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智能家居控制系统的设计研究

发布时间:2018-07-21 01:08:30 文章来源:未来智库    
    【关键词】智能家居 WLAN RFID 嵌入式Internet
    1 引言
    随着我国工业化、城镇化不断发展,人们工作场所与生活的家越来越远,然而家庭属于每个人温暖的港湾,社会老龄化的问题也致使每个家庭需要照顾的老人数量日益增多,因此笔者考虑利用中国移动全国良好覆盖的EDGE、TD-SCDMA网络和在城市有着很好覆盖效果的WLAN网络,设计一种可以实时监控的智能家居系统,分别连接到无线城市的110服务中心、社区医疗保健中心、市政事业等公共服务云,让智能家居成为无线城市的一个有机组成部分,从而为我们提供一个更加舒适、安全和便利的家居生活。
    智能家居的发展必须依赖于物联网技术。物联网是指在全球统一编码系统基础上,利用互联网技术和射频识别技术、无线数据通信技术、计算机网络技术等基础上形成的广义技术体系,并以此构造覆盖世上万物的实物互联网。物联网已经上升至国家政策层面,根据工信部牵头制定的《物联网“十二五”发展规划》内容,政府将支持重点领域应用示范工程,具体包括智能工业、智能农业、智能物流、智能交通、智能电网、智能环保、智能安防、智能医疗与智能家居九大领域[1]。这九大领域并不是孤立的个体,而是互相有机融合在一起的。智能家居就包含有智能安防、智能环保、智能医疗、智能电网、智能交通、智能物流等领域部分内容。本方案采用嵌入式DSP芯片为基础,使用模块化结构有利于系统的功能扩展和二次开发,也有利于满足不同消费层次用户对智能家居不同需求的定制,以μC/OS-Ⅱ为开发环境、使用人机易于交流的触摸式图形用户界面(GUI),设计一个基于中国移动现有无线通信网络的嵌入式智能家居系统。
    2 国内智能家居的现状
    自2000年起,国内的智能家居行业逐渐形成,可用的产品不断增加,不少高校科研机构、集成商、开发商已经积累了很多经验。在2011年11月28日出台的由工信部牵头制定的《物联网“十二五”发展规划》为国内智能家居的发展提供了一个开放的标准化平台,指明了智能家居研究领域正确的发展方向。
    国内现时从事智能家居开发的厂商非常多,有专门做无线射频识别的、智能安防的、远程抄表的、综合布线的、系统集成的;换言之,是存在许多行业细分的企业但还没有真正形成一个行业。但是智能家居是信息社会发展的必然趋势,无论是在国外还是国内,市场都将是巨大的。而发展以家庭为单位的智能家居将成为今后一段时间内国内市场发展的主流方向,同时也会带动相关产业的迅猛发展。
    3 智能家居系统
    3.1 整体机构
    基于EDGE/TD-SCDMA/WLAN的智能家居系统的整体结构如图1所示,家居智能管理终端采集和输出各种开关量和模拟量信号,通过EDGE/TD-SCDMA/WLAN网络上传给公共服务云,远端相关部门可以通过远程监控终端与相关家居互动,家庭成员可以使用智能手机实时获取家居一切信息以及通过EDGE/TD-SCDMA/WLAN网络向家居智能管理终端下达各种控制和调节命令。
    3.2 具备的特点
    智能家居系统作为无线城市的重要组成部分,具有以下几个鲜明特点:
    (1)用户借助平板电脑或智能手机可以随时随地通过移动互联网掌控家居一切情况;
    (2)与用户工作、生活、学习等息息相关的资讯都可便捷地从开放式公共服务云获取;
    (3)多网络的融合以及多终端的应用为今后的发展趋势;
    (4)开放式的公共服务云对用户安全认证鉴权和运营商的网管计费要求更加灵活高效;
    (5)智能家居的彻底实现要求包括家电在内所有设备具备IPv6因特网接入功能。
    智能家居系统实际应用还需要通盘考虑到上层用户使用的感知度、中间层运营商运营成本、底层硬件开发应用厂家行业进入门槛这三者的关系,需谋求共赢,共同推动产业发展。
    4 智能家居系统的设计
    智能家居系统的内容如下:
    (1)家居智能安防内容:智能人脸识别、门窗红外监控、大门门禁、火警监测、温湿度监测、可燃性有毒气体监测,出现警情将通过网络通知相关家庭成员和110指挥中心。
    (2)家居智能环保内容:根据环境实际情况,满足人体舒适度需要,控制室内门窗、窗帘、空调系统的开闭及控制室内灯光开关和光亮度。
    (3)家居智能医疗内容:实时采集家庭成员的血压、心率、血糖、体温、身高、体重,数据除本地保存留底之外还将自动上传社区卫生服务中心,另外家庭成员可通过无线城市的公共服务云在本地所有医疗机构实现预订挂号、专家预约、远程诊疗等业务。
    (4)家居智能电网内容:主要实现家居家电的智能用电管理和水、电、气三表的远程抄表。
    (5)家居智能交通内容:家庭成员通过无线城市的公共云可以实现出行票务服务、车辆租赁、出租车预约等业务,实时了解城市道路通行状况以及公交线路的查询,还能实现自有车辆的管理。
    (6)家居智能物流内容:实现居家个人电子商务与金融理财业务。
    智能家居系统的关键核心是家居智能管理终端,它将实现家庭内部和外部公网的访问和交互,除了负责用户从外部公网对家庭网络的访问和控制之外,还负责家居内部所有设备的互联互通。它需具备以下功能:
    (1)上层接口功能:公共服务云或Internet接入、LAN接入、电话接入等;
    (2)下层接口功能:家居内部各种网络的连接,包括各种有线/无线的智能家电控制网络和传感器网络、数字信息网络等;
    (3)协议转换功能:提供所连接各种网络不同协议的相互转换,实现各种网络之间互联互通;
    (4)媒体信息功能:支持各种信息处理和服务。
         4.1 智能家居管理终端的硬件设计
    智能家居管理终端的硬件原理框图如图2所示,由高速DSP芯片模块、开关量输入、开关量输出、模拟量输入、RJ45以太网接口模块、外接硬盘接口模块、智能设备接口模块、存储器扩展、实时时钟、键盘和触摸LCD显示模块构成。
    图2 智能家居管理终端的硬件原理框图
    (1)该装置是智能家居系统核心,需要具备链接较多的外设和较强的运算能力,芯片有现时广为应用的ARM通用型芯片和专用型高速DSP芯片两种选择。专用型高速DSP芯片虽然在主频不及通用型芯片,但由于其采用多总线多功能单元结构,单周期可并行执行多条指令,再加上自带具有很强针对性指令集设计,使得其实际处理能力十分强大,适用于很多领域的嵌入式系统应用。
    考虑到本系统所架构的智能家居包含多路家居视频监控、人面识别技术以及720p高清视频解码处理等多媒体业务实时处理,可采用专用型高速DSP芯片――TI公司专用型数字信号处理器TMS320DM642(以下简称为DM642)系列作为控制核心,其高度的灵活性、快速的数字处理能力以及全新的内部结构,能保证系统的实时性[2]。
    (2)该装置中设定有16路模拟量采集,可以直接采集从温度湿度、火警烟雾、可燃有毒气体等传感器的直流数据,也可直接采集市电电压、电流的交流数据,同时可以最多采集6路CCD摄像头的家居视频监控数据,经过A/D转换后送到DM642处理,通过一定的编码由DSP压缩处理后经EDGE/TD-SCDMA/WLAN移动无线网关发送,可达每秒25帧的实时图像传送速率,实现家居内外环境的全天候多方向图像监控。16模拟量通道有冗余,留作备用。
    另外,如果用户家居环境比较大需要监控的点较多,单一DM642芯片的6路视频采集是不够用的,可以通过DM642芯片EDMA控制器实现的66MHz 32位PCI总线与另一片DM642芯片扩展级联,直接扩展了系统的外部连接口。
    (3)针对水电气三表远程抄表、有毒可燃气体的监测、温度、湿度、非智能家电控制等不要求高速传输的数据量,以及许多家居的原有装修都没有考虑到此类综合布线的现状,考虑使用成本低廉、技术成熟的ZigBee无线网络,独立组成一个家居无线子网络,该无线子网络的网关经过必要的硬件电压电平转换与智能家居管理终端的核心DSP由串口相联系。ZigBee无线网络可采用TI公司的CC2430和CC2520芯片组网。
    (4)现时许多家居还是存在新旧家电共存的情况,对于新型的智能家电,只需做好智能接口的对接以及通信协议的转换即可挂靠到本系统上;而对于老家电,需加装传感器再并到ZigBee无线网络后联到智能家居管理终端。
    (5)14路开关量输出,用以对设备进行控制。
    (6)EDGE/TD-SCDMA/WLAN移动无线网关在智能家居系统中起家庭网关的作用,现时中国移动有相关的设备采购并投入市场,称为TD-SCDMA/HSDPA/HSUPA Wi-Fi网关,该设备支持Wi-Fi功能(802.11 a/b/g/n)、3G/3.5G TD-SCDMA和GSM/GPRS/EDGE无线网络功能,含1个10/100M的WAN口和4个10/100M的以太网交换口,同时系统加载了广域网通信VPN隧道、Wi-Fi局域网传输的安全认证等安全功能,实现无线局域网和无线广域网的无缝连接,可为用户提供高速、安全、可靠的移动宽带服务。
    移动无线网关也可以与家居智能管理终端做成一体化结构,考虑到DSP芯片需要担负实时操作系统DSP/BIOS、输入输出信号处理、各种接口的协议转换、音视频的编解码、各个设备的驱动等诸多任务,实现无线网关功能的任务需要外加其它芯片,如此高的集成度可通过SOC(System On Chip)来实现。采用TI公司的DM6446芯片设计智能家居系统,虽然开发难度要大于使用DM642的方案,但系统的成本优势以及系统的完整性、可维护性都比后者要好。
    (7)系统还有实时时钟、键盘和触摸式LCD显示模块,用于客户设定系统数据、实时管理家居环境、上网查询和办理相关业务、查看设备的运行状态等。
    (8)看门狗电路,用以监控、保障整个家居智能管理终端的正常运转。
    (9)存储模块,由DM642自带的EMIF口扩展出来的ATA接口外挂大容量硬盘,可将本地的所有家居环境数据量备份,也可以用于Internet网络资源下载保存。
    (10)USB接口模块,通过搭建相关USB 2.0接口控制芯片与DM642的主机接口(HPI)相连接,实现家居智能管理终端与外部USB设备交互数据、系统运行的实时监控、系统软件动态调整[3]。
    4.2 智能家居管理终端的软件设计
    家居智能管理终端的操作系统采用可移植的源代码公开实时操作系统μC/OS-Ⅱ,它是一个基于优先级的、可固化、可裁剪、占先式实时操作系统,绝大部分源码是用ANSIC写,近年来发展迅速,不但在传统商业操作系统行业取得不少份额,而且在新兴的嵌入式操作系统领域也获得飞速发展,有专门针对TI公司的TMS320系列DSP的移植代码可用。网络协议层则使用TI公司为C6000芯片特设的TCP/IP NDK(Network Developer’s Kit)开发套件,移入精简的嵌入式TCP/IP协议,并在此基础上通过实现应用层的HTTP协议搭建嵌入式的Web Server,这样Internet上的终端就可以通过浏览器直接访问到智能家居系统,与智能家居系统进行交互。家居智能管理终端系统将使用TI公司为C6000系列DSP提供的CCS(Code Composer Studio)软件开发平台,集成了C编译器、C优化器、汇编器和连接器等工具,可以完成系统的各类驱动和应用软件的开发。
    智能家居管理终端的系统软件要完成各种相关数据的采集、分析、处理,根据参数所设的门限值,对越警信号发出告警信息,并向设定的远程终端上报,同时接受远程终端查询和控制命令,输出相应查询结果或执行本地、远端控制命令,系统软件总体框架如图3所示:
         该终端的系统软件主要包括以下几个部分:
    (1)对芯片的初始化和外围硬件的配置等工作;
    (2)通信部分:这部分包含两个内容,一个是DSP与各个设备、接口模块之间的通信,主要是协议的转换,另一个重要的通信就是与EDGE/TD-SCDMA/WLAN移动无线网关的通信;
    (3)中断服务程序;
    (4)人机接口程序。
    5 结束语
    本文探讨设计基于EDGE/TD-SCDMA/WLAN智能家居管理终端系统整体结构方案,以高速数字信号处理器DM642为核心,采用EDGE/TD-SCDMA/WLAN作为通信手段,可实现外部公网对家居内部的智能管理以及家居内部各异构网的互联互通智能管理,该系统具有可靠性高和实时性好的优点,有着很好的应用前景。
    国内无线城市的建设方兴未艾,各运营商在前期都有不少投入,提出了若干解决方案,中国移动完全可以凭借自身完善的EDGE/TD-SCDMA/WLAN移动通讯技术,利用Internet技术,通过加强与政府部门的通力合作尽快搭建完善无线城市的云和端,同时牵头制定相关行业标准抢占行业制高点,避免在移动互联网时代沦为“哑通道”,谋求企业的后续创新发展。
    参考文献:
    [1] 工业和信息化部. 物联网“十二五”发展规划[S]. 北京: 工业和信息化部, 2011.
    [2] TEXAS INSTRUMENTS. SPRS200N. TMS320DM642 Video/Imaging Fixed-Point Digital Signal Processor[Z]. Jul. 2002,6-29.
    [3] 左炜,王殊. DSP的HPI与主机USB通信的实现方法[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2005(5): 37-39.
    [4] Park, Wan-Ki Choi, Chang-Sic Han, et al. Design and Implementation of ZigBee based URC Applicable to Legacy Home Appliances[C]. Consumer Electronics 2007. ISCE 2007. IEEE International Symposium. June 2007.
    [5] 刘钊江,郑红,吴兴华,等. 基于TI C6000系列DSP的网络开发研究[J]. 仪器仪表用户, 2010,17(3): 60-62.★
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