楼宇信息系统的应用与发展

    楼宇信息系统简称BIS系统(Building Information System)是指安装在住宅小区、单元楼、写字楼等建筑或建筑群,用图像和语音来识别来访客人,用各种前端传感器采集,控制数据和安防信息,进行各种智能控制,控制门锁及遇到紧急情况向管理中心发送求助信号和各种自动控制信息,管理中心亦可以与住户进行语音、数据指令或文字信息沟通的由统一总线平台或同一网络平台联接而成的设备集成。以可视对讲系统为基础平台,包含了安防报警系统、监控制录像系统、家电、灯光控制等家居自动化系统、家庭信息系统、家庭娱乐系统、物业管理信息系统(见图1)。由各种门口主机、住户终端机、中间传输切换器及管理中心等设备种类组成。
    楼宇信息系统因其产品发展的历史原因和产品技术的特点,已涵盖了可视对讲、单纯对讲、住宅报警、IC卡门禁、短信息发布、家电控制、视频监控和周界联动、安防信息管理等用途或领域,并且楼宇信息系统目前仍处于产品整合和技术高速发展的阶段。
楼宇信息系统与单元防盗门、住户防盗门、物业管理处结合起来为住户、访客的出入提供了便捷、安全、文明、舒适、智能的生活方式,同时为物业管理处提供了集中、快捷、有效的管理和控制平台,提高了信息管理的效率,降低了不良事件或案件的发生率。


楼宇信息系统定义及子系统相互关系

一、 楼宇信息系统的现状与应用
    楼宇信息系统是由楼宇对讲及楼宇控制发展而来,单纯对讲系统发展较早,在70年代末已在我国局部地区应用。独户型可视对讲、单元楼可视对讲系统在80年代后期进入中国大陆。1993年深圳视得安公司研制出国内第一套黑白可视对讲产品,标志着可视对讲系统的国产化拉开了序幕。随后在广东、福建等地先后也出现了一些厂家开始生产对讲系统产品。
    经过十年的发展,对讲系统类型有独户型、别墅型、低层系统、多层系统、高层系统、对讲系统、可视对讲系统,对讲可视混装系统、多功能可视对讲系统,彩色可视对讲系统、联网系统、大型联网系统等。由于中国大陆住宅产业和物业管理的高速发展,极大的推动了楼宇信息系统的研发,无论是产品还是技术都得到了快速提升。由于国内厂家紧跟国内市场的需求特点,不断推陈出新,已将可视对讲系统发展为集安防、家居智能、多媒体信息网络为一体的楼宇信息系统。将原本相对于国外厂家起步较晚的产品,短短十年间挤走了历史悠久的国外产品或迫使国外产品反过来研究中国市场,学习中国产品。
1、 产品现状与应用:
    门口机的种类有围墙门机、单元门机、住户门机,有可视、非可视之分,可视有彩色CCD、黑白CCD之分,从户数容量来说有直呼式、编码式之分。现在中高档的产品一般有LCD中文操作菜单提示,大容量密码开锁功能,IC卡门禁开锁及管理功能,产品的操作更趋向于人性化、智能化。
室内终端机的种类有可视、非可视之分,可视有黑白CRT显示和彩色LCD显示之分,有普通可视对讲和多功能报警可视对讲之分。此外一般还集成了紧急报警、信息提取功能。高档产品还采用触摸屏菜单操作、家电控制、图像存储以及个性化的和弦铃声选择等,个别产品甚至还集成了自动抄表模块和家庭信息模块,产品已明显趋向于家庭智能终端的角色,不再是传统的可视对讲产品。
管理机一般具有监视单元门,呼叫住户,接受室内机呼叫或警情,布撤防信息。与电脑联接后能进行信息发布、各种通信和报警的分析统计,在使用上一般采用电子地图直观显示各种住宅布局信息。有些软件可以做到监控录像、系统诊断、远程通信、远程控制等,并且可以作为一个信息共享平台集成抄表、CCTV监控、周界防范、物业报修、家庭多媒体信息、家庭娱乐等其它子系统。
2、技术现状:
    楼宇信息系统所涉及的电子技术面较广,从传统的摸拟技术到先进的数字技术;从普通的电平控制到现代的CPU控制、电脑控制及网络通讯技术均有应用。
    门口主机主要采用的技术有:CCD摄像技术、红外线补光摄像技术,音频处理及传输技术,CPU控制、通讯技术,文字编译及显示技术等。
室内终端分机主要采用的技术有:音频处理及传输技术,视频显示技术、CPU控制编解码及通讯技术、图象处理及存储技术、触摸屏控制技术、文字视频叠加技术、无线接收技术、TFT-LCD显示技术。
    传输器材主要采用的技术有:CPU控制编解码及通讯技术、自定义编码技术、RS485通讯技术、在大型联网中已有深圳视得安公司率先推出的音视频数字压缩解压技术和TCP/IP宽带通讯技术、光纤通讯传输技术。随着物业管理要求的发展和小区建设的规模化发展,在大型小区联网中模拟音视频传输技术和RS485通讯技术将很快由数字音视频光纤传输技术和TCP/IP通讯技术所取代。
前端聚集设备主要采用的技术有:红外传感器技术、烟雾感应器技术、瓦斯传器技术、温度、位移、压力、流量、湿度等传感器技术。

二、楼宇信息系统的发展
    楼宇信息系统一方受人们追求安全、便捷、舒适、智能的住宅建设的需求所推动;另一方面受数字宽带网络通讯这一主流技术的带动,楼宇信息系统无论是在产品设计还是在技术应用上均处于高速发展过程中。
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(一)技术发展趋势
1. 数字化:
    系统在传输过程中,音视频信号和各种传感器采集的信号由模拟技术向数字技术发展。数字技术的芯片价格下降。音视频数字化后的压缩、解压由软件解压逐步向硬件解压过渡。MFEG4为压缩、解压主流格式。


楼宇信息系统设备及网络示意图

2. 网络化:
    随着数字音视频的应用,IP网络成为系统联网的主要方式,并由局域网向INTERNET发展,实现远程信息调用,远程控制和远程维护。目前为模拟网络与数字网络并存的局面。
3. 集成化:
    由于数字技术标准的全球化、跨行业化,得以在系统传输中与其它安防系统融合集成在同一信息平台进行传输。由最初的电脑管理端集成向传输集成发展,并最终实现用户终端集成。
4. 智能化:
    在数字技术的应用层面实现自动数据处理,信息共享,系统联动,自动诊断。

(二)产品发展趋势
1. 中间传输设备减少:
    由于数字技术的应用,TCP/IP协议逐步取代RS485、CAN、脉冲编解码等控制信号的传输格式。中间传输的转换设备和中继设备消失。
2. 终端设备技术含量提升:
A、终端设备在系统传输数字化后出现终端设备的数字化,模拟器件使用量减少,数字IC使用量增加,体积变小、变薄。
B、终端设备集成度提高:由1-2种子系统功能发展到家庭智能控制终端。将家庭安防功能与家居智能,家居信息化直接融合。 
C、多种人性化操作界面:由于许多实用的子系统功能增加,使操作变得复杂。则中文菜单,触摸屏,手写输入,语音提示等用户操作技术逐步推广。
D、黑白图像显示成低档产品,彩色图像显示成中高档产品的基本配置。并由4寸屏向较大屏幕发展目前以5寸5.6寸为主流,智能终端产品向7寸8寸及更大屏幕发展。
E、将出现移动终端,由于系统IP网络的传输技术应用,系统在管理中心,用户终端与INTERNET接入,将出现与手机、PDA、手提电脑等设备的信息共享。
3.产品外观由介于民用与工业设备之间的角色,逐步过渡到家居装饰,个性化角色。而传输设备则过渡到工业控制领域的标准设备角色。
    随着电子、通信领域的技术发展,适合中国住宅小区建设和管理需求的楼宇信息系统已经在可视对讲基础上,融合信息家电、智能控制、计算机网络等技术走出了一条中国特色的产业之路,其技术与产品已走到世界同类产品的前列。在各地信息化建设的推动下,楼宇信息系统也必将得到更加快速的发展,为建设和谐社会创造有利条件。

文章来源:深圳市视得安罗格朗电子股份有限公司

基于ZigBee技术的无线抄表系统设计

引言
    与采用有线网络通信的楼控产品相比,无线解决方案的优势在于安装布置的灵活性、低廉的安装费用和对楼宇自动化系统进行重新布置的可移动性。ZigBee技术产品以其低功耗、低成本以及优秀的组网能力,被广泛认为将在未来几年中对楼宇自动化和工业产生重大的影响。本文研究的远程抄表系统就基于ZigBee技术实现了无线自动抄表功能。
  
系统硬件结构
    无线抄表系统是由多个ZigBee节点所构成的网络。ZigBee技术支持3种网络拓扑结构,即星形(Star)、网状(Mesh)和树形分簇(Cluster Tree)。星型结构由一个协调器节点(主设备)和一个或多个终端设备(从设备)组成。协调器是一种特殊的全功能设备(Full Function Device,FFD)。FFD是具有转发与路由能力的节点。终端设备可以是FFD或简化功能设备(Reduced Function Device,RFD)。RFD 是最小且最简单的ZigBee 节点,只发送与接收信号,并不起转发器、路由器的作用。如果某个终端设备需要传输数据到另一个终端设备,它会把数据发送给协调器,然后由协调器依次将数据转发到目标终端设备。

    本文设计的ZigBee节点是星型结构中最简单的双节点网络,即由一个协调器节点和一个RFD节点组成。其中,ZigBee每个节点的硬件均由两部分构成:电能测量与处理部分和无线接收/发送部分。而硬件具体实现的功能则由烧写入单片机的程序来决定。无线抄表系统的硬件结构如图1所示。
电能测量与处理模块的工作原理
    电能数据采集模块的核心是美国ADI公司的一款高精度单相有功电能计量芯片ADE7753。该芯片集成了数字积分、参考电压源和温度传感器。它提供了一个和有功能量成比例的脉冲输出(CF)和数字系统校准误差电路(通道偏置校准、相位校准及能量校准)。该芯片适用于单相电路中有功功率、无功功率和视在功率的测量。
ADE7753有电流和电压两个通道,共两路模拟量输入,分别是电流通道V1P、V1N和电压通道V2P、V2N。电压信号经可编程放大器(PGA)放大和模数转换器进行A/D转换变为数字信号,然后,电流信号经电流通道内的高通滤波器HPF滤除DC分量并数字积分后,与经相位校正后的电压信号相乘,产生瞬时功率;此信号经低通滤波LPF2产生瞬时有功功率信号。利用功率偏差校准寄存器的值对有功功率进行校准,放入采样波形数据寄存器中,然后对采样波形数据寄存器的值进行累加,将功率累加值(电能值)存放在电能寄存器中,经DOUT引脚输出。

    电流和电压采集电路把交流电变为可供ADE7753输入的电压。在电流通道中,通过di/dt微分电流传感器实现电流/电压变换。di/dt微分电流传感器基于Rogowski线圈原理。Rogowski线圈由环绕一根长直导线排列、匝数为N的矩形空芯线圈组成。

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无线收发模块的工作原理
    无线收发模块主要由CC2420芯片和2.4GHz射频天线以及相应的阻抗匹配电路组成。芯片外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和单片机接口电路三个部分。本设计采用16MHz无源晶振,其负载电容值约为22pF。射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的射频输入/输出阻抗,使其输入/输出阻抗为50Ω,同时为芯片内部的功率放大器和低噪声放大器提供直流偏置。CC2420通过4线SPI口(SI、SO、SCLK、CSn)设置芯片的工作模式,并实现读/写缓存数据和读/写状态寄存器。
从天线接收到的射频信号首先经过低噪声放大器和正交下变频到2MHz的中频信号,此混合I/Q信号经过滤波、放大,再通过ADC转变成数字信号。后经自动增益控制、数字解调和解扩,最终恢复出传输的正确数据。发射机部分采用直接上变频。待发送的数据先被送入128字节的发送缓存器中,头帧和起始帧是通过硬件自动产生的。根据IEEE802.15.4标准,所要发送的数据流的每4个比特被32码片的扩频序列扩频后送到DAC。然后,经过低通滤波和上变频的混频后被调制到2.4GHz,并经放大后送到天线发射出去。

系统软件设计
Microchip的ZigBee协议栈

    完整的ZigBee协议栈自上而下由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。本硬件设计选择的是Microchip公司的PIC18系列单片机,因此在软件设计中应用了Microchip公司提供的ZigBee协议栈。它随着ZigBee无线协议规范的发展而不断更新。该协议栈有如下特点:使用支持2.4 GHz 频带的Chipcon CC2420 RF 收发器;支持简化功能设备和协调器;在协调器节点中实现对邻接表和绑定表的非易失性存储;支持非时隙的星型网络;可以在大多数PIC18系列单片机之间进行移植;支持Microchip MPLAB C18和Hi-TechPICC-18C编译器;易于添加或删除特定模块的模块化设计。

RFD节点软件设计流程
    这里以RFD节点为例,阐述RFD节点加入由协调器节点组建的网络的设计思想及程序流程。图2是RFD节点主应用程序设计的流程框图。其主要功能是实现硬件的初始化,并根据用户指令进入配置模式来完成绑定操作。绑定的目的是让RFD的地址信息出现在协调器的绑定表中,从而使RFD节点与协调器关联起来。对于第一次完成烧写程序的节点,必须接入计算机终端,按照流程进行配置和绑定操作;对于已经完成绑定操作的节点,在进行下一次操作时,可以无需计算机而进行脱机操作。 

    一个RFD节点从自身配置、绑定完成到加入由协调器组建的网络,然后进入正常工作模式,要经历不同的状态。根据ZigBee协议栈的要求,在主应用程序中定义了6种工作状态。初始化状态(SM_APP_INIT),即节点进行任何操作前的最初状态;配置状态(SM_APP_CONFIG_START),即让节点进入配置模式的状态,主要通过调用配置函数引导用户完成配置操作;正常启动状态(SM_APP_NORMAL_START),当已经配置过的节点再次使用时,无须再次进行节点配置,则直接进入正常启动状态,并尝试加入一个由协调器节点组建的网络;正常启动等待状态(SM_APP_NORMAL_START_WAIT),RFD节点在尝试加入网络的过程中,要经过新网络初始化、网络初始化是否完成、网络初始化是否成功等问答和回应过程;正常工作状态(SM_APP_NORMAL_RUN)下,节点能够最终进入正常工作状态才能完成节点的绑定操作;休眠状态(SM_APP_SLEEP)下,ZigBee节点节能的关键就是能够实现在休眠状态和正常工作状态间的切换,当工作任务完成后能够自动进入休眠状态,而当受到触发后能够自动进入正常工作状态。

结语 
    基于ZigBee技术的无线抄表系统不仅能节约人力成本,还可提高抄表的准确性、实时性,使管理部门能及时准确地获得数据信息。
     
参考文献:
1 白剑波等. ZigBee技术及其在楼宇自动化系统中应用的思考[J].智能建筑与城市信息,2006(1):102-104
2 刘和平等.PIC18Fxxx单片机程序设计及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005

浅谈触控屏技术应用与发展

    上世纪末,自助服务终端如雨后春笋般出现在国内各种商业环境里,ATM机、自助查询机、自助售票机等设备,正以一种人机互动的模式改写着人与人的传统商业交流模式,而正是触控技术化繁为简的神奇功能使之得以轻松实现与普及,通过指尖轻触彩色屏幕上的形象化菜单,操作更为直观,从心理上消除了人与机器的距离感。而今天,随着苹果iphone的风靡,触控技术的进步,触控的触角正伸向生活的各个方面,从手机、MP3、智能控制到电脑、家电、大屏幕,触控几乎成为了未来电子产品的必备功能。触控的魅力,令消费者着迷,令厂商追捧,其前景也为各大分析公司所唱好。

投射电容式触控技术大行其道
    去年九月电子消费品的时尚先锋苹果公司推出iPhone和iPod touch,前者被称为“可以打手机的iPod”,后者则被称作“不能打电话的iPhone”。业已成熟的“多点触控屏”(Multi Touch)技术正是这两款产品的最闪亮之处。iPhone的触控屏魅力颠覆了传统的触控概念,不仅使手机键盘无用武之地,也使以往的单点触控技术产品相形失色。
    针对电阻式触控屏的缺陷,电容式触控屏应运而生,相比之下,后者只需要手指轻触而无需触控笔或施压触控;后者透光率更佳、分辨率更高;另外电容式触控技术采用玻璃外层,因此相较采用塑料外层的电阻式触控,其防火、防刮、防污尘、防静电性能更佳,且无需校正、使用寿命也比较长。
    基于电容式触控技术的上述优势,使多点触控技术具有了实现的可能性,iPhone(Multi-touch)多点触控技术,便舍弃传统电阻式触控,采用了电容式触控技术中的“投射式电容”(projective capacitive)技术。与传统触控技术只能向控制器传达1个触点信息相比,多点触控技术能够记录同时发生的多点触控信息,其中涉及重要零组件,包括:显示面板(Touch Panel)、控制器(Touch Controller)及软件驱动程序(Utility)。它主要利用投射电容双层玻璃,保护层间的感应网络上的静电电场变化,来感应触点位置,进行定位。只要手轻触屏幕时,控制器会计算手和网格间的电容参数,计算出触点的坐标位置。另外,为减少干扰讯号,在玻璃上会镀上氧化铟锡薄膜(ITO Layer),及保护膜以防止电子讯号干扰。

    日前,苹果还宣布将推出仅199美元的第二代iphone 3G手机,而苹果iphone的硬件材料成本和制造成本被披露约为173美元。在手机市场一片混战、利润率越来越薄的今天,苹果的微利政策,意味着他们已经期望通过iphone的普及来涉足觊觎已久的手机通讯增值服务领域。而iphone的普及与成功,势必会引爆投射式电容触控技术的应用,使越来越多的电子产品厂商开始迎接这波触控新浪潮,这项技术也将有机会向各类可携式产品、家电应用领域深入拓展。 
    随着电容式触控技术的不断成熟,以及在成本上逐渐与电阻式触控技术接近,未来一段时间内,投射电容式触控屏将更具吸引力和市场前景。据市场调研公司iSuppli分析表明,由于成本等因素虽然电阻式触控屏市场份额一时难以撼动,但投射电容式触控屏已然势不可挡,2007年它已是增长最快的触控屏类型,出货量为1050万个,销售额达2.22亿美元,未来投射电容式触控屏仍将保持高速增长势头,2013年出货量将达到1.235亿个,销售额将达13亿美元。

更多的触控新技术
    目前,已有八种触控屏技术被商业化应用,包括电阻式触控屏、表面电容式触控屏、投射式电容触控屏、表面声波、红外、弯曲波、active digitizer、光学成像。算上新出现的技术在内,触控屏技术总数今年六月已增加到20种,包括像素光传感器(photo sensor in pixel)、聚合物波导(polymer waveguide)、分布光(distributed light)、应变仪(strain gauge)、多触点(multi-touch)、双重力触摸(dual-force touch)、激光点激发触摸(laser-point activated touch)、3D触摸、力反馈技术(Touchsense)等。当触控市场的蛋糕越做越大,竞争愈来愈激烈,厂商们不得不通过不断研发新技术,以求找到应对市场变化的“杀手锏”。

爱上触摸感觉
    触控技术的不断改进,使得触控屏的应用领域越来越广泛深远,应用形式也越来越多样化,它已不仅是简单的指令输入,而是通过更为人性化的界面与触控方式,让人体会科技带来的便捷与乐趣;它也不仅是公共场合下的简单的人机互动,它与人们日常生活的联系正越来越紧密,几年前,也许拥有一部彩屏手机便是时尚的象征了,今天从几百元到几千元的手机,没有触摸屏几乎是不可想象的,而这股触控时尚,正从手机迅速向各类电子消费品蔓延,并受到人们的亲睐。
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    从Surface到Windows7
    去年五月微软的Surface桌面电脑横空出世,它抛弃了传统电脑的鼠标与键盘,向人们诠释了未来电脑的新概念。设计上,Surface打破了传统的窠臼,将平面与触控融于一体,进一步提高了人机界面的生动性与灵活性,它所有的功能都集成在一张桌面上,用户可随心所欲地进行各种操作,而无需鼠标和键盘。Surfac最初主要面向酒吧、赌场、零售店等商业用途,目前,它已进驻AT&T零售中心,及拉斯维加斯的赌场、酒吧。Surface秘密武器包括投影机、摄像镜头以及红外线感应器,正是这些并不鲜见的设备通过精妙的设计组合,实现了令人惊叹的神奇功能。 


    而随着Surface主要构件的价格下降,已有厂家开始向微软发起挑战,Eyebeam 研发的Cubit便是一种类似于Surface的多点触控计算机,它不但支持Windows、Mac、Linux等平台,还能够实现极低的成本。     
    众所周知,在触摸技术广为应用后,触控技术在电脑上的应用虽非难事,但却一直未能在主流电脑上普及使用,现在,随着相关支持软件的成熟,以及触摸技术的进步,触控屏PC也显露升温之势。一些具有远见的厂家,都已开始对产品和经营策略进行调整,放眼在未来更具潜力的具有触控功能的产品市场。惠普继07年推出TouchSmartIQ770触摸屏电脑后,近期还将推出新一代的TouchSmart触控屏电脑,相对传统的电脑产品,这款产品更酷更炫,指尖可以取代鼠标键盘,轻触屏幕即可进行浏览照片、放音乐、观看视频、玩游戏、接入互联网、观看电视等操作。
    近期,微软公司首次公开展示了其新一代Windows7操作系统的触控屏特性,为用户提供鼠标之外的另一选择。该系统将类似于触控屏的软件移植到PC上,预计于2010年前后推出。该系统的触控屏功能,可让用户通过手指在触摸屏上滑动来对软件进行各种操作,与目前热销的iPhone手机的触摸屏颇为类似。

    智能家居,迪斯尼的梦幻之家
    包括安装了触控屏的家电在内,触控屏早已走进了智能家居市场,它是一个智能家居系统里最为直观的智能化象征,方寸的面板上,用户便可以实现对房间内从灯光、窗帘、音乐到家电、安保等几乎所有设备的控制。如果这还不够的话,迪斯尼刚刚推出的梦幻之家(Innoventions Dream Home),或许更为接近我们对于未来家居的幻想。(具体信息可参考本期杂志文章《明日智能家居样板——迪斯尼梦想之家》的介绍。)
    世界地图书桌以及更宽广的应用
    台大跟Google Map合作,研发了将全球地图转换成可触控桌面的书桌,可以浏览世界地图,还可随意放大缩小,立即看到各国的地理位置。利用电子数字系统传输到机器,再投射到触控桌面上,大到全球五大洲清晰可见,小到像台湾忠孝新生捷运站、永康街、巷弄也清清楚楚。今后,触空屏的应用将越来越灵活,范围越来越广阔。据台湾触控面板生产厂商嵩达光电负责人预测:未来触控屏将会大量应用于学习系统与手写识别产品。另外,由于触控屏人机界面操作简单、快捷的优势,它在会议系统、医疗卫生领域也大有用武之地。 
    更大尺寸的触控屏
    目前,触摸产品的应用潮流将由小尺寸、个人触控产品,像手机、PDA、数码相机等延伸到中大尺寸,如POS、工控计算器、一体机、显示器等更多专业的触摸应用。3M、ELOTouch等也都在致力于开发大尺寸的触控面板。更有消息称:松下已展示了类似Surface的触摸拼墙。 [Page]

鏖战触控市场
    在苹果iphone的刺激之下,不少市场调研公司都看好触控屏的广阔前景。由于触摸屏应用在电子行业的深入渗透,使得触摸几乎成为了大多数电子产品必备功能,这直接导致了市场对于触摸屏的需求也大大增长,据iSuppli公司预测,2008-2012年全球触控屏显示器模块出货量将增长一倍以上,预计2013年全球触控屏模块销售额将从2008年的34亿美元上升到64亿美元,复合年增长率为13.7%。


    在如此“钱景”诱惑之下,更多的厂商希望能分食触控屏市场的大蛋糕。目前触摸屏市场中有100多家供应商,300多家OEM/集成商和众多技术种类。而在触控行业的每个细分市场也蕴含着激烈的竞争。在品牌商品制造商方面,越来越多厂商都希望将触控屏集成到自己的产品当中,并且冀望通过新的触控技术来拔得市场头筹,虽然微软、苹果、三星、惠普这样的大厂占据着技术、人才、金钱等优势,但随着技术的透明化,挑战者亦层出不穷。在OEM方面,加工技术、材料、价格方面的竞争也异常激烈,许多厂商在2007年开始触摸屏的制造与集成业务,更多的厂商在2008年开始这些业务。

触控未来
    从ATM到iphone ,从苹果到微软,从在键盘上飞舞的“无影手”到一触即发的“一指禅”,触控技术对我们现在及未来生活的影响也会越来越大。也许,由于技术和价格的制肘,触控技术在一些领域的应用还未能普及化。比如,触摸电脑的价格因素、文字输入及细节处理等因素,使得触摸电脑推广困难,但未来融合了触摸技术的电脑必将是大势所趋。随着技术的发展,还将会有更多的补充新技术加入,如手势识别、声音识别、形象识别,甚至是意识识别等。触摸屏未来的技术与应用还将有哪些更新的发展,它是否又会随着新技术的到来而寿终正寝,技术的车轮滚滚向前,这将是个考验想象力的问题。

Insteon :新的家庭智能网络协议

背  景
    Smarthome,世界领先的家庭智能产品提供商,开发出一种新的家庭智能网络协议Insteon(pron.“instee-on”),第一次将电力线信号和无线射频通讯技术包含到同一个网络中。Insteon被设计成为一种实事的标准——在家庭自动化设备中安全、快速、可靠的传输信息,这些设备包括:灯光、安防、娱乐系统、家电产品、空调等。

历  史
    在过去10年,几个工业联盟花费了数百万用于研发基于X10的家庭智能化网络技术——这种有着30年历史的家庭自动化标准。X10允许用户自动/远程控制家庭中的无数功能,从灯光场景到温度控制再到无线安防摄像机。但它从来没有被主流的客户所采用,因为它的可靠性不可预测。
    但是为什么X10一直被公认为工业标准?因为它是低价的。其他X10的替代标准并不成功,因为要么太过昂贵、要么不能隐式地兼容X10、要么就是安装调试过于复杂。

Insteon的开发
    这几年,Smarthome开始研发Insteon。因为它有着世界上最庞大的智能家居用户群,Smarthome非常适合开发下一代的家庭智能网络技术。自从12年前公司成立到现在,已经开发出超过150种的智能家居产品,每年销售量数以万计。
    Smarthome的工程师们牢记客户们的需求:可靠的、低成本、易安装和使用的、能兼容X10,并把这些作为关键的目标。
    在2004年6月,Smarthome正式启动Insteon。这种网络技术发送给家庭设备的速度是X10的30倍,并且允许新的音视频控制应用。每个Insteon设备都是一个收发器/转发器,因此信号可靠得被重复。另外,所有的通讯都要被确认,各个设备都有一个独立的标识,允许访问控制应用,比如锁定门和窗户。
    Insteon的名字是从它的“即时启用”(instant on)演变而来的。相比较X10传递一个消息需要1/16秒到几秒的时间,而Insteon只需要0.04秒,这个时间比人眼感觉到灯打开的时间都要短。
    Smarthome的工程师们独特地设计Insteon,它能够内置电力线和无线射频网络技术。包含电力线的原因是因为它是最廉价的家庭自动化网络技术,而RF则提供了距离的扩展和无线应用业务。这种组合,使得用户可以在屋子里的任何一个地方通过无线或者电力线发送信号,而信号可以通过电力线发送到设备上,或者直接发送到其他无线设备上。
    例如,同时使用电力线和RF,电池驱动的门锁就可以使用Insteon RF进行控制,如果室外的喷嘴连接在一个电源插座上,那么我们就可以在室内通过电力线控制它的开关。在其他情况下,这种技术需要确定采用什么样的传输方式。Smarthome同合作伙伴一起将Insteon整合到非常广泛的日常设备中,包括家电和其他家庭用具。
什么是Insteon?
    Insteon是一个功能强大的无线家庭控制网络技术,简单、低成本、可靠的整合系统,能够使家庭更加舒适、安全、方便和高效。
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功能:
灯光的场景控制和远程控制
安全警报界面和传感器
家庭传感器(比如:水、湿度、温度等)
访问控制(比如:门锁)
加热和降温(HVAC)控制和管理
音频-视频控制
电器管理
节约电能
网络拓扑

    Insteon是一个强力的双重冗余网络,包含了无线射频和电力布线。
    Insteon使用最新的技术建立一个真实的点到点的网状网络。每种设备都是一个点,不需要网络的管理,所以负责的网路控制器和路由器并不需要。

安  装
    用户使用Insteon,只需要简单的将RF访问节点插到他们的房间中,同时安装两个过滤器到电脑的插线板上。Insteon家庭自动化设备的安装遵循“Plug and Tap”(插入拧紧)流程。例如,要在楼上控制楼下的照明灯,用户需要这么做:
①将灯插入到楼下的一个电源插座上的Insteon模块上;
②将一个面板或者其他远程控制设备插到楼上,或者使用一个无线控制设备;
③拧紧楼上的面板的设置按钮;
④拧紧楼下Insteon模块的设置按钮;
⑤安装完成。
    Insteon设备可以通过PC进行程序控制,也可以由程序通过因特网进行控制。家庭智能控制软件可以控制到整个家庭,比如调暗灯、在晚餐时间打开立体声。

安装使用简单
    Insteon的插件产品可以在10分钟以内完成安装和调试。布线的设备一旦安装以后,调试很简单。
    Insteon设备的设置使用“Plug and Tap”方法。每个Insteon设备有自己的对立ID,不需要设置地址。连接两个Insteon设备很简单:在第一个设备上按下ON按钮并持续10秒,然后同样在第二个设备上做如此操作。
    Insteon的网络不需要PC或者智能控制器。当然,智能控制器也可以加入,以进行高级的家庭控制。

应  用
    Insteon的应用包括远程控制或者自动化,如灯光、家电、安防、空气调节等。宽带技术非常适合传输大的视频和音频数据,Insteon是一种窄带技术,适合于发送家居的自动化系统的控制信息。
    Insteon的设计目标是很容易的组合到OEM产品中,比如洗衣机、甩干机、洗碗机、空调设备、车库门禁等。例如,当内置了Insteon之后,洗碗机可以程控做到清洗的时候机器不能打开;当干衣机工作完成之后,可以远程地用悦耳的声音通知人们衣服洗完了,而不是发出巨大的嗡嗡声;当冰箱停止之后,业主的移动电话可以接收一个由Insteon设备发出的文本消息。

市场潜力
    根据权威调查,2008美国的家庭控制市场大概有4亿美元。使用了Insteon,就可以执行很多的家庭自动化操作,因为安全和可靠性原因,有些工作不能完整,用户可以建立程序控制Insteon设备执行程序来更好地适应他们的生活环境。

基于ARM及GPRS的智能家居系统的实现

    本文主要介绍了一种基于嵌入式处理器ARM平台以及GPRS网络通信技术的智能家居系统。该系统核心部分主要包括住宅小区的家居安防监控,图像监控以及远程抄表的实现。利用当前较为成熟的GPRS技术实现对住宅小区用户进行集中的安防监控与管理,给出了系统的功能和结构以及硬件原理框图和软件设计思路。

引   言
    近年来,随着网络通讯技术、电子技术、计算机技术的迅猛发展,人们对生活质量提出了更高的要求,现代化的家居环境也备受人们的关注。目前,国内的智能家居系统主要集中在对单个住宅分散的子系统的控制上,这些子系统功能上比较单一,很难实现信息共享,不便于进行集中管理。本文针对目前国内智能家居系统的局限性,提出一种基于GPRS无线技术的智能家居系统,不仅能对小区多个住宅内的安全状况进行实时监控,还实现了“三表”(即水表、电表、燃气表)的远程抄送。

GPRS技术简介
    GPRS(General Packet Radio Service),即通用无线分组业务,是一种基于GSM系统的无线分组交换技术,面向用户提供移动分组的IP或者X.25连接。与GSM电路交换数据相比,GPRS在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势:资源共享,频带利用率高,用户只有在进行数据传输时才占有系统资源;数据传输率高,GPRS采用分组交换技术,每个用户能同时占用多个无线信道,同一无线信道又可由多个用户共享。理论上,GPRS最高传输率可达171.2kbit/s;支持X.25协议和IP协议,可与现有的数据网络进行互通互连;用户永远在线且按流量、时间计费,通信成本低。由此可见,将GPRS技术应用于智能家居系统的数据传输是最理想的选择。

系统功能及总体结构设计
1.系统实现的功能
    该系统主要是针对普通住宅小区家庭用户而设计的,它可以对小区内用户住宅内安全状况进行集中监控和管理,同时还实现了门禁及抄表功能。用户可以根据自己需要进行监控状态、监控参数的设置。系统实现了以下功能:
(1)家居安防监控
    当小偷闯入住宅或者有火灾、燃气泄漏等危急事件发生时,监控终端能实时地监测到险情,向监控中心发送告警信息,监控中心则以GSM短信的方式通知户主。
(2)家居安全状况远程实时监控与查询
    主人离家在外,可通过发送手机短信的方式来查询家中安全状况信息。
(3)现场图像抓拍功能
    在设防状态下,当红外传感器或者门磁触发告警时,系统将启动图像抓拍器,对现场进行拍摄,所拍摄的图像通过GPRS网络发送到监控中心的主机上进行备份。用户也可以通过发送手机短信的方式来启动图像抓拍的功能。
(4)“三表”远程自动抄送与门禁功能
    可以定时或主动读取用户家中的水表、电表、煤气表的用量,并根据相应价格计算费用。当有刷卡开门事件时,判断卡合法则允许进入。

2.系统总体结构
    智能家居系统由监控终端,GSM短信收发模块,监控主机三部分组成。监控终端硬件采用ARM7平台,软件采用嵌入式实时操作系统VxWorks。监控主机是一台运行监控管理软件的PC机,一般置于小区的物业管理中心。图1是整个系统架构图。
    系统工作时,监控终端循环检测安装在室内的门磁、红外、烟雾、燃气监测等传感器,当检测到有异常情况发生时,终端控制警笛发出告警声音,提醒户主及物业管理人员有险情发生并采取防范措施。另外,监控终端还通过GPRS网络向监控中心发送告警信息。当终端检测到门磁或红外告警时,将启动图像抓拍器,对用户室内现场进行连续拍照,拍摄到的图像终端先进行缓存,再通过GPRS网络发送至监控主机,监控主机将图像以文件的形式进行备份。
    监控终端还循环接收监控主机下发的数据请求命令,终端对这些命令进行解析。如果是查询传感器及门磁状态,监控终端对相应传感器的状态进行检测,向监控主机返回传感器的状态信息;如果是查询水表、电表或者煤气表的用量命令,监控终端根据“三表”的RS-485协议,构造查询帧命令,发送相应的查询命令,将“三表”返回的数据按照系统的通信协议打包,通过终端上内置的GPRS模块发送到监控主机。监控主机接收到终端发送的数据后,先对数据帧进行解析。若是告警信息,则监控主机将根据不同的告警播放相应的告警提示音,提醒管理员作出处理。当有告警发生时,监控主机通过RS232接口输出AT指令,控制外置GMS模块向系统预先设置好的住宅主人的手机号码发送告警短信,通知户主家中有警情发生。
    同时,监控主机还将把告警事件以日志的形式记录下来,以便事后对告警信息进行查询;当接收到的数据帧是抄表命令返回的数据时,主机将把数据写入到系统数据库。同时,在显示界面上弹出一个新窗口,显示户主信息、查询时间、表的用量、相应费用等信息。

系统硬件设计
    终端硬件采用的是嵌入式硬件平台,CPU选用三星公司的基于ARM7TDMI内核的S3C440X微处理器,该处理器是三星公司专为PDA和一般应用开发提供的高性价比和高性能的解决方案。经过性能与成本的综合考虑,GPRS模块选用明基公司的M22模块。该模块可工作在三种频率下:900/1800/1900MHz。支持语音通信,具有GPRS、USSD和CSD三种数据方式及SMS和FAX功能;内嵌TCP/IP协议,软件支持标准AT指令并遵循3GPP 27.07/27.05规范。
    S3C44B0的IO口的D口扩展了三个按键,它们是设防键、开门键、消告警键。按下设防键,CPU检测到IO口为低电平,系统进入监控状态。该状态下,系统将循检测门磁及所有已经安装的传感器。由于选用的传感器输出电平为0V或12V,而S3C44B0的外围接口电平为0V-3.3V,传感器的输出需经光耦隔离后连接至CPU的IO引脚。采用光耦隔离还有一个作用:在雷雨天气,传感器输出导线很容易引入雷电,导线上会有瞬时高压脉冲,用光耦将传感器的输出与CPU的IO口隔离后,起到保护CPU的作用。当监测到开门键按下,电控锁吸合,门将打开,此时为合法开门状态,不会产生告警。
    如果是在监控状态下,门被强行打开,则门磁输出由低电平变为高电平,CPU检测到门磁传感器输出高电平,产生告警,CPU控制GPD3口输出低电平,触发警铃产生告警音。告警发生时,CPU通过UART0发送AT指令来控制GPRS模块,经GPRS网络向系统监控主机发送告警信息,监控主机对告警信息进行分析处理。
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    M22模块与CPU采用115200bps的波特率进行通信。它们之间的接口比较简单,只需要将接收和发送两个引脚进行连接。考虑到本系统运行过程中需要保存大量的事件日志,如“三表”查询的数据、告警事件日志以及告警抓拍到的50张图像等,系统扩展了大容量的外部存储器HY57V641620(容量为8MB的SDRAM),SST39VF1601(2MB的FLASH)。其中SDRAM主要负责程序运行以及中间数据的保存,2MB的FLASH主要负责源程序的保存以及一些掉电需要保存的历史数据,事件日志、图像数据等。
    图像抓拍器的主要作用是当有盗情发生时,进行现场抓拍。目前在国内市场上已经有很多该类型的产品。我们选择了深圳安信阳光科技有限公司的彩眼HRM600GJ图像抓拍器。HRM600GJ自带以太网接口。HRM600GJ在接收到S3C44B0发来的拍照命令包后进行连续拍照,所拍摄的图像为静态JPEG格式图像,解析度为320×240,图像经过网口发送给ARM处理器等待处理。由于S3C44B0片内并不带以太网接口,因此必须扩展一片以太网接口芯片实现彩眼和ARM处理器之间的互连。这里我们选用比较常见的也是性价比相对较高的RTL8019AS作为以太网接口芯片。
    SN75LBC184是RS485驱动芯片。我们将S3C44B0的第二个串口(UART1)扩展为系统的RS485总线接口。该接口是CPU与“三表”及刷卡器等设备的通信接口。CPU按照主从模式与“三表”进行通信。CPU定义为主设备,“三表”为从设备。主从设备都有唯一的设备地址,通信时,主设备向指定地址的从设备发查询命令,从设备返回当前数据给主设备。

系统软件设计
1.终端软件
    传统的单片机程序设计基本上都采用顺序结构,实时性低且CPU对资源的利用率不高。这里,我们采用了嵌入式实时操作系统VxWorks,它是美国风河(WindRiver)公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统(RTOS)。终端软件设计包括针对系统硬件平台进行的操作系统的移植和在VxWorks平台上应用程序的设计两部分。操作系统的移植的重点也即难点是BSP(Board Support Package)的设计。VxWorks本身提供了针对许多处理器的BSP,但针对S3C44B0的BSP并未提供。在设计系统BSP时,我们首先仔细研究了其中一种BSP代码范例,了解并掌握了BSP的结构,然后在风河公司针对ARM处理器提供给用户的BSP模板的基础上设计了本系统的BSP。
    监控终端的应用程序采用模块化的设计思想。由于VxWorks支持多任务,我们将每个功能模块以一个任务来实现。从时间上看,各个任务处于并行运行的状态,极大地提高了系统对事件响应的速度,有效地提高了CPU对资源的利用率。终端应用程序包含五个任务,分别是:消息处理任务、传感器检测任务、GPRS通信任务、   RS485总线设备通信任务、按键检测及处理任务。除消息处理任务以外,其它五个任务优先级相同。VxWorks中任务优先级从0到255,0为最高优先级,255为最低优先级。我们将消息处理任务优先级设定为90,其它四个任务优先级都设定为100。这样可使消息处理任务尽快的处理其它任务发送来的消息,提高系统对外部事件的响应速度。下面分别对各个任务所实现的功能进行简要的介绍。

(1)消息处理任务
    该任务循环检测自己的消息队列,当有其它任务发送来的消息时,读取消息,对消息进行解析,确定事件类型,然后调用事件相应的处理函数进行处理。本系统定义了多种事件类型,主要有如下几种事件:传感器告警事件、设置终端参数事件、传感器状态请求事件、刷卡开门事件、水表数据查询事件、电表数据查询事件、煤气表数据查询事件和按键设置事件。
(2)传感器检测任务
    在任务运行的时间片内,首先判断系统当前所处的状态,如果系统处于设防状态,那么CPU将对室内所有已安装传感器进行循环检测。如果系统工作在撤防状态下,那么只对烟雾、煤气传感器进行检测。当任务检测到某一传感器的输出达到系统设定的告警阈值时,将向消息处理任务的消息队列发送一条传感器告警消息,消息中包含传感器通道编号。
(3)GPRS通信任务
    此任务完成GPRS模块的初始化、终端与监控中心建立连接以及数据通信功能。
(4)RS485总线设备通信任务
    任务完成“三表”数据的读取以及用户刷卡检测功能。
(5)按键检测及处理任务
    该任务完成对终端上三个功能键的扫描。当其中某个按键被按下时,CPU检测到键值,向消息处理任务发送消息,消息任务将调用相应的处理函数进行处理。

2.监控中心软件
    监控中心软件采用Borland C++ Builder 6.0开发。它使用WinSock控件接收和发送数据。中心软件采用模块化的设计思想,分别实现系统参数设置、操作员权限管理、用户管理、告警事件处理、数据库的维护以及数据打印和系统帮助等功能。

结束语
    本系统实现了对住宅小区内多用户室内安全状况的集中监控与管理,还实现了对用户家中的水表、电表、煤气表的远程无线抄送。该系统在实用性、可靠性以及成本等方面取得了较为满意的效果。目前,本系统已经完成最后调试,即将进入现场试运行。由于系统在硬件设计上充分考虑到了不同的应用场合,留有较大的扩展空间,因此相信该系统将会有较为广阔的应用前景。

不同家庭网络标准化组织的标准应互相兼容

    家庭网络是3C融合的结果,是未来数字生活的组成部分。近年来,国内外家庭网络标准化组织不断涌现,家庭网络技术也不断发展。尽管这些组织的技术路线和技术重点不尽相同,且家庭网络的商业模式有待完善,但随着家庭网络的应用模式和产业化前景越来越明晰,一些关键技术也将成为未来家庭网络标准中的必选技术。通过对国内外家庭网络技术发展趋势的研究,可以发现,基于IPv6的家庭网络构架、低速低功耗无线通信、超宽带无线通信、家庭网关、家庭网络安全机制、家庭多业务访问终端等技术将成为构建未来家庭网络的关键技术,在制定中国未来家庭网络标准时应该重点考虑这些技术。


    为了保证家庭网络产品与标准的一致性,保证基于标准的产品的功能和品质,促进中国家庭网络产业化进程,保证家庭网络标准化工作的可持续发展,规范家庭网络市场,应该加快家庭网络标准符合性测试认证平台的建设。另外,家庭网络的国内标准起步比较早,与国外标准具有同样的技术先进性,同时由于国内外不同标准化组织都在制定家庭网络标准,为了保证未来家庭网络设备能够互连互通,不同家庭网络标准化组织制定的标准应该互相兼容。


基于IPv6的家庭网络结构
   
基于IPv6的家庭网络由家庭网关和各种信息化家电共同组成。在该网络结构中,家庭网关是家庭网络的管理核心、集中控制单元和访问接口。家庭网络的组网模式通常采用一个中心管理节点,附带多个家电成员。这种组网模式支持目前家庭网络普遍采用的多种接入技术,如有线以太网、无线网络802.11、ZigBee、家庭内部电力线网络等。首先,采用通用的网络连接技术IPv6,具备良好的扩展性。IPv6在地址空间、安全性和多媒体应用方面具有优势。IPv6协议上层存在大量的互联网应用,协议下层支持各种物理接入方式,所以家庭网络采用IPv6组网方式,不仅可以充分应用IPv6在互联网领域已有的研究成果,实现家庭网络与互联网的信息交互,还可以实现家庭网络物理连接的多样性。


    其次,采用集中管理。现阶段适合家庭网络的管理模式是集中管理,这一方式可以保证家庭网络应用的多样性,保障家庭网络的安全性。


    再次,通过Web及语音来实现外部对家庭网络的访问。目前互联网领域采用较多的Web服务访问方式,在IPv6网络架构下可以很容易地应用到家庭网络中,从而可以通过Web方式来实现家庭网络支持的各种业务和业务融合。访问家庭网络的另一种方式是语音电话,可以应用于座机和移动电话,而通过移动电话访问家庭网络也是将来的趋势。


短距离低速低功耗无线通信技术
   
短距离低速低功率无线通信技术可以实现家庭网络设备间的控制和状态反馈。家庭网络中的部分设备,特别是某些传感器是由电池供电,要求低功耗。由于室内的布局可能会改变和调整,为了方便安装这些设备,需要通过无线技术来实现对于设备的控制及其信息反馈。因此,家庭网络中需要短距离低功率的射频通信技术来实现这些设备的网络通信。当然,有条件使用电源供电的家庭网络设备也可以通过该技术实现无线通信,从而构成无线家庭控制网络。所以,低速低功耗的无线传输技术将会应用到家庭网络。目前,国际上比较流行的低速低功耗无线通信技术有ZigBee、Z-Wave等(见表1)。


家庭网络超宽带无线通信技术
   
数字音视频及多媒体信息正在成为家庭影音的主要组成部分,这些高速率信息需要在家庭网络设备之间传输,特别是在家庭媒体中心、家庭媒体播放设备之间进行传输。然而,数字音视频及多媒体信息对于传输带宽的要求比较高,而且其播放设备需要不时调整位置,因此,可以通过短距离高带宽的无线通信技术来实现这一信息的传输。目前,国际上比较流行的短距离高速无线通信技术有UWB、Wi-Fi、Home RF、HiperLAN等。

    家庭网关家庭网关支持IPv6协议,提供多种物理接口,存放家庭网络运行的各类信息,实现家庭内部网络的通信以及家庭内部网络与外部网络的通信,保障家庭网络安全控制、访问授权和应用层路由,支持多种内网和外网访问方式。


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    家庭网关具备实现家庭网络运行的基本功能,如成员管理、安全管理、操作管理、家庭网络远程监视和控制访问、网络运维管理等。另外,家庭网关的主要技术特征包括以下几点:


   第一,家庭网关硬件需至少采用32位以上的嵌入式处理器,支持多种内网及外网接入方式。对家庭内部提供有线以太网接口和802.11无线接口,支持纯IPv6协议;对家庭外部支持有线以太网接口和PSTN接口,可以是IPv4或者IPv6协议。家庭网关软件可采用Linux等操作系统,实现IPv4和IPv6协议栈、嵌入式Web Server、家庭网络中间件、提供IP路由等功能,可以自动为信息家电分配IPv6地址。


   第二,家庭网关实现家庭网络中间件的注册中心、管理中心、信息维护中心、操作分发中心和安全管理中心功能。家庭网关通过家庭网络中间件定义的通信协议来实现家庭网络访问、维护家庭网络的正常运行,家庭网关是家庭网络运行管理中心。


   第三,家庭网关作为家庭网络惟一的访问接口,其重要功能是接收来自于家庭外部及内部的访问。它所支持的外网访问方式可以包括Web Browser访问及电话语音访问。目前,PC、PDA、移动电话等很多移动设备都支持Web浏览,家庭网关可以根据不同浏览器动态生成浏览器界面,从而实现诸如家电远程控制、远程家居监视,以及通过电话语音实施的家庭网络访问,如家电远程控制等。第四,家庭网络中的运维信息是指网络家电的运行状态、运行时间、关键指标等设备运行信息。在家庭网络运行中,为了向不同的家庭网络管理系统提供运维信息,需要由家庭网关定期采集和存储这些信息。


家庭网络安全机制
   
家庭网络中需要通过家庭网关来实现家庭网络的安全管理,主要包括外网安全管理和内网安全控制。外网安全管理主要管理来自于外网的访问,避免外网攻击,实现策略包括访问者身份验证、访问者授权等。采用的身份验证技术有用户名/口令、源IP地址检查、电话号码确认、CA证书等。内网安全控制主要判断网络家电的接入和访问是否安全。采用无线网络接入的网络家电对接入安全要求较高。所以,采用必要的无线接入安全认证是解决家庭网络内网安全控制的一种方法。目前,针对家庭网络尚无成熟完善的安全机制,对比还需要深入研究。


    家庭多业务访问终端对于家庭网络访问可以分为两类:来自于家庭内部和外部的访问。


    家庭内部控制终端应用在家庭网络内部,用以实现来自于家庭网络内部的多种业务。它可以替代家庭内部各种家电的遥控器,而且可以控制家庭媒体中心用以实现多业务融合。这类终端是家庭网络的组成部分,直接连接到家庭网络之中,支持IPv6协议,可以采用802.11、蓝牙等技术接入。


    家庭网络访问终端用于家庭网络外部,来实现外部对于家庭网络的访问,支持家庭网络中已经实现或者准备实现的各种业务。无论家庭网络采用FTTH、ADSL、PSTN或者其他方式接入外部互联网,这类设备均需要支持IP网络,从而实现对于家庭网络的外部访问。由于家庭网络访问终端直接或者间接接入互联网,具备IP地址,所以它可以是具有web浏览器的联网PC机、固定电话、移动电话等,从而实现家庭网络外部访问业务。

基于ZigBee技术的智能家居无线网络系统

摘要:介绍了一种基于ZigBee技术的智能家居无线网络系统。重点阐述了该系统的组成、通讯协议以及无线节点的软硬件设计。该系统在传统的有线家居网络系统的基础上使用ZigBee技术,使其具有成本低、功耗低、覆盖范围大的特点。特别是其符合IEEE802.15.4协议,利用系统与其它符合标准的产品的互联,具有良好的通用性和可扩展性。
关键词:智能家居 无线网络 ZigBee 低功耗

    在智能家居系统中,将无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势。这不仅仅是因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性,省去花在综合布线上的费用和精力,而且更因为它符合家庭网络的通讯特点。随着无线网络技术的进一步发展,必将大大促进家庭网络智能化的进程。
    本文介绍的智能家居无线网络系统采用ZigBee技术,它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,符合IEEE802.15.4协议,是IEEE工作组专门为家庭短距离通讯制定的新标准。


ZigBee技术简介
   
ZigBee技术的主要优点有:(1)省电:两节五号电池可使用长达六个月到两年左右的时间;(2)可靠;采用了碰撞避免机制;(3)成本低;(4)时延短;(5)网络容量大;(6)安全:ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用AES-128,各种应用可以灵活确定其安全属性。
    ZigBee技术的特点完全符合家庭网络通讯的需要,因此选择ZigBee技术构建智能家居无线网络系统。

智能家居无线网络系统
   
本系统以家庭为单位进行设计安装,每个家庭都安装一个家庭网关、若干个无线通讯ZigBee子节能模块。在家庭网关和每个子节点上都接有一个HeliLink无线网络收发模块(符号ZigBee技术标准的产品),通过这些无线网络收发模块,数据在网关和子节点之间进行传送。其系统组成如图1所示。
    下面介绍各部分的结构及功能。
    家庭网关的结构及功能为:
(1)采用ARM构架的32位嵌入式RISC处理器和.uClinux操作系统;
(2)通过门锁进行自动设防/解防;
(3)遇抢劫或疾病,按紧急按钮,自动向管理中心报警;
(4)每家每户配有自己的网页,通过网页显示小区通知、系统各部分工作状况及数据;
(5)水、电、气各表数据发给牧业管理中心;
(6)通过以太网与小区管理中心通讯;
(7)通过网关上的无线ZigBee(IEEE802.15.4)模块与网络中各子节点进行通讯。

ZigBee无线通讯子节点的功能为:
(1)两路脉冲量数据采集,可采集水、电、气三表数据;
(2)两路安防传感器开关量数据采集,可进行设防/撤防报警、安防报警(红外幕帘、门磁、窗磁、玻璃破碎等);
(3)一路模拟量数据采集;
(4)一路模拟量数据输出;
(5)一路继电器触点输出;
(6)通过无线通讯IEEE802.15.4协议及家庭网关通讯。


通讯协议
1. ZigBee协议的帧结构
    采用符号ZigBee标准的HeliLink模块的数据帧由数据模式、目标地址、数据长度、数据信息与校验和五部分构成,格式如下(数据帧结构中的数据都是16进制数):




    “数据模式”占用一个字节。“目标地址”表示数据帧结构要发送的目标位置(网络中的节点号),它占用一个字节。“数据长度”表示数据帧结构中从“数据1”到“数据n”所占据的字节数,它也占据了一个字节。“数据信息”表示用户要通过UART0传送的命令或者有效数据,占据的字节数由“数据长度”决定。“校验和”是对帧结构中的全部数据(校验和字节除外)进行的校验,采用字节逐位异或的方式实现。“校验和”也占据一个字节。

2. 无线网络通讯协议帧结构
    家庭网关通讯协议帧结构是建立在ZigBee协议帧结构的基础上的,相当于底层协议中的数据场部分。所以帧结构由节点号、功能编码、数据信息三部分组成,如下所示:




    节点号字段数据长度为1字节,其中低四位为数据采集功能编号,高四位为子节点号,如下所示:




    功能编码分为三个部分:方向位、数据类型和功能类型。其格式为:




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方向位:
    根据主节点作为通讯发送者还是接收者,本系统功能可分为两大类:上行和下行。方向位即决定了这一点。

数据类型:
    数据信息与功能编码关系十分密切,根据功能不同,数据场中数据的内容含义不同;根据数据长度不同,数据类型也不同。

功能类型:
    每一个功能类型对应一种系统功能。通过解析功能类型编码可得到系统功能,对于下行帧,子节点得到主节点通知其执行的命令和需要的数据;对于上行帧,主节点得到子节点返回的信息、数据和命令执行的情况。
    数据信息存放数据,数据信息长度可根据功能编码中的数据类型而定。




无线节点硬件设计
    由于无线节点使用电池供电,且需要安装在三表或电器内部,要求电池体积很小,因此电池的容量不可能太大。希望一颗钮扣电池可以有效工作一年以上。无线通讯需要电池提供足够大的电流,耗电量较大,所以低功耗设计成为子节点设计的重点和难点。
    无线网络节点硬件组成如图2所示,采用TI公司的16位单片机MSP430F1232作为处理器,采用符合ZigBee标准的Heililink无线网络收发模块建立无线通讯,采用RAMTRON公司的铁电存储器FM24LC16存储数据,开关量输出使用松下公司的磁保持继电器TQ2L2—3V,PWM输出放大器采用MAXIM公司的MAX4464。使用锂离子钮扣电池供电,通过采用TI公司的电荷泵IPS60210将电压稳定至3.3V。无线子节点通过查询八位拨码开关确定其功能,可以实现两路脉冲量的计数、两路开关量的输入、两路开关量的输出、一路模拟量的输入、一路模拟量的输出、电池电量采集无线通讯等功能。

(1)处理器
    处理器采用TI公司的16位单片机MSP430F1232。该单片机突出的特点是可以实现极低的功耗,具有五种省电工作模式,而每种工作模式可以通过对时钟的控制实现不同的功耗,其工作在LPM4模式下的功耗电流只有0.1μA,非常适合采用电池供电的系统。片内FLASH ROM用于存储应用程序、通讯协议;UART接口连接无线通信模块;10位A/D转换器实现电池电压检测、模拟量输入;内部16位定时计数器实现PWM输出,经低通滤波后,再由放大器放大,实现模拟量输出;I2C接口连接铁电存储器FRAM。其余的通用输入输出端口分别实现数字量和脉冲量的输入、输出以及拨码开关状态的输入。

(2 )铁电存储器
    存储器采用RAMTRON公司的FM24CL16,它是一种串行非易失性存储器,其特点是可无限次地读写,掉电数据可保护10年;写数据无延时;使用二线制串行总线及其传输规范进行双向传输,这种方式占用脚位少,占用线路板空间小,总线速度可以达到1MHz,静态工作电流仅为1μA。这些特点使其十分适合本设计对功耗低、体积小、数据读写频繁的要求。

(3) 磁保持继电路
    磁保持继电器采用松下公司的TQ2-L2—3V,通过MSP430F1232的输出管脚DO_S、DO_R控制开关管Q1、Q2的开关状态,实现继电器线圈电流的通断控制,从而控制继电器触点的动作。如果采用传统继电器,需要一直提供电流来维持继电器状态,这样功耗很难降低。磁保持继电器具有锁存功能,触点动作后无需继续提供电流,从而降低了功耗。其开关两端可耐压直流220V,交流250V,满足了通断市电的要求。
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(4)无线网络收发模块
    该模块特点是体积小、内嵌网络通讯协议,符合ZigBee网络层的标准,为IEEE.802.15.4标准兼容产品,可实现高效率发射、高灵敏度接收,无线数据速率高达76.8kbit/s。通过串口与MSP430F1232进行通讯,将获得的数据无线发送出去。

(5) 拨码开关
    八位拨码开关的状态决定该子节点的节点号和其实现的功能。


无线节点软件设计
   
鉴于节点使用的通用性要求,需要上电后根据拨码开关确定子节点号及其所要完成的功能。其主要功能包括水电气三表的数据采集和存储、报警信息的获取、设防撤防状态的获取和以上信息数据的无线发送。根据拨码开关的状态确定节点需要完成的其中一项或几项工作,并调用相应的初始化程序。由于无线通讯模块的功耗较大,CPU大部分时间都处于休眠状态,通过各级中断唤醒CPU和恢复无线通讯模块的正常工作。数据的无线发送和接收要遵守家庭网关通讯协议。

    系统主程序流程图如图3所示。系统上电后,先关闭看门狗定时器,开关电源进入SNOOZE节功状态,同时关闭无线通讯模块电源,进行I2C接口的初始化,读取拨码开关状态,并根据拨码开关的状态进行单片机通用I/O口的初始化,以确定其作为脉冲量输入端口还是开关量输入端口,或是撤防设防输入端口。其中,若作为脉冲量输入端口,则调用相应脉冲量初始化程序,设置其端口为上升沿触发;若作为开关量输入端口,则调用相应开关量初始化程序,设置其端口为下降触发;若作为撤防设防输入端口,则调用设防撤防初始化程序,当前端口状态为设防状态时,进行撤防初始化,设置其端口为上升沿触发。当前端口状态为撤防状态时,进行设防初始化,设置其端口为下降沿触发。




    端口初始化结束之后,进行串行通讯UART接口初始化,打开UART接收中断使能,使其能响应网关发送给子节点的命令。定时器连续工作在计数模式,打开计数器溢出中断使能。

    单片机各部分初始化结束后,进入LPM3休眠模式,只有ACLK始终保持工作,因此在串行通讯UART和定时器初始化中,将其工作时钟定义为ACLK是十分重要的,否则进入LPM3休眠模式后,串口和定时器将停止工作和相应中断。进入LPM3休眠模式后,系统的功耗最低。

    系统可响应I/O中断,当其作为脉冲量输入端口时,脉冲量上升沿触发中断,经过去抖处理后,脉冲量计数增1,遇到进位时,调用函数处理进位,最后将计数值写入FRAM,进入LPM3休眠模式。当其作为开关量输入端口时,开关量下降沿触发中断,停止计数器计数,打开电源,打开串行通讯,重复发送报警信息,直到收到网关应答信息时才停止报警,恢复定时器计数,进入LPM3休眠模式。

    数据发送要遵循通讯协议,图4所示为数据发送程序流程图。由于文章篇幅所限,这里就不多述了。

    本文介绍的基于ZigBee技术的智能家居无线网络系统,由于其具有低成本、低功耗、较远的覆盖范围及通用性的特点,将成为智能家居系统中的又一亮点,必将给现代智能家居系统带来一场新的变革。