基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)研究

翟冠杰

（深圳市賽元微電子有限公司，廣東深圳，518000）

1 多協(xié)議多平臺(tái)智能家居系統(tǒng)

1.1 多協(xié)議適配

考慮到當(dāng)前的家庭聯(lián)網(wǎng)技術(shù)尚未形成統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，如果根據(jù)現(xiàn)有的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，必須處理跨平臺(tái)之間的通信問題，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。為了解決這一問題，當(dāng)前有學(xué)者提出了使用中間件的方式來實(shí)現(xiàn)頂層應(yīng)用和底層硬件之間的兼容性，從而達(dá)到跨平臺(tái)底層融合的目的，但這種中間件必須依賴于某一類技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，只有各廠家系統(tǒng)均遵守該標(biāo)準(zhǔn)，才能完成跨設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。顯然，這是治標(biāo)不治本的臨時(shí)解決方案。

為了更根本地解決問題，本文提出了一種其于多協(xié)議適配的軟總線解決方案，在上層應(yīng)用和底層硬件之間增加了一層通用接口與協(xié)議適配層，通信時(shí)根據(jù)不同的底層硬件接口標(biāo)準(zhǔn)與上層應(yīng)用進(jìn)行適配。在本方案中，上層應(yīng)用接口已被完全抽象出來，把底層硬件接口與上層應(yīng)用相分離，使接口之間的適配更加簡(jiǎn)便。為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用接入，本文對(duì)Net接口進(jìn)行了再定義。具體實(shí)現(xiàn)過程如下。

（1）上層應(yīng)用接口。應(yīng)用程序通過上層應(yīng)用接口進(jìn)行原子數(shù)據(jù)交換，但僅限于原語操作，從而實(shí)現(xiàn)接口功能的剝離，相應(yīng)的接口交給應(yīng)用程序來完成，控制單元只需要對(duì)指令進(jìn)行傳遞，而不用對(duì)其進(jìn)行解析，減少硬件復(fù)雜程度和數(shù)據(jù)處理壓力。

（2）底層硬件接口。硬件接口位于整個(gè)總線體系的底層，所有硬件接口都可以在底層實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接，通過各自的驅(qū)動(dòng)程序與適配層進(jìn)行對(duì)接，并通過原子操作實(shí)現(xiàn)硬件的輸入輸出。所有其它接口均以虛擬硬件接口的形式被抽象出來。

（3）創(chuàng)建Net接口。Net接口是實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)應(yīng)用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制提供了可能，改變了傳統(tǒng)的以短信提醒為主流的遠(yuǎn)程監(jiān)控體系。通過軟件總線的應(yīng)用，可以虛擬出一個(gè)滿足移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)通信的標(biāo)準(zhǔn)接口，并在此完成TCP/IP協(xié)議的封裝，通過Socket套接字完成與遠(yuǎn)端的通信。

1.2 多平臺(tái)架構(gòu)

圖1 多協(xié)議多平臺(tái)智能家居系統(tǒng)架構(gòu)

多平臺(tái)智能家居系統(tǒng)架構(gòu)是充分利用了家庭聯(lián)網(wǎng)軟總線技術(shù)對(duì)核心控制單元的支持功能，以及短距離低速率無線通信技術(shù)對(duì)多標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)的集成支持，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

該架構(gòu)在核心在于軟總線上的應(yīng)用接口設(shè)計(jì)，它為應(yīng)用層提供更加豐富多彩的自定義接口功能，以滿足各類移動(dòng)設(shè)備和家庭計(jì)算機(jī)對(duì)家居設(shè)備的統(tǒng)一控制需求。而軟件總線的硬件層則通過多協(xié)議的應(yīng)用使各類來自不同廠家、具有不同通信協(xié)議和通信要求的家居設(shè)備可以統(tǒng)一接入，通過家庭現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和短距離無線通信與控制中心相連，從而實(shí)現(xiàn)了多平臺(tái)的異構(gòu)聯(lián)網(wǎng)。其中面向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)通信的Net接口使得智能家居系統(tǒng)能夠直接與家庭寬帶網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，無需由網(wǎng)關(guān)設(shè)備的中轉(zhuǎn)來完成，達(dá)到了智能家居通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)直接與智能家居設(shè)備互連的目的。這種架構(gòu)對(duì)于智能家居的分布式智能遠(yuǎn)程控制有著很大的優(yōu)勢(shì)，能夠大大提高用戶接口的利用率和數(shù)據(jù)傳輸效率，減少實(shí)施成本，提高用戶體驗(yàn)，對(duì)于所有的智能家居系統(tǒng)都具有較好的適用性。

2 基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)

2.1 組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)以家庭聯(lián)網(wǎng)軟總線技術(shù)為基礎(chǔ)通信平臺(tái)，以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為核心通信體系，構(gòu)建了一套簡(jiǎn)潔而高效的智能家居體系結(jié)構(gòu)，使遠(yuǎn)程控制、多媒體應(yīng)用、智能識(shí)別等智能服務(wù)的質(zhì)量得到提升。系統(tǒng)組網(wǎng)方案如圖2所示。

圖2 基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)以基于賽元ARM內(nèi)核MCU的嵌入式系統(tǒng)為主控核心，負(fù)責(zé)統(tǒng)一協(xié)調(diào)其它各模塊的工作。配套模塊包括通信單元、感知單元、顯示單元、執(zhí)行單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元等。主控核心模塊與智能設(shè)備之間的通信支持多種通信方式，本文采用了通用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，并且對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)和無線射頻等短距離無線通信技術(shù)具有天然的兼容特性，成為智能家居系統(tǒng)構(gòu)建的最佳選擇。當(dāng)智能家居設(shè)備與賽元ARM內(nèi)核MCU主控模塊的通信協(xié)議相同時(shí)，可以直接通過現(xiàn)場(chǎng)總線接口進(jìn)行通信；如果兩者之間的通信協(xié)議不同，則需要通過多協(xié)議軟總線接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)通信介質(zhì)可以采用紅外、射頻、有線等方案。家庭控制網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換需要經(jīng)過家庭寬帶的中轉(zhuǎn)，也可以通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)直接與互聯(lián)網(wǎng)相連，其通信方法非常靈活。系統(tǒng)中可以安裝臺(tái)式計(jì)算機(jī)、移動(dòng)終端等各種用戶終端設(shè)備，通過軟總線和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2. 2 主控單元設(shè)計(jì)

主控單元作為整個(gè)系統(tǒng)的心臟，負(fù)責(zé)對(duì)所有子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制，是智能家居系統(tǒng)的指揮模塊。主控單元采用了基于賽元ARM內(nèi)核MCU的嵌入式系統(tǒng)，對(duì)多種通信接口都具有較好的兼容性，通過內(nèi)核移植和軟總線模塊完成整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，系統(tǒng)的人機(jī)交互采用了TFT液晶和觸摸屏。主控單元與終端設(shè)備之間通過Net接口進(jìn)行數(shù)據(jù)透?jìng)?，基于移?dòng)互聯(lián)網(wǎng)和不硬件協(xié)議完成 各模塊之間以及模塊與主控單元之間的通信，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在檢測(cè)到異常情況后向主控單元發(fā)出信號(hào)，由主控單元通過GSM接口向移動(dòng)終端攝像頭報(bào)警短信。

2.3 從控單元設(shè)計(jì)

從控單元受到主控單元的統(tǒng)一指揮，由各種智能家居設(shè)備通過家庭網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)而成，例如家庭安防系統(tǒng)、智能家電設(shè)備、智能電表等等，它們通過x-10、ZigBee、紅外、無線射頻等不同的通信方式與主控單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)了溫濕度檢測(cè)、空調(diào)智能控制、人體熱釋電檢測(cè)、安防監(jiān)控、燈光控制、自動(dòng)窗簾、火災(zāi)檢測(cè)與消防報(bào)警等眾多智能化服務(wù)。從控單元在主控單元的協(xié)調(diào)下成為整個(gè)智能家居系統(tǒng)的重要組成部分。