基于CMS復(fù)合總線智慧物聯(lián)家居系統(tǒng)設(shè)計

王驍舟，曹儀民，朱靜宜

（1.杭州巨安科技有限公司，浙江 杭州 311201；2.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311231）

0 引 言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及人民生活水平的提高，住宅的概念不再是一個“遮風(fēng)擋雨”的地方，人們開始對住宅的功能、質(zhì)量提出了更高的要求。智能家居系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更多的按照主人的生活方式來服務(wù)主人，創(chuàng)造一個更舒適、更健康、更環(huán)保、更節(jié)能、更人性化的綠色居住環(huán)境，因此逐漸受到大眾喜愛，智能住宅成為現(xiàn)代化住宅的發(fā)展趨勢。

根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《中國智能家居設(shè)備行業(yè)市場前瞻與投資策略規(guī)劃報告》統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2017年全球智能家居市場規(guī)模為357億美元，2018—2023年間的復(fù)合年均增長率[1]為26.9%，預(yù)計到2023年將達(dá)到1 506億美元。在中國市場，2016年中國智能家居市場規(guī)模已達(dá)2 608.5億元，2017年中國智能家居市場規(guī)模[2]達(dá)到3 342.3億元，同比增長24.8%。

隨著5G和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，促使了智慧物聯(lián)家居行業(yè)的快速發(fā)展。因此，本文在現(xiàn)有智慧物聯(lián)家居的基礎(chǔ)上，將進一步實現(xiàn)智能家居的智慧化、平臺化、生態(tài)化，對人們的居家生活，包含起居、飲食、采光、照明、家電、安全、娛樂等一系列產(chǎn)品與服務(wù)起到積極的作用。

1 目前智能家居系統(tǒng)存在的問題

2017年11月26日，中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳聯(lián)合印發(fā)《推進互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第六版（IPv6）規(guī)模部署行動計劃》（簡稱《行動計劃》），為部署IPv6提供了行動指南；2018年5月，工信部發(fā)布《關(guān)于貫徹落實的通知》，提出落地IPv6的詳細(xì)措施：2018—2025年，實現(xiàn)我國IPv6網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、用戶規(guī)模和流量規(guī)模位居世界第一，網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用、終端全面支持IPv6，全面完成向下一代互聯(lián)網(wǎng)的平滑演進升級，同時形成全球領(lǐng)先的下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系。隨著IPv6與5G技術(shù)的飛速發(fā)展與落地，為智能家居行業(yè)打下了堅實的基礎(chǔ)[4]。但是現(xiàn)有的智能家居存在以下問題：

（1）由于國內(nèi)電磁環(huán)境復(fù)雜、建筑信號屏蔽作用強，因此無線系統(tǒng)跨房間覆蓋存在信號衰減大、輻射大并且容易受干擾，穩(wěn)定性差、功耗大、安全性低。

（2）以KNX、RS 485為代表的有線系統(tǒng)，布線復(fù)雜、施工周期長、造價高，需要額外的布線穿管。

（3）舊小區(qū)由于成本和環(huán)境的限制不適合重新布線，最好利用已有線路實現(xiàn)升級。

（4）多個運營商互相競爭接入，標(biāo)準(zhǔn)不同，網(wǎng)絡(luò)覆蓋、數(shù)字電視以及智能家居無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和接口，重復(fù)施工，設(shè)備冗余。

目前采用ZigBee、WiFi、藍(lán)牙等無線方式較多；采用成熟的RS 485工業(yè)總線的方式也較為普遍，但真正與傳統(tǒng)弱電相結(jié)合的整體方案尚屬空白。本文面向新一代物聯(lián)網(wǎng)的基于IPv6的同軸復(fù)合信號傳輸控制技術(shù)，在原有同軸線綜合解決網(wǎng)絡(luò)WiFi覆蓋、有線電視和智能家居控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)矫總€房間，在房間內(nèi)可方便地通過局部無線或零火線控制到終端設(shè)備，既具有無線系統(tǒng)的無布線優(yōu)勢和靈活性，又具有有線系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，升級成本低。

2 智慧物聯(lián)家居系統(tǒng)的總體設(shè)計

基于CMS復(fù)合總線構(gòu)建了一個集互聯(lián)網(wǎng)接入、IPTV/VOD承載和智能家居控制為一體的、高帶寬的、高可靠的多元家庭網(wǎng)絡(luò)，作為多個業(yè)務(wù)共同的傳輸總線，其核心是在多元傳輸和控制總線上進行業(yè)務(wù)區(qū)分和高效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

2.1 系統(tǒng)主體架構(gòu)

智能家居系統(tǒng)框架如圖1所示。該系統(tǒng)由智能主機、路由器、區(qū)域網(wǎng)關(guān)、執(zhí)行設(shè)備、傳感器設(shè)備、無線遙控器設(shè)備、PC工具、手機客戶端等組成。

圖1 智能家居系統(tǒng)框架圖

系統(tǒng)上電后，區(qū)域網(wǎng)關(guān)通過UDP廣播方式自動獲取主機IP地址及端口，然后通過摩根加密算法及協(xié)議與主機建立TCP通信，系統(tǒng)內(nèi)的總線設(shè)備采用摩根自主研發(fā)的退避算法，通過總線將設(shè)備信息注冊到網(wǎng)關(guān)，接著由網(wǎng)關(guān)將設(shè)備信息發(fā)送到主機，由主機統(tǒng)一對系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備進行管理。通過手機APP和主機進行鏈接，獲取系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備信息，修改設(shè)備名稱和所屬房間，添加場景、定時器、傳感器邏輯條件及遙控器配置，并且將上述添加的場景、定時器、傳感器邏輯條件及遙控器配置保存至系統(tǒng)主機和網(wǎng)關(guān)。配置完成后，可以通過手機APP控制系統(tǒng)設(shè)備、場景，可以通過遙控器、智能面板控制系統(tǒng)的設(shè)備和場景，也可以通過傳感器自動控制系統(tǒng)設(shè)備和場景。

2.2 面向IPv6的同軸綜合傳輸技術(shù)

該智能家居系統(tǒng)由智能主機、千兆路由器、復(fù)合調(diào)制轉(zhuǎn)換器、分控器面板、智能家居網(wǎng)關(guān)、遙控器、面板及總線產(chǎn)品組成，如圖2所示。分控器面板和復(fù)合調(diào)制轉(zhuǎn)換器內(nèi)部具有調(diào)制和解調(diào)功能，系統(tǒng)上電后，分控器面板利用實用信道的不同頻帶寬度，可以加載不同信號的原理，將注冊數(shù)據(jù)放入特定的頻段，通過同軸將注冊數(shù)據(jù)發(fā)送至復(fù)合調(diào)制轉(zhuǎn)換器，復(fù)合調(diào)制轉(zhuǎn)換器解調(diào)分控器面板的注冊數(shù)據(jù)。然后將調(diào)制后的數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)主機或者第三方主機，建立智能主機或第三方主機和分控器面板的通信。通過智能家居主機控制系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備時，主機將數(shù)據(jù)發(fā)送到復(fù)合調(diào)制轉(zhuǎn)換器，通過同軸線發(fā)送至分控器面板，分控器面板解調(diào)復(fù)合調(diào)制轉(zhuǎn)換器的控制數(shù)據(jù)，發(fā)送給智能家居網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)收到數(shù)據(jù)后通過無線或者有線方式將控制數(shù)據(jù)發(fā)送至執(zhí)行設(shè)備。

圖2 MEIC總線三網(wǎng)合一系統(tǒng)框架

3 智慧物聯(lián)家居系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計

基于RS 485協(xié)議的自研總線系統(tǒng)，完善的通信協(xié)議保證數(shù)據(jù)幀的無沖突傳輸。復(fù)合總線智能家居系統(tǒng)集成了住宅設(shè)備控制與環(huán)境、安防監(jiān)控，提供了全方位信息交互功能。系統(tǒng)集照明、窗簾、電視、空調(diào)等智能家電設(shè)備控制、環(huán)境與安防監(jiān)控等強大功能于一體，構(gòu)建了管控有利、布線簡潔、綠色節(jié)能、擴展性強的智慧系統(tǒng)，也為用戶提供了舒適、便捷的居住環(huán)境。

從結(jié)構(gòu)上考察，現(xiàn)有的智能家居控制系統(tǒng)本質(zhì)上屬于室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，具備承載帶寬的能力，如圖3所示，可以更加清晰直觀地從結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)其承載網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)洹Ｔ谶@個網(wǎng)絡(luò)中，以太網(wǎng)交換機和WiFi接入點（AP）充當(dāng)了室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的主干，中控主機和分控主機、微網(wǎng)關(guān)作為兩大類的終端設(shè)備，并且這兩類設(shè)備與一般意義上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并無實質(zhì)差異，可以將其視為一個標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。這個室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的主干帶寬一般為100 Mb/s的水平，其中以太網(wǎng)交換機具備千兆上聯(lián)的能力，并可經(jīng)濟地提供8到12/16個100 Base的下聯(lián)帶寬，以及WiFi AP普遍采用IEEE 802.11 b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，也可經(jīng)濟地提供最大150 Mb/s的帶寬。

圖3 室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

由于以太網(wǎng)交換機的連接能力強，因此使用1臺以太網(wǎng)交換機和 8個WiFi AP，按照每一個WiFi AP的實用信號覆蓋尺寸為半徑10 m的球狀的話，則可覆蓋包括中等別墅在內(nèi)的較寬廣范圍的住宅。

但現(xiàn)有智能家居系統(tǒng)只用來傳輸控制信號，從上述簡單分析看，這不免是一種浪費。本文是根據(jù)現(xiàn)有的智能家居控制系統(tǒng)的功能單一性而提出?？紤]到住宅的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，除去智能家居控制系統(tǒng)的部署以外，互聯(lián)網(wǎng)接入和IPTV兩項業(yè)務(wù)則更為剛需。

4 結(jié) 語

利用同軸傳輸所有信號，采用統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議，將使得各種以IP為基礎(chǔ)的業(yè)務(wù)都能在不同的網(wǎng)上實現(xiàn)互通。利用此技術(shù)設(shè)計一套具有一定的前瞻性，戶內(nèi)三網(wǎng)合一與智能家居系統(tǒng)融合的方案，是深化智能家居在家裝方面的一次有力探索，可大大降低智能家居的安裝及維護成本，也可大大推進智能家居系統(tǒng)的產(chǎn)品落地。