智能家居系統(tǒng)在遠(yuǎn)程命令控制下的數(shù)據(jù)分遞及硬件支持

侯繼強(qiáng) 柴功昊

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，智能家居越來(lái)越多地出現(xiàn)在人們的生活中，給人們帶來(lái)了極大的便利。通過(guò)遠(yuǎn)程遙控就能完成電器開(kāi)關(guān)、家庭安防、環(huán)境監(jiān)控等一系列操作。文章從遠(yuǎn)程命令控制的角度出發(fā)，細(xì)化討論實(shí)現(xiàn)命令的數(shù)據(jù)流及合理的硬件支持。

關(guān)鍵詞：智能家居系統(tǒng)；數(shù)據(jù)流；硬件支持

1 智能家居系統(tǒng)的定義及主要模式

智能家居系統(tǒng)是以住宅為平臺(tái)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家中的各種設(shè)備連接到一起，實(shí)現(xiàn)智能化的一種生態(tài)系統(tǒng)。智能家居系統(tǒng)利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。

（1）中央控制模式主要是通過(guò)一個(gè)中央微處理機(jī)來(lái)接收其他電子電器的信息，再將這些信息反饋給用戶。而用戶也需要通過(guò)中央微處理機(jī)發(fā)出指令來(lái)操控其他電子電器。早期的中央控制模式通過(guò)整體線網(wǎng)連接所用的電子電器，不具備遠(yuǎn)程命令的功能。當(dāng)中央微處理機(jī)PC端接入因特網(wǎng)后，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。隨著無(wú)線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，成本高，效率低，不易升級(jí)改造的中央控制模式逐漸被替代，它將作為家庭網(wǎng)絡(luò)中的控制部分在智能家居中發(fā)揮作用。

（2）智能家電模式是在家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上發(fā)展起來(lái)的。數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的信息家電取代原有的傳統(tǒng)家電，每一個(gè)智能家電都是一個(gè)獨(dú)立的具有網(wǎng)絡(luò)連接功能的單元，同時(shí)可以和用戶雙向交互。帶有嵌入式處理器的智能家電具有一定的信息處理能力，收集的信息可以匯總到控制中心，也可以直接發(fā)送給用戶。去中心化的結(jié)構(gòu)減少了電器之間信息交換的環(huán)節(jié)，同時(shí)提高了系統(tǒng)整體的健壯性，即使控制中心出現(xiàn)故障，每個(gè)單元都保留著用戶的信息，整個(gè)系統(tǒng)依然可以運(yùn)轉(zhuǎn)。模塊化的布局更方便升級(jí)遷移，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 智能家居系統(tǒng)的子系統(tǒng)及主流技術(shù)

智能家居系統(tǒng)包含的主要子系統(tǒng)有：中央控制管理系統(tǒng)、家居照明系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、家居布線系統(tǒng)、背景音樂(lè)系統(tǒng)、家庭影院多媒體系統(tǒng)、家庭環(huán)境控制系統(tǒng)。

（1）總線技術(shù)是智能家居系統(tǒng)中主流的有線網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)。典型的總線技術(shù)采用雙絞線總線結(jié)構(gòu)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以從總線上獲得供電，同時(shí)通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間無(wú)極性、無(wú)拓?fù)溥壿嬒拗频幕ミB和通信?？偩€技術(shù)類產(chǎn)品比較適合于樓宇智能化以及小區(qū)智能化等大范圍控制，但安裝比較復(fù)雜，成本較高，工期較長(zhǎng)。

①RS-485是一種采用半雙工通信方式的長(zhǎng)距離串行總線，用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)線。單條通道的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為32，傳輸距離較近，可靠性較差，傳輸速率低，但其電氣電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，易于維護(hù)。

②CAN總線技術(shù)通過(guò)對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼代替了傳統(tǒng)的站地址編碼，可使不同節(jié)點(diǎn)同時(shí)收到相同數(shù)據(jù)，這一功能支持分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[1]。CAN總線與RS-485具有相同的缺陷，不能連接樹(shù)狀總線，只能作為大系統(tǒng)的分支連線。

③LongWorks總線技術(shù)采用ISO/OSI七層模型的通信協(xié)議和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過(guò)分布式的Neuron神經(jīng)元芯片從而實(shí)現(xiàn)無(wú)須主控的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)神經(jīng)元，這些神經(jīng)元連接到一起就能協(xié)同工作。

（2）在智能家居系統(tǒng)中應(yīng)用的無(wú)線通信技術(shù)，其本質(zhì)和有線技術(shù)一樣，只是傳遞數(shù)據(jù)的媒介不同。無(wú)線技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需重新布線，安裝方便靈活，而且可以根據(jù)需求隨時(shí)擴(kuò)展或改裝。隨著新的無(wú)線技術(shù)的快速發(fā)展，原來(lái)制約著無(wú)線技術(shù)的頻段干擾問(wèn)題，信號(hào)阻隔問(wèn)題，設(shè)備功耗問(wèn)題都得到極大的改善，使得無(wú)線技術(shù)的適用環(huán)境更為廣泛。

①ZigBee技術(shù)是一種低復(fù)雜度、低成本、能夠長(zhǎng)時(shí)間工作的雙向無(wú)線通信技術(shù)，具有強(qiáng)大的自組網(wǎng)功能。應(yīng)用于近距離、低功耗、低傳輸?shù)碾娮釉O(shè)備數(shù)據(jù)傳輸之中以及周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)、低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)的傳輸。

②Z-Wave技術(shù)是一種基于射頻技術(shù)采用無(wú)線網(wǎng)狀互聯(lián)的多點(diǎn)通信技術(shù)，因此，任何節(jié)點(diǎn)都能直接或間接地和通信范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)通信，其信號(hào)的有效范圍是室內(nèi)30 m，室外超過(guò)100 m，比ZigBee的傳輸距離更遠(yuǎn)。

③WiFi是基于無(wú)線局域網(wǎng)的一個(gè)通常在2.4 GHz ISM頻段上工作的技術(shù)。通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)外接一個(gè)無(wú)線路由器，就可以把有線信號(hào)轉(zhuǎn)換成WiFi信號(hào)。其網(wǎng)絡(luò)的安全性一般，設(shè)備的功耗高。

3 遠(yuǎn)程命令控制下各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分遞及硬件支持

（1）中央控制管理系統(tǒng)是智能家居系統(tǒng)的核心?，F(xiàn)在越來(lái)越多的信息處理需求使得中控系統(tǒng)不僅要集成下級(jí)系統(tǒng)的管理模塊，還要作為智能家居服務(wù)體系的前端，一方面接受云端數(shù)據(jù)庫(kù)的支持，一方面接受用戶的指令。當(dāng)用戶發(fā)出遠(yuǎn)程命令時(shí)，無(wú)論是通過(guò)移動(dòng)端還是PC端，有線連接還是無(wú)線連接，都是中控系統(tǒng)先接收命令再將命令發(fā)送給具體的功能模塊。如果用戶只想命令某個(gè)部件而不經(jīng)過(guò)中控，需要該部件具備信號(hào)調(diào)制解調(diào)和網(wǎng)絡(luò)地址選擇的功能模塊，這樣做有些得不償失。因?yàn)樵谥悄芗揖臃?wù)體系中，遠(yuǎn)程命令的目標(biāo)地址是由服務(wù)商在本地局域網(wǎng)里根據(jù)中控機(jī)分配的，也就是說(shuō)用戶的遠(yuǎn)程命令一定會(huì)經(jīng)過(guò)中控再發(fā)送給目標(biāo)。

現(xiàn)在智能家電的智能程度越來(lái)越高，能夠不依靠中控通過(guò)電器之間的互相連接，互相識(shí)別協(xié)同工作，一方面提高了安全性，一方面降低了安全性。提高了中控系統(tǒng)故障時(shí)，整體依然能保持工作狀態(tài)的穩(wěn)定安全性，但卻降低了智能家居系統(tǒng)的信息安全性。因?yàn)橹悄芑膮f(xié)同工作必然要求各電器之間可以互相識(shí)別，就需要儲(chǔ)存相應(yīng)的識(shí)別信息。如果某個(gè)部件的信息泄露，可能會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成破壞。而中控可以將命令具體化，針對(duì)每個(gè)部件發(fā)出對(duì)應(yīng)的命令并接受部件的反饋，調(diào)節(jié)協(xié)同工作的操作過(guò)程。這樣既減少了智能電器需要儲(chǔ)存的識(shí)別信息，同時(shí)也減少了實(shí)現(xiàn)命令的策略信息。

基于上面這兩點(diǎn)，中控系統(tǒng)仍是智能家居系統(tǒng)不可缺少的部分。在家庭網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，中控系統(tǒng)控制管理其他子系統(tǒng)，為了在中控系統(tǒng)升級(jí)或維修時(shí)其他系統(tǒng)仍能工作，中控系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立出一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接模塊用于家庭網(wǎng)絡(luò)和云端服務(wù)器的連接。這樣服務(wù)器上備份的中控就可以代替家庭中控進(jìn)行工作，而用戶的遠(yuǎn)程命令則直接發(fā)送給云端服務(wù)器，經(jīng)過(guò)分析處理由獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)連接模塊傳輸給家庭網(wǎng)絡(luò)上的目標(biāo)。所以，一個(gè)合理的中央控制管理系統(tǒng)需要服務(wù)商的服務(wù)器，獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)連接模塊，家庭內(nèi)的可視化中控機(jī)，基于ARM的嵌入式微處理機(jī)并搭載了操作系統(tǒng)，方便用戶管理，進(jìn)行個(gè)性化設(shè)定[2]。

（2）從遠(yuǎn)程命令的實(shí)現(xiàn)來(lái)看，只有完成了家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和家居布線系統(tǒng)的構(gòu)建，才能組成完整的智能家居系統(tǒng)。這里的家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不能代表整個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)，只表示用于智能家居服務(wù)的有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。家居布線系統(tǒng)亦然，只是沒(méi)有無(wú)線的部分。這兩個(gè)系統(tǒng)可以合并討論，不管是新裝用戶還是改造用戶，良好的遠(yuǎn)程控制功能都是智能家居系統(tǒng)的合格標(biāo)準(zhǔn)。以中控系統(tǒng)為核心的總線技術(shù)減少了遠(yuǎn)程命令在室內(nèi)各電器間協(xié)同工作的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)，電器間發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)雙工通信的總線傳輸給對(duì)方，而不用像星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)那樣必須經(jīng)過(guò)中控[3]。

在家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中有線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系有這樣兩種情況：①入戶的網(wǎng)線首先連接中控機(jī)，再?gòu)目偩€接無(wú)線路由器，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基于有線并受到中控的控制。②入戶的網(wǎng)線首先連接無(wú)線路由器，再連接中控機(jī)，相當(dāng)于將整個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)分為獨(dú)立的兩個(gè)部分，即中控控制總線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線路由器控制無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然中控可以通過(guò)網(wǎng)線獲得無(wú)線路由器的信息，管理無(wú)線路由器，但此時(shí)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不基于中控總線，這為遠(yuǎn)程命令的實(shí)現(xiàn)提供了第二條路徑，即公共通信網(wǎng)絡(luò)—服務(wù)商局域網(wǎng)—家庭無(wú)線網(wǎng)。

（3）家居照明系統(tǒng)和家庭安防系統(tǒng)是智能家居系統(tǒng)的重要部分，缺少哪一個(gè)部分都不構(gòu)成智能家居系統(tǒng)。遠(yuǎn)程命令在照明系統(tǒng)中主要是生活用燈的開(kāi)關(guān)，包括智能燈的效果變化。用戶發(fā)出的命令經(jīng)過(guò)中控傳給照明系統(tǒng)的控制器，控制照明電路電流電壓變化。而操作結(jié)果是否完成則由控制器經(jīng)中控發(fā)送給用戶。雙向的數(shù)據(jù)通信是遠(yuǎn)程命令數(shù)據(jù)流的一般形式。安防系統(tǒng)同樣遵循雙向的數(shù)據(jù)通信，但其有特殊的要求，例如監(jiān)控系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定傳輸?shù)囊?，門禁系統(tǒng)密鑰生成的要求，防盜系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警的要求。

從其他系統(tǒng)中分離出來(lái)的照明系統(tǒng)由兩部分組成，一部分是智能燈具，可以識(shí)別中控命令自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)。一部分是電氣燈具，需要使用控制模塊進(jìn)行控制，現(xiàn)在主流的控制模塊大都是智能插座插排的形式。對(duì)整體電路進(jìn)行改造，集合控制權(quán)于中控的設(shè)計(jì)流行在無(wú)線技術(shù)不成熟時(shí)，現(xiàn)在智能化的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。安防系統(tǒng)按范圍劃分也有兩部分：公共區(qū)域的安防和私有區(qū)域的安防。對(duì)于私有安防之重的監(jiān)控系統(tǒng)是否要具備設(shè)備獨(dú)立性這個(gè)問(wèn)題，可以從實(shí)際出發(fā)解決。中控系統(tǒng)具有監(jiān)控模塊的功能，即儲(chǔ)存發(fā)送音視頻，只要連接有相應(yīng)的監(jiān)視器傳感器，用戶可以實(shí)時(shí)通過(guò)中控遠(yuǎn)程查看情況，就無(wú)須為監(jiān)控系統(tǒng)添加其他設(shè)備。真正要增加設(shè)備獨(dú)立性的是門禁系統(tǒng)，要做到用戶的遠(yuǎn)程命令可以直接發(fā)送給智能門，就需要門禁局域網(wǎng)和智能門的網(wǎng)絡(luò)模塊。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從遠(yuǎn)程命令控制的角度出發(fā)，討論了智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)命令的數(shù)據(jù)流程及合理的硬件支持。智能家居系統(tǒng)的發(fā)展?jié)摿薮螅绕涫菬o(wú)線技術(shù)的快速發(fā)展給通信方式帶來(lái)了新的變革。無(wú)論我們置身何處，都能輕松地了解家中的情況，改變電器的狀態(tài)。智能家電會(huì)越來(lái)越聰明，中央控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能會(huì)逐漸歸于這些智能家電，每一個(gè)智能家電都將集成數(shù)種功能。綜合化小型化是智能家電的發(fā)展方向，也是智能家居系統(tǒng)的發(fā)展方向。

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