时间：2023-06-29 16:23:40
导语：在智能家居设计的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
摘要：简要介绍了电力线通信技术，分析了对利用电力线通信技术实现智能家居网络的载波技术、网络控制技术等组网关键问题，介绍了一种基于LonWorks技术的电力线智能家居网络解决方案。
基于电力线通信技术的智能家居网络系统，利用电力线通信技术通过电源插座完成家庭联网，并为家庭网络提供互联网接入和多媒体音视频业务，通过家庭服务器对接入家庭网络的信息家电、安全系统实行监控和管理。
一、电力线通信技术概述
电力线通信技术(PLC)是把载有信息的高频加载于电流，用电力线传输，通过调制解调器将高频信号从电流中分离出来，传送到计算机或其他信息家电，以实现信息传递的一种通信方式。目前PLC技术已经形成宽带接入型与家庭网络型两种发展模式，家庭网络型是指通过电力线在用户家中组建高速LAN。这种模式的PLC只提供家庭内部联网，即通过家庭的内部的普通电力线，进行组网连接家庭内部局域网。电力线通信技术有以下优点：信息家电可以通过电力线进行通信，无需另外布线，利用电源线实现智能家居网络成本较低；电力网是覆盖范围最广的网络，PLC技术可以轻松地渗透到每个家庭，其应用范围广泛；网络的接入点是电源插座，电源插座随处可见，数目较多且接插方便；不需要拨号，接入电源插座即接入网络；电力线载波通信较容易实现自动抄表、家居监控等功能。利用电力线载波通信技术实现智能家居网络最方便。
二、电力线智能家居网络的关键问题
2.1载波技术1)正交频分多路复用技术。低压电力线载波信道的传输特性的特点是具有时变性，衰减较大，而且各种干扰噪声复杂。为提高电力线网络的传输质量，电力线通信大都采用正交频分多路复用技术(OFDM)进行调制。即将串行数据转化为N个并行数据分配给N个不同的正交子载波，实现并行数据传输。这样既可得到很高的数据传送速率，又能够有效地抑制码间干扰。应用OFDM技术于电力线通信中具有明显的优越性。OFDM频带不仅利用率高，而且抗干扰性强，可以克服电力线上固有的高噪声、多径效应和频率衰减等现象，有效利用现有低压电力线实现高速数字通信。2)扩展频谱调制技术。这一技术的抗干扰和抗多径效应也较强。因此，也有一些厂家采用这种技术开发电力通信产品。扩展频谱调制技术在相对较宽的频带上扩展了信号频谱，降低了信号的功率谱密度，降低了电磁辐射，削弱了对其他通信系统的干扰。而且接收端通过窄带滤波技术提取有用信号，信号的信噪比很高，抗干扰性增强。另外，扩频通信可以实现码分多址。对于1Mbps左右的系统，应用扩频技术就可以完全满足传输容量的要求，且其设备简单，扩频调制方式较为经济。当传输速率要求在10Mbps及以上时，扩频技术实现起来较困难。在10Mbps及以上传输速率宜采用OFDM调制技术。
2.2网络控制技术目前，家庭自动化网络标准有许多种，较为成熟的有X210、CEBus和LonWorks等。1)X210是最早应用于家庭设备自动控制系统的。X210的控制模式为主从控制模式，信息是单向传输的，从控点只能接收主控点发来的信息，不能反馈。X210的系统信息的传输较慢(传送一个指令需时0.883s)，抗干扰性能差，可用节点数为256个，只能用于普通家庭中的简单控制和专项控制。但其价格十分低廉，而且安装使用较方便，如仅组建一个简单的家居智能网络，可以考虑X210技术。2)CEBus是一个较完整的开放系统，美国电子工业协会(EIA)于1992年正式推出，并定为IS260/EIA2600标准。它定义了在几乎所有传送媒体(Medium)中信号的传输标准，并要求控制信号在所有的媒体中都要以相同的传送速度(10Kbps)传送，从而有效地避免信号传输中可能出现的“瓶颈”问题。CEBus的抗干扰能力比X210强，控制功能亦十分丰富。但接口技术比较复杂，价钱较贵，在中国的应用不多见。3)LonWorks是由美国Echelon公司于1990年12月开发成功的全分布式智能控制网络技术。1997年8月，被EIA的集成家庭系统技术委员会定为家庭网络(HomeNetworking)的标准。Lon2Works完全支持OSI的7成协议，具有良好的开放性、互操作性，其网络系统组成以分布控制为控制模式。对于网络家电来说，只需要将已定义的的网络家电之间信息传递的语法和语义标准在应用层实现后，就能够实现不同厂商之间产品的相互兼容。LonWorks的分布式架构使其具有独立性，部分节点的故障不会造成系统瘫痪。LonWorks最基本的部件是同时具有通信与控制功能的神经元芯片，具有很强的通信能力和一定的数据处理能力。其抗干扰能力很强，其可靠度是这三种网络控制技术最高的(约99.8%)，并具有完善的开发系统和工具。LonWorks的分布式架构，每一个控制装置都可以有随插即用的功能，减免了二次拉线造成的成本，并避免了重新布线的不便。LonWorks可扩展性强，在将来对系统升级时，可充分利用原有资源，降低升级的复杂性及成本。上述三类家庭自动化网络技术都是各有其特点，组网时可根据实际情况进行选择。但如果要组建一个统一的、操作性强、功能完善、可靠性高、可扩展性强的家居智能网络，采用LonWorks技术是一个明智的选择。
三、电力线智能家居网络的组成
本文以LonWorks技术为基础，采用电力线载波技术来构建家居智能网络。该网络以分布控制、集中管理为控制模式，其网络系统可依靠网络节点完成自治的控制功能，通信媒体采用电力线。主控节点与家用电脑相连，可控制从节点的功能配置并监控从节点的状况，并且还负责与Internet的通信。通过主控节点可查看电表、水表、煤气表的读数，实现三表的集抄。从节点可接收从电力线传来的控制信息，完成自治的控制功能，同时反馈家电的一些状态信息。从节点由电力线网关、信息家用电器组成。在这个网络系统中，电力网关是一个重要的部件，它用于对网络信息的发送与接收。电力网关由基于LonWorks网络系统的LonTalk网络协议和神经芯片、电力线载波模块和耦合电路组成。
一、智能家居系统设计的流程
单片机系统是微机应用产品化的最佳机种之一，其系统本身具备很多优点。例如，较其他系统，单片系统的体积更小，成本更低，功能性更加强大，单片机所带来的系统已经在智能化产品工业制作中被广泛应用。并且随着技术水平的不断进步，逐渐完善的单片机系统能够满足设计过程中的各种要求。
在总体设计的流程中，外界信息经过感应器传导，其信号内容进行放大与整形，进一步传导单片机信号分析处理，再由单片机系统与外部信息结构进行指导交换，引导红外与光电装置，将信息内容传递于执行器件。在控制系统中，系统控制器会接收到远端传递过来的信号，并且对其解码，再传递给中央处理系统。在控制系统的设计中，我们要充分考虑用户使用的便捷性，在控制系统中添加语音提示操作系统，使用户能够在无人值守系统的情况下，更好地进行系统操作。
二、智能家居系统的应用设计
(一)传感器应用设计
传感器的应用设计，是家庭智能设计过程中的信号来源。在传感器设计上，应根据产品本身的特点添加各种感应装置。在智能家居系统中，火灾警报传感器是设计的第一项，火灾烟雾传感器的体积小、可靠性高，能够及时将烟雾信号转换为电信号，在智能家居的设计中，烟雾传感器可以固定在每个房间的天花板或者墙壁上，将家居系统与小区或消防警报系统相链接，充分利用智能家居系统的安全性。
其次，我们要设立可燃气体传感器，将感应器放置于厨房等气体容易泄露的地方，监视气体疏通管道的安全性，如果发生天然气泄露等情况，感应器会自动关闭天然气输送管道阀门，并且向外界发出信号，及时通知家庭以及小区物业，降低财产损失。在可燃气体感应器设置上，利用气体浓度来对天然气等装置进行监控。在智能家居生活中，防盗报警系统可以分为两部分，一部分是对家庭周围环境的防护，例如周围环境的监视控制，门窗系统中的开关以及玻璃周围的感应系统等;另一部分是针对
家庭无人的情况，对于室内的感应防盗系统，利用红外感应装置，在他人进入房间且未关闭监控系统的情况下发出警报。在房间有人活动的时候，关闭室内防盗系统，开启室外防盗系统，在无人活动的情况下，室外系统与室内系统均开启，并且防盗系统的灵敏程度可以根据房屋周围环境而设定。
(二)通讯接口应用设计
智能家居的生活控制系统中，数据通信电路需要完成信息的接受与发送、与计算机的沟通、与软件的控制等几个方面。分析模块组成部分可以发现，GSM基带处理器相较于供电模块、闪存、天线接口等几个部分而言是TC35的核心，GSM主要负责处理终点内的语音与数据信号，并且在不需要额外增加电路支持的情况下，可以完成FR和EFR的编码工作。
在连接方式上，TC35与单片机需要采用串行异步通信接口，使用红外和通信电缆两种传输方式进行传输。在整体的传输设计过程中，红外接口的特点在于信号稳定，接口之间相互独立，使用方面抗干扰性强，不会对手机的通讯产生影响，缺点是传输的距离有限，传播的方向受到接口的限制。而电缆连接的通讯装置传输距离远，可靠性高，不过缺点在于传输接口的电气参数不兼容，设计过程中容易对手机的通讯产生影响。在接口的设计中，要分析家庭周围的环境，考虑接口信号对于家庭通讯设备的影响，选择合适的接口，应力求将红外接口与电缆接口进行结合，提高智能家居系统工作的效率。
(三)红外线应用设计
在系统设计的控制方面，可以加入更多的红外设计理念，在智能家居设计中，红外遥控器是被广泛应用的，但是在实际操作过程中，一个红外遥控器所针对的只是特定的品牌产品，遥控器之间的兼容性很差，在新型智能家居设计中，可以利用红外插座、红外开关等产品，将电器的操作信号与电信号进行混合，利用红外系统中的学习与记忆功能，使红外插座成为信号传递的枢纽，同时利用单片机对遥控器发射出信号的波形进行测量，然后对测量数据进行反馈，从而提高遥控器的效率，实现家庭智能控制系统的优化。
总之，在智能家居系统的设计中，首先要明确选择系统的性质，其次建立合理的设计流程。设计过程要符合信息技术的要求，并且最大化地提高用户的使用效率。在应用设计方面，分析传感器的种类并选择合适的连接端口，提高控制系统的灵敏度，并结合红外线感应技术，增强智能家居控制系统的完整性，使其能更好地提高人们生活质量。
关键词：物联网技术；智能家居；系统设计
随着科学技术的迅速发展，世界也开始进入了信息化时代，而如今科学家将计算机技术和信息技术融入了人们的日常生活和工作中，也就是智能化的应用。智能化的应用虽然从起源到现在只有二十多年的时间，但是其发展速度已经在各大发达国家中得到广泛应用，特别是在建筑行业以及家居行业中已经使用在人们的生活和工作当中，这不仅仅是世界科学上的一大突破，更是让人们的生活和工作迎来了一个全新的、高科技和安全舒适的环境。
1物联网技术的智能家居与传统智能家居的比较及发展趋势
物联网技术的智能家居是通过无线连接方式将家庭中的各种使用电器科学合理的组织、联系起来，形成一个完整的控制系统，而传统的智能家居是每个家居带有智能化的独立工作，它们是单一化的、无联系性的个体，因此在两者比较中，可以发现物联网技术的智能家居在控制和管理方面会比传统的智能家居更加的节省时间以及管理成本，在使用处理方面会更加的简单方便，可以说物联网技术的智能家居给人们的生活和工作带来更简便、更统一以及更加实用的体验。但是由于物联网技术的智能家居还未能广泛的使用，所以在购买成本使用上会比传统的智能家居更高，在维护和维修方面则需要全面整体的排查，所需的费用也就更加的昂贵。因此物联网技术的智能家居比传统智能家居存在着巨大的优势，但是也存在着时间发展的限制。随着社会经济的发展以及家庭人口结构的复杂化，人们对于家居环境的需求也就越来越高，特别是在环境的舒适程度以及安全方面，与此同时大多数经济条件较好的家庭对家居产品的功能要求不仅仅是使用上的安全舒适，更多的是要求整个系统能在功能之上有更多的扩展和更多的服务需求，能做到全面、简单又有舒适、有效率，所以物联网技术的智能家居不仅会受经济和科学的发展而逐渐取代传统的智能家居，更是人们对未来生活和工作的需求慢慢普及到每个家庭中。
2物联网技术的概括说明及智能家居的系统技术构造分析
2.1物联网技术的概括说明物联网的应用是与所连接的物体，可以进行远程感知并控制，物联网主要由感知层、传输层以及应用层所组成物。联网由传感器的传感技术为基础用于采集信息和连接电器产品，再通过输出层进行数据上的传输和计算，最后通过应用层来实现所接收信息的应用和服务。
2.2智能家居系统的构造分析智能家居主要由简易信息家电、信息处理模块、通信模块、功能驱动模块以及外界信息的接口模块所构成。信息家电就是通过带上PC，利用计算机和信息技术与普通家电连接而成的主要功能的家电产品，属于家庭中的新型家用电器；信息的处理模块是系统的处理器，可以将比较分散和独立的信息进行信息的共享和协同工作，主要现实功能就是对家电工作所处的状态和发出的需求进行收集并处理，再将结果传输到功能驱动模块当中；通信模块是系统模块之间连接的“线路”，根据不同的家庭和所处的生活环境，通信模块也不尽相同，所需求的功能状态不就不一样；功能驱动模块是系统的信息指令中心，是信息的流入和流出与家电的接口，根据不同生产商的电器，首先需要经过驱动模块来将指令翻译成家电器所能够执行的电子信号，还将各种复杂状态的信息转化为简单易懂的二进制信息；外界信息的接口模块是外界与家庭连接的“关卡”，使得家庭的内部中的各种信息在共享的基础上，进一步的实现了基于因特网的资源共享，通常被指定为今后发展智能家居关键所在。
2.3智能家居系统的主要技术智能家居系统的主要技术有：网络通信技术、网络移动终端技术以及网络控制技术。网络通信技术可以分为有线网络通信和无线网络通信技术，现在主要流行的是无线网络技术，其比较有线的网络技术更具有低耗能、低成本以及广范围的覆盖的优势，是未来智能家居发展的主要通信技术；网络移动终端技术通常以智能手机为主要代表，也有的使用智能电视机或是平板电脑。网络移动终端技术现在主要嵌入的系统是比较被广泛的安卓系统，用于移动互联网上。网络控制技术通常由家庭网关互联、外部扩展的模块与家电互联以及直接嵌入系统应用：智能家居的主要核心就是家庭网关，用于完成家庭的内部网络中的各种通信的连接转换和共享，并同外界通信网络的数据进行交换和对家庭智能家居的管理和控制；通过外部扩展的模块与家电互联进行远程控制，按照规定的通信协议对家电进行控制；直接嵌入系统应用实现了网络功能与家居中的单片机相互协调控制的功能，使仅有单片机控制的家电升级到单片机与网络相连接的多功能控制。
3物联网技术的智能家居系统设计的研究方向
3.1由移动智能终端，随时随地控制管理家居通过比较传统的智能家居，会发现一个问题是传统家居没有统一的管理性，往往一个家电器发生什么意外事故或者是软硬件的损坏，用户都难于察觉或者在外无法对意外事件提前警觉，因此在使用物联网技术的智能家居设计中，需要设计一款由移动智能终端来随时随地可以控制管理家居的系统，在移动智能终端上设置功能需要有家电用器的开启与关闭的功能和设置家电器工作状态的功能，主要由于家电器摆放或是设置的开关之间有一定的距离，为了方便用户通过移动智能终端可以节省生活中不必要浪费的时间，另一方面更为了防止人的惰性而能随时随地的关闭不必要的家电器使用，节省电能源。
3.2实现一键控制家居模式对于传统的智能家电来说，用户在使用时都需要对每个家电进行繁琐的操作，实现一键控制家居模式是物联网技术的智能家居系统设计的主要研究方向，设想下一个刚从繁忙工作回来的工作者，一回到家里打开电灯、开空调、插电煮水来准备洗澡、洗后还要用洗衣机洗衣服、开电脑或看电视，似乎又回到家工作一般，如果实现一键控制家居模式，根据用户日常习惯设定后，一切通过一键实现运作，不仅仅是生活中的享受，更是大大节约了大部分繁琐操作的时间。关于物联网技术的智能家居系统设计需要能对日常安排的家电使用能够有灵活变动的功能，也必须能在远程进行操作，提前设定好功能
。3.3安全系统的监控与设定物联网技术的智能家居系统设计必不可少的是安全系统的设定，安全系统主要要注意的方面有：家电器具的安全管理，对家电器具的开关使用情况都有安全模式通过移动智能终端设置警报提醒；另外是网络安全的设置，对于黑客或是有意进入的网络扰乱的侵入者，可以设置移动智能端进行监控和清除的功能；最后需要安全系统设置的是为防止房屋的盗窃，设置防盗系统，用于检测外来人员进入房屋的扫描功能和自动报警功能，在这两个功能设置之外还可以设置移动智能终端进行视频监控的功能，从多个角度和多个功能方式来安全防护，让用户减少不必要的财产损失。
4总结
总而言之，物联网技术的智能家居系统的发展是随着经济的提升以及科学技术进步的，比较传统智能家居是为了更好的吸取其中的优势，去除繁琐的操作，为了人们今后拥有更加安全、舒适而又简便的生活，物联网技术的智能家居系统还需要更多的完善和改进。
参考文献：
[1]梁爽.基于物联网技术的智能家居系统设计[D].西南交通大学，2013.
[2]邓桢文，程洪亮，蔡艺韵，等.基于物联网技术的智能家居系统设计[J].福建电脑，2016，32（2）：21~22.
自1985年在德国首先出现家居数字系统基础上，很多国家或地区争先恐后研发各类系统理念方案、产品设备。同时这一现代化生活系统在全球实现了较大范围的实施。1988年，国际电子工业协会提出第一个适用于家居环境的电器设计标准，即“Homeautomationsystemandcommunicationstandards”（家庭总线系统标准，哈佛商学院）。智能家庭系统已经进入中国家庭中，其安全、舒适、高效的生活方式已成为人们的一种追求。2012年，在城市和农村住宅科技产业项目实施计划中，数字建设是中国首批新能源研发项目，此项目在实施的过程中，中央部门大力重视这个项目的实施，在建设部批准建设网络社区，有30000数字家庭在华中地区社区实施。
1.设备不统一
相对独立研发，通过添加一些简单的远程操作功能，称其产品数字家庭系统。一个家庭在多个独立的专有数字系统信息中，多个重叠数字家庭系统用户在功能上往往比较混乱。
2.产品不稳定
国内数字产业在数字家庭方面的发展中，并没有一个统一的相关标准规定，在这样的一个市场环境下，许多中型小型企业独立经营标准，加上市场炒作，不注意用户的实际体验，很多是简单增加在某一性能或功能基础上就投入市场，产品间的联系不强，互不相容，甚至互相干扰，不利于数字家庭系统的修改和扩展，只能给用户带来不好的影响。
二、智能系统在家居设计中的状态
从今天的产品体系看，国内还未树立完整的智能数字理念，市场提供的产品间大都无一定的功能与形式的联系，各类产品都独自研发与更新。部分产品研发程序中过多地在电器的使用初级阶段加入指令命令，没有一个完善的整体处理系统。构架内各类设备与电器产品联系较少，超控性能较低，使用效率不高，同时在核心的远程命令体验上的问题需要改进。从使用者的角度出发，智能数字家庭系统的出现首要功能是把人从烦琐的家庭工作解放出来，更多地来享受生活和工作之余归家的放松；同时能掌握家庭中的每一个信息数据，并分析相应的智能家电设备的智能操作以完成某些任务。此系统应用前景非常广阔，适应不同国家、地区人生活的功能需求；同时更应该注意到不同国家、地区、民族、季节等方面的不同，根据用户的需求量身定做对应的数据库、监控方式、信息源代码，保证信息记录与搜索的必要功能。
（一）智能家居系统的性能需求
1.系统10s从每个传感器节点收集的数据。
2.数据的准确性小数点后1位小数。
3.快速响应用户的请求。
4.问题处置利用图像控制。
5.各类参数信息建立在系统内，便于搜索。
（二）智能数字家庭系统功能层次
不同层的智能家居系统根据用户需求，根据硬件处理能力分配任务。系统划分为两层平台。一级使用嵌入式开发板硬件支持平台，与此同时，选择电脑作为二级处理系统平台。由于嵌入式设备的处理能力和内容容量限制，选择使用这个系统级负责数据收集平台，与一些复杂程度不高的智能家用电器的开启和关闭，发送数据到辅助平台，从个人电脑（PC）接受数据传输任务。所以利用PC机应用一个二级硬件设备、图像安保，目的是为使用者及时处置相关数据，同时处理数据的保存任务。在前期硬件设计过程中多级平台建设必须具有以下原则。
1.透明模拟。利用Java语言研发可供使用的仿真体系，并能够运行至少两个Windows和Linux操作系统上，系统抽象OSGI组件技术和设备的使用服务，以Bundle的形式。仿真平台是面向服务为主的，所以不必关心虚拟设备和服务真实设备。
2.可配置性。SmartHome是一个动态的设备，具有各种不确定因素的各式各样的工作。出现各种类型的检测要求。检测工作中会出现能搭档的数据模式。
3.模拟环节方便性能平台是二维图像版式。SHEmu平台是图形界面视觉显示领域的设备，设备工作状态之间具有互操作性，Xml通过配置文件来记录设备的不同状态，相应的图像资源在GU视图与其中某一个文件相搭配，实现不同视图对应不同设备的关系。
4.数据库统。SHEmu提供数据的分类，数据库的管理通过消息记录和初始信息来实施。
三、智能系统在居住空间中的应用
关键词：家庭控制器 自动监控 安全防范
l 引言
随着国民经济和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。
2 智能家居控制系统概述
智能家庭控制系统是以HFC、以太网、现场总线、公共电话网、无线网的传输网络为物理平台，计算机网络技术为技术平台，现场总线为应用操作平台，构成一个完整的集家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范等功能的控制系统。
智能家居控制系统的总体目标是通过采用计算机技术、网络技术、控制技术和集成技术建立一个由家庭到小区乃至整个城市的综合信息服务和管理系统，以此来提高住宅高新技术的含量和居民居住环境水平。
系统通常由系统服务器、家庭控制器(各种模块)、各种路由器、电缆调制解调器头端设备CMTS、交换机、通讯器、控制器、无线收发器、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等主要部分组成。
3 智能家居控制系统功能
智能家庭控制系统的主要功能包括家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范三个方面。
3．1家庭通信
家庭通信可采用电话线路、计算机互联网、CATV线路、无线局域网等方式。
(1)电话线路
通过电话线路实现双向传输语音信号和数据信号。
(2)计算机互联网
通过互联网实现信息交互、综合信息查询、网上教育、医疗保健、电子邮件、电子购物等。
(3)CATV线路
通过CATV线路实现VOD点播和多媒体通信。
(4)无线局域网
通过无线收发器、天线、各种无线终端，实现双向传输数据信号。
3．2家庭设备自动监控
家庭设备自动监控包括电器设备的集中、遥控、远距离异地(通过电话或Internet)的监视、控制及数据采集。
(1)家用电器的监视和控制
按照预先所设定程序的要求对热水器、微波炉、视像音响等家用电器进行监视和控制。
(2)热能表、燃气表、水表、电度表的数据采集、计量和传送根据小区物业管理的要求所设置数据采集程序，通过传感器对热能表、燃气表、水表、电度表的用量进行自动数据采集、计量，并将采集结果远程传送给小区物业管理系统。
(3)空调机的监视、调节和控制
按照预先所设定的程序，根据时间、温度、湿度等参数对空调机进行监视、调节和控制。
(4)照明设备的监视、调节和控制按照预先设定的时间程序，分别对各个房间照明设备的开、关进行控制，并可自动调节各个房间的照度。
(5)窗帘的控制
按照预先设定的时间程序，对窗帘的开启／关闭进行控制。
3．3家庭安全防范
家庭安全防范主要包括多火灾报警、可燃气体泄漏报警、防盗报警、紧急求救、多防区的设置、访客对讲等。家庭控制器内按等级预先设置若干个报警电话号码(如家人单位电话号码、手机电话号码、寻呼机电话号码和小区物业管理安全保卫部门电话号码等)，在有报警发生时，按等级的次序依次不停地拨通上述电话进行报警(可报出家中是哪个系统报警了)。同时，各种报警信号通过控制网络传送至小区物业管理中心，并可与其它功能模块实现可编程的联动(如可燃气体泄漏报警后，联动关闭燃气管道上的电磁阀)。
(1)防火灾发生
通过设置在厨房的感温探测器和设置在客厅、卧室等的感烟探测器，监视各个房间内有无火灾的发生。如有火灾发生家庭控制器发出声光报警信号，通知家人及小区物业管理部门。家庭控制器还可以根据有人在家或无人在家的情况，自动调节感温探测器和感烟探测器的灵敏度。
(2)防可燃气体泄漏
通过设置在厨房的可燃气体探测器，监视燃气管道、灶具有无燃气泄漏。如有燃气泄漏家庭控制器发出声光报警信号，并联动关闭燃气管道上的电磁阀，同时通知家人及小区物业管理部门。
(3)防盗报警
防盗报警的防护区域分成两部分，即住宅周界防护和住宅内区域防护。住宅周界防护是指在住宅的门、窗上安装门磁开关，在对外的玻璃窗、门附近安装玻璃破碎探测器；住宅内区域防护是指在主要通道、重要的房间内安装被动红外探测器或被动红外／微波双技术探测器。当家中有人时，住宅周界防护的防盗报警设备(门磁开关、玻璃破碎探测器)设防，住宅内区域防护的防盗报警设备(红外探测器或被动红外／微波双技术探测器)撤防。当家人出门后，住宅周界防护的防盗报警设备(门磁开关、玻璃破碎探测器)和住宅内区域防护的防盗报警设备(被动红外探测器或被动红外／微波双技术探测器)均设防。当有非法侵入时，家庭控制器发出声光报警信号，并通知家人及小区物业管理部门。另外，通过程序可设定报警装置的等级和报警器的灵敏度。
(4)访客对讲
住宅的主人通过访客对讲设备与来访者进行双向通话或可视通话，确认是否允许来访者进人。住宅的主人利用访客对讲设备，可以对大楼入口门或单元门的门锁进行开启和关闭控制。
(5)紧急求救
当遇到意外情况(如疾病或有人非法侵入)发生时，按动报警按钮向小区物业管理部门进行紧急求救报警。紧急求救信号在网络传输中具有最高的优先级别，由于是人在紧急情况下的求救信号，其误报的可能性很小。
4 智能家居控制系统类型
4．1系统类型
智能家庭控制系统可分成采用公共电话网的智能家庭控制系统、HFC的智能家庭控制系统、以太网的智能家庭控制系统、LonWorks的智能家庭控制系统、KS485的智能家庭控制系统、无线网的智能家庭控制系统等类型。
4．2基本特点、功能、适用范围
(1)采用公共电话网的智能家庭控制系统采用公共电话网的智能家庭控制系统图参见国家建筑标准设计
·基本特点：家庭智能控制器内配置了与电话线连接的收发器，利用电话网络作为信息传输网。该系统不仅在功能上能完全满足要求，而且大大地简化了布线，可以节省布线的投资。
·系统组成：系统由系统服务器、家庭控制器(内置了与电话线连接的收发器)、路由器、收发器、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等组成。
·系统功能：实现家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范。
·适用范围：该系统适用于新建、扩建的智能化住宅(小区)工程，且特别适用于改造的智能化住宅(小区)工程，利用原有的电话线就可实现数据信号的共网传输。
(2)采用HFC的智能家庭控制系统
采用HFC的智能家庭控制系统图参见国家建筑标准设计
·基本特点：家庭智能控制器内配置了CableModem，利用有线电视的HFC网络作为信息传输网。该系统不仅在功能上能完全满足要求，而且大大地简化了布线，可以节省布线的投资。
HFC网络采用共享方式，其共享带宽为36Mbps。当上网人数较多时，上网的速度会变慢。由于Cable Modem设备费用较高，用户网络的开通费用高。
·系统组成：系统由系统服务器、家庭控制器(内置了Cable Modem)、路由器、电缆调制解调器头端设备CMTS、有线电视传输网络、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等组成o
·系统功能：实现家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范。
·适用范围：该系统适用于新建、扩建的智能化住宅(小区)工程，且特别适用于改造的智能化住宅(小区)工程，仅将原有的有线电视HFC网络进行双向改造，就可实现数据和图像信号的共网传输。
(3)采用以太网的智能家庭控制系统
采用以太网的智能家庭控制系统图参见国家建筑标准设计
·基本特点：家庭智能控制器内配置了以太网网卡，利用以太网作为信息传输网。以太网同时支持住户计算机和智能家庭控制系统。该系统不仅在功能上能完全满足要求，而且大大地简化了布线，可以节省布线的投资。
以太网传输速率较高，传输速率有10Mbps、100Mbps等。根据传输距离的要求，由小区物业管理中心至各楼交换机采用5类以上4对对绞线、多模光缆或单模光缆，由交换机至家庭控制器采用超5类4对对绞电缆。
·系统组成：系统由系统服务器、家庭控制器、路由器、交换机、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等组成。
·系统功能：实现家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范。
·适用范围：该系统适用于新建、扩建和改造的智能化住宅(小区)工程，用以太网实现数据和图像信号的双向传输。
(4)采用LonWorks的智能家庭控制系统采用LonWorks的智能家庭控制系统图参见国家建筑标准设计《智能家居控制系统设计施工图集如3X602第21、22、23页。
·基本特点：采用一个覆盖全部ISO／OSI标准七层通信协议、开放性的LonWork总线技术，一台系统服务器最多可连接127台LONWorks路由器，一台LonWorks路由器最多可连接63台家庭控制器。每台家庭控制器为LonWork一个通道上的网络节点，每个网络节点包括有神经元(NEURON)芯片、振荡器、电源、一个通过媒介通信的收发器和与监控设备接口的I／O设备(电路)、存储器等。
LonWorks直接通信距离可达2700m(双绞线、78Kbps)，其通信传输速度最大可达1．25Mbps(此时有效传输距离为130m)。LonWorks路由器至小区物业管理中心线路长度超过2700m时，需在总线上加装中继器。传输线通常采用双绞线，根据需要也可采用同轴电缆或电力线。
·系统组成：由系统服务器、家庭控制器、路由器、LonWorks路由器、交换机、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等组成。
·系统功能：实现家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范。
·适用范围：该系统特别适用于新建、扩建的智能化住宅(小区)工程。
(5)采用KS485的智能家庭控制系统
采用KS485的智能家庭控制系统图参见国家建筑标准设计03X602第18、19、20页。
·基本特点：KS485串行接口总线为主从式网络，它的通信为半双工、采用双向单信道连接方式。RS485串行接口总线的传输介质采用双绞线，它可以高速地进行远距离传输，传输速度与传输距离的技术指标如下：传输速率为10Mbit／s时，最大传输距离是12m；传输速率为1Mbit／s时，最大传输距离是120m；传输速率为100kbit／s时，最大传输距离是1200m。
·系统组成：由系统服务器、家庭控制器、路由器、通讯器、控制器、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等组成。
·系统功能：实现家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范。
·适用范围：该系统特别适用于新建、扩建的智能化住宅(小区)工程。
(6)采用无线网的智能家庭控制系统
采用无线网的智能家庭控制系统图参见国家建筑标准设计03X602第24、25页。
·基本特点：利用无线作为信息传输网，该系统不仅在功能上能完全满足要求，而且从系统服务器至家庭控制器、家庭控制器至各种现场末端装置均采用无线传输方式，小区、楼内、户内无需布线，施工简单，可以节省施工的投资。
无线网的工作频率符合IEEE802．11b标准要求。
·系统组成：由系统服务器、家庭控制器、无线收发器、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等组成。
·系统功能：实现家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范。
·适用范围：该系统适用于新建、扩建的智能化住宅(小区)工程，且特别适用于改造的智能化住宅(小区)工程，不用敷设线路就可实现数据信号的传输。
5 系统设计及产品选用要点
5．1智能家庭控制系统类型的选用
新建、扩建的智能化住宅(小区)工程，宜采用LonWorks的智能家庭控制系统、以太网的智能家庭控制系统或采用RS485的智能家庭控制系统。改造的智能化住宅(小区)工程，宜采用公共电话网的智能家庭控制系统、HFC的智能家庭控制系统或无线网的智能家庭控制系统。
5．2家庭控制器的选用
家庭控制器的选用主要包括功能、总线技术及模块化设计、扩展功能、可按用户的基本要求进行配置等方面的选用要求。
(1)家庭控制器功能的选用
家庭控制器通常具有以下功能：
·家庭防盗报警；
·家庭火灾报警；
·家庭燃气泄露报警；
·家庭紧急求助；
·远程设防与撤防；
·远程报警；
·访客对讲；
·家用电器监控；
·家用表具数据采集及处理；
·空调机监控；
·接入网接口；
·小区电子公告；
·信息查询；
·家用设备报修等。
(2)家庭控制器功能的选择
在工程设计中，家庭控制器功能的选择可参见下表所示。
5．3总线技术及模块化设计
·家庭控制器要求采用总线技术，如LonWorks、R5485、BACnet、C^NBlls、CEBus、X一10；
·家庭控制器要求采用模块化设计，以便用户可以根据需求选择不同的模块完成不同的功能。
5．4扩展功能
家庭控制器要有一定的扩展功能，考虑能适应今后发展的需要。
5．5可按用户的基本要求进行配置应能根据用户提出有哪些被控设备及监视控制要求(功能要求)等因素，来对家庭控制器组成进行配置，包含模块种类的选择和各种模块数量的选择。 6 设备的安装
6．1交换机、路由器、控制器、放大箱、分配箱、电话分线箱
康居住宅家庭控制器功能设置表
级嗣
消防
安防
访客对讲
家电监控
表具数据远传
基本级(1A)
1．在住户内安装紧急按钮开关。
2．在住户内安装入侵报警探测器。
具有语音对讲及控制开启楼道人口处防盗门功能。
1~2点
热能表、燃气表、水表、电度表的自动抄收及远传、超限判断、自动检查、分时计费、实时计量、管理功能。
提高级(2A)
在室内安装可燃气体泄
漏自动报警装置。且能就地
发出声光报警信号。
1．在住户内两处安装紧急按钮开关。
2．在住户内安装入侵报警探测器，在户门、及用台、外窗安装
人侵报警装置。
具有语音对讲及控镧开启楼道人口处防盗门功能。可实
现住户与安防监控中心的直接联系。
2点以上
热能表、燃气表、水表、电度表的自动抄
收及远传、超限爿断、自动检查、分时计费、实时计量、管理功能。
先进级(3A)
1．在室内安装可燃气体泄漏自动报警装置，当燃气体泄漏报警后能自动切断气源、打开捧气装置，且能就地发出声光报警信号。
2．在住户内设置火灾自动报警装置。
1．在住户内不少于两处安装紧急按钮开关。
2．在住户内安装入侵报警探测器，在户门及阳台门、外窗安装入侵报警装置。
具有语音、可视对讲及控翻开启楼道入口处防盗门功能，可实现住户与安防监控中心的直接联系。
2点以上
热能表、燃气表、水表、电度表的自动抄收及远传、超限判断、自动检查、分时计费、实时计量、管理功能。
这些设备均应安装在电气竖井内或公共走道的墙上(内)。
6．2家庭控制器
暗装(或明装)在墙内(上)，其底边距地面1．4m左右。家庭控制器应设置在住户大门附近(宜距户门0．5m以内)，且容易操作(包括设防与撤防)的地方。
6．3可燃气体探测器
安装在厨房内的燃气管道、灶具附近，当住户使用的是天然气，燃气探测器吸顶棚安装在距顶棚300ram以内的地方；当住户使用的是液化石油气，燃气探测器安装在距地面300mm以内地方。
6．4感温探测器设置在厨房内，它吸顶棚安装。
6．5感烟探测器设置在起居室、卧室等房间内，它吸顶棚安装。
6．6紧急按钮开关
设置在起居室沙发和主卧室床头附近的墙上，及卫生间的墙上。紧急按钮开关暗装在墙内，其底边距地面0．5m~1．2m。
6，门(窗)磁开关
安装在门扇和门框内或窗扇和窗框内。
6．8玻璃破碎探测器
安装在窗户和玻璃门(阳台)附近的墙上或吸顶棚安装。
6．9被动红外侵入探测器和被动红外／微波双技术探测器
安装在住户的主要通道、重要的房间内，它吸顶棚安装或安装在顶棚的墙角处。
6．10红外遥控器
安装在被控电器设备正面附近的墙上，距离不能超过红外线工作范围，且与电器设备之间没有遮挡。
7 工程设计实例
以二室户型为例介绍户内的智能家庭控制系统设计，设计标准采用康居住宅先进级(3A)。采用以太网的家居控制系统，家庭控制器与户内各模块之间采用R．$485总线，家庭控制器可通过电话线或计算机网络接收控制指令、发出信息，所选用的家庭控制器具有可视访客对讲功能。家居控制系统图参见国家建筑标准设计03X602第17页，二室户型家居控制平面图参见图1、2所示，家庭控制器与室内设备的连接参见图3所示。
在起居厅、卧室设置了感烟探测器，厨房设置了感温探测器、可燃气体探测器，各房间的窗户、阳台推拉门上及附近设置了门(窗)磁开关和玻璃破碎探测器，起居厅设置了被动红外侵入探测器，起居厅、卧室、卫生间设置了紧急按钮开关。对电、水、燃气进行计量；可对餐厅、起居厅、卧室的灯进行控制；当可燃气体探测器探测到有燃气泄漏后，联动控制关闭燃气管道上电磁阀、开启排烟风机；当有各种探测器报警后，联动警报发声器发出报警声音。
家庭控制器共提供13路输入：电度表(电度表安装在照明配电箱内)、燃气表、热能表、可燃气体探测器、感温探测器、感烟探测器、紧急按钮开关、被动红外侵入探测器、玻璃破碎探测器各1路，水表、门(窗)磁开关各2路。
家庭控制器共提供7路输出：警报发声器控制1路、燃气管道上电磁阀控制1路、排烟风机控制1路、照明控制4路。
三室户型、复式结构、别墅的智能家庭控制平面图及家庭控制器与室内设备的连接参见国家建筑标准设计
智能家居系统产业在我国得到快速发展。如何设计出安全完整性等级高的系统产品和工程应用项目,使该系统能更好地提升人们的现代化居住条件是一个非常重要的课题,本文阐述了功能安全通用概念和智能家居系统功能安全的特点和设计对策。
智能家居系统在欧美国家已有近二十年的发展历史,其产业形态和系统设计已日臻成熟。欧洲也已拥有成熟的技术标准、产品的标准和产品认证模式。与之相比,智能家居在我国起步较晚,2000年智能家居的概念才传到深圳和内地。随着我国住宅产业的高速发展,智能家居也得到了迅猛发展。一方面新建的高端住宅项目都进行了智能家居系统的设计,并将智能家居系统作为住宅销售的卖点加以宣传推广;另一方面,在国外许多专业智能家居厂商迅速抢占中国市场的同时,国内本土智能家居系统产品的厂家也得到了快速的成长。
在智能家居的市场推广中,我们发现,无论是发展商提出的智能家居的需求,还是工程商设计智能家居系统以及国产智能家居系统的研发、推广,都还停留在“功能”至上的阶段。大家对系统的研发和应用都以求“全”、求“新”、求“奇”为主要特征。然而,一个完整的智能家居系统往往由许多子系统构成,需控制的设备种类也日新月异。要在短时间内研发出所有的子系统往往是不现实的。除了像Bticino这样专注智能家居的品牌能提供较全的子系统外,就连许多国外品牌也只是能提供智能家居系统中的一部分子系统。因此,部分工程设计往往是由二个或多个品牌的子系统集成的。
就电子通讯来说,功能实现的同时,我们还必须重视由此而产生的安全问题。严格地说,只要是由电子、电气构成的系统都存在功能安全问题,无论是一个简单的小系统还是一个复杂的大系统,对系统集成的大系统就更需要进行功能安全的设计、检测和评估。而这一点,目前的绝大多数智能家居系统的工程项目设计和系统研发是欠缺的,有的甚至尚无功能安全的设计理念和意识。下面,我们详细的来探讨智能家居系统的功能安全设计。
一、智能家居系统功能安全的概念和意义
功能安全是指与受控设备(EUC)和EUC控制系统相关的总体安全部分,它取决于电气、电子、可编程电子(E/E/PE)安全相关的系统机能、其它技术安全相关的系统和外部风险降低实现的功能。
对智能家居系统而言,功能安全是指避免因应用或操作智能家居系统而引发不可接受的伤害风险,这些伤害的来源包括:正常操作时、合理可预见的误操作时、系统或产品出现故障时、暂时性的干扰时等。
对于因应用或操作智能家居而引发的不可接受的伤害风险是指对财产或环境的破坏而直接或间接地导致对人体健康的损害或人身损伤,既包含人员面临的火灾或爆炸等短期危险,也包含有毒物质的释放等对人体有长期影响的危险。
二 、智能家居系统功能安全生命周期的实现
功能安全涉及到智能家居系统及产品从研发到工程应用的各个层面,需要从产品的生命周期的层面来考虑功能安全的实现,也可以称作功能安全的生命周期。一般情况下,我们可以依据下图功能安全的各个阶段来设计。
智能家居系统是一种通过公共通信方式连接起来的分布式多重应用的总线系统,该系统的控制功能包括开关、开环控制、闭环控制、监控和系统管理。智能家居系统是由复杂的硬件、通信传输介质、各种应用软件等技术的综合实现的。其系统硬件和软件的功能安全生命周期的实现可按下图的流程来管理。
三、智能家居系统的风险和安全完整性
1. 根据智能家居系统当今行业的水准,并依据伤害的严重程度、暴露在危险中的人数、暴露在危险中的频率和持续时间,我们设定以下以允许风险为基础的功能安全规范要求:
(1)系统的功能安全取决于网络的性能以及连接的所有控制器、执行器或其他设备的性能。
(2)网络或系统中任何部件的故障不会引起该系统产品或受控设备的不安全。
(3)在工作条件下,单独的控制器、执行器或其他设备不应只依赖于系统。
(4)在工作条件下,任何产品与其它智能家居产品或系统的系统交互作用都不会引起系统的不安全操作。
2. 安全完整性等级(SIL)是指用于规定分配给E/E/PE安全相关系统的安全功能的安全完整性要求,SIL设4个等级,1-4个等级由低到高排序,SIL4是最高等级。 确定SIL等级需要先根据ALARP(在合理的情况下风险降至最低的原则)来确定容许风险,并根据实际的系统特点和经济投入及安全法规来对风险进行分级。风险等级的意义见下表:
为了达到允许风险的目标,我们也可以讲一系定的风险后果分配,允许频率如下表:
一般情况下,我们对智能家居系统的安全完整性等级(S1L)设计可以根据允许风险和硬件、软件的失效率来综合确定。(具体的计算和设定方法限于篇幅,本文从略)
四、智能家居系统中涉及功能安全的危险来源和危险事件
1. 根据智能家居系统的系统结构和系统特性,我们分析了智能家居系统中设计功能安全的危险来源如下:
(1)材料和结构的特性;
(2)系统的可靠性;
(3)正常操作可能引起的危险;
(4)与其他产品无意识的交互作用;
(5)与其他厂商的智能家居系统的交互作用;
(6)异常条件;
(7)可预见的误用,包括未授权和恶意的代码下载,以及非故意的配置修改;
(8)系统或产品的使用寿命;
(9)应用环境可能引起的危险。
2. 根据危险来源和智能家居系统的应用特性,我们分析概括了一下危险事件:
(1)电源失效;
(2)总线短路;
(3)总线上过压;
(4)市电过压;
(5)绝缘损害(温度、浪涌、机械);
(6)错误连接;
(7)过高温度;
(8)火灾;
(9)机械冲击、振动;
(10)腐蚀;
(11)电磁干扰;
(12)扰的通信;
(13)污染;
(14)部件或产品的寿命终止;
(15)合理可预见的误用;
(16)软件失效;
(17)过载;
(18)可靠性的丧失;
(19)材料的断裂(机械地);
(20)不正确的设计/结构;
(21)损坏设备和子系统间的交换;
(22)远程控制;
(23)执行器同时接收到两处指令;
(24)系统失效。
五、智能家居系统中涉及功能安全的设计对策
关键词：远程控制双音多频网络通讯无线通讯家庭自动化
21世纪是信息化的世纪，各种电信和互联网新技术推动了人类文明的巨大进步。数字化家居控制系统的出现使得人们可以通过手机或者互联网在任何时候、任意地点对家中的任意电器（空调、热水器、电饭煲、灯光、音响、DVD录像机）进行远程控制；也可以在下班途中，预先将家中的空调打开、让热水器提前烧好热水、电饭煲煮好香喷喷的米饭……；而这一切的实现都仅仅是轻轻的点几下鼠标，或者打一个简单的电话。此外，该系统还可使家庭具有多途径报警、远程监听、数字留言等多种功能，如果不幸出现某种险情，您和110可以在第一时间获得通知以便进一步采取行动。舒适、时尚的家居生活是社会进步的标志，智能家居系统能够在不改变家中任何家电的情况下，对家里的电器、灯光、电源、家庭环境进行方便地控制，使人们尽享高科技带来的简便而时尚的现代生活。
1系统的总体结构及工作过程
智能家居系统由系统主机、系统分机、Internet服务器和网络接口等部分组成。其中系统主机通过服务器（个人计算机）连入Internet，并通过自己的PSTN公用电话交换网接口电路连入PSTN。其结构图如图1所示。主机与分机通过无线传输组成星形拓扑结构。系统主机通过本地无线传输网络同系统分机进行通讯、传输控制命令和反馈信息。
该系统正常工作时，用户可以通过Internet和PSTN两种网络进行访问，当通过Internet访问时，本系统可提供一个界面友好的终端软件，用户只需登陆到运行在家中的服务器即可对家中的设备进行远程控制；当通过PSTN访问时，本系统将为用户提供语音操作界面。其工作流程如图2所示。
2系统的硬件构成
本系统的硬件主要有系统主机与系统分机两大部分。系统主机由单片机AT89C52和各种接口电路组成，如图3所示。系统分机由单片机AT89C52和各种接口电路、传感器单元电路、固态继电器控制电路组成，并由固态继电器控制具体设备，具体硬件组成框图如图4所示。
通过系统主机的各种接口电路可将主机CPU从繁忙的计算中解脱出来，以便把主要精力运用在控制和信息传递上。系统主机主要依照各个功能电路的输出结果进行逻辑判断和控制命令的输出。系统分机的各种接口电路和主机相似，只是根据设备的不同（传感器单元）有着细节上的变化。下面主要介绍系统主机的各种接口电路。
2．1nRF401无线数据传输电路
无线数据传输电路由Nordic公司的单片UHF无线数据收发芯片nRF401及其电路构成。nRF401采用FSK调制解调技术，其工作效率可达20kbit／s，且有两个频率通道供选择，并且支持低功耗和待机模式。它不用对数据进行曼彻斯特编码，其天线接口设计为差分天线，因而很容易用PCB来实现。
2．2看门狗电路
看门狗电路由MAX813L及其元件组成。通常，在单片机的工作现场，可能有各种干扰源。这些干扰源可能导致程序跑飞、造成死机或者程序不能正常运行。如果不及时恢复或使系统复位，就容易造成损失。看门狗电路的作用就是在程序跑飞或者死机时，能有效地使系统复位以使系统恢复正常运转。因此，在程序中定期给P1．5送入看门狗信号，就可以保证在程序运行异常时，由MAX813L使单片机复位。
2．3DS1307时钟接口电路
DS1307时钟芯片是美国DALLAS公司生产的I2C总线接口实时时钟芯片。DS1307可以独立于CPU工作，它不受晶振和电容等的影响，并且计时准确，月积累误差一般小于10秒。此芯片还具有掉电时钟保护功能，可自动切换到后备电源供电。同时还具有闰年自动调整功能，可以产生秒、分、时、日、月、年等数据，并将其保存在具有掉电保护功能的时间寄存器内，以便CPU根据需要对其进行读出或写入。由于单片机AT89C52没有I2C总线接口，因此，要驱动DS1307，就必须采用单主机方式下的I2C总线虚拟技术。在此方式下，以单片机为主节点（主器件），主器件永远占有总线而不出现总线竞争，且可以用两根I／O口线来虚拟I2C总线接口。I2C总线上的主器件（单片机）可在时钟线（SDL）上产生时钟脉冲，在数据线（SDA）上产生寻址信号、开始条件、停止条件以及建立数据传输的器件。任何被选中的器件都将被主器件看成是从器件。在这里，DS1307作为I2C总线的从器件。I2C总线为同步串行数据传输总线，其内部为双向传输电路，端口输出为开漏结构，因此，需加上拉电阻。
2．4MT8880C双音频编解码电路
由于单片机是通过MT8880C芯片得到PSTN网络的双音频信号解码输出，也就是说，单片机可以识别来自PSTN网络的控制信号，用户可以根据系统的语音提示进行按键选择以实现用户身份的识别与远程控制。因此，利用MT8880C的双音频编码功能，系统可以在紧急时刻将用户预置的紧急电话打到PSTN网络，从而把损失减少到最低。
2．5ISD4004语音录放电路
ISD4004是美国ISD公司生产的一种语音录放芯片。它可录制8～16分钟的语音信号。该芯片可提供SPI标准接口和单片机进行接口，其语音的录放控制均通过单片机来实现。该芯片的一个最大特点是可以按地址编程录放，因而可由ISD4004和单片机编程控制来构成本系统与PSTN网络用户的语音平台。由于ISD4004的INT和RAC脚输出为开漏结构，因此需要加上拉电阻。
2．6MAX202串行通讯电路
通讯电路可由串行通讯专用芯片MAX202组成，通过此电路可以方便地与PC机进行串行通讯。
2．7铃流检测与摘挂机控制电路
当系统被呼叫时，电话交换机发出铃流信号。振铃为25±3V的正弦波，失真小于10％，电压有效值为90±15V。振铃信号以5秒为周期，即1秒送，4秒断。由于振铃信号电压比较高，所以先要通过高压稳压二极管进行降压，然后输入至光耦。再经光耦隔离转换后，从光耦输出时通时断的正弦波，最后经RC回路进行滤波以输出标准的方波。该方波信号可以直接输出至单片机的定时器1进行计数，以实现对铃流的检测。
由于程控电话交换机在电话摘机时电话线回路电流会突然变大（约30mA），因此，交换机检测到回路电流变大就认为电话机已经摘机。自动摘挂机电路可以通过单片机的P1．7来控制一个固态继电器，固态继电器的控制端应连接一个大约300Ω的电阻后再接入电话线两端，从而完成模拟摘挂机。
3系统软件编制
本系统软件主要由系统主机和系统分机的C51程序和系统与Internet网络通讯程序组成。
3．1系统主机程序的编制
系统主机程序主要用于实现系统的总体功能。包括无线数据传输程序、看门狗程序、时间戳程序、双音频编解码程序、语音录放程序、串行通讯程序、铃流检测与摘挂机控制程序、系统初始化程序、意外事件处理程序等。程序编制以消息驱动为主导思想。消息由计数器中断1、外部中断0和串行中断产生，在中断服务程序中，应将相应的状态位置位，而在消息循环中则应按相应的状态位调用功能函数，然后由功能函数将相应的状态位清0并完成所需功能，并最后返回到消息循环中。其程序流程如图5所示。该系统的分机程序和主机类似，故此不再详述。
3．2系统与Internet网络通讯程序的编制
这部分通讯程序分为服务器和客户端两个程序，主要通过Internet网络完成用户的控制功能。
服务器程序主要完成客户端与系统主机通讯的中转，即将客户端发来的控制或者查询命令翻译成系统主机能识别的格式，或者将系统主机收到的报警等信息上传到客户端。服务器程序使用Socket与客户端进行Internet通讯。
客户端程序是运行在远端用户的控制界面，主要用于完成家居内状态的显示以及对家居内电器的远程控制，同时使客户端直接连接到服务器。
【关键词】无线控制；远程控制；温度控制；安防控制；能源管理
1.引言
近年来随着人民生活水平和知识层次的不断提高，人们也将注意力越来越多的放在了生活环境的安全性、舒适性和便利性上，因此也就产生了对家居智能化的需求；与此同时，在科学技术方面，计算机控制技术与电子信息通讯技术的飞速发展也促成了智能家居系统的出现。开发智能家居相关产品不仅能够满足人们生活的需要，对整个社会信息化进程的推动作用也不可忽略。
我们基于上海未来伙伴机器人有限公司创新套件设计了一套智能家居控制系统，利用结构部件、连接部件和传动部件以及传感器完美得组合在一起，通过能力风暴控制器、单片机系统、无线模块、GSM模块等，实现了家居的无线控制、远程控制、温控、安防控制等功能，使人们的生活更加便捷、安全、舒适。
2.系统总体设计方案
家居智能的基本目标是，将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭安防装置连接到一个家庭智能化系统上进行集中或者异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的协调。根据智能家居所需要的功能，我们按照与家庭所处位置的远近，将系统归纳为远程控制、无线遥控控制和本地集中控制三种控制方式。
远程控制通过手机发送短信形式进行控制，此方案主要用到GSM模块和单片机，手机发送指令到GSM模块的SIM卡，然后根据用户的指令来控制家电设备或者接收报警信号并向用户报告。使人们身在外地就可了解家中的各种状态。
无线控制功能是通过无线发射接收模块实现近距离控制功能，主要包括对家电的近距离控制和接收报警信号，节省了无线通信不必要的费用，也省去了花在综合布线上的费用和精力。其主要电路由51单片机模块电路、无线发射接收电路、能力源控制器、AS-UⅢ智能机器人组成。
“自动+手动”控制包括路灯、太阳能草坪灯、走廊灯控制的自动控制，可节约能源。空调、花园浇水、窗帘是采用“自动+手动”控制，既可以自己通过按键控制开关，也可以自动控制。
3.硬件电路设计
3.1 无线控制系统
用户通过终端控制器发射指令，由接收系统对电饭煲、热水器、排风扇进行开关控制。用户通过终端控制器发射相关指令，接收系统对大门、车库门、房门也可进行开关。采用AT89C51单片机，通过功能按键选择以上的开关控制，由12864液晶显示器进行显示相关状态，同时蜂鸣器起到报警的作用，使用2400bit/s无线模块实现近距离无线控制。无线终端控制器的框图如图1（左图）所示。接收系统通过解码实现对家用电器、门等控制。同时门上安装磁敏传感器检测门的位置，使门实现自动开关功能。接收系统的框图如图1（右图）所示。
无线终端器的电路原理图见图2所示，电源为5V直流电，12864液晶显示器中RP1可以调节显示器的亮度，S1-S6为无线终端控制器的功能选项按钮，S7为单片机复位按钮。AY1为蜂鸣器，当单片机20脚输出低电平时，Q1导通，蜂鸣器开始鸣响。2400bit/S为无线模块，当接收到无线信号时，单片机进行解码，并通过12864与蜂鸣器显示相关数据。
3.2 远程控制系统
用户通过手机发送短信，GSM模块接收到手机的指令，通过单片机进行远程控制电饭煲、浴室热水器、浴室换气扇等的开关。控制系统框图如图3所示。
手机发送指令给GSM指定号码，从而实现远程控制的功能。指令表见表1。
3.3 “自动+手动”控制
3.3.1 温控系统
卧室内，用户可以“手动”设定空调的温度，使室内的温度控制在人体舒适度范围之内，当室内温度和设定温度有偏差时，就会“自动”启动空调开关，并且会自动进行制冷或制热的选择。控制框图如图4所示。
3.3.2 自动洒水系统
通过传感器检测土壤湿度，土壤干燥时启动洒水系统为花草浇水，当湿度达到一定值时，洒水机停止工作，或人为进行洒水系统的开关。控制系统的框图如图5所示。
3.3.3 风力发电系统
当风力达到一定时，风力发电系统自动工作，由存储装置储存电能，供电给用电器。
3.3.4 自动太阳能草坪灯系统
白天，通过屋顶上的4块太阳能板进行蓄电，晚上，电池给草坪灯进行供电，控制器采用5251专用芯片进行光线检测、升压驱动。
3.3.5 灯光控制系统
利用光敏传感器检测太阳光，当白天接收到太阳光时，路灯灭。晚上接收不到太阳光时，路灯点亮；利用声音传感器检测走廊声响，当有人走过发出声音时，传感器接收到信号，走廊灯亮，延时10秒后，走廊灯熄灭；利用光敏传感器检测环境明亮程度，当早上接收到太阳光时，电机正转，窗帘打开；晚上光线比较弱时，电机反转，窗帘关闭，框图如图6所示。
3.4 安防系统
本系统设计的安防系统包括防火系统、防盗系统和紧急求救系统。框图如图7所示。
利用温度传感器检测室内温度，当发生火灾时，温度升高，启动报警功能，房屋周围4个LED灯闪烁，喇叭声音报警，同时灭火系统（喷水）启动。并通过无线模块向终端控制器发送一个信号，终端控制器报警以及时提醒房主，同时，GSM模块也向房主发送短信进行提示。
利用红外反射、接收装置安装在门上，当大门关闭时，如果有人进入，启动报警，无线控制终端显示盗贼进入，并报警，提醒房主及时处理，同时，GSM模块也向房主发送短信。
当别墅内人员（尤其是弱势群体的老人和小孩），出现紧急情况时，按下呼叫按钮，启动紧急呼叫系统，报警器会发出“呜呜～”的报警声，同时GSM模块也向房主发送短信，表示家中有紧急情况。
4.软件程序设计
本系统用的软件主要采用上海未来伙伴机器人有限公司提供的VJC流程图编程和单片机C语言编程相结合，VJC流程图编程更加直观形象，流程图采用模块化编程的形式，接近人类自然语言，流程图程序的形式与标准流程图完全一致，简单易学，是学习单片机C语言编程的基础。编译好的流程图下载到能力源控制器，然后进行程序的调试，最后实现其功能。
4.1 走廊灯路灯程序
4.2 风力发电与自动洒水
5.制作和调试
本系统利用上海未来伙伴机器人有限公司创新套件设计了一套智能家居控制系统，将结构部件、连接部件和传动部件以及传感器完美得组合在一起，搭建成一套家居系统的框架，再通过能力风暴控制器、单片机系统、无线模块、GSM模块等，实现了智能家居控制系统。实物如图10所示，经过调试，系统都完成了以上功能。
6.总结
本套智能家居控制系统具有以下创新点：
（1）无线控制和远程控制相结合，既能进行近距离无线遥控控制也能进行远距离控制。
（2）具有太阳能、风力发电装置，为晚上草坪灯供电，起到了很好的节能作用。
本套智能家居控制系统通过模拟实物制作和调试，都能达到智能家居的功能，达到预期的效果。在应用到实际家庭中，也能实现这些功能。因此对开发智能家居控制系统有一定的借鉴意义。
参考文献
[1]潘庆浩，古鹏.智能家居控制系统技术问题的研究与探讨[J].计算机工程应用技术，2008（6）.
[2]张周.ZigBee技术研究及其在智能家居中的应用[D].厦门大学硕士学位论文，2007.
[3]古鹏，温武，陈耀华.新型单片机芯片实现家居智能控制的单元设计[J].电脑知识与技术，2008（7）.
关键词:上位机; 单片机; 智能家居系统; 协议; 串行通信; MSComm控件
中图分类号:TP18 文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)13-0133-04
Upper Computer Control in Intelligent Home System Based on Serial Communication
JIANG Yong-chi
(Shantou Polytechnic College, Shantou515078, China)
Abstract: Serial communication is the most important communication method between upper computer control and lower model(MCU) in the design of intelligent home system. By comparison between MSComm control of Windows and self-written serial transcieving dynamic control during the design of the uppercomputer to improve the communication efficiency of the upper computer control and the model at lower end, it is found that the communication efficiency of the upper computer program written by MSComm control is low, and the rate of error-frame and lost-frame is high though the program can be written out quickly with MSComm control. Two different ways to test the serial port communication abbility and find the follow facts: MSComm control can only use in single model can′t use in a multi-model system.
Keywords: upper computer control; MCU; intelligent home system; protocols; serial communication; MSComm control
0 引 言
上位机设计是智能家居系统的一个重要组成部分,担负着管理、控制、维护和用户界面操作的重任,高效可靠的上位机设计是整个系统正常运作的重要保障。上位机与系统的通信实际上是与下端单片机的通信[1]。单片机或单片机系统是智能家居控制的核心,当计算机作为单片系统的一个角色时,通常被称为“工控机”或“上位机”,各独立的单片机是系统中实现功能的一个模块,所以有时也称单片机为模块。
计算机与单片机是通过串口来实现通信的,本文着重讨论计算机与单片机的串口通信的实现方法和MSComm控件技术。
1 上位机在智能家居系统的角色
首先,必须认识计算机在智能家居系统的作用,可以概括为以下几个方面:
1.1 通信测试工具
传统的单片机系统的通信测试通过示波器来监测,既不直观又容易丢失信息。将计算机加入到系统中,可以实时监测到线路中的信息,并以数字化呈现,使各个单片机间的通信得到检验,及时解决系统存在的问题。所以计算机在加速系统的开发和保证系统的运行质量的作用就不言而喻了。
1.2 系统维护
一个单片机系统往往需要对系统中各个不同功能的模块(单片机)进行参数的设置,以适应不同的运行环境,虽然可以通过各模块的控制面板来调整,但操作通常比较麻烦,非专业人员不易掌握。同时对于一些需要定义其地理位置的参数难以实现,不够直观。计算机加入到系统中,不但可以解决操作上的问题,同时还可以读取各模块的参数,以便于调整[2]。
1.3 单片机
计算机可以作为单片机系统的一个模块,完成相应的功能。计算机应答系统的请求、处理系统中的信息,一方面将信息呈现给用户,另一方面计算机程序通过自动计算或用户的输入,将信息反馈到系统中,参与系统的控制。
1.4 主控机
在单片机系统中,往往存在一个主控机或主控模块,负责对整个系统的统筹和设置。单片机系统通常是通过各功能模块的输入和响应来实现其功能的,因此必须有一个负责收集输入任务并指定响应模块的主控模块。计算机系统中既可以是一个普通的模块,又可以是负责总体协调的主控器。
2 通信协议
一个单片机系统是由硬件系统和软件系统构成的。硬件是实现功能的前提,而系统功能则是通过软件来实现的,为了保证各个模块通信,实现系统信息交流,必须制订系统的通信协议。
从物理上来说,系统各模块是以半双工的模式来通信的,下文提及的智能照明系统下端模块就是以半双工的RS 485总路线为通信架构的。而计算机的RS 232串口是以全双工的模式来实现通信的,因此,计算机要通过串口参与到单片机系统中必须增加一个RS 232和RS 485总线转换的模块[3]。
从逻辑上讲,要实现各模块之间的通信,就必须在模块间约定一个共同遵守的通信协议。单片机以位(b)为基本单位,传输时以8位1字节(B)来传输,单片机以毫秒间距发送若干个字节为一个数据包,也称为┮恢―,帧之间又规定若干毫秒的间隙。通过计算机程序可以捕获线路中每一帧信息。
下面以智能照明系统为例,讲述单片机系统的通信协议。
本协议采用异步串行通信方式,字节帧格式:1个起始位+8个数据位+1个停止位,无校验位。
帧格式如下[4]:
1帧=帧头(F4H F5H)+数据包+帧尾(F4H FBH)
数据包=有效字节数(1 B)+传输层数据+校验和(1 B)
帧数据的发送、接收过程中前后两字节数据传送延时不得超过0.5 s。
各模块分配两个字节的地址码,第一字节代表模块类型,第二字节代表模块在系统中分配的顺序。各模块获取总线上的帧后,对自己的地址帧响应,其他的帧抛掉。
以下是本协议中的关于“灯开停控制”的协议:
描述:该信息是输出子模块的各路灯的开或关控制。
构成:该信息发送时由信息头和信息内容构成,返回时由信息头构成。
主控器或PC机发给输出模块时:
MessageType53
MessageSubType0/2
Result0
信息内容:
第一字节,灯号字节10:不相关,1:相关,bit7~bit0分别对应本模块8~1号灯
第二字节,灯号字节10:不相关,1:相关,bit6~bit0分别对应本模块15~9号灯
第三字节,开度值0:关,1~63亮度值:开,128:突关,255:突关
第四字节,变光时间0~255
输出模块返回给主控器时,信息头定义如下:
MessageType53
MessageSubType0/2
ResultDependent on operation(1 or 0)
系统的通信按照规定的各条协议来执行。
3 计算机通信的实现
计算机硬件上通过RS 232与RS 485接口转换与下端模块进行通信。而软件的实现有多种方法,下面主要介绍在VB 6.0通过MSComm控件来实现通信的方法[5]。
3.1 将MSComm控件引入到VB平台
MSComm 控件通过串行端口传输和接收数据,为应用程序提供串行通讯功能。MSComm控件在串口编程时非常方便,程序员不必去花时间去了解较为复杂的API函数[6],而且在VC,VB,Delphi等语言中均可使用。
MSComm是Microsoft公司提供的简化Windows下串行通信编程的ActiveX控件,它为应用程序提供了通过串行接口收发数据的简便方法。具体的来说,它提供了两种处理通信问题的方法:一是事件驱动(Event-driven)方法,一是查询法。
3.2 MSComm控件的设置
3.2.1 MSComm控件的属性
MSComm控件有很多重要的属性,正确设置其属性是程序进行正常通信的保证,下面介绍几个必须熟悉的属性[7] 。
CommPort:设置并返回通讯端口号。
Settings:以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位。
PortOpen:设置并返回通讯端口的状态,也可以打开和关闭端口。
Input:从接收缓冲区返回和删除字符。
InputMode:接收模式,取0值时,接收文本数据;取1时,接收二进制数据。
Output:向传输缓冲区写一个字符串。
Rthrehold:响应模式,取整数。当接收字符后,若Rthrehold属性设置为 0,则不产生OnComm 事件;若设置为1,则接收缓冲区收到每一个字符都会使 MSComm控件产生OnComm事件。
Sthreshold:发送模式,设置0(缺省值),数据传输事件不会产生OnComm事件;设置为1,当传输缓冲区完全空时,MSComm控件产生OnComm 事件。如果在传输缓冲区中的字符数小于value,CommEvent 属性设置为comEvSend,并产生OnComm 事件。
Handshake:通信握手模式,取值为0时,无握手;取值为1时,表示XOn/Xoff握手;取值为2时,表示Request-to\\-send/clear-to-send握手;取值为3时,表示equest-to-send & clear-to-send握手皆可。
3.2.2 MSComm控件两种处理通讯的方式
MSComm控件提供下列两种处理通讯的方式:事件驱动方式和查询方式[8]。
(1) 事件驱动方式
事件驱动通讯是处理串行端互作用的一种非常有效的方法。在许多情况下,在事件发生时需要得到通知,例如,在串口接收缓冲区中有字符,或者Carrier Detect(CD)或Request To Send(RTS)线上一个字符到达或一个变化发生时。在这些情况下,可以利用MSComm控件的OnComm事件捕获并处理这些通讯事件。OnComm事件还可以检查和处理通讯错误。所有通讯事件和通讯错误的列表,参阅CommEvent属性。在编程过程中,就可以在OnComm事件处理函数中加入自己的处理代码。这种方法的优点是程序响应及时,可靠性高。每个MSComm控件对应着一个串行端口。如果应用程序需要访问多个串行端口,必须使用多个MSComm控件。
(2) 查询方式
查询方式实质上还是事件驱动,但在有些情况下,这种方式显得更为便捷。在程序的每个关键功能之后,可以通过检查CommEvent属性的值来查询事件和错误。如果应用程序较小,并且是自保持的,这种方法可能是更可取的。例如,如果写一个简单的电话拨号程序,则没有必要对每接收一个字符都产生事件,因为惟一等待接收的字符是调制解调器的“确定”响应。
3.3 计算机信息发送和接收的实现
下面以智能照明系统中PC机与主控器的通信,说明计算机与单片机通信的实现方法。以下是实现的主要子程序。
页面装载程序:
Private Sub Form Load()
com sl="com1"
bauty=9600
For i=0 To 59
Text2(i).Text=""
Next i
Open "recieve.txt" For Output As #1
End Sub
MSComm控件的设置程序:
Private Sub Command1 Click()
com sl=Combo1.Text
bauty=Combo2.Text
convert=Check1.Value
Form2.Hide
mand6.Enabled=False
mand4.Enabled=True
End Sub
通信口控制子程序:
Private Sub Command4 Click()
Select Case bauty
Case 1200
MSComm1.Settings="1200,n,8,1"
Case 2400
MSComm1.Settings="2400,n,8,1"
Case 9600
MSComm1.Settings="9600,n,8,1"
Case 19200
MSComm1.Settings="19200,n,8,1"
…
Case 57600
MSComm1.Settings="57600,n,8,1"
End Select
If com sl="com1" Then mPort=1
…
If com sl="com7" Then mPort=7
MSComm1.RThreshold=0
If MSComm1.PortOpen=False Then
MSComm1.PortOpen=True
End If
Command4.Enabled=False
Command5.Enabled=True
Command3.Enabled=False
If convert Then MSComm1.RTSEnable=True
End Sub
通信建立后,计算机就可以与下端单片机通过设定的协议进行通信,可以测试下端模块的响应。
4 MSComm控件的问题和解决办法
在实际应用中,MSComm控件对于一问一答式的通信,效果还是可以的,所以用于单模块的通信测试问题不大。但是,如果计算机作为单片系统的一个角色,要实时捕获总线上的信息并响应,存在失帧和误帧的问题[9],如果系统要求不高,还可以对付,而象智能照明这样要求信息持续、实时、准确的系统,利用MSComm控件处理串口通信就难以胜任了[10]。
在智能照明系统中,采用了自编制的动态库Transdata.dll程序,作为处理串口通信的接口,误帧率和失帧率较低,能满足产品化的要求。
Transdata.dll使用说明:
(1) 初始化串口并处于通讯状态
Init OpenCom(byval m str as string,byval nbaud as Integer) as Boolean
参数说明:m str为串口名称,如“com1”“com2”等;nbaud为波特率,可为1 200,2 400,4 800,9 600等;返回值为Boolean,若为true则成功,否则失败false。
(2) 关闭串口结束通讯
CloseCom()
(3) 发送通讯数据
SendData(n str as byte,byval ncount as Integer)
参数说明:n str 为要发送byte的数组的第一个字节;如要发dim ndata(11) as byte这个数组,只需用ndata(0)作为n str参数即可;ncount为要发送的字节数。
(4) 接收返回的数据
GetData(byval m str as string)as string
参数说明:m str 必须为已有能容纳所要接收字串的长度空间返回接收到的字串,各个字节以“\\t”隔开。
5 结 语
利用MSComm控件虽然可以方便快捷编制出的 上位机程序,但其通信效率偏低,误帧和失帧率较高,只适用于单模块测试。对于多模块实时通信系统,宜采用其他控件或自编制更有效的收发程序。
参考文献
[1]钱卫东.楼宇智能化技术概论[ M] .北京:电子工业出版社,2006.
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[5]王贺艳.基于VB的PLC与PC机串行通信的实现[ J] .福建电脑,2009(2):150-154.
[6]北京博彦科技发展有限公司.Visual Basic开发教程[ M] .北京:清华大学出版社,2006.
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[8]李墨.单片机与PC机的串行通信[ J] .中国新技术新产品,2009(13):29.
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