嵌入式智能家居控制終端通信設計與實現

李云霞,李合菊,吳曉燕

(萊蕪職業(yè)技術學院,271100）

1 嵌入式智能家居控制系統概述

嵌入式家居系統在通信標準上并沒有達成一致條件，有些家居系統選擇電力載波技術，而有的系統則選擇綜合布線技術。雖然通信標準存在差異，但是其信息傳輸都是以網絡通信技術為載體，嵌入式智能家居系統的關鍵技術就是網絡通信技術。

智能家居系統主要包括家電控制、安全防范、遠程信息交互、照明等功能。智能家電控制系統主要以家庭常用的智能化電器為管理對象，例如自動窗簾、空調等設備。以往都要通過手動方式對室內溫度進行調節(jié)，而智能化家居系統可以直接實現遠程控制。由于用戶處于睡眠狀態(tài)時感知能力偏低，為了避免造成能源浪費，自動會在規(guī)定時間內自動調節(jié)為用戶提前設置好的溫度。安全防范系統安裝的主要目的就是確保家庭的安全，當家庭發(fā)生危險時，安全防范系統能夠自動通知小區(qū)物業(yè)，請求援助。

遠程信息交互系統主要是通過網絡信息技術可以實現對家庭設備的遠程控制，了解室內的具體情況。除此之外，用戶還能夠實現和物業(yè)管理中心的直接聯系，得知家庭的耗水、耗電情況。

照明系統具備調光與開關兩種控制功能，調光控制的實現必須依靠控硅，控硅給用戶隨時調節(jié)室內光線提供了方便。開關控制的實現過程比較特殊，它需要以控制繼電器為前提條件，達到控制室內開關的目的。照明系統對動作非常敏感，一旦它檢測出用戶即將進入室內時，系統便能夠自動調節(jié)成提前設置好的燈光亮度開燈，若室內無人，燈會自動關閉。

2 嵌入式智能家居控制終端通信設計

2.1 系統結構設計的主要組成部分

智能家居控制終端系統包括燈光系統、安防系統等，它由副板與主控板兩大部分組成，副板以接線端口為載體，實現與主板之間的相互連接。與副板相比，主控板涉及的內容更廣，從電板強度上來看，它相對較弱。主控板主要包括復位電路、微處理器、RS-232接口、開關量輸入等，開關量的輸入按鈕有緊急按鈕與普通燈管按鈕，輸出的實現主要通過對繼電器進行控制，從而達到控制室內電器設備的目的。系統設計的主要內容包括電源出路、以太網、輸入輸出、BDM調試、RS485、電源轉換電路、調光模塊等。其中電源轉換電路原理非常簡單，例如開關電源輸出電壓為6v，CPU工作電壓顯示為3.4v，利用三段穩(wěn)壓管可以實現CPU電壓與開關源電壓之間的相互轉換。

2.2 調光模塊設計

調光模塊主要通過家庭網關設計而成，它是多種調光技術集合的體現，采用可控硅調光方法，能夠滿足用戶對燈光調節(jié)的所有需求。調光模塊包括兩大部分，一是可控硅驅動電路；二是過零檢測電路，這兩種電路均位于副板上，過零測電路的主要目的就是對交流電過零點進行檢測，系統在獲取過零點之后，就會以獲得的過零點為基準合理控制導通腳大小，以便于實現光線的調節(jié)功能。在系統運行過程中，交流器件電路極有可能出現二次穿擊現象，通過過零檢測電路能夠起到一定的保護作用。在調節(jié)室內光線時，利用移相的調制方法使光持續(xù)可調。

2.3 通信電路的設計

通信方式主要有三種，分別是RS-485通信、RS-232及以太通信。以太網控制器電路不需要外擴，在電路設計上極為簡單，成本也相對較低。RS-232通信的主要目的是調試軟件，以串口為輔助工具，仔細觀察軟件的運行狀態(tài)和變化情況。RS-485所帶動的家庭儀器儀表設備非常多，由于室內的范圍小，距離短，因此，室內與RS-485接口相連接的設備同控制終端的通信采用RS-485即可。RS485通信軟件協議與其他通信軟件一致，采用Modbus協議，用戶可以自動義數據格式。

2.4 軟件結構設計

現階段，嵌入式智能系統的TCP/IP 協議棧基本上都是以BSD 版協議棧作為依據，經過改編之后而成。商業(yè)嵌入式協議棧由于價格過于昂貴，使用的人較少，一般而言，用戶會選擇免費的嵌入式協議棧。目前，免費的協議棧主要有NichLite、μC/IP(TCP/IP stack for μC/OS-II)協議棧等，NichLite協議棧具備高性能的特點，并且占用空間小，能夠對協議的實踐過程進行嚴格把關，把每種協議都能夠轉化為簡單、獨立的構建，以此確保軟件的可重用性。它的存儲容量在13KB以下，可以使系統的存儲效率大大提升，并能夠節(jié)約能量，降低使用成本。

3 嵌入式智能家居控制終端通信的實現

3.1 網際協議的實現

網際協議又稱IP協議，是網絡層中的重要組成部分，網絡接口層可以把數據包傳送至IP層，IP層可以將數據類型傳送至TCP協議。不過IP數據包具有不可靠性，它沒有對數據進行確認，也不會自動按照順序傳輸。IP接受處理函數需要對接收到的數據包做出判斷，辨別字段的有效性，若數據包中的任一字段匹配無效，則表明數據包存在失誤，此時需要釋放IP數據包。若數據包通過了首部檢驗，則以協議類型字段為依據，找出使用IPv6為TCP 協議的高層協議，并對處理程序進行調節(jié)。

3.2 傳輸層協議的實現

嵌入式智能家居控制終端通信設計的傳輸層協議為UDP協議，它是上層協議與IP協議的接口，UDP協議可以對在同一設備上運行的應用程序進行辨別。UPC首部由數據包長度、目標端口號、校驗值、源端口號組成。

從它本身的定義上看，它主要是給計算機的通信協議提供相應數據，它屬于IP下層協議，用戶能夠通過它建立協議機制，且無需保護復制與連接確認，其實現過程非常簡單，所占內存空間較小。

3.3 控制報文協議的實現

控制報文協議是IP協議中的副本，也可以說它是IP協議中的子協議，它的主要功能就是傳遞控制消息，控制消息主要指IP主機、路由器、網絡的運行狀態(tài)，它不等同于數據傳輸，不過給數據傳輸提供了條件。

如果經IP協議檢測后，辨別出接收到的數據包為控制報文協議，它會對數據包進行函數處理，函數處理工作比較復雜，主要包括字段類型的判斷、報文的校驗等。如果系統顯示為回顯請求，則答復也改為回顯應答。

3.4 傳輸控制協議的實現

端與端間的數據交換主要依靠傳輸控制協議（TCP協議），應用層的字節(jié)流服務也由TCP協議提供。TCP報頭的組成部分非常復雜，其組主要的組成部分是32位確認號與順序號。順序號是指源主機將數據發(fā)送至主機的數據排序，給主機提供正確序號的數據包，是數據傳輸的可靠性得到提升。主機對源主機的反饋信息稱為確認號，它能夠將數據包已經接收的消息告知主機。

3.5 轉換通信協議

嵌入式智能家居控制終端通信系統需要監(jiān)控與管理每個子設備，除此之外，它還要實現與后臺的通信，因此，通信協議一般包括兩個部分，一個是子設備與控制終端的通信協議，另一個是后臺與控制終端的通信協議。

若用戶需要對溫控器進行遠程控制，使用以太網能夠將數據傳輸至控制終端，控制終端接收到數據后，便可以將其格式進行轉換，并且解析里面的具體內容，將其輸送至溫控器。通過遠程設置，用戶能夠了解到溫控器的具體運行狀態(tài)，若設備沒有自帶通信接口，用戶同樣可以將以太網作為載體，控制設備的運行狀態(tài)。

4 結束語

隨著社會經濟的發(fā)展和生活質量的提升，人們享受生活的欲望越來越強烈，各種智能系統豐富了人們的生活，并且給大家提供了很多方便，例如嵌入式智能家居控制系統就是如此，它是科技力量進步的體現，且有利于促進了我國智能家居市場的健康發(fā)展。智能家居系統的結構設計非常復雜，軟件結構、通信電路及調光模塊都是其中的重點設計內容，通過這各特別的智能軟件，人們能夠實現對家居電器設備的遠程調控，家庭內、外部的網絡環(huán)境也能夠相互交替。家居控制終端系統是實現過程同樣十分繁瑣，本文首先對嵌入式控制家居智能系統做了一個簡單的介紹，然后著重分析了系統的設計與實現方法，有利于幫助大家更透徹地了解智能家居系統。這類系統還可以進行進一步優(yōu)化，例如引入無線網模塊、強化系統的集成模式等。

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