家庭智能网关在智能化生活中的应用

家庭智能网关的定义    
    Residential Gateway Group(RG)是一个在1995年建立的正式的工业论坛组织,它率先采用家庭网关来代表一个集中式智能接口,将家庭外部的接入网络和家庭内网络联系起来。RG将家庭网关定义为:一种简单的、智能的、标准化的、灵活的整个家庭网络接口单元,它可以从不同的外部网络接收通讯信号,通过家庭网络传递信号给某个消费设备。引入家庭网关的概念,能够为集成不同的外部网络和丰富新的应用提供一个有效的途径。

    Cisco System公司的家庭网关定义是:一个在家庭内的网络化信息设备与智能宽带接入网之间的智能化网关。2Wire公司的家庭网关定义是:一种将家庭网络无缝连接到宽带网络,使所有家庭内连网设备同时享有高速连接的设备。
上面这几种定义都认为家庭智能网关是一种将外部宽带网络与家庭内部网络连接的设备。而Parks Associates认为家庭网关应是:连接一个外部网络或多个接入网络,通过某种类型的家庭网络分配服务给一个或多个设备的设备。即一个集中式整个家庭的网关才能视为一个真正的网关。

    但由于现有一些产品已具备其中的某些功能,而且目前存在许多不同的观点,因此下面给出家庭网关一个比较广义或普遍的意义上的定义:家庭智能网关就是网关中的一种设备,是主要应用于广域网与局域网之间,来实现各种控制协议的转换。家庭智能网关是信息时代带给人们的又一个高科技产物。它借助现有的计算机网络技术,将家庭内各种家电和设备连网,通过网络为人们提供各种丰富、多样化、个性化、方便、舒适、安全和高效的服务。家庭网络化也是整个社会信息化的一个重要的部分。

    深圳波创科技是国内较早提出家庭智能网关概念的智能家居厂商,公司的家庭智能网关系列产品已经成功应用于众多的终端用户以及小区项目中。如最新推出的10.1寸家庭智能网关使用嵌入式LINUX操作系统,类似于PC架构,支持TCP/IP通讯协议同时兼容IPV4、IPV6协议转换,远程控制、主人/访客留影留言等功能,与智能家居控制配合,如多媒体综合布线箱、智能插座、开关、照明控制、信息家电无线遥控与远程控制灯光及家电。

家庭智能网关的功能
    家庭智能网关通过各种高速接口将家庭安全报警、照明控制、网络家电、可视对讲、网络监控、家庭娱乐设施、电话、电视、计算机以及各种信息和通讯终端都连接到家庭智能网关上来,通过以太局域网络互联以及连接物业控制中心。通过小区宽带网络,构建一个数字化小区的智能系统。用户可以通过固定电话、手机、互联网等对家庭安全防护、生活设施进行远程控制和管理。如:通过电话网络及时了解家庭安全情况,通过互联网和可视电话传送实时监控图像;用户可通过固定电话、手机、电脑远程实现门窗的开关,进行安全防护管理;通过家庭娱乐通信方案,实现在电视互动娱乐的同时,进行视频通信;通过互联网上的智能化家庭管理页面,对家中的灯光进行管理。

    系统还可根据用户不同场景的需要进行程序设置,使家庭服务达到智能化水平。但是,并非有了家庭智能网关就拥有智能化生活的一切。它不是独立存在于智能家居控制系统中的,要实现数字化智能生活它必须与其他相对应的配套产品进行联动控制。如在波创智能家居中解决方案中,家庭智能网关能够兼容各种安防探头实现安防报警,结合智能开关、智能插座、智能遥控器、红外转发器等实现家电灯光以及窗帘以及各种娱乐情景模式的控制。在数字社区系统解决方案中,小区住户中的家庭智能网关能够通过小区局域网络与单元门口机、管理中心机和物业管理中心进行联网,实现统一化管理。通过家庭智能网关的联网可实现户户可视对讲、14路安防报警、自动抓怕或录像、留影留言、电话报警、小区公告、天气预报等信息发送给业主。

    在数字社区系统解决方案中,布线方面并不复杂,波创的家庭智能网关、门口机、管理中心机支持的是TCP/IP协议,它可以与小区局域网共用网络,无需独立布线,比传统的系统结构更加降低工程成本。如图:


系统拓扑示意图

    家庭智能网关是智能化生活的心脏,通过它实现系统信息的采集、信息输入、信息输出、集中控制、远程控制、联动控制等功能。 家庭智能网关的功能一般包括如下几个方面:
(1) 家庭安防:安全是居民对智能家居的首要要求,家庭安防由此成为智能家居的首要组成部分。家庭安防报警、门窗磁报警、紧急求助报警、燃气泄漏报警、火灾报警等。当家庭智能张端处于布防状态时,红外探头探测到家中有人走动,就会自动报警,通过蜂鸣器和语音实现本地报警;同时,报警信息报到物业管理中心,还可以自动拨号到主人的手机或电话上。
(2) 可视对讲:通过集成与显示技术,家庭智能终端上集成了可视对讲功能,无需另外设置室内分机即可实现可视对讲的功能。
(3) 远程抄表:水、电、气表的远程自动抄收计费是物业管理的一个重要部分,它的实现解决了入户抄表的低效率、干扰性和不安全因素。
(4) 家电控制功能:用户可以根据自己的需求自由的配置和添加家电控制节点。智能主机通过全图形化的向导提示用户如何设置和使用家电控制的功能。通过可学习的无线/红外转发模块,用户可以很方便的实现对家中电器的集中管理和电话、网络的远程控制。
(5) 智能照明功能:智能网关系统通过无线的方式实现对智能开关、插座等模块的集中管理和控制。智能网关可以根据户型的实际大小增加控制器的数量,从而解决无线距离有限的问题。智能网关把家中的电器和灯光集中管理起来,可以实现丰富的管理和控制功能。用户可以预先设定多种包含家电、灯光、窗帘的场景模式,也可以开启定时控制程序,温度控制程序,还可以把家电控制和防盗报警联系起来等。
(6) 远程控制功能:通过拨打家中的电话或Internet远程登陆家中的家庭智能网关,实现对家庭中所有的安防探测器进行布防操作、远程控制家用电器、照明、窗帘设备。还可以通过网络随时监控家中状态,并可外接多个摄像头,实现远程网络监控。
(7) 小区信息服务:物业管理中心与家庭智能终端联网,对住户发布信息,住户可通过家庭智能终端的交互界面选择物业管理公司提供的各种服务。
(8) 增值服务:通过家庭智能终端可以实现网上购物,远程医疗、邮政速递等增值服务。

家庭智能网关的发展前景
    随着现代通信技术、计算机网络技术、自动控制技术等高科技技术的发展及其在建筑领域的日益广泛的应用,家庭的智能化设备从无到有,小区的智能化系统从简单的楼宇对讲系统逐步发展到综合布线、计算机网络、小区公共安防系统、小区设备管理自动化系统以及物业管理系统,从单一的系统发展到多个智能化系统并且要求各个系统要形成有机的整体,进行系统集成。小区智能化家居智能化系统的核心就是家庭智能网关。随着智能化小区的概念各房地产开发商的楼盘和终端用户的普及,相信家庭智能网关有着十分广阔的发展前景,市场潜力巨大,也必将成为我国智能住宅市场的主流。

游世博 体验物联网应用

前言:日前在黄埔江畔盛大开幕的2010上海世博会,将在184天的展期内围绕“城市,让生活更美好”这一主题,展现人类经济、科技、文化领域最新成果。作为中国举办的首届、总投资达450亿人民币的上海世博会共吸引了200个国家和国际组织参展,参观人数预计将达到7000万人次,创历届世博会规模之最。

    可以说,历届世博会都是当时最高科技水平的集中体现。本届上海世博会更是打造了一场信息高科技盛宴,向我们全面展示未来城市的发展面貌。“物联网”这个未来城市发展的关键技术在世博园中也得到诸多应用。从电子围栏到车辆定位,从“移动E家”到井盖防盗,世博园已成为物联网技术的集中应用区,园内众多物件都能相互感知。下面,我们将带领大家一一体验物联网技术在世博园中的应用。

“世博芯”门票


世博电子门票

    上海世博会的门票系统将全部采用RFID技术,每张门票内都含有一颗自主知识产权“世博芯”,通过采用特定的密码算法技术,确保数据在传输过程中的安全性,外界无法对数据进行任何篡改或窃取。该智能门票的内部包含电路和芯片,记录着参观者资料,并能以无线方式与遍布园区的传感器交换信息。通过这张门票,计算机系统能了解“观众是谁”、“现在在哪”、“同伴在哪”。观众进入园区,手机上就能收到一份游览路线建议图;随着参观的进行,观众随时能知道最近的公交站、餐饮点的位置。相应地,组织者也能了解各场馆的观众分布,既能及时向观众发出下一步的参观建议,防止场馆间冷热不均;又能有效调动车辆,提高交通效率。此外,中国移动还推出了手机门票,这是一种以手机SIM卡为载体实现的全新电子票。在完成支付后,世博会门票信息就会通过“空中下载”的方式,安全地写入用户的手机SIM卡中,最终让参观者实现“刷手机、游世博”的特殊体验。

    世博门票系统就是一张物联网,不论是内嵌高频射频识别(RFID)芯片的普通门票,还是采用有源射频识别芯片的手机门票,都能与所有闸机、预约机进行信息交流。

智能安防

    世博会围栏区使用的电子围栏以无线传感网为基础,由一个个微小传感器组织成网、互通有无,防范人员侵入和物体抛入。甚至世博园内的窨井盖都是“物联”的,井盖防盗系统利用现有的GPS和CDMA技术,可在井盖位置变化时无线报警。

    在世博园区中国电信浦东营业厅的安全出口门上方,有两只像飞碟一样的“大眼睛”,它就是用于客流分析的全球眼。这两只“大眼睛”时刻注视着进出通道的人流状况,可以随时提供任意时段的人数统计及相关视频,如果参观者超过设定数量还会发出提示。客流分析是物联网的重要应用之一,其监测和分析结果是大型商场、购物中心、商业连锁店、机场、地铁、车站、博物馆、展览馆、公园等公共场所在安全管理和经营决策分析方面不可缺少的数据。在商业零售行业,客流量的统计与分析对其精细化管理具有重要的作用;在公共场所安全防范领域,客流统计和分析是管理部门了解人员出入量、制定紧急安全方案的基础。

    该系统是全球眼监控系统与智能化图像分析技术相结合的新产品。系统从全球眼系统获取现场监控图像,对图像进行智能化分析,为终端客户提供客流数据管理服务。系统的主要功能包括智能计数和密度分析。智能计数是指在已有的出入口图像资源的基础上,利用图像智能分析功能,结合人体识别和越界分析技术,对出入口区域的人和车辆出入情况实现自动计数,对区域的出入总量和实时区域内人和车辆数量进行准确分析;智能密度分析则是指对易发生人群密集的局部区域进行客流密度分析,通过现场人群密度的标定,自定义人群密度等级,实现智能化的人群密度估计。系统还可设定密度等级报警阈值,当估计值超过预设的阈值时自动产生报警信息,提示监控人员采取针对性的措施,以便有针对性地对重点监控区域实施防范,及时发现突发人群密集等情况,确保参观群众安全。

智能交通


 智能交通系统

    交通是世博会期间的重大难题,从全球各地密集涌入上海的人群给公共交通带来了安全、效率各方面的挑战。公共交通巴士,依然是世博期间世博园内最主要的公交运输工具。目前公交车整体的管理和调度已经形成规模化和产业化,各地项目实施情况也比较好,但是公交车的安全事故,比如劫持人质、司机酒后驾车、超速行驶、公交车自燃事故等在人群密集的时候依然是一个很大的考验。

  为了更好的保障世博期间的车辆安全,上海电信将物联网技术应用到世博的交通监控上,该物联网系统通过视频与传感器技术结合的方式,通过对烟雾、振动和加速度等元素的控制,可以实现对车辆的车速、开关门、急刹车、碰撞、侧翻、超速、越界(偏离运营路线)等情况进行实时监测,还可以对危险品进行监测,此套物联网系统已经在世博正式开幕之前投入运营应用。

食品物流监控

    食品物流RFID监控溯源系统将涵盖所有供应世博会单位提供的蔬菜、水产品、畜禽、奶、蛋、面包糕点、餐饮半成品等对温控有要求的食品,储存种养殖企业或生产单位、品名、产地、生产日期、保质期、储存条件等信息,并对这些食品的配货、流转、运输等环节的环境、温度、安全进行监控。RFID标签还随货物交易完整进入餐饮、零售或物流终端,保证食品和原料能够追踪溯源。

世博“好管家”

     在世博园区的中国电信浦东营业厅,放置着一盏连着传感器的台灯,白天,如果将传感器遮盖严实,台灯随即亮起,去掉遮盖物后,台灯随之熄灭。这个简单的展示,就是物联网在楼宇节能系统中的重要应用之一。展示的台灯,实际上就是智能照明控制的模型。如果照明感知节点被遮盖,节点就能感知到周围光线变暗,连接控制的灯会自动打开。这种智能照明控制系统应用在楼宇中,可以控制什么时候开灯、什么光线下开灯、开几盏灯,大大节省了能源。该系统还可以控制空调等其他电器,在实现智能楼宇、智能家居的同时,满足了节能环保的要求。

     与台灯一起展示的还有一个二氧化碳的传感器。对着这个传感器呵一口气,它就能立刻感知到二氧化碳浓度的提高,管控平台能显示这种变化,如果营业厅内人口密度增大到一定程度时,管控平台还能发出警告。对照明、二氧化碳、温度和湿度的监控,都是楼宇节能系统的重要功能。应用最新的物联网智能楼宇系统,采用物联网与无线通信相结合的技术,通过传感网采集楼宇温度、湿度、光照等环境参数,并利用无线传感网的低功耗特性,就能在不改造楼宇现有线路的条件下,实现对已有楼宇的环境监测与智能控制。物联网楼宇节能系统,是世博场馆和大厦的“好管家”。

思科馆:打造“智能+互联”城市


思科馆

     本届世博会,思科建馆主打的是“物联网”概念,希望通过向参观者展示以信息和网络平台为基础的城市化运动。思科馆的公共展区由3个独立的空间组成,向人们全面展示“智能+互联”生活理念。预展区描绘了当今社会所面临的城市化问题,激发观众思考如何规划在未来20年中新建的100座城市。参观者将进入思科馆主展区,通过长约8分钟的视频一起见证2020年一个普通家庭1天的生活。参观者将在此看到科技如何在工作、生活、娱乐和学习等各方面改变一个家庭的生活方式。专业观众将进入解决方案展区,继续深入了解网络平台改善城市生活的愿景。

上汽·通用馆:诠释未来“车联网”

 

城市概念车

     上海世博会上,上汽集团和通用汽车联合建设的汽车馆,将展示另一番“未来世界”图景。双方日前在上海全球首发、将在上海世博会上展示的城市概念车EN-V,这款车的自动驾驶、电气化、车联网概念将把人类带入零排放、零交通事故、零交通堵塞的未来时代。在不远的未来,作为最新科技物联网的一部分,车联网技术将通过电子控制下的车与车、车与外界信息交换系统实现“互相连通”。按照通用汽车的预估,未来汽车会实现电气化、智能化和无人驾驶,车与车之间、车与道路之间会具有交流功能。交通阻塞、空气污染和交通事故也将成为历史。

日本馆:展示未来家居


 会拉琴的机器人

    在未来的家庭中,客厅墙壁将成为融电视、电话、音响等于一体的多媒体“生活墙”。名为“生活墙”的墙壁,实际上是一个超大的电子触摸屏。它有“电视”、“电话”、“运动”、“读书”等各种选项。想看电视,点一下“电视”就能看到电视节目;想打电话,点一下“电话”,就能实现视频通话。如果想运动,点开“运动”选项,下面有足球、篮球等各种运动项目。只要做出拍球、运球的动作,墙面上的球会跟随你的动作做出反应。

     踩踩地板就能发电。“请大家轮流踩一下前面的地板,你踩这块地板时,就会发电。”在日本馆工作人员解说到,这块地板与普通地板看上去没有什么区别,但当游客踩上去时,地板周边的电线就变成了红色——地板开始发电。“地板有特殊的工艺,它可以把重力转化为电能。”工作人员说,这种能发电的地板已经在日本投入使用。在日本馆 ,不但地板会发电,连窗户也有发电的本事。窗户和普通窗户相差不大,但与普通窗户不同的是,它的窗面是一个太阳能发电系统,一推开窗,窗户就开始接收太阳光,并将光能转化为电能,电能还可以储存起来。

     在日本馆还展出了可满足老龄化社会的需求、提供“看护及医疗援助”、“家政援助”的伙伴机器人,以及拥有娴熟揉弦、拉弓技巧的会拉小提琴的机器人。

智能电表PLC调制解调器方案选择

    智能电网是一个庞大系统,涉及电力、通信及应用等多个层次,以及局域网(LAN)和广域网(WAN)等不同网络类型。其中,LAN连接家庭或建筑物内不同类型的智能电表到数据集中器(concentrator)。就这一段的网络连接而言,通常它们对通信速率的要求不高,最主要的考虑因素是降低成本。常见的通信方式有无线射频网络、有线电力线载波(PLC)或电力线宽带(BPL)等。具体采用何种通信方式,需要考虑各国电网实际状况等因素,同时,最先试行国家的做法也会提供借鉴意义。

    例如,在欧洲能源市场有重要影响力的法国电力(Electricité de France, EDF),于2009年中启动了当前世界上最大的智能电表项目Linky,计划到2017年在法国部署3500万个智能电表。这个项目为智能电表到数据集中器之间的通信选择了PLC技术,然后再利用通用分组无线业务(GPRS)技术将数据传送到该公司的数据中心。考虑到中国的智能电网仍在试点阶段,法国ERDF的选择对中国具有借鉴意义。

PLC调制技术的选择
    虽然PLC技术提供了一种低成本的选择,但电力线的初衷并不是用于通信,故在应用PLC通信时也面临一些挑战。特别是设计人员需要密切注意会出现的信号衰减和噪声问题,反之也要求复杂的收发器技术。

    为了抑制由噪声导致的信号衰减,降低误码率,并改善频率效率,有必要利用适合的信号调制技术。实际上,电力机构在部署智能电表抄表系统时,主要有三种调制方式,分别是正交频分复用(OFDM)、相移键控(PSK)和扩频型频移键控(S-FSK)。

    OFDM的理论带宽较高,但实际上在低压网络的噪声条件下会损失很大一部分带宽,而且OFDM的应用成本较高,工作时还消耗可观的电能。PSK调制技术的应用成本很低,但不是特别可靠,性能会受到相位噪声影响,而且无法充分覆盖较长距离。相比较而言,虽然S-FSK的数据率比OFDM低,但更胜任智能电表应用。这种调制技术能实现可靠的通信,同时应用成本更低,消耗的电能也更少。因此,就当前的智能电网PLC应用而言,复杂度低、商用潜力更大及有可靠现场应用记录的S-FSK调制技术无疑是更适合的选择。

    实际上,法国ERDF的Linky项目规范中,物理层参考规范是IEC61334-5-1/EN50065,其中规定的调制技术就是S-FSK,通信频率为标记频率(mark frequency, Fm) 63.3 kHz和空频(space frequency, Fs) 74 kHz,传输速率2.4 Kbps,并与50 Hz电气网络频率物理同步。

安森美半导体PLC调制解调器的优势
   
安森美半导体的AMIS-49587是一款高集成度、符合标准的低功率PLC方案,支持PLC现场部署要求的4种不同模式,如NO_CONFIG、MASTER(集中器)、SLAVE(电表)和SPY(给测试人员的原始数据),适合智能电表以及智能街灯和智能插座等应用。与早前推出的AMIS-30585相比,AMIS-49587支持2.4 kb的更高半双工可调节通信速率,符合诸如ERDF规范这样的市场新要求,目前已经获得法国原始设备制造商(OEM)的先期使用,在中国也已获得数家电表客户的选用。两款器件引脚对引脚兼容。

    AMIS-49587符合IEC61334-5-1标准,基于ARM7TDMI处理器内核,同时包含物理接口收发器(PHY)和媒体访问控制器(MAC)层,使其以单芯片方案结合了模拟调制解调器前端和数字后处理功能,而大多数竞争方案需要复杂的嵌入式软件来执行与AMIS-49587相同的功能。设计人员使用AMIS-49587调制解调器,能在不到一个季度的时间内开发出全套互操作PLC方案,还可降低开发及应用成本。基于AMIS-49587的调制解调器方案仅使用2个芯片(另一个为NCS5650 2A PLC线路驱动器),外加16个电阻、17个电容、2个二极管、1个晶体和1个脉冲变压器,总元件数量为39个。

    此外,AMIS-49587采用S-FSK调制技术,结合高分辨率的滤波算法,配以自动可信值/中继器(repeater)功能,提供基于长距离电力线的高可靠性数据通信。通信误差比其它可选及现有方案更低。该器件凭借板载低抖动锁相环(PLL)与交流主电源(mains)信号同步。由于包含16位分辨率的模拟前端,使器件具有极优的噪声免疫性和极高的接收灵敏度。

    AMIS-49587的易用性也很突出。由于内嵌协议处理功能,使设计人员无需涉及PHY和MAC协定传输细节问题,节省50%的软件开发耗费。通过串行接口直接连接到用户主微控制器(MCU)。

    AMIS-49587同时兼容于单相和多相电表。此外,其能耗也比基于数字信号处理器(DSP)的方案更低,适合智能电表至集中器的PLC通信应用。安森美半导体还提供评估套件AMIS49587EVK,内含2个PLC调制解调器,用于在客户端与服务器端之间配置通信;还包含开源图形用户界面,用于配置端到端通信。

安森美半导体为智能电表应用提供完整方案
    除了上述通信应用的PLC调制解调器和线路驱动器方案,安森美半导体还提供电源管理、测量和存储等关键功能的智能电表解决方案。如电源管理模块,NCP1014、NCP1015等AC-DC转换器,LM2596、NCP3063和CS51411等DC-DC转换器,MC78L05、MC7805、CAT6217和CAT6219等低压降(LDO)稳压器,以及NTMFS4823等中压及高压FET。此外,还有EEPROM、SDRM等存储器,以及ESD/TVS、SIM卡接口、逻辑、USB保护、监控、I/O扩展、时钟和温度传感器等。