包含兩個嵌入式數據庫，即用戶信息和家電信息。一方面，AmIBox通過藍牙感知模塊獲得用戶的ID，將數據庫切換到該用戶的相關信息;另一方面，AmIBox模塊從PDA#65380;PC機獲取用戶的控制命令，解析#65380;確定控制對象后，再將控制命令和相應的數據庫信息打包發送給相應家電的AmI適配器模塊，即AmIAdapter模塊。AmIAdapter模塊對命令進行相應的格式轉換后發送給DDC或家電進行相應的控制，同時將獲得的家電信息和數據庫信息反饋給AmIBox模塊，進而反饋給用戶。

為了實現上述功能，要求系統能夠自動識別用戶身份，實現不同網絡之間的數據傳輸，適應嵌入式環境的物理要求。因此在系統設計中，采用了以下幾種技術:

a)自動感知技術。通過藍牙感知器和藍牙適配器為AmIBox模塊提供用戶信息。

b)樓宇自動控制網絡(building automation and control network，BACnet)與Internet網絡互聯。通過協議轉換實現異構網絡中的數據傳輸。

c)高速電路設計技術。通過裁減開發板，降低系統成本，滿足用戶對系統的物理要求。

2相關技術的設計與實現

2.1自動感知技術

在AmI智能家居控制系統中，如何讓系統能夠主動感知用戶的進入#65380;離開及進行身份識別，并且能夠無縫地感知用戶的跨區域，使用戶感覺不到系統的存在，從而實現系統的透明性，還能夠根據用戶的身份提供個性化服務，這一點非常重要。在實際實現中，這些功能采用的主要是藍牙技術[6]。藍牙是一種發展中的短距離無線通信技術，工作在2.4 GHz的ISM頻段，采用跳頻機制。它的突出優點是具有移動性好#65380;抗干擾#65380;功耗低#65380;成本低#65380;體積小等特點。另外，藍牙設備還具有快速發現設備，并與之建立連接#65380;傳輸數據的能力。

藍牙感知系統的結構如圖2所示。它由藍牙感知器#65380;藍牙適配器和主機三部分組成。藍牙適配器與主機合稱藍牙接入點。藍牙接入點由AmIBox與藍牙適配器共同構成。AmIBox一方面要控制各種家電;另一方面要管理數據庫，控制有線#65380;無線網絡的通信，任務復雜。本系統采用Xilinx公司的低功耗FPGA Virtex－4TM作為主控制芯片。該芯片處理器帶有PowerPC硬核，主頻達到了100 MHz，保證了用戶請求的實時處理和數據的有效處理。同時考慮到系統的穩定性以及移植的復雜性等因素，選擇Linux作為AmIBox的操作系統，保證AmIBox與藍牙適配器的正確通信。

藍牙感知器和藍牙適配器均采用CSR的BlueCore04－External的單芯片結構。該芯片內有16位RISC處理器，48 KB的RAM，可以運行整個藍牙協議棧和應用程序，提供SPI#65380;UART/USB#65380;PIO#65380;PCM接口。系統中使用Casira開發板通過SPI接口將程序下載到處理器中，同時接入8 Mbit的flash用來存儲協議棧和應用程序。

藍牙感知器安裝在工作證或用戶的手表上，方便#65380;靈活。當佩戴藍牙感知器的用戶進入環繞智能系統的感知區域時，藍牙適配器能夠快速查詢到該設備，建立連接，接收來自藍牙感知器的身份信息。藍牙適配器再通過USB接口將用戶標志和身份數據信息發送給AmIBox，從而獲得用戶的身份信息。

當用戶離開時，藍牙感知器和藍牙適配器無法進行數據交換，藍牙鏈路斷開，使藍牙適配器感知用戶的離開，從而通知系統用戶已經離開。

2.2BACnet與Internet網絡互聯

目前，在國內還無法實現每個家電均能聯網，因此不能實現AmIAdapter模塊通過網絡直接控制冰箱#65380;微波爐等家電，需要中間設備進行控制轉換。上述家電遵循BACnet智能樓宇控制協議，因此需要采用DDC這種基于BACnet協議控制方式的設備進行控制。

BACnet通信協議是以OSI－RM標準(OSI－RM是為異構結構計算機互聯提供的一個標準框架和基礎)為基本原則制定的樓宇自控網絡數據通信協議[7]。根據自身的應用環境，BACnet協議對OSI－RM標準作了精簡，將原來的七層協議簡化為四層結構，即應用層#65380;網絡層#65380;數據鏈路層和物理層，可以輕松地實現與TCP/IP協議的轉換。

為了與其他網絡進行通信和信息共享，利用Internet實現對樓宇自控系統的管理，本系統采用了BACnet中的隧道技術(圖3)。當AmIAdapter從AmIBox接收到控制命令時，將控制命令封裝為BACnet協議包，并將該協議包封裝在IP協議包中，通過IP網絡傳輸給DDC——網絡中的B/IP PAD(BACnet/Internet協議包封裝/拆裝設備)節點;DDC將IP協議包進行拆包，分離出其中的BACnet協議包并實現對家電的控制。

在系統的具體實現中，命令數據報字段除了要有相應協議的報頭外，還包含了命令種類標志#65380;家電類別號#65380;家電設備編號#65380;控制命令及相應參數。命令標志用于區分該數據報是命令還是狀態反饋;家電類別號用于區分不同種類的家電;家電設備編號用于識別同類家電的不同設備;控制命令為用戶下達的控制命令，如設定冰箱冷藏室溫度等。反饋數據報中除了包含命令種類標志#65380;家電種類標志#65380;家電設備編號#65380;索取狀態命令外，還包含了家電設備的狀態信息。

2.3高速電路設計技術

AmIBox和AmIAdapter是系統的重要組成模塊。為了滿足用戶對系統物理尺寸的需求，實現嵌入式設備體積小#65380;功耗低的特點，需要對這兩個模塊進行適當的裁減，去掉系統中不需要的功能。本系統采用Cadence設計工具進行PCB設計。該軟件中包含了原理圖設計#65380;PCB布局與布線#65380;約束設置#65380;原理圖仿真#65380;PCB模型仿真#65380;布線前后信號完整性分析等工具，從而保證了設計的正確，縮短了設計周期，降低了設計成本。裁減過程中要注意原理圖和PCB設計時，需要考慮高速信號的設計及模/數混合信號的設計。

2.3.1高速信號的設計

在FPGA與內存的數據傳輸部分，傳輸頻率為200 MHz，屬于高速信號傳輸。高速信號的部分包括FPGA與DDR之間的時鐘線#65380;數據線#65380;地址線和控制線。其中:時鐘線采用差分信號走線，并確定了走線時的最小線間距#65380;最小線寬#65380;非耦合帶的最大長度等參數。對于DDR數據線，采用蛇形走線的方式實現等長布線，并保證始終在同一層走線，減少回流延遲，通過設置約束管理器中最大走線長度將數據線與時鐘線的線長差控制在50 mil內。對于地址#65380;片選及其他控制線，在約束管理器中，將其拓撲方式設置為菊花鏈狀，并且比時鐘線長1 000~2 500 mil，保證時鐘穩定后讀取地址信息和控制信息。布線過程中利用約束管理器有助于控制走線，還能縮短布線時間。

高速布線完成后，利用仿真工具SigXplorer#65380;波形顯示工具Sigwave，分析數據線#65380;地址線的波形圖，確保信號的建立時間#65380;保持時間#65380;傳輸延遲滿足DDR芯片的要求。

2.3.2模/數混合信號的設計

在網口部分的設計中涉及到模/數混合信號PCB的設計，為了減小數字信號與模擬信號的相互干擾，保證信號的完整性，需要解決數字地和模擬地劃分的問題。

常用的解決方法是將數字地與模擬地分割開，但是在這種情況下進行跨分割間隙布線就會出現電磁干擾增加，影響信號完整性。本設計中采取的措施是:將PCB分區為獨立的模擬部分和數字部分，進行適當的元器件布局，將網口控制器跨分區放置。在模擬部分和數字部分下面分別敷設地，并在網絡控制器下敷設等寬的地作為地連接橋，以連接模擬地和數字地。在電路板的所有層中數字信號只在電路的數字部分布線，同時所有模擬信號只在電路板的模擬部分布線。具體的劃分如圖4所示。

3測試

整個系統實現后，為了保證系統工作的穩定性和兼容性，進行了系統測試。測試結果如下:

a)用戶的識別率。藍牙自動感知部分采用CSR公司提供的BlueLab 2.8.2進行開發。其中:套件BlueSuite提供了燒寫工具#65380;配置工具以及測試工具。使用其中的測試工具對連接信號的強弱進行測試。結果表明，在10 m之內隔著障礙物仍能準確通信。在本系統中用戶數量有限，當多個用戶佩戴藍牙感知器在不同時間進入#65380;離開時，藍牙適配器能夠即時地查詢新設備#65380;斷開離開設備，保證用戶的正確識別。

b)控制信號識別率。本系統制定了規則集，對每個用戶的操作制定了相應規則。向同一種家電先后發送多種控制命令，系統能夠根據規則集確定正確的執行順序和操作指令。例如，使用PDA設置微波爐中火5 min，但是3 min后又改變主意設定微波爐為微火。根據系統的規則集，AmIAdapter控制微波爐轉為微火，并設定時間3 min。

c)高速電路板的穩定性#65380;完整性。對于焊接完成的PCB，接入大于12 V的電壓，測試電路是否會被燒毀。電源部分采用自動恢復保險絲進行電路保護，因此在過壓狀態下仍能保持電路的安全。在布線階段，采用Allegro中的PCB SI對DDR進行仿真測試，檢測數據線的延遲誤差;PCB制板完成后，使用邏輯分析儀在設定的多個測試點上測試數據的完整性。結果表明，系統能夠保證傳輸延遲#65380;信號強度等的誤差在允許范圍內。

4結束語

AmI是一個全新的概念，它綜合了多個領域的技術成果，目的是使人們的生活#65380;工作變得更方便#65380;快捷。本文闡述了基于FPGA開發平臺，采用PowerPC和MicroBlaze處理器，改善人們生活質量的環繞智能家居子系統中相關技術的設計與實現。本系統靈活運用了藍牙自動感知#65380;異構網絡通信#65380;高速電路設計等技術成功實現了人機自然交互，展現了人們未來生活的美好前景。文中實現的AmI智能家居控制系統作為“211”項目，評審專家的嚴格審核在一定程度上為環繞智能概念在我國的推廣起到了促進作用。

目前，該系統所采用的BACnet轉換技術還不具備普遍性，如采用的DDC模塊價格較高，不能被大部分人接受;另外缺乏靈活性，可擴展的設備有限且擴展過程比較復雜。采用這種技術只是實現的一個過渡階段，還需要進一步改進。AmI是一個嶄新的研究方向，還有許多類似的概念需要人們去挖掘#65380;探索。

參考文獻:

[1]DUCATEL K， BOGDANOWICZ M， SCAPOLO F， et al. ISTAG scenarios for ambient intelligence in 2010[C]//Proc of European Communities. 2001.

[2]CHOI J， SHIN D K， SHIN D. Research and implementation of the context－aware middleware for controlling home appliances[J]. IEEE Trans on Consumer Electronics， 2005， 51(1): 301－306.

[3]LIM H， KANG J H， LEE M G， et al. The design of multi－hop routing with asset monitoring application using wireless sensor networks[C]//Proc of IEEE International Conference on Sensor Networks， Ubiquitous， and Trustworthy Computing. 2006:256－261.

[4]LEE S H，CHUNG T C.System architecture for context－aware home application[C]//Proc of the 2nd IEEE Workshop on Software Technologies for Future Embedded and Ubiquitous Systems.2004:149－153.

[5]AXISA F， SCHMITT P M，GEHIN C.Flexible technologies and smart clothing for citizen medicine， home healthcare and disease prevention[J].IEEE Trans on Information Technology in Biomedicine， 2005，9(3):325－336.

[6]朱剛，談振輝，周賢偉.藍牙技術原理與協議[M].北京:北京交通大學出版社，2002:1－3.

[7]董春橋.BACnet原理與應用[M].北京:電子工業出版社，2003:333－336.

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