嵌入式智能家庭网关的研究与研究设计.docx
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嵌入式智能家庭网关的研究与研究设计
嵌入式智能家庭网关的研究与设计
家庭网络接入Internet目前主要通过PC机接入Internet和采用嵌入式产品通过以太网控制器接入Internet两种方式。
前者优点是明显的，如灵活性、大量现有的可用的软件环境和高级的用户接口及软件工具。
但是对于智能家庭网络来说，网络的使用者希望能方便快捷地获得服务，所需熟悉的操作要尽可能地少，并且在任何地方都能对家中设备进行监控。
而PC不能随意移动，对设备的控制就会受到局限。
因此，目前在智能家庭网络中，网关产品的设计主要采用嵌入式系统。
一个智能家庭网关可以看成是一个信息处理系统，组成系统的各单元就是连接在网络各节点的设备。
控制平台一方面辅助不具备信息化条件的设备实现信息化，即提供信息处理的能力。
另一方面又提供统一的信息交换接口及控制规则，从而实现从内部家庭网络到Internet信息的互通。
目前实现信息管理和协议转换的方式有两种:
一种是:
浏览器+WEBServer+CGI技术。
另一种是:
监控软件十应用服务器+现场总线驱动技术[1]。
以浏览器+WEBServer+CGI为主的技术手段只能获取单个家庭网络中的节点信息。
而以监控软件+应用服务器十现场总线驱动为主的技术手段却可以同时获取多个家庭网络的节点信息，有助于实现多个家庭网络的同类节点的实时监控[2]（如上网流量监控）。
近几年来国内许多高校和一些知名企业所研制的智能家庭网络系统的协议转换主要以:
浏览器+WEBServer+CGI技术为主，有应用范围的局限性。
鉴于现有网关产品的种种缺陷，本文主要致力于:
以监控软件+应用服务器+现场总线驱动技术为核心技术，而浏览器+WEBServer+CGI为辅助技术设计并实现家庭网关。
图1网络控制系统模型
1总体设计分析
1.1智能家庭网关的设计要求
家庭网关类似于一个庞大的计算机系统，所有的家庭设备都连接在上面，受它的集中控制。
总体而言，网关要起到三个功能：
1）Internet接入功能，包括路由、NAT（地址转换）等等。
2）家庭网络中各种不同通信协议之间的转换，以及家庭网络系统与TCP/IP协议之间的转换。
3）运行家电管理软件，将使用不同通信协议的家用电器都接入到家庭网络中，并统一管理起来。
可以看出，网关是家庭网络中的物理上和逻辑上的核心。
1.2家庭网关网络控制模型分析
根据系统的体系结构将家庭网关抽象为站点[3]，将家庭内部的被控对象（智能电冰箱、智能微波炉等等）抽象为节点。
其网络控制模型如图1所示。
站点:
站点是通过Internet访问家庭内部网络的驿站，它可以将来自互联网络的各种信息通过协议转换的方法传递到家庭内部网络，同时提取家庭内部网络的各种信息增加TCP/IP协议报头、报尾使之可以在广域网甚至Internet上发布并向远端监控机传递，使远端监控机可以对其控制，而具备此项功能的站点我们通常称其为家庭网关。
节点：
节点负责对单个家用电器实施控制使其按照使用者的要求正常运行，同时以特定的通讯协议将本地信息传送到家庭网关或者接收来自家庭网关的指令以改变现在的运行状况。
所以可以把它理解为以单片机为核心的智能家用电器，由于不同的家用电器要连接到同一个网关上，要使它们相互连接又互不影响，采用现场总线是个很好的办法，所以节点还应该支持现场总线协议。
2硬件结构
根据前面的分析，可以确定硬件系统应具备的功能特征，图2给出了智能家庭网关的硬件结构。
图2系统硬件结构
为保证家庭网关的实用性和可扩展性，网关平台需要选用高性能的微处理器，廉价的8位处理器己经无法满足设计的要求，考虑到以后系统的升级以及32位处理器的价格不断下降，设计中决定采用32位的MPU（S3C2410）[4]作为整个系统的核心。
由于网关要实现服务器的功能，因而需要文件系统的支持，同时需要操作系统来支持多任务，这些都决定了硬件平台中需要有扩展的SDRAM和Flash（或者EEPROM）等存储芯片。
Flash中存储操作系统和文件系统，系统启动后将复制到SDRAM中运行。
通用I/O接口的设计，用于完成外部信号的接入。
为完成与外部信号线的连接，MPU需要支持一定数量的通用I/O口。
家庭网关要实现与Internet的连接，需要有相应的连接模块。
Ethernet模块就是为了完成与外部网络的物理连接。
同时，家庭网关还要连接内部轻量级网络[5]（家庭网络中一般使用485.232等轻量级网络互联）。
一般这些网络都可以通过UART口与网关相连。
而家庭网关的一些控制或调试信息也需要通过UART口输出到宿主机的虚拟平台。
JTAG接口用于实现MPU中程序的实时监控，绝大多数的32位MCU都支持JTAG格式的在线调试功能。
X10系统[6]与网关的接口是整个家庭网络控制方面至关重要的一个接口。
网关通过一个普通I/0口进行过零点信号检测，通过另一个普通I/O口向电力线载波系统发出控制命令，最后达到控制大多数家电的目的（照明，空调，热水器等等）。
目前所实现的控制是单向的，由于控制命令数据量少，而受控电器的状态数据可以根据控制命令进行判断，所以这种控制在目前是可以满足使用要求的。
3软件设计
家庭网关是为家庭智能网络服务的，由于家庭网络本身的复杂性（网络种类多，终端种类多等），嵌入式网关的软件设计也要考虑诸多因素。
图3是软件设计体系结构。
图3软件体系结构
该系统是一个三层系统，不同层次协同工作，各层之间通过不同的协议进行信息交互。
为了适应复杂的网络环境，该系统采用了以监控软件+应用服务器+现场总线为主，以浏览器+WEBServer+CGI为辅的双技术体系。
该3层系统中客户子系统用来运行提供用户接口和前端处理的应用程序（即浏览器和监控软件）。
中间层子系统的宿主既是家庭网关，它包括应用服务器和Web服务器用于发布信息和数据及指令的传达，另外它还包含数据库服务器提供可供客户机使用的各种资源和服务。
现场控制系统是最终执行控制指令、实现控制目标和性能指标的执行机构。
在本文的三层软件体系结构中，发出数据库查询的应用可以驻留在数据库以外的任何机器上，客户子系统不论处于何地，只要能够通过网络与数据库服务器进行通讯，就可以发出查询并检索结果。
如果在家庭网络内部进行查询，仅仅从本地数据库中进行检索并返回结果即可。
如果在家庭网络外部进行查询那么必须通过虚拟数据库，找到目标站点及节点，由虚拟数据库发送传送参数指令，现场控制系统接到指令后进行检索，并返回查询结果给虚拟数据库最后显示在用户监控界面中。
当用户发出控制指令时，无论是在家庭网络内部还是外部，控制指令都可以通过不同的网络协议可靠地到达被控对象并完成相应的操作，最后把执行结果（成功或者失败）返回给指令的发出者。
在一般的C/S概念中，客户端是廉价的个人PC，服务器是价格昂贵、功能强大的专用Server。
但对于本系统来讲，嵌入式家庭网关是应用服务器和Web服务器的宿主，而嵌入式系统本身资源有限，所以在事物处理时不应将过多的任务分配给服务器，避免因服务器负担过重而使整个网络性能下降，要充分发挥客户端计算机的作用，合理分配网络资源，提高数据处理的效率。
4结语
本文首次将监控软件+应用服务器+现场总线以及浏览器+WEBServer+CGI两种技术融合到智能家庭网关产品中，较好的解决了传统产品的缺陷。
通过本系统在实际家庭智能网络中的运行表明，该系统达到了设计初期的各项要求,能够通过Internet实时控制系统中的智能家电并精确的获取家电状态信息。
相信在未来的信息家电、智能小区[7]等领域嵌入式智能家庭网关将得到广泛的应用。
家庭智能化系统设计技术
新加坡宝路新科技股份有限公司李林
1.家庭智能化系统技术及功能要求
根据新加坡宝路公司提出的现代家居智能化系统技术应用与设计要求，提出以下具体家庭智能化技术应用和智能化功能的要求：
1.1家庭智能化系统设计要求
（1）根据提供的住宅平面图，设计一套家庭智能化集成系统。
要求能够达到建设部制定的三星级标准，以及“家庭智能化功能表”要求的智能化功能及配置要求。
（2）家庭智能化系统设计（要求能够与智能主干网、总控制室联网，直接在Web上实现各种智能控制和数据交换），提出具体的设计方案。
（3）完成住宅内部综合布线图。
（4）提供详细的设备选型清单及报价。
（5）负责全部住宅内部智能设备的安装和调试。
1.2家庭智能化功能表
1、安防功能要求：
－8个防区－报警逻辑判断－报警联动－断线报警－记录查询－无线撤布防－语音提示－布防探测器检测及状态提示－备用电源和欠压报警－IC卡门禁/可钥匙开门2、家电控制功能要求：
－8个控制点－远程控制/电话控制－远程控制/网络浏览器控制－本地控制/电气开关控制－本..
[目录]
1. 家庭智能化系统技术及功能要求
1.1 家庭智能化系统设计要求
1.2 家庭智能化功能表
2.家庭智能化系统设计概述
2.1系统设计原则
2.2家庭智能化系统功能设计目标
3、家庭智能化功能说明
3.1 家庭安防功能说明
3.2 家庭自动化功能说明
3.3 可视对讲功能说明
3.4 四表数据采集与显示功能说明
3.5 信息显示与家庭留言功能说明
4、家庭智能化系统设备配置说明
4.1 8XE家庭智能单元主机配置
4.2 8防区报警监控
4.3家电控制+8路设备运行状态反馈
4.4 抄表
4.5 家庭留言板与小区信息广播
4.6 8XE客厅控制面板配置
4.7客厅控制面板显示及操控功能
4.8 8XE主人房控制面板配置（连线型）
4.9主人房控制面板显示及操控功能
4.10 8XE主人房控制面板配置（无线WebPAD/可选）
4.11 无线遥控按钮
4.12 网络接口
4.13电话接口
5、家庭智能化系统软硬件配置
5.1系统软件配置（包括小区物业管理及监控报警中心部分）
5.2系统硬件配置（包括物业管理中心及监控报警中心部分）
[原文]
1. 家庭智能化系统技术及功能要求
根据新加坡宝路公司提出的现代家居智能化系统技术应用与设计要求，提出以下具体家庭智能化技术应用和智能化功能的要求：
1.1 家庭智能化系统设计要求
（1） 根据提供的住宅平面图，设计一套家庭智能化集成系统。
要求能够达到建设部制定的三星级标准，以及“家庭智能化功能表”要求的智能化功能及配置要求。
（2） 家庭智能化系统设计（要求能够与智能主干网、总控制室联网，直接在Web上实现各种智能控制和数据交换），提出具体的设计方案。
（3） 完成住宅内部综合布线图。
（4） 提供详细的设备选型清单及报价。
（5） 负责全部住宅内部智能设备的安装和调试。
...
2.家庭智能化系统设计概述
根据家庭智能化系统功能的要求。
家庭智能化系统设计应包括以下设计原则和功能设计目标：
2.1系统设计原则：
－ 满足建设部三星级智能化功能和“家庭智能化功能表”中的功能要求；
－ 采用目前国际上先进的控制网络与信息网络综合技术；
－ 采用系统集成技术；
－ 实现网络化家庭安全及自动化监控功能；
－ 系统设计先进，选型产品成熟可靠；
－ 选型系统产品价格合理，满足中上等消费水平家庭的承受能力；
2.2家庭智能化系统功能设计目标
（1）系统集成设计：
－ 将可视对讲显示和操控信息显示集成在同一个操作显示控制面板上；
－ 通过一体化的硬件设计，将家庭安防、家庭自动化控制、可视对讲、三表数据采集、信息发布
与留言五大功能集成在统一的家庭智能化显示和操作平台上。
......
家居智能化技术和功能要求
1家居智能化的总体要求
样板房按照《全国住宅居住区智能化系统示范工程建设要点与技术导则》（试行稿）的要求，达到三星级智能化小区的标准。
2智能家居产品要求
2.1．总体要求
Ø供应商提供的产品必须具备相应的产品生产许可证、质量认证以及安全认证，对于没有上述证书的产品将不予以采纳。
Ø产品必须具有简体中文操作界面。
Ø所提供的产品造型美观大方，适合高档家庭使用。
Ø系统调试安装方便容易，对于甲方提出的合理的技术及集成要求必须给予积极配合。
Ø家居控制中心可以联网，对内提供RS485接口。
Ø具备良好的性价比。
Ø有比较详细的操作说明手册。
2.2．安防产品功能要求
Ø联网简单、可靠：
采用LAN作为安防或控制信号传输通道。
Ø8个防区,可扩展至无限个控制点：
设备可以分区布防并提供被动红外探测、门磁、窗磁、煤气探测、烟感、温感、紧急按钮等接口，其中紧急按钮、煤气、烟感、温感为24小时防区。
Ø各个防区之间具备逻辑判断功能：
防区之间提供逻辑判断功能，有效的降低误报次数，要求可以根据实际的室内探测器的安装情况进行方便的配置。
Ø报警产生后，可以联动某些家电产生动作：
在发生报警时，除了提供警铃、警灯工作的信号外，还必须提供继电器输出信号触发相关的家电（比如灯光）产生动作，具体联动的设备可由用户配置。
Ø具备断线保护功能：
安防报警主设备具有端口状态检测功能，当探测器或通信线路发生故障时，可以向家居控制中心提供断线报警。
Ø具备记录查询功能：
自动记录并保存报警记录，供住户查询。
Ø提供多种布防和撤防方式：
提供无线布防和撤防功能，提供远程通过网络和电话的布防和撤防功能，提供远程手机短消息撤布防功能。
Ø远程手机短消息报警和网络报警。
Ø远程手机短消息报警记录查询和本地报警记录查询。
Ø报警声光响应。
Ø布防探测器检测及状态提示，布防时主机自动检测探测器状态并具备控制器状态提示功能。
通过网络、电话、手机等远程布防时也必须提供图形、语音、短消息等的形式的探测器状态提示功能。
Ø提供备用电源和欠压报警功能。
2.3．家电控制产品功能要求
Ø8个控制点,可扩展至无限个控制点。
具体要控制的设备包括：
家庭内每个房间及厅的空调均能纳入智能控制，但只需控制其开关（控制信号为红外信号）；控制客厅1个双轨电动窗帘纳入智能控制；控制厨房内的一个电源；控制客厅的吊灯（1个开关点）。
Ø家电的控制提供多种形式：
对于同一个家电，提供远程控制、本地控制等多种方式。
Ø远程控制功能：
远程控制包括电话、网络、手机短消控制等多种方式。
Ø远程通过网络浏览器控制。
家庭主机内建WEBSERVER及TCP/IP模块,直接连接TCP/IP网络,全系统10M高速运作,不须网关或电脑
Ø本地提供多种控制方式：
本地可以提供通过开关、无线遥控等控制灯（继电器信号）、空调（红外信号）等家电。
Ø本地控制支持无线PAD，但是不必建立外部网络。
Ø红外端口数量要满足6个红外设备（包括4台空调，2个电动窗帘）的基本需求，即至少要有12条红外指令，并且系统支持红外学习功能，红外学习满足一次学会，操作简单。
Ø具备设备分组控制功能：
提供设备分组功能，对于同一个组里的设备可以通过一个动作完成对所有设备的操作。
分组必须简单、灵活。
Ø提供时间和程序控制功能：
可以通过预编程设置家电的工作模式，比如白天/黑夜模式等，家电根据编程情况工作。
Ø提供声音或文字操作提示功能。
2.4．可视对讲产品功能需求
Ø可视对讲功能
²来访者与住户通话
²来访者与管理员通话
²管理员与住户通话
²住户与管理员通话
²来访者、住户、管理员三方通话，均双向保密
²户内可以安装多台分机，分机之间可以实现对讲
Ø可视功能
²户内机可监视门口情况
²管理中心可以监视监视每个门口情况。
（一次监视一个门口）
²当门口机呼叫管理中心时，管理中心显示门口机的图象
Ø遥控开锁功能
²住户确认来访者后，通过室内机按键遥控开锁；
²管理员可以通过管理机遥控开启各个楼栋的门口电锁
²提供多种开锁功能
Ø门口机的需求
²提供IC卡开门、密码开门、管理中心遥控开门、住户遥控开门等多种开门形式
²具备可视门铃功能：
提供的系统必须包含住户门口可视门铃
Ø提供备用电源和欠压报警功能。
Ø提供的电控锁必须可靠，当门未关闭好或长时间（时间长短可以设置）未关闭时，要能通过门口机给管理中心提供报警信号。
Ø管理中心要能查看每个门的开关情况。
ØIC开门要能和小区的一卡通系统共用同一张卡。
Ø可视屏幕为彩色LCD，显示面积不少于5.6英寸。
Ø对于可视对讲子系统，特别是彩色LCD显示屏的寿命，必须提供至少15年的质量保证。
2.5．四表远程抄送
Ø可通过网络和家庭控制器查看表具读数及上月的读数和费用记录。
Ø通过家庭控制器、PDA、互连网等查看表具读数。
Ø必须具备表具的防剪切报警或故障报警功能。
Ø已取得有关公用事业部门的认证（包括系统对表具的读数等的认可）。
Ø提供备用电源和欠压报警功能。
Ø系统对表具读数的精度要求：
误差＜1‰。
2.6．住户信息功能
Ø具备信息发布功能。
Ø管理中心可以向用户发布短信息，并在信息到达后向住户提供声光或图形提示。
Ø住户通过互连网，远程发送留言至家中智能控制面板显示。
Ø住户通过手机短消息，远程发送留言至家中智能控制面板显示。
Ø通过键盘中文输入，发送短信息至监控中心功能。
Ø通过键盘中文输入，发送短信息至手机。
Ø住户可以通过网络远程读取家庭主机的信息。
Ø信息可以是语音或文字显示的方式。
2.7．产品性能需求
Ø操作简单，适合老人小孩使用。
Ø操作界面友好，显示清晰。
Ø安防产品必须可靠，误报警率小于千分之一，对于因非人为因素产生的误报警，必须要有过滤措施。
家电控制产品必须安全。
2.8．手机短消息功能
Ø手机短消息接收报警。
Ø手机短消息报警记录查询。
Ø远程手机短消息撤布防及紧急求助报警。
Ø通过手机短消息远程发送留言至家中智能控制面板显示。
Ø通过键盘中文输入发送短信息至手机短消息。
3家庭智能控制中心要求
Ø每户具备一个家庭智能控制中心，分客厅控制、主人房控制两大部分。
其中要求客厅控制部分固定在进门墙面上，主人房控制部分是可移动式，采用遥控方式。
Ø控制器状态图像及文字提示。
Ø客厅控制部分功能包括：
2.1～2.6功能。
Ø主人房智能键盘控制面板（无线式）功能包括：
2.1、2.2、2.3、2.5、2.6功能。
Ø可连接无线网络PDA控制功能包括：
2.1、2.2、2.3、2.5、2.6功能。
Ø中文8字X4行LCD液晶屏,可以显示8X64之图像。
Ø控制面板按键采用轻触式或触摸屏系统。
Ø直接连接TCP/IP网络,全系统10M高速运作,不须网关或电脑。
Ø家庭主页功能，家庭控制中心提供家庭主页，住户要能编辑该页面。
并且可以通过管理中心被动下载新页面。
Ø控制面板具有安全密码设定功能，一般状态（适合工人、客人使用）具有智能控制基本功能，加密状态（主人使用）具有全部系统功能，使用加密状态必须通过密码验证。
4户内有线电视接入
4.1信息点包括：
每个房间（包括工人房）、厨房、主人房卫生间、客厅、饭厅各一个。
（具体见表一）
4.2有线电视2线入户，其中1线加接1进6出放大器，引入除客厅和主人房外的其它各室；另外1线，接2分配器（由省有线台提供）引入客厅和书房。
5户内宽带网接入
5.1计算机信息点包括：
每个房间（工人房除外）和客厅各一个。
（具体见表一）
5.21根超五类双绞线入户，接入布线箱8口10MHUB，引入各室。
6户内电话接入
6.1电话信息点包括：
每个房间（含工人房）、厨房、主人房卫生间、客厅各一个。
（具体见表一）
6.21根超五类双绞线入户，接入布线箱1进8出小总机，引入各室。
7智能布线箱
7.1．智能布线箱采用入墙式安装（墙立面暗装），使用金属材料或阻燃材料，箱门带锁销机构；
7.2．箱内带有网络集线器、电话小总机、理线器、有线电视分线器；
7.3．箱内器材需按模块形式分布，并有明确的标示措施。
8实现集成方面的功能需求
8.1．提供集成软件数据接口。
必须满足集成商提出的集成方面的接口要求，或根据集成商的要求提供数据库接口或接口函数等。
8.2．有责任协助集成商完成家居智能化系统的集成。
8.3．通过管理中心的管理软件要能实现报警确认，并实现报警信息的自动复位。
当住户报警信息到达管理中心后，由值班保安人员确认，电脑自动记录确认数据，然后报警自动复位，但仍保持报警识别，直至保安人员处理解决问题后手动解除报警识别。
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