嵌入式智能家居控制终端通信设计与实现

李云霞,李合菊,吴晓燕

(莱芜职业技术学院,271100）

1 嵌入式智能家居控制系统概述

嵌入式家居系统在通信标准上并没有达成一致条件，有些家居系统选择电力载波技术，而有的系统则选择综合布线技术。虽然通信标准存在差异，但是其信息传输都是以网络通信技术为载体，嵌入式智能家居系统的关键技术就是网络通信技术。

智能家居系统主要包括家电控制、安全防范、远程信息交互、照明等功能。智能家电控制系统主要以家庭常用的智能化电器为管理对象，例如自动窗帘、空调等设备。以往都要通过手动方式对室内温度进行调节，而智能化家居系统可以直接实现远程控制。由于用户处于睡眠状态时感知能力偏低，为了避免造成能源浪费，自动会在规定时间内自动调节为用户提前设置好的温度。安全防范系统安装的主要目的就是确保家庭的安全，当家庭发生危险时，安全防范系统能够自动通知小区物业，请求援助。

远程信息交互系统主要是通过网络信息技术可以实现对家庭设备的远程控制，了解室内的具体情况。除此之外，用户还能够实现和物业管理中心的直接联系，得知家庭的耗水、耗电情况。

照明系统具备调光与开关两种控制功能，调光控制的实现必须依靠控硅，控硅给用户随时调节室内光线提供了方便。开关控制的实现过程比较特殊，它需要以控制继电器为前提条件，达到控制室内开关的目的。照明系统对动作非常敏感，一旦它检测出用户即将进入室内时，系统便能够自动调节成提前设置好的灯光亮度开灯，若室内无人，灯会自动关闭。

2 嵌入式智能家居控制终端通信设计

2.1 系统结构设计的主要组成部分

智能家居控制终端系统包括灯光系统、安防系统等，它由副板与主控板两大部分组成，副板以接线端口为载体，实现与主板之间的相互连接。与副板相比，主控板涉及的内容更广，从电板强度上来看，它相对较弱。主控板主要包括复位电路、微处理器、RS-232接口、开关量输入等，开关量的输入按钮有紧急按钮与普通灯管按钮，输出的实现主要通过对继电器进行控制，从而达到控制室内电器设备的目的。系统设计的主要内容包括电源出路、以太网、输入输出、BDM调试、RS485、电源转换电路、调光模块等。其中电源转换电路原理非常简单，例如开关电源输出电压为6v，CPU工作电压显示为3.4v，利用三段稳压管可以实现CPU电压与开关源电压之间的相互转换。

2.2 调光模块设计

调光模块主要通过家庭网关设计而成，它是多种调光技术集合的体现，采用可控硅调光方法，能够满足用户对灯光调节的所有需求。调光模块包括两大部分，一是可控硅驱动电路；二是过零检测电路，这两种电路均位于副板上，过零测电路的主要目的就是对交流电过零点进行检测，系统在获取过零点之后，就会以获得的过零点为基准合理控制导通脚大小，以便于实现光线的调节功能。在系统运行过程中，交流器件电路极有可能出现二次穿击现象，通过过零检测电路能够起到一定的保护作用。在调节室内光线时，利用移相的调制方法使光持续可调。

2.3 通信电路的设计

通信方式主要有三种，分别是RS-485通信、RS-232及以太通信。以太网控制器电路不需要外扩，在电路设计上极为简单，成本也相对较低。RS-232通信的主要目的是调试软件，以串口为辅助工具，仔细观察软件的运行状态和变化情况。RS-485所带动的家庭仪器仪表设备非常多，由于室内的范围小，距离短，因此，室内与RS-485接口相连接的设备同控制终端的通信采用RS-485即可。RS485通信软件协议与其他通信软件一致，采用Modbus协议，用户可以自动义数据格式。

2.4 软件结构设计

现阶段，嵌入式智能系统的TCP/IP 协议栈基本上都是以BSD 版协议栈作为依据，经过改编之后而成。商业嵌入式协议栈由于价格过于昂贵，使用的人较少，一般而言，用户会选择免费的嵌入式协议栈。目前，免费的协议栈主要有NichLite、μC/IP(TCP/IP stack for μC/OS-II)协议栈等，NichLite协议栈具备高性能的特点，并且占用空间小，能够对协议的实践过程进行严格把关，把每种协议都能够转化为简单、独立的构建，以此确保软件的可重用性。它的存储容量在13KB以下，可以使系统的存储效率大大提升，并能够节约能量，降低使用成本。

3 嵌入式智能家居控制终端通信的实现

3.1 网际协议的实现

网际协议又称IP协议，是网络层中的重要组成部分，网络接口层可以把数据包传送至IP层，IP层可以将数据类型传送至TCP协议。不过IP数据包具有不可靠性，它没有对数据进行确认，也不会自动按照顺序传输。IP接受处理函数需要对接收到的数据包做出判断，辨别字段的有效性，若数据包中的任一字段匹配无效，则表明数据包存在失误，此时需要释放IP数据包。若数据包通过了首部检验，则以协议类型字段为依据，找出使用IPv6为TCP 协议的高层协议，并对处理程序进行调节。

3.2 传输层协议的实现

嵌入式智能家居控制终端通信设计的传输层协议为UDP协议，它是上层协议与IP协议的接口，UDP协议可以对在同一设备上运行的应用程序进行辨别。UPC首部由数据包长度、目标端口号、校验值、源端口号组成。

从它本身的定义上看，它主要是给计算机的通信协议提供相应数据，它属于IP下层协议，用户能够通过它建立协议机制，且无需保护复制与连接确认，其实现过程非常简单，所占内存空间较小。

3.3 控制报文协议的实现

控制报文协议是IP协议中的副本，也可以说它是IP协议中的子协议，它的主要功能就是传递控制消息，控制消息主要指IP主机、路由器、网络的运行状态，它不等同于数据传输，不过给数据传输提供了条件。

如果经IP协议检测后，辨别出接收到的数据包为控制报文协议，它会对数据包进行函数处理，函数处理工作比较复杂，主要包括字段类型的判断、报文的校验等。如果系统显示为回显请求，则答复也改为回显应答。

3.4 传输控制协议的实现

端与端间的数据交换主要依靠传输控制协议（TCP协议），应用层的字节流服务也由TCP协议提供。TCP报头的组成部分非常复杂，其组主要的组成部分是32位确认号与顺序号。顺序号是指源主机将数据发送至主机的数据排序，给主机提供正确序号的数据包，是数据传输的可靠性得到提升。主机对源主机的反馈信息称为确认号，它能够将数据包已经接收的消息告知主机。

3.5 转换通信协议

嵌入式智能家居控制终端通信系统需要监控与管理每个子设备，除此之外，它还要实现与后台的通信，因此，通信协议一般包括两个部分，一个是子设备与控制终端的通信协议，另一个是后台与控制终端的通信协议。

若用户需要对温控器进行远程控制，使用以太网能够将数据传输至控制终端，控制终端接收到数据后，便可以将其格式进行转换，并且解析里面的具体内容，将其输送至温控器。通过远程设置，用户能够了解到温控器的具体运行状态，若设备没有自带通信接口，用户同样可以将以太网作为载体，控制设备的运行状态。

4 结束语

随着社会经济的发展和生活质量的提升，人们享受生活的欲望越来越强烈，各种智能系统丰富了人们的生活，并且给大家提供了很多方便，例如嵌入式智能家居控制系统就是如此，它是科技力量进步的体现，且有利于促进了我国智能家居市场的健康发展。智能家居系统的结构设计非常复杂，软件结构、通信电路及调光模块都是其中的重点设计内容，通过这各特别的智能软件，人们能够实现对家居电器设备的远程调控，家庭内、外部的网络环境也能够相互交替。家居控制终端系统是实现过程同样十分繁琐，本文首先对嵌入式控制家居智能系统做了一个简单的介绍，然后着重分析了系统的设计与实现方法，有利于帮助大家更透彻地了解智能家居系统。这类系统还可以进行进一步优化，例如引入无线网模块、强化系统的集成模式等。

[1]谭涛，徐晓辉，黄晓亮等.基于Arm-Linux的嵌入式智能家居控制系统的设计[J].电子设计工程,2011(2)

[2]巩元鹏.基于XMPP协议的智能家居远程控制系统研究设计[D].中国海洋大学,2012

[3]何海波.基于嵌入式Linux智能家居系统关键技术研究[D].安徽理工大学：电路与系统,2012