一種智能家庭嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

（西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院， 西安 710072）

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摘要：

針對電力線載波技術(shù)是實現(xiàn)家庭與個人信息化“最后10米”問題最有效手段之一，提出了一種基于電力線載波通信的家庭智能化解決方案；借助電力線的公共性，采用載波通信處理芯片，設(shè)計智能家庭嵌入式軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)對智能家庭管理的靈活性和便捷性。

關(guān)鍵詞：電力線載波； 智能家庭； 嵌入式軟件

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：10013695(2009)03097403

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Design and implementation of smart home embedded system

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SONG Wei， DONG Yunwei

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(College of Computer Science， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072，China)

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Abstract:

Carrier wave over powerline is one of the most effective technologies to solve the last tenmeter problem（LTM）， which is a big challenge for the intelligent house.This paper presented a smart home solution (SHS) over carrier wave on powerline， which was by means of the utility，power and its carrier，among house equipment. Designed and implemented a SHS embedded software system for a special carrier wave Chips， which was a convenient and scalable subject that manage home equipment in smart home system.

Key words：carrier wave over powerline； smart home； embedded software

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0引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，個人或家庭對信息服務(wù)和管理的需求越來越大；特別是隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長，人們對居住環(huán)境的安全性、舒適性和效率性的要求越來越高，家庭住宅中對智能化的需求呈現(xiàn)多樣性。智能家庭是指那些采用信息技術(shù)來控制電器設(shè)備，并能夠與外界進(jìn)行通信聯(lián)系的住宅，提供給住戶更好的家庭生活體驗，而屏蔽復(fù)雜的實現(xiàn)技術(shù)和模糊的用戶接口，系統(tǒng)可靠、安全且能保護(hù)用戶的隱私[1~3]。在智能家庭計算系統(tǒng)中，兩個問題尤為突出：a）“最后10米或100米”問題，即智能家庭系統(tǒng)中系統(tǒng)與外界（包括人）的交互以及系統(tǒng)中各計算單元之間采用什么樣的通信方式；b)系統(tǒng)的智能計算模式的設(shè)計和實現(xiàn)，通過軟件系統(tǒng)的設(shè)計來實現(xiàn)智能家庭的個性化、人性化，實現(xiàn)人與住宅、人與家用電氣設(shè)備之間的有效溝通與和諧。在智能家庭系統(tǒng)中，根據(jù)不同設(shè)備的特性、不同用戶的需求，設(shè)計不同的計算模式和管理手段來提供面向家居需求的智能服務(wù)，使得家庭能夠變得更舒適、安全和有效。在先進(jìn)軟件系統(tǒng)的支持下，智能家庭系統(tǒng)可以在沒有或很少有人干預(yù)的情況下，對家內(nèi)或家外可能發(fā)生的事情按預(yù)先設(shè)定的響應(yīng)作出反應(yīng)，從而具有人性化的智能家居環(huán)境。

智能家庭隨著微電子技術(shù)、通信技術(shù)和嵌入式軟件技術(shù)的進(jìn)步而不斷改進(jìn)，它涉及到對家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的智能器具、設(shè)備和系統(tǒng)的操作、管理，以及微電子技術(shù)的應(yīng)用[4，5]。家庭網(wǎng)絡(luò)的通信媒體主要有以太網(wǎng)(雙絞線)、電力線、無線射頻、紅外線和無線接入等，當(dāng)前主要以雙絞線、無線接入和電力線為主流[6，7]。本系統(tǒng)使用電力線網(wǎng)絡(luò)，不需要另外再敷設(shè)通信線路，這不僅給系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)帶來了極大的方便，同時也克服了無線通信的弊端，如成本高、電磁污染等[8~10]。

隨著智能家庭的發(fā)展，家用電氣的種類繁多，應(yīng)用模式和準(zhǔn)則也各不相同，智能家庭系統(tǒng)計算中要控制和管理的電器設(shè)備越來越多，電器設(shè)備的控制也越來越來多樣性；還要求考慮各個體電器設(shè)備的獨立性和整體的一致性，如電源群控模式和交替（耦合）控制時，需要計算設(shè)備之間的用電功率消耗以預(yù)防用電功率給各電氣設(shè)備帶來的損壞或影響系統(tǒng)的正常運行。這就要根據(jù)電氣設(shè)備的性能和應(yīng)用場景，設(shè)計設(shè)備控制模式。智能家庭中的控制規(guī)則和計算模式是通過嵌入式軟件系統(tǒng)實現(xiàn)的。因此，給智能家庭軟件系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計帶來了許多挑戰(zhàn)，即在計算資源和單位計算成本的約束下，系統(tǒng)功能越來越豐富、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、開發(fā)成本越來越低。這就要在智能家庭系統(tǒng)的開發(fā)和實現(xiàn)過程中，設(shè)計靈活的軟件體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)構(gòu)件化軟件功能模塊，提高軟件系統(tǒng)的柔性軟件功能的復(fù)用水平。

1智能家庭系統(tǒng)的體系構(gòu)架

基于電力線載波通信的智能家居系統(tǒng)是利用載波通信技術(shù)實現(xiàn)有源家居電器設(shè)備的智能化控制和網(wǎng)絡(luò)化管理的簡單、便捷和環(huán)保的現(xiàn)代化家居管理系統(tǒng)，它是一個三層體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，分為以下三層（圖1）：

a）接入層。其主要負(fù)責(zé)PC機(jī)、移動控制器和電話等用戶接入終端接入設(shè)備的系統(tǒng)訪問和交互支持。下層為現(xiàn)場總線層包括所有的家用電器控制、視頻監(jiān)視、安防控制、照明控制、通風(fēng)控制等單元，兩層之間通過電力線連接起來。

b）控制層。其主要功能及服務(wù)由中心控制器完成，它是智能家庭系統(tǒng)的中心管理單元，負(fù)責(zé)接收終端用戶的控制指令，并將其轉(zhuǎn)換成為控制信號加載在電力線上。中心控制器還負(fù)責(zé)分檢和接收從被控設(shè)備端傳來的加載在電力線上的信息。

c）執(zhí)行層。其負(fù)責(zé)接收和分檢中心控制器加載在電力線上的控制指令，并根據(jù)系統(tǒng)對設(shè)備的管理模式采集需要控制的家電設(shè)備信息，并將其加載在電力線上，發(fā)送給中心控制器。其中控制適配器實現(xiàn)執(zhí)行層的功能，對智能家庭中的所有電器設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場控制與管理。智能家庭通過控制適配器掛接到家庭中的220 V電力線上，形成一個以LonWorks現(xiàn)場總線為平臺的控制和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。采用現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)組建監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可方便地去除和增加控制節(jié)點，并將電器設(shè)備的控制分散到了各個智能控制節(jié)點中，實現(xiàn)了真正意義上的集中管理和分散控制。

2智能家庭系統(tǒng)硬件運行平臺設(shè)計與實現(xiàn)

智能家庭系統(tǒng)硬件運行平臺由中心控制器和被控電器適配器硬件計算環(huán)境組成，如圖2所示。

中心控制器由電路電力線載波通信芯片和外圍電路組成。外圍電路是智能家庭控制器芯片正常運轉(zhuǎn)的最小系統(tǒng)，它由輸入信號濾波電路、輸出信號放大驅(qū)動電路、電力線耦合電路構(gòu)成（圖3）。為了保證與電話、PC機(jī)等終端用戶的接入，還需要集成相關(guān)的接口電路，如以太網(wǎng)模塊、電話模塊、紅外遙控接收模塊等。

本文采用澳大利亞Semiconductor科技公司開發(fā)的專用電線載波通信專用芯片Stalon3000A來設(shè)計和實現(xiàn)智能家庭系統(tǒng)的中心控制器和適配器，它使用現(xiàn)代DSP技術(shù)，在高干擾、高噪聲的惡劣電力線環(huán)境下實現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸[11]。為了保障Stalon3000A芯片正常工作，系統(tǒng)設(shè)計了包括電源供電、復(fù)位信號、啟動模式選擇、實時時鐘供電電源等功能模塊的外圍電路，如圖3所示。

Stalon3000A的供電主要分為數(shù)字和模擬電源。其中，數(shù)字3.3 V為芯片的所有數(shù)字邏輯電路供電；模擬3.3 V為ADC和DAC的模擬電路供電。為了避免數(shù)字邏輯電路產(chǎn)生的高頻噪聲影響電路接收性能，本文使用雙路直流穩(wěn)壓電源電路為Stalon3000A供電，將模擬地和數(shù)字地嚴(yán)格區(qū)分開，最大限度地降低數(shù)字電路與模擬電路之間通過電源系統(tǒng)耦合的途徑。

適配器的硬件平臺也選用Stalon3000A芯片作為系統(tǒng)處理單元，其外圍支持電路設(shè)計與中心控制器相類似；不同之處是連接不同家用電器的適配器還設(shè)計了驅(qū)動相應(yīng)的控制執(zhí)行單元的接口電路，并在此基礎(chǔ)上運行不同的控制軟件系統(tǒng)。

3智能家庭嵌入式軟件的設(shè)計

智能家庭嵌入式軟件系統(tǒng)分為中心控制器軟件子系統(tǒng)和適配器軟件子系統(tǒng)，它們分別在中心控制器、適配器硬件電路和處理芯片的支持下，實現(xiàn)人與設(shè)備的交互，提供家居信息服務(wù)。

31中心控制器軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

中心控制器起到通信網(wǎng)關(guān)和智能家庭設(shè)備管理的中樞作用，提供與電話線、寬帶等傳統(tǒng)通信手段的接口，方便住戶與智能家庭系統(tǒng)交互，負(fù)責(zé)發(fā)送控制家用電器設(shè)備的指令和接收從控制設(shè)備適配器傳來的設(shè)備狀態(tài)信息。

中心控制嵌入式軟件系統(tǒng)的功能主要由狀態(tài)收集類collectState、日志管理類logManage、用戶管理類userManage、載波通信類carrier、適配器管理類adapterManage、用戶接口類userInterface等模塊完成，如圖4所示。其中，用戶接口分為四類：紅外接口remotePort負(fù)責(zé)接收紅外遙控器的控制指令；電話接口telPort負(fù)責(zé)從電話模塊中接收來自電話或手機(jī)的控制指令；網(wǎng)絡(luò)接口webPort負(fù)責(zé)從以太網(wǎng)模塊中接收來自互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制指令；計算機(jī)接口seriesPort負(fù)責(zé)接收計算機(jī)上控制軟件的控制指令，從而方便用戶采用多種方式進(jìn)行控制。

32設(shè)備適配器的設(shè)計與實現(xiàn)

控制設(shè)備適配器是智能家庭嵌入式系統(tǒng)電器設(shè)備控制的執(zhí)行端，負(fù)責(zé)接收來自中心控制器的指令，并對指令解析。適配器軟件中各軟件功能模塊由載波通信類carrier、控制驅(qū)動電路類controlDrive和狀態(tài)采集類collectState組成，如圖5所示。

設(shè)備適配器嵌入式軟件提供了三類設(shè)備控制功能構(gòu)件：a）驅(qū)動繼電器控制設(shè)備電路開關(guān)的構(gòu)件on/offControl；b）驅(qū)動可控硅控制設(shè)備功率的構(gòu)件powerControl；c）驅(qū)動電機(jī)控制設(shè)備移動的構(gòu)件motorControl。在開發(fā)智能家庭適配器嵌入式軟件時，可根據(jù)適配器的具體應(yīng)用功能，對軟件構(gòu)件進(jìn)行裝配，通過構(gòu)件復(fù)用提高系統(tǒng)開發(fā)與維護(hù)的靈活性和再配置能力，降低系統(tǒng)開發(fā)成本。

4結(jié)束語

隨著家庭信息化水平的不斷提高，人們對智能家庭系統(tǒng)中接入電器設(shè)備控制的需求趨于多樣性，這使得接入電器設(shè)備的個體獨立性和整體的一致性等問題日益突出。本文基于家用電器對智能的公共性需求，提出了基于專用電力線載波芯片開發(fā)智能家庭嵌入式軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了電力線一網(wǎng)多用的智能家庭的設(shè)備管理和信息服務(wù)。由于軟件在智能家庭嵌入式系統(tǒng)中的作用與比重日益突出，本系統(tǒng)在嵌入式軟件開發(fā)時，采用構(gòu)件復(fù)用技術(shù)，有效降低了開發(fā)和維護(hù)方面的成本。

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