智能家居控制系统技术问题的研究与探讨

摘要：本文通过当前家居智能控制的现状进行深入研究，对现有的各种总线协议、控制技术、接口技术进行阐述与分析，同时笔者提出对家居智能控制的一些建议，这些研究相信对研究家居智能控制的技术提供一些借鉴。

关键词：智能家居；总线；芯片；接口技术

中图分类号：TP311文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2008)05-10000-00

1 问题的提出

伴随着网络技术的发展与迅速普及，人们的生活方式正在发生深刻的变化。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、安全、环保、节能。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，家居智能化正是在这种形势下应运而生。

智能家居应该包含三方面的内容：(1)信息产品的家电化，如机顶盒、Web游戏机、Web电视、Web电话，还有PC、掌上电脑、手持PC、可穿戴PC等所有能通过网络系统交互信息的消费类电子产品；(2)传统家电的数字化和网络化，如电冰箱、洗衣机、微波炉、太阳能热水器等植入数字网络技术，使之工作于家庭网络环境的基础上；(3)基于家庭网络环境开发出的新的应用模式，如：家庭设备自动监控、安全防范等。

目前，家居智能化发展的状况如下：

日本是较早推动智能家居发展的国家之一，它较早地提出了家庭总线系统（ Home Bus System， 简称HBS ）的概念，成立了家庭总线(HBS)研究会，并在邮政省和通产省的指导下组成了HBS标准委员会，制定了日本的HBS标准。按照该标准，HBS系统由一条同轴电缆和4对双绞线构成，前者用于传输图像信息，后者用于传输语音、数据及控制信号。

比较成型的总线标准协议主要是美国公司提出的，包括Echelon 公司的LonWorks协议、电子工业协会(EIA)的CE总线协议(CEBuS )、Smart House LP的智能屋协议和X-10公司的X-10协议等。 LonWorks应用范围主要包括楼宇自动化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面有较好的性能，目前全球已建立的LonWorks节点已经超过50万个。在四种协议中，X-10是历史最长且使用最简单的一种，它于1978年诞生于美国，至今仍是美国家庭自动化的主导系统。之所以说X-10协议简单是因为它直接利用住宅电力线作为控制总线，通过电力线将各控制器与各功能接口器相连并实现程序控制，不必再穿墙打孔，更有利于改变结构空间，用户可自己动手安装，价格也比较低廉。而CEBuS 作为电子工业推广协议，与欧洲的EHS标准同为欧美家庭自动化电子产品的行业推荐标准。

EIB欧洲电气接线装置总线智能控制系统，简称EIB?总线系统，是为电气接线装置专业打造的智能化控制系统。EIB总线系统作为欧洲安装总线标准利用一条双绞线作为控制总线，取代了传统数量繁多的导线，使照明、调光、百叶窗、场景控制、用电负荷控制、保安、供热系统实现智能化，并成为一个完整的总线系统。

我国对家居智能化并没有提出了统一的家庭总线系统，家电行业到目前为止，对于家居智能化的发展与先进国家相比，比较落后；科研投入不够，因而，真正家居智能家电产品不多。可以认为，我国对家居智能化研究正处于实验室研究阶段。

2 建立适合中国家庭的智能总线标准的设想

家居智能化有三大作用：其一、实现安全、智能化、人性化的近程及远程控制；其二、实现家用电器的节能；其三、实现信息共享。

家庭智能化要求诸多家电和网络能够彼此相容，总线协议是其精髓所在，只有接口畅通，家电才能“听懂”人发出的指令，因此总线标准的物理层接口形式是智能家居亟待解决的重要问题之一。智能家电控制系统的实现面临着两方面的问题：(1)家庭信息需求的具体化，即数字家庭的概念模型到实际模型，国内外都进行了一些有益的探索；(2)技术解决方案，包括网络接入方案和设备互连方案。

智能家庭控制系统是以网络为物理平台，计算机网络控制技术为技术平台，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。其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。

我们应对建立适合中国家庭的智能总线标准进行深入研究，在了解、研究世界范围智能家庭控制的发展的同时提出并建立中国的智能总线标准，为我国的智能家居发展提供标准和技术指导。笔者认为中国家庭的智能总线可以参照日本的HBS和美国X-10协议制定我国的智能家居标准。通常智能家居系统内部传输接口可以通过两种传输途径来实现：其一是无线传输方式；其二是有线传输方式。我们可将家居用电设备基于控制特性分成若干类，这里包括网络化的信息产品、传统家电和基于家庭网络环境开发出的新的应用产品，由此，可以根据这些家电的特点，建起立家庭的智能总线。

首先建立中国的智能总线标准及协议，目前，家庭有电力线、电话线、网络线以及视频线，这些网线系统，笔者认为可以作为中国家庭的智能总线的载体，标准及协议可以分成三个部分，传统家电以电力线、电话线为控制载体，可以实行短命令控制方式；网络化的信息产品、基于家庭网络环境开发出的新的应用产品以网络线为控制载体，实行计算机系统控制方式；至于视频及安全防范系统，则应以网络线以及视频线为控制载体，实行计算机系统控制方式。下图是智能家居控制系统的框图。

图1 智能家居控制系统的框图

3 实现智能家居控制常见的技术与设想

对于智能家居控制，在建立智能总线标准及协议之后，对家电的控制关键在于接口，目前国际上流行的物理层系列接口主要包含无线射频（RF）、电力载波（PL）、双绞线（RS485等）、专用线IEEE 1394 、IEEE1394b、利用IEEE 1394 的HAVI 、蓝牙技术（Bluetooth）、无线通信以太网（IEEE802.11）、X11、无线通信HomeRF(Home Radio Frequency)、红外线技术等，这些接口涵盖了从以智能设备监控为代表的低速数据链路接口和以家庭多媒体娱乐和视频监控为代表的高速数据链路接口。从过往控制效果分析来看，电力载波（PL）、双绞线（RS485等）、蓝牙技术（Bluetooth）、无线通信以太网（IEEE802.11）、X11、红外线技术等比较适合智能家居控制，因此，在今后的研究中，我们应该加强对相关技术在家居控制的接口的深入研究，制定中国智能家居控制长远规划，统一制定全国的接口技术标准，设计并研发相关的接口IC，以利于中国智能家居控制的发展状大。下面笔者就一些接口技术做一些深入的探讨。

1)电力载波

电力载波主要使用两种方式：窄带通讯方式和扩频通讯方式。窄带通讯技术价格低廉并且较为容易实现；扩频通讯技术在抗干扰性能上扰于窄带通讯，但技术复杂。使用电力载波应用于智能化网络家电控制中有许多优点：（1）可以利用现有的电力线组网；（2）因为不必重新布网，所以可以节约财力、物力和人力；（3）易于实现；（4）目前市场上已经有多种电力载波芯片，可以择优选用。

但是将电力载波应用到智能化网络家电控制中还存在许多技术难点：（1）如何设计基于电力载波控制的智能化家电网络的体系结构；（2）如何制定电力载波通讯协议,使得它们之间能够相互可靠地传递信息；（3）如何克服电力载波固有的信号衰减、阻抗失配以及等幅振荡干扰等问题；（4）如何设计电力线接口（PowerLine Interface,简称PLI）。

2)蓝牙技术

蓝牙技术是由蓝牙SIG(Special Interest Group)联合制定的近距离无线通信技术标准，其目的是实现最高数据传输速率1Mb/s(有效数据传输速率是721kb/s)、最大传输距离为10米(增加功率后可传输100米)的无线通信。蓝牙技术具有以下几个特点：工作于2.4GHz的ISM(工业、科学、医学频段)频段，无需申请频率许可证；采用1600hop/s的快速跳频技术；采用正向纠错编码(FEC)技术；采用FM调制方式，设备简单；支持点到点、点到多点通信；协议体系完备，充分支持现有高层协议；设备体积小,便于携带或移动,成本低廉。基于蓝牙技术的家居智能网络是用近距离的无线通信技术取代线缆，构建智能化的无线家居网络。

蓝牙家居网络使蓝牙网络家电、蓝牙通信控制器和其它嵌入蓝牙模块的设备，利用无线方式连在一起,使之相互通信；同时，利用具有路由功能的蓝牙家庭网关和外部网络相连,构成家庭式网络系统或家庭局域网，提供集中的或异地的音频、视频通信、计算机控制和管理等，使信息在家庭内以及与外部之间充分流通和共享。蓝牙分布式智能家居网络是沿用工业控制方案，将控制功能下放到相当于工业控制中下位机的蓝牙通信控制器上，实现分散控制、集中管理的模式。

蓝牙智能家居网络中由于蓝牙技术和信息处理技术的局限，其缺点也是不可忽视的。其表现如下：由于每台蓝牙设备最多同时只能和7台设备保持连接，而蓝牙通信控制器需要和较多的设备交互，如果想和更多的设备协调，需要工作模式的转换，影响处理效率，甚至导致通信失败；由于同一设备可能接受很多信息，如果微处理器对信息采用排队处理，时间延迟将增加；在蓝牙分布式智能家居网络中，蓝牙通信控制器之间、蓝牙通信控制器和蓝牙设备之间、蓝牙设备都有信息传递，造成串扰，同时通信路数越多，串扰越大，通信距离和传输速率都随之降低。

3)射频（RF）技术与红外技术

射频（RF）技术成熟度高、成本低廉，穿透性也非常好，但缺点是没有统一的标准，各公司的通信协议都不一样；红外技术非常成熟、具有很好的灵活性和可移动性，成本也非常低廉，但受到障碍物的限制，没有穿透性，方向性较差，也没有标准的通信协议。目前，由于无线射频无需增加附加的布线资源，数据传输性能可靠且成本低廉，因而成为目前最现实和最受欢迎的物理层接口形式之一。可以预见，随着无线方式的逐渐成熟，它将在未来取代有线通信，成为家庭网络的最佳连接方式。

家电的控制关键在于接口，接口的关键在于由协议做成的控制集成电路，我国在半导体集成电路生产的研究水平较低，所以，今后，一定要从基础抓起，抓紧对家智能控制集成电路芯片的研究与生产；另外，也可利用现有相关技术，对家智能控制集成电路芯片进行开发，目前，有若干的集成电路芯片，可用于家电的智能控制，如电力载波控制的芯片，ARM技术芯片，以及目前较为常见单片机芯片。

很简单的讲，您家里空调、电视、DVD每样设备都单独使用一台遥控器，我们是否能够把他们几合一呢？岂不是更加方便？管理这么一堆设备从软件上来讲肯定是复杂的多了，从硬件方面当然也需要功能更加强大、功耗极低、价格更廉价的处理器来支持，32位的ARM处理器能够轻松完成以上需求。嵌入式系统领域显然已经成为另一种科学，也由于网络与通讯的高速进步，带动了信息家电，信息工业的潮流，嵌入式系统已经成为不可或缺的生活必需品。

图2ARM嵌入式应用于各行业框图

ARM公司并不生产芯片，他向芯片制造商提供知识产权，优异的体系结构和开放的平台，使ARM处理器应用非常广泛，各大公司都同时投入大量的人力研究ARM内核的处理器，这不同于CPU几乎由2家公司垄断生产，ARM处理器的选择范围非常宽广，同内核可以选择任意一家厂商的芯片。由于多家的支持努力，基于ARM内核的处理器芯片外设非常丰富，这个用户带来了极大的方便，很多情况都可以一个芯片就可以完成全部的资源需求。

ARM处理器的优点，ARM处理器本身是位设计，但也配备16位指令集。一般来讲存储器比等价位代码节省，然而保留了32位系统的所有优势。 ARM的Jazelle技术使Java加速得到比基于软件的Java虚拟机(JVM)高得多的性能，和同等的非Java加速核相比功耗降低80％。 CPU功能上增加DSP指令集提供增强的16位和32位算术运算能力，提高了性能和灵活性。ARM内核最初是位手持通讯设备设计的，所以他的功耗非常低。

由上可看出ARM技术是一个以开放性源代码进行开发设计的芯片，只要抓紧开发，我们就能开发适应与家电智能控制中央处理的芯片。

目前，单片机器件技术发展很快，例如单片机器件STC12C5410AD系列内设置1TCPU、12K闪存、有A/D转换、PWM输出、16位定时器等许多功能，其最大优点是可以用C语言与汇编语言混合编程，这些都为研发智能家电芯片提供方便，因此，笔者认为，单片机器件可以用于家居智能控制的单元型控制芯片。

4 结论

随着智能化技术的发展，实现家居智能控制的各方面条件更加成熟，笔者对家居智能控制的发展提出一些想法，相信对从事家居智能控制设计的人员会有一些帮助。

参考文献：

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[3]ARM嵌入式教学实践教程[M].华中科技大学出版社,2003.11.

[4]张金家.剖析“智能家居集成及其平台技术研究” [J].建筑及住宅社区数字化技术应用研讨会论文集社，2003.

[5]方天培.居住小区智能化系统 [J]城市・建筑智能系统，2002（10）.

收稿日期：2008-01-12

作者简介：潘庆浩（1974-），男，助理实验师，工程硕士学位（软件工程方向）；古鹏（1963-），男，副教授，本科。