智能家電互聯(lián)技術(shù)的研究與應(yīng)用

劉 佳

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系，山西太原030006)

隨著智能控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)的飛速發(fā)展，使得信息家電IA(Information Application)、計(jì)算機(jī)、通信一體化的趨勢日見明顯，家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。顧客對家電產(chǎn)品的要求也越來越高，家電智能化、網(wǎng)絡(luò)化成了一種趨勢。即家電不需要人來控制，人的工作只是設(shè)定一系列的目標(biāo)函數(shù)和目標(biāo)參數(shù)以及作息時(shí)間等，其他的工作由家電的微電腦通過一定的計(jì)算方法和控制方法來實(shí)現(xiàn)，例如，智能空調(diào)可以根據(jù)不同的季節(jié)、氣候及用戶所在地域，自動調(diào)整其工作狀態(tài)以達(dá)到最佳效果，在滿足人們需要的前提下盡量實(shí)現(xiàn)節(jié)能。家庭內(nèi)的大部分電氣設(shè)備可以通過一定的方式連入網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備的遠(yuǎn)程控制與自動控制。家庭網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)了家庭內(nèi)部信息與外部信息的交換，為人們提供各種各樣、個(gè)性化、方便、舒適、安全和高效的服務(wù)［1］，所以有著很大的潛在市場?，F(xiàn)在我國的智能家電正處在試探階段，還有待進(jìn)一步研究與開發(fā)。家電產(chǎn)品的節(jié)能、降耗、健康、環(huán)保、舒適等目標(biāo)，通過家電智能化、網(wǎng)絡(luò)化可以更容易實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)使用過程的節(jié)能性。作為家電企業(yè)，對家電開展節(jié)能技術(shù)、智能技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的研究應(yīng)用，將對我國家電行業(yè)整體升級，保持競爭優(yōu)勢具有重要的作用。

本文的目的在于解決家電互聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)，從而提高我省家電企業(yè)產(chǎn)品智能化、網(wǎng)絡(luò)化水平，降低家庭能耗，滿足家電的節(jié)能、環(huán)保、舒適、方便的要求，增強(qiáng)我省家電企業(yè)產(chǎn)品的市場競爭力。

1 智能家電網(wǎng)絡(luò)

智能家電，即“有感覺、能思考、善交流、會學(xué)習(xí)”的家電。智能家電是微處理器和計(jì)算機(jī)技術(shù)引入家電設(shè)備后形成的家電產(chǎn)品，具有自動監(jiān)測自身故障、自動測量、自動控制、自動調(diào)節(jié)與遠(yuǎn)方控制中心通信功能的家電設(shè)備。例如，炎熱的夏天下班前發(fā)個(gè)短信命令，家中的空調(diào)便開始工作;睡覺時(shí)空調(diào)能感知主人溫度而自動調(diào)節(jié)氣溫，從而免去因吹空調(diào)而感冒的后顧之憂;洗衣機(jī)能實(shí)現(xiàn)精確洗滌時(shí)間、精確用水量、精確烘干時(shí)間，高效而節(jié)能［2］，因而節(jié)能和環(huán)保也成為智能家電發(fā)展的一個(gè)趨勢。智能家電網(wǎng)絡(luò)包括智能家電網(wǎng)關(guān)、外部網(wǎng)和局部網(wǎng)，家電，安防設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)智能家電互聯(lián)的關(guān)鍵在于家庭網(wǎng)關(guān)的開發(fā)與應(yīng)用。在家庭信息化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系中，家庭與互聯(lián)網(wǎng)的連接需要一個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)中央控制器(家庭網(wǎng)關(guān))。家庭網(wǎng)關(guān)對外與Internet網(wǎng)絡(luò)連結(jié)，對內(nèi)通過家庭內(nèi)部局域網(wǎng)將家電互聯(lián)互通進(jìn)行集中控制與管理，如圖1所示。家庭網(wǎng)關(guān)作為智能家電網(wǎng)絡(luò)化的核心設(shè)備，管理或控制家中家電的網(wǎng)絡(luò)訪問。

圖1 Internet與家電網(wǎng)絡(luò)連接

未來的智能家電主要將向三個(gè)方向發(fā)展:智能化、自適應(yīng)化和網(wǎng)絡(luò)化。智能化是家電設(shè)備盡最大可能的模擬很多種人的思維或者活動的功能;自適應(yīng)是家電設(shè)備根據(jù)自己狀態(tài)和外界環(huán)境自動適應(yīng)工作方式和過程的能力，因此，這種能力使得家電設(shè)備在其使用過程中都處于最有效率、最省能源狀態(tài);網(wǎng)絡(luò)化是建立家電設(shè)備社會的一種形式［3］，網(wǎng)絡(luò)化的家電設(shè)備可以由用戶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理控制，在家電設(shè)備之間也可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

2 嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)

2.1 嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)簡介

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，一般用于實(shí)現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。網(wǎng)關(guān)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通向其它網(wǎng)絡(luò)的IP地址。典型的家庭網(wǎng)關(guān)融合了ADSL接入功能和LAN側(cè)無線接入功能，并具有路由器、集線器和調(diào)制解調(diào)器的功能。為實(shí)現(xiàn)每種家電設(shè)備都能與外界信息進(jìn)行交換，就有必要將嵌入式系統(tǒng)與家庭網(wǎng)關(guān)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)一個(gè)嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)它。它可使電視機(jī)，冰箱等嵌入式家電設(shè)備通過家庭網(wǎng)關(guān)與Internet連接，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)家電網(wǎng)絡(luò)。

嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)是位于現(xiàn)代家庭內(nèi)部的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它的作用是使家庭用戶連接到Internet，使位于家庭中的多種智能設(shè)備相互之間實(shí)現(xiàn)通信，或者使這些智能設(shè)備都能夠連接到Internet的服務(wù)。從技術(shù)角度說，嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)在家庭內(nèi)部以及內(nèi)部到外部實(shí)現(xiàn)橋接/路由、協(xié)議轉(zhuǎn)換、地址管理和轉(zhuǎn)換，承擔(dān)防火墻的職責(zé)等。

2.2 嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)功能

由于嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)是家庭內(nèi)網(wǎng)絡(luò)與外部互聯(lián)網(wǎng)連接的橋梁，具有很重要的地位。嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)所能提供的功能將直接影響智能家電的使用、控制及管理。一個(gè)好的嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)該使家庭內(nèi)外信息能夠安全高效地交換，應(yīng)具備以下的基本功能特點(diǎn):

(1)共享信息:通過家庭網(wǎng)關(guān)，能使住宅用戶獲得各種家庭服務(wù)。例如接收電子郵件、瀏覽各種網(wǎng)上信息和訂閱各種報(bào)紙與期刊等;

(2)智能管理:它將管理家庭內(nèi)的通訊家電設(shè)備的運(yùn)行，使家庭內(nèi)部的多個(gè)PC及其它信息設(shè)備有效地共享寬帶接入［4］，以保證家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行正常;

(3)自動運(yùn)行:能夠把家庭內(nèi)部的所有家電設(shè)備都連接到網(wǎng)絡(luò)上，通過相關(guān)管理控制軟件，可以實(shí)現(xiàn)對家電設(shè)備的管理監(jiān)測和故障診斷等。如果有故障發(fā)生，家庭管理控制系統(tǒng)會有相應(yīng)的提示，向家庭主人發(fā)出信號;

(4)節(jié)能安全:通過網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，可以遠(yuǎn)程管理控制家庭內(nèi)家電設(shè)備的運(yùn)行，提高家電的使用效率;同時(shí)能夠在家庭里安裝各類檢測報(bào)警裝置來管理控制家庭的安全，消防等。如家中安裝煤氣檢測報(bào)警器，如果有煤氣泄露時(shí)，當(dāng)氣體報(bào)警器檢測到氣體濃度達(dá)到爆炸或中毒報(bào)警器設(shè)置的臨界點(diǎn)時(shí)，煤氣檢測報(bào)警器就會發(fā)出報(bào)警信號，有效防止發(fā)生爆炸、火災(zāi)、中毒事故;

(5)操作簡單:因?yàn)樵摼W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是在大部分用戶中使用的，考慮到用戶各方面的差異，因此該系統(tǒng)的操作要簡單、方便、可靠，大部分人都會使用;

(6)防火墻:網(wǎng)絡(luò)安全一直是需要重點(diǎn)考慮的問題。嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)具備一定的防網(wǎng)絡(luò)攻擊能力，為家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)相對安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

2.3 嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)

嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)是通過嵌入式操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，所以它同樣具有嵌入式系統(tǒng)應(yīng)有的特點(diǎn)，因此我們可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的不同來配置不同的嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)。嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)不僅僅具有普通家庭網(wǎng)關(guān)的功能，還具有防火墻和通信中信息加密功能。防火墻可避免外接網(wǎng)絡(luò)對家庭內(nèi)部設(shè)備的非法訪問和攻擊;加密這種較強(qiáng)有力的手段，能為數(shù)據(jù)提供保密性、真實(shí)性、完整性和限制性訪問。

3 基于嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)家電互聯(lián)系統(tǒng)

本文介紹的基于嵌入式網(wǎng)關(guān)的家電互聯(lián)技術(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖2所示，嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)硬件平臺是以ARM9微處理器為中心的，外部通過LAN接入互聯(lián)網(wǎng)，家庭內(nèi)的家電設(shè)備通過家庭內(nèi)部無線局域網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)家電設(shè)備管理控制。這樣用戶通過PC機(jī)就可以對家電設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的查詢和控制，在本地也可以通過家庭內(nèi)的手持控制終端進(jìn)行家電設(shè)備的管理控制。

系統(tǒng)主要采用直接接入的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，從器件的家庭設(shè)備組成多個(gè)星形網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對家庭內(nèi)設(shè)備的本地和遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)控制。硬件平臺由嵌入式主機(jī)網(wǎng)關(guān)、微處理器、無線通信控制模塊、外圍設(shè)備，HUB等組成。HUB一個(gè)多端口的轉(zhuǎn)發(fā)器，當(dāng)以HUB為中心設(shè)備時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中某條線路產(chǎn)生了故障，并不影響其它線路的工作，它可以給用戶提供多種接入網(wǎng)絡(luò)方式，如撥號、寬帶網(wǎng)等，無線通信模塊通過串行通信實(shí)現(xiàn)與多個(gè)網(wǎng)絡(luò)家電控制器的連接。由于嵌入式Linux操作系統(tǒng)是源代碼開放的、可裁減的、內(nèi)核小但很穩(wěn)定的一種能處理復(fù)雜任務(wù)的軟件平臺系統(tǒng)，所以應(yīng)用網(wǎng)關(guān)的操作系統(tǒng)擬選用嵌入式Linux系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 家電網(wǎng)絡(luò)通信控制流程

(1)注冊家庭網(wǎng)關(guān):用戶通過嵌入式Web服務(wù)器網(wǎng)頁登錄嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)后，先進(jìn)行家庭網(wǎng)關(guān)注冊。

(2)發(fā)送控制信息:注冊成功后將家電控制信息提交到家庭網(wǎng)關(guān)，同時(shí)將家電控制信息轉(zhuǎn)化成家電控制指令，然后嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序?qū)⒓译娫O(shè)備控制指令按照通信協(xié)議打包，通過無線模塊發(fā)送給家電設(shè)備。

(3)接收控制指令并執(zhí)行:家電設(shè)備接收到控制幀后，根據(jù)上述協(xié)議幀格式將信息幀進(jìn)行解包，提取幀類型、有效控制指令和相關(guān)的有效信息，對家電設(shè)備進(jìn)行設(shè)置及相應(yīng)操作。

(4)回送當(dāng)前狀態(tài)信息:操作完成后按照上述格式將設(shè)置后的家電設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)按上述狀態(tài)幀的格式打包，發(fā)送給嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)。

(5)接收新指令并執(zhí)行，通信結(jié)束:嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)收到家電設(shè)備發(fā)送的狀態(tài)幀后，發(fā)送確認(rèn)幀給家電設(shè)備，然后根據(jù)不同的狀態(tài)幀，再調(diào)用相應(yīng)的家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序進(jìn)行處理。如果嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)在規(guī)定的時(shí)間里(300 ms)沒有收到狀態(tài)幀［5］，則會重新發(fā)送三次此控制幀給家電設(shè)備。當(dāng)家電設(shè)備收到嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)出的確認(rèn)幀后結(jié)束此次通信。如果家電設(shè)備沒有收到確認(rèn)幀，會繼續(xù)發(fā)送三次此狀態(tài)幀后結(jié)束。如果嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)收不到家電設(shè)備發(fā)來的狀態(tài)幀，嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)會向用戶報(bào)告設(shè)置失敗，結(jié)束通信。

5 結(jié)束語

信息技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)化的不斷發(fā)展，使家電正朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化的方向演進(jìn)，不斷的滿足著人們對于娛樂、信息、舒適、便捷、自由的追求，智能家電互聯(lián)互通及遠(yuǎn)程控制正是適應(yīng)這一趨勢的產(chǎn)物。本系統(tǒng)將嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)相結(jié)合，使智能家電互聯(lián)更加方便可靠。

［1］常東來，江億.智能家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［C］.2000年中國博士后學(xué)術(shù)大會論文集.2001:47－52.

［2］鐘順欽.家電步入智能化時(shí)代［N］.江蘇經(jīng)濟(jì)報(bào)，2011－01－10.

［3］王斌，蘭勇，劉學(xué)鵬.網(wǎng)絡(luò)家電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和展望［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2006(7):1 －5.

［4］薛宏全，廖建明.MC68VZ328的智能家庭網(wǎng)關(guān)的解決方案［J］.應(yīng)用天地，2004(4):59.

［5］Rose B.Home Networks:A Standards Perspective［J］.Communications Magazine，IEEE，2001，39(12):78 －85.