摘要：本文通過當(dāng)前家居智能控制的現(xiàn)狀進(jìn)行深入研究，對(duì)現(xiàn)有的各種總線協(xié)議、控制技術(shù)、接口技術(shù)進(jìn)行闡述與分析，同時(shí)筆者提出對(duì)家居智能控制的一些建議，這些研究相信對(duì)研究家居智能控制的技術(shù)提供一些借鑒。
關(guān)鍵詞：智能家居；總線；芯片；接口技術(shù)
中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044(2008)05-10000-00
1 問題的提出
伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與迅速普及，人們的生活方式正在發(fā)生深刻的變化。特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的迅猛發(fā)展與提高，促使了家庭實(shí)現(xiàn)了生活現(xiàn)代化，居住環(huán)境舒適、安全、環(huán)保、節(jié)能。這些高科技已經(jīng)影響到人們生活的方方面面，改變了人們生活習(xí)慣，提高了人們生活質(zhì)量，家居智能化正是在這種形勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生。
智能家居應(yīng)該包含三方面的內(nèi)容：(1)信息產(chǎn)品的家電化，如機(jī)頂盒、Web游戲機(jī)、Web電視、Web電話，還有PC、掌上電腦、手持PC、可穿戴PC等所有能通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)交互信息的消費(fèi)類電子產(chǎn)品；(2)傳統(tǒng)家電的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，如電冰箱、洗衣機(jī)、微波爐、太陽能熱水器等植入數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使之工作于家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的基礎(chǔ)上；(3)基于家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境開發(fā)出的新的應(yīng)用模式，如：家庭設(shè)備自動(dòng)監(jiān)控、安全防范等。
目前，家居智能化發(fā)展的狀況如下：
日本是較早推動(dòng)智能家居發(fā)展的國家之一，它較早地提出了家庭總線系統(tǒng)（ Home Bus System， 簡(jiǎn)稱HBS ）的概念，成立了家庭總線(HBS)研究會(huì)，并在郵政省和通產(chǎn)省的指導(dǎo)下組成了HBS標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)，制定了日本的HBS標(biāo)準(zhǔn)。按照該標(biāo)準(zhǔn)，HBS系統(tǒng)由一條同軸電纜和4對(duì)雙絞線構(gòu)成，前者用于傳輸圖像信息，后者用于傳輸語音、數(shù)據(jù)及控制信號(hào)。
比較成型的總線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議主要是美國公司提出的，包括Echelon 公司的LonWorks協(xié)議、電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)的CE總線協(xié)議(CEBuS )、Smart House LP的智能屋協(xié)議和X-10公司的X-10協(xié)議等。 LonWorks應(yīng)用范圍主要包括樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制等，在組建分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)方面有較好的性能，目前全球已建立的LonWorks節(jié)點(diǎn)已經(jīng)超過50萬個(gè)。在四種協(xié)議中，X-10是歷史最長且使用最簡(jiǎn)單的一種，它于1978年誕生于美國，至今仍是美國家庭自動(dòng)化的主導(dǎo)系統(tǒng)。之所以說X-10協(xié)議簡(jiǎn)單是因?yàn)樗苯永米≌娏�作為控制總線，通過電力線將各控制器與各功能接口器相連并實(shí)現(xiàn)程序控制，不必再穿墻打孔，更有利于改變結(jié)構(gòu)空間，用戶可自己動(dòng)手安裝，價(jià)格也比較低廉。而CEBuS 作為電子工業(yè)推廣協(xié)議，與歐洲的EHS標(biāo)準(zhǔn)同為歐美家庭自動(dòng)化電子產(chǎn)品的行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)。
EIB歐洲電氣接線裝置總線智能控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱EIB?總線系統(tǒng)，是為電氣接線裝置專業(yè)打造的智能化控制系統(tǒng)。EIB總線系統(tǒng)作為歐洲安裝總線標(biāo)準(zhǔn)利用一條雙絞線作為控制總線，取代了傳統(tǒng)數(shù)量繁多的導(dǎo)線，使照明、調(diào)光、百葉窗、場(chǎng)景控制、用電負(fù)荷控制、保安、供熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化，并成為一個(gè)完整的總線系統(tǒng)。
我國對(duì)家居智能化并沒有提出了統(tǒng)一的家庭總線系統(tǒng)，家電行業(yè)到目前為止，對(duì)于家居智能化的發(fā)展與先進(jìn)國家相比，比較落后；科研投入不夠，因而，真正家居智能家電產(chǎn)品不多�？梢哉J(rèn)為，我國對(duì)家居智能化研究正處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。
2 建立適合中國家庭的智能總線標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)想
家居智能化有三大作用：其一、實(shí)現(xiàn)安全、智能化、人性化的近程及遠(yuǎn)程控制；其二、實(shí)現(xiàn)家用電器的節(jié)能；其三、實(shí)現(xiàn)信息共享。
家庭智能化要求諸多家電和網(wǎng)絡(luò)能夠彼此相容，總線協(xié)議是其精髓所在，只有接口暢通，家電才能“聽懂”人發(fā)出的指令，因此總線標(biāo)準(zhǔn)的物理層接口形式是智能家居亟待解決的重要問題之一。智能家電控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)面臨著兩方面的問題：(1)家庭信息需求的具體化，即數(shù)字家庭的概念模型到實(shí)際模型，國內(nèi)外都進(jìn)行了一些有益的探索；(2)技術(shù)解決方案，包括網(wǎng)絡(luò)接入方案和設(shè)備互連方案。
智能家庭控制系統(tǒng)是以網(wǎng)絡(luò)為物理平臺(tái)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)為技術(shù)平臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)總線為應(yīng)用操作平臺(tái)，構(gòu)成一個(gè)完整的集家庭通信、家庭設(shè)備自動(dòng)控制、家庭安全防范等功能的控制系統(tǒng)。其總體目標(biāo)是通過采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)和集成技術(shù)建立一個(gè)由家庭到小區(qū)乃至整個(gè)城市的綜合信息服務(wù)和管理系統(tǒng)，以此來提高住宅高新技術(shù)的含量和居民居住環(huán)境水平。
我們應(yīng)對(duì)建立適合中國家庭的智能總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入研究，在了解、研究世界范圍智能家庭控制的發(fā)展的同時(shí)提出并建立中國的智能總線標(biāo)準(zhǔn)，為我國的智能家居發(fā)展提供標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)指導(dǎo)。筆者認(rèn)為中國家庭的智能總線可以參照日本的HBS和美國X-10協(xié)議制定我國的智能家居標(biāo)準(zhǔn)。通常智能家居系統(tǒng)內(nèi)部傳輸接口可以通過兩種傳輸途徑來實(shí)現(xiàn)：其一是無線傳輸方式；其二是有線傳輸方式。我們可將家居用電設(shè)備基于控制特性分成若干類，這里包括網(wǎng)絡(luò)化的信息產(chǎn)品、傳統(tǒng)家電和基于家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境開發(fā)出的新的應(yīng)用產(chǎn)品，由此，可以根據(jù)這些家電的特點(diǎn)，建起立家庭的智能總線。
首先建立中國的智能總線標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議，目前，家庭有電力線、電話線、網(wǎng)絡(luò)線以及視頻線，這些網(wǎng)線系統(tǒng)，筆者認(rèn)為可以作為中國家庭的智能總線的載體，標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議可以分成三個(gè)部分，傳統(tǒng)家電以電力線、電話線為控制載體，可以實(shí)行短命令控制方式；網(wǎng)絡(luò)化的信息產(chǎn)品、基于家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境開發(fā)出的新的應(yīng)用產(chǎn)品以網(wǎng)絡(luò)線為控制載體，實(shí)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制方式；至于視頻及安全防范系統(tǒng)，則應(yīng)以網(wǎng)絡(luò)線以及視頻線為控制載體，實(shí)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制方式。下圖是智能家居控制系統(tǒng)的框圖。
圖1 智能家居控制系統(tǒng)的框圖
3 實(shí)現(xiàn)智能家居控制常見的技術(shù)與設(shè)想
對(duì)于智能家居控制，在建立智能總線標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議之后，對(duì)家電的控制關(guān)鍵在于接口，目前國際上流行的物理層系列接口主要包含無線射頻（RF）、電力載波（PL）、雙絞線（RS485等）、專用線IEEE 1394 、IEEE1394b、利用IEEE 1394 的HAVI 、藍(lán)牙技術(shù)（Bluetooth）、無線通信以太網(wǎng)（IEEE802.11）、X11、無線通信HomeRF(Home Radio Frequency)、紅外線技術(shù)等，這些接口涵蓋了從以智能設(shè)備監(jiān)控為代表的低速數(shù)據(jù)鏈路接口和以家庭多媒體娛樂和視頻監(jiān)控為代表的高速數(shù)據(jù)鏈路接口。從過往控制效果分析來看，電力載波（PL）、雙絞線（RS485等）、藍(lán)牙技術(shù)（Bluetooth）、無線通信以太網(wǎng)（IEEE802.11）、X11、紅外線技術(shù)等比較適合智能家居控制，因此，在今后的研究中，我們應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)相關(guān)技術(shù)在家居控制的接口的深入研究，制定中國智能家居控制長遠(yuǎn)規(guī)劃，統(tǒng)一制定全國的接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)并研發(fā)相關(guān)的接口IC，以利于中國智能家居控制的發(fā)展?fàn)畲�。下面筆者就一些接口技術(shù)做一些深入的探討。
1)電力載波
電力載波主要使用兩種方式：窄帶通訊方式和擴(kuò)頻通訊方式。窄帶通訊技術(shù)價(jià)格低廉并且較為容易實(shí)現(xiàn)；擴(kuò)頻通訊技術(shù)在抗干擾性能上擾于窄帶通訊，但技術(shù)復(fù)雜。使用電力載波應(yīng)用于智能化網(wǎng)絡(luò)家電控制中有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）可以利用現(xiàn)有的電力線組網(wǎng)；（2）因?yàn)椴槐刂匦虏季W(wǎng)，所以可以節(jié)約財(cái)力、物力和人力；（3）易于實(shí)現(xiàn)；（4）目前市場(chǎng)上已經(jīng)有多種電力載波芯片，可以擇優(yōu)選用。
但是將電力載波應(yīng)用到智能化網(wǎng)絡(luò)家電控制中還存在許多技術(shù)難點(diǎn)：（1）如何設(shè)計(jì)基于電力載波控制的智能化家電網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)；（2）如何制定電力載波通訊協(xié)議,使得它們之間能夠相互可靠地傳遞信息；（3）如何克服電力載波固有的信號(hào)衰減、阻抗失配以及等幅振蕩干擾等問題；（4）如何設(shè)計(jì)電力線接口（PowerLine Interface,簡(jiǎn)稱PLI）。
2)藍(lán)牙技術(shù)
藍(lán)牙技術(shù)是由藍(lán)牙SIG(Special Interest Group)聯(lián)合制定的近距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其目的是實(shí)現(xiàn)最高數(shù)據(jù)傳輸速率1Mb/s(有效數(shù)據(jù)傳輸速率是721kb/s)、最大傳輸距離為10米(增加功率后可傳輸100米)的無線通信。藍(lán)牙技術(shù)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：工作于2.4GHz的ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)頻段)頻段，無需申請(qǐng)頻率許可證；采用1600hop/s的快速跳頻技術(shù)；采用正向糾錯(cuò)編碼(FEC)技術(shù)；采用FM調(diào)制方式，設(shè)備簡(jiǎn)單；支持點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)通信；協(xié)議體系完備，充分支持現(xiàn)有高層協(xié)議；設(shè)備體積小,便于攜帶或移動(dòng),成本低廉�；谒{(lán)牙技術(shù)的家居智能網(wǎng)絡(luò)是用近距離的無線通信技術(shù)取代線纜，構(gòu)建智能化的無線家居網(wǎng)絡(luò)。
藍(lán)牙家居網(wǎng)絡(luò)使藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)家電、藍(lán)牙通信控制器和其它嵌入藍(lán)牙模塊的設(shè)備，利用無線方式連在一起,使之相互通信；同時(shí)，利用具有路由功能的藍(lán)牙家庭網(wǎng)關(guān)和外部網(wǎng)絡(luò)相連,構(gòu)成家庭式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或家庭局域網(wǎng)，提供集中的或異地的音頻、視頻通信、計(jì)算機(jī)控制和管理等，使信息在家庭內(nèi)以及與外部之間充分流通和共享。藍(lán)牙分布式智能家居網(wǎng)絡(luò)是沿用工業(yè)控制方案，將控制功能下放到相當(dāng)于工業(yè)控制中下位機(jī)的藍(lán)牙通信控制器上，實(shí)現(xiàn)分散控制、集中管理的模式。
藍(lán)牙智能家居網(wǎng)絡(luò)中由于藍(lán)牙技術(shù)和信息處理技術(shù)的局限，其缺點(diǎn)也是不可忽視的。其表現(xiàn)如下：由于每臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備最多同時(shí)只能和7臺(tái)設(shè)備保持連接，而藍(lán)牙通信控制器需要和較多的設(shè)備交互，如果想和更多的設(shè)備協(xié)調(diào)，需要工作模式的轉(zhuǎn)換，影響處理效率，甚至導(dǎo)致通信失敗；由于同一設(shè)備可能接受很多信息，如果微處理器對(duì)信息采用排隊(duì)處理，時(shí)間延遲將增加；在藍(lán)牙分布式智能家居網(wǎng)絡(luò)中，藍(lán)牙通信控制器之間、藍(lán)牙通信控制器和藍(lán)牙設(shè)備之間、藍(lán)牙設(shè)備都有信息傳遞，造成串?dāng)_，同時(shí)通信路數(shù)越多，串?dāng)_越大，通信距離和傳輸速率都隨之降低。
3)射頻（RF）技術(shù)與紅外技術(shù)
射頻（RF）技術(shù)成熟度高、成本低廉，穿透性也非常好，但缺點(diǎn)是沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各公司的通信協(xié)議都不一樣；紅外技術(shù)非常成熟、具有很好的靈活性和可移動(dòng)性，成本也非常低廉，但受到障礙物的限制，沒有穿透性，方向性較差，也沒有標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議。目前，由于無線射頻無需增加附加的布線資源，數(shù)據(jù)傳輸性能可靠且成本低廉，因而成為目前最現(xiàn)實(shí)和最受歡迎的物理層接口形式之一�？梢灶A(yù)見，隨著無線方式的逐漸成熟，它將在未來取代有線通信，成為家庭網(wǎng)絡(luò)的最佳連接方式。
家電的控制關(guān)鍵在于接口，接口的關(guān)鍵在于由協(xié)議做成的控制集成電路，我國在半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)的研究水平較低，所以，今后，一定要從基礎(chǔ)抓起，抓緊對(duì)家智能控制集成電路芯片的研究與生產(chǎn)；另外，也可利用現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)，對(duì)家智能控制集成電路芯片進(jìn)行開發(fā)，目前，有若干的集成電路芯片，可用于家電的智能控制，如電力載波控制的芯片，ARM技術(shù)芯片，以及目前較為常見單片機(jī)芯片。
很簡(jiǎn)單的講，您家里空調(diào)、電視、DVD每樣設(shè)備都單獨(dú)使用一臺(tái)遙控器，我們是否能夠把他們幾合一呢？豈不是更加方便？管理這么一堆設(shè)備從軟件上來講肯定是復(fù)雜的多了，從硬件方面當(dāng)然也需要功能更加強(qiáng)大、功耗極低、價(jià)格更廉價(jià)的處理器來支持，32位的ARM處理器能夠輕松完成以上需求。嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域顯然已經(jīng)成為另一種科學(xué)，也由于網(wǎng)絡(luò)與通訊的高速進(jìn)步，帶動(dòng)了信息家電，信息工業(yè)的潮流，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為不可或缺的生活必需品。
圖2ARM嵌入式應(yīng)用于各行業(yè)框圖
ARM公司并不生產(chǎn)芯片，他向芯片制造商提供知識(shí)產(chǎn)權(quán)，優(yōu)異的體系結(jié)構(gòu)和開放的平臺(tái)，使ARM處理器應(yīng)用非常廣泛，各大公司都同時(shí)投入大量的人力研究ARM內(nèi)核的處理器，這不同于CPU幾乎由2家公司壟斷生產(chǎn)，ARM處理器的選擇范圍非常寬廣，同內(nèi)核可以選擇任意一家廠商的芯片。由于多家的支持努力，基于ARM內(nèi)核的處理器芯片外設(shè)非常豐富，這個(gè)用戶帶來了極大的方便，很多情況都可以一個(gè)芯片就可以完成全部的資源需求。
ARM處理器的優(yōu)點(diǎn)，ARM處理器本身是位設(shè)計(jì)，但也配備16位指令集。一般來講存儲(chǔ)器比等價(jià)位代碼節(jié)省，然而保留了32位系統(tǒng)的所有優(yōu)勢(shì)。 ARM的Jazelle技術(shù)使Java加速得到比基于軟件的Java虛擬機(jī)(JVM)高得多的性能，和同等的非Java加速核相比功耗降低80％。 CPU功能上增加DSP指令集提供增強(qiáng)的16位和32位算術(shù)運(yùn)算能力，提高了性能和靈活性。ARM內(nèi)核最初是位手持通訊設(shè)備設(shè)計(jì)的，所以他的功耗非常低。
由上可看出ARM技術(shù)是一個(gè)以開放性源代碼進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的芯片，只要抓緊開發(fā)，我們就能開發(fā)適應(yīng)與家電智能控制中央處理的芯片。
目前，單片機(jī)器件技術(shù)發(fā)展很快，例如單片機(jī)器件STC12C5410AD系列內(nèi)設(shè)置１ＴCPU、１２Ｋ閃存、有A/D轉(zhuǎn)換、PWM輸出、１６位定時(shí)器等許多功能，其最大優(yōu)點(diǎn)是可以用Ｃ語言與匯編語言混合編程，這些都為研發(fā)智能家電芯片提供方便，因此，筆者認(rèn)為，單片機(jī)器件可以用于家居智能控制的單元型控制芯片。
4 結(jié)論
隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)家居智能控制的各方面條件更加成熟，筆者對(duì)家居智能控制的發(fā)展提出一些想法，相信對(duì)從事家居智能控制設(shè)計(jì)的人員會(huì)有一些幫助。
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收稿日期：2008-01-12
作者簡(jiǎn)介：潘慶浩（1974-），男，助理實(shí)驗(yàn)師，工程碩士學(xué)位（軟件工程方向）；古鵬（1963-），男，副教授，本科。
關(guān)鍵詞：智能家居；總線；芯片；接口技術(shù)
中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044(2008)05-10000-00
1 問題的提出
伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與迅速普及，人們的生活方式正在發(fā)生深刻的變化。特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的迅猛發(fā)展與提高，促使了家庭實(shí)現(xiàn)了生活現(xiàn)代化，居住環(huán)境舒適、安全、環(huán)保、節(jié)能。這些高科技已經(jīng)影響到人們生活的方方面面，改變了人們生活習(xí)慣，提高了人們生活質(zhì)量，家居智能化正是在這種形勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生。
智能家居應(yīng)該包含三方面的內(nèi)容：(1)信息產(chǎn)品的家電化，如機(jī)頂盒、Web游戲機(jī)、Web電視、Web電話，還有PC、掌上電腦、手持PC、可穿戴PC等所有能通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)交互信息的消費(fèi)類電子產(chǎn)品；(2)傳統(tǒng)家電的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，如電冰箱、洗衣機(jī)、微波爐、太陽能熱水器等植入數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使之工作于家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的基礎(chǔ)上；(3)基于家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境開發(fā)出的新的應(yīng)用模式，如：家庭設(shè)備自動(dòng)監(jiān)控、安全防范等。
目前，家居智能化發(fā)展的狀況如下：
日本是較早推動(dòng)智能家居發(fā)展的國家之一，它較早地提出了家庭總線系統(tǒng)（ Home Bus System， 簡(jiǎn)稱HBS ）的概念，成立了家庭總線(HBS)研究會(huì)，并在郵政省和通產(chǎn)省的指導(dǎo)下組成了HBS標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)，制定了日本的HBS標(biāo)準(zhǔn)。按照該標(biāo)準(zhǔn)，HBS系統(tǒng)由一條同軸電纜和4對(duì)雙絞線構(gòu)成，前者用于傳輸圖像信息，后者用于傳輸語音、數(shù)據(jù)及控制信號(hào)。
比較成型的總線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議主要是美國公司提出的，包括Echelon 公司的LonWorks協(xié)議、電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)的CE總線協(xié)議(CEBuS )、Smart House LP的智能屋協(xié)議和X-10公司的X-10協(xié)議等。 LonWorks應(yīng)用范圍主要包括樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制等，在組建分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)方面有較好的性能，目前全球已建立的LonWorks節(jié)點(diǎn)已經(jīng)超過50萬個(gè)。在四種協(xié)議中，X-10是歷史最長且使用最簡(jiǎn)單的一種，它于1978年誕生于美國，至今仍是美國家庭自動(dòng)化的主導(dǎo)系統(tǒng)。之所以說X-10協(xié)議簡(jiǎn)單是因?yàn)樗苯永米≌娏�作為控制總線，通過電力線將各控制器與各功能接口器相連并實(shí)現(xiàn)程序控制，不必再穿墻打孔，更有利于改變結(jié)構(gòu)空間，用戶可自己動(dòng)手安裝，價(jià)格也比較低廉。而CEBuS 作為電子工業(yè)推廣協(xié)議，與歐洲的EHS標(biāo)準(zhǔn)同為歐美家庭自動(dòng)化電子產(chǎn)品的行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)。
EIB歐洲電氣接線裝置總線智能控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱EIB?總線系統(tǒng)，是為電氣接線裝置專業(yè)打造的智能化控制系統(tǒng)。EIB總線系統(tǒng)作為歐洲安裝總線標(biāo)準(zhǔn)利用一條雙絞線作為控制總線，取代了傳統(tǒng)數(shù)量繁多的導(dǎo)線，使照明、調(diào)光、百葉窗、場(chǎng)景控制、用電負(fù)荷控制、保安、供熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化，并成為一個(gè)完整的總線系統(tǒng)。
我國對(duì)家居智能化并沒有提出了統(tǒng)一的家庭總線系統(tǒng)，家電行業(yè)到目前為止，對(duì)于家居智能化的發(fā)展與先進(jìn)國家相比，比較落后；科研投入不夠，因而，真正家居智能家電產(chǎn)品不多�？梢哉J(rèn)為，我國對(duì)家居智能化研究正處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。
2 建立適合中國家庭的智能總線標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)想
家居智能化有三大作用：其一、實(shí)現(xiàn)安全、智能化、人性化的近程及遠(yuǎn)程控制；其二、實(shí)現(xiàn)家用電器的節(jié)能；其三、實(shí)現(xiàn)信息共享。
家庭智能化要求諸多家電和網(wǎng)絡(luò)能夠彼此相容，總線協(xié)議是其精髓所在，只有接口暢通，家電才能“聽懂”人發(fā)出的指令，因此總線標(biāo)準(zhǔn)的物理層接口形式是智能家居亟待解決的重要問題之一。智能家電控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)面臨著兩方面的問題：(1)家庭信息需求的具體化，即數(shù)字家庭的概念模型到實(shí)際模型，國內(nèi)外都進(jìn)行了一些有益的探索；(2)技術(shù)解決方案，包括網(wǎng)絡(luò)接入方案和設(shè)備互連方案。
智能家庭控制系統(tǒng)是以網(wǎng)絡(luò)為物理平臺(tái)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)為技術(shù)平臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)總線為應(yīng)用操作平臺(tái)，構(gòu)成一個(gè)完整的集家庭通信、家庭設(shè)備自動(dòng)控制、家庭安全防范等功能的控制系統(tǒng)。其總體目標(biāo)是通過采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)和集成技術(shù)建立一個(gè)由家庭到小區(qū)乃至整個(gè)城市的綜合信息服務(wù)和管理系統(tǒng)，以此來提高住宅高新技術(shù)的含量和居民居住環(huán)境水平。
我們應(yīng)對(duì)建立適合中國家庭的智能總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入研究，在了解、研究世界范圍智能家庭控制的發(fā)展的同時(shí)提出并建立中國的智能總線標(biāo)準(zhǔn)，為我國的智能家居發(fā)展提供標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)指導(dǎo)。筆者認(rèn)為中國家庭的智能總線可以參照日本的HBS和美國X-10協(xié)議制定我國的智能家居標(biāo)準(zhǔn)。通常智能家居系統(tǒng)內(nèi)部傳輸接口可以通過兩種傳輸途徑來實(shí)現(xiàn)：其一是無線傳輸方式；其二是有線傳輸方式。我們可將家居用電設(shè)備基于控制特性分成若干類，這里包括網(wǎng)絡(luò)化的信息產(chǎn)品、傳統(tǒng)家電和基于家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境開發(fā)出的新的應(yīng)用產(chǎn)品，由此，可以根據(jù)這些家電的特點(diǎn)，建起立家庭的智能總線。
首先建立中國的智能總線標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議，目前，家庭有電力線、電話線、網(wǎng)絡(luò)線以及視頻線，這些網(wǎng)線系統(tǒng)，筆者認(rèn)為可以作為中國家庭的智能總線的載體，標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議可以分成三個(gè)部分，傳統(tǒng)家電以電力線、電話線為控制載體，可以實(shí)行短命令控制方式；網(wǎng)絡(luò)化的信息產(chǎn)品、基于家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境開發(fā)出的新的應(yīng)用產(chǎn)品以網(wǎng)絡(luò)線為控制載體，實(shí)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制方式；至于視頻及安全防范系統(tǒng)，則應(yīng)以網(wǎng)絡(luò)線以及視頻線為控制載體，實(shí)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制方式。下圖是智能家居控制系統(tǒng)的框圖。
圖1 智能家居控制系統(tǒng)的框圖
3 實(shí)現(xiàn)智能家居控制常見的技術(shù)與設(shè)想
對(duì)于智能家居控制，在建立智能總線標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議之后，對(duì)家電的控制關(guān)鍵在于接口，目前國際上流行的物理層系列接口主要包含無線射頻（RF）、電力載波（PL）、雙絞線（RS485等）、專用線IEEE 1394 、IEEE1394b、利用IEEE 1394 的HAVI 、藍(lán)牙技術(shù)（Bluetooth）、無線通信以太網(wǎng)（IEEE802.11）、X11、無線通信HomeRF(Home Radio Frequency)、紅外線技術(shù)等，這些接口涵蓋了從以智能設(shè)備監(jiān)控為代表的低速數(shù)據(jù)鏈路接口和以家庭多媒體娛樂和視頻監(jiān)控為代表的高速數(shù)據(jù)鏈路接口。從過往控制效果分析來看，電力載波（PL）、雙絞線（RS485等）、藍(lán)牙技術(shù)（Bluetooth）、無線通信以太網(wǎng)（IEEE802.11）、X11、紅外線技術(shù)等比較適合智能家居控制，因此，在今后的研究中，我們應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)相關(guān)技術(shù)在家居控制的接口的深入研究，制定中國智能家居控制長遠(yuǎn)規(guī)劃，統(tǒng)一制定全國的接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)并研發(fā)相關(guān)的接口IC，以利于中國智能家居控制的發(fā)展?fàn)畲�。下面筆者就一些接口技術(shù)做一些深入的探討。
1)電力載波
電力載波主要使用兩種方式：窄帶通訊方式和擴(kuò)頻通訊方式。窄帶通訊技術(shù)價(jià)格低廉并且較為容易實(shí)現(xiàn)；擴(kuò)頻通訊技術(shù)在抗干擾性能上擾于窄帶通訊，但技術(shù)復(fù)雜。使用電力載波應(yīng)用于智能化網(wǎng)絡(luò)家電控制中有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）可以利用現(xiàn)有的電力線組網(wǎng)；（2）因?yàn)椴槐刂匦虏季W(wǎng)，所以可以節(jié)約財(cái)力、物力和人力；（3）易于實(shí)現(xiàn)；（4）目前市場(chǎng)上已經(jīng)有多種電力載波芯片，可以擇優(yōu)選用。
但是將電力載波應(yīng)用到智能化網(wǎng)絡(luò)家電控制中還存在許多技術(shù)難點(diǎn)：（1）如何設(shè)計(jì)基于電力載波控制的智能化家電網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)；（2）如何制定電力載波通訊協(xié)議,使得它們之間能夠相互可靠地傳遞信息；（3）如何克服電力載波固有的信號(hào)衰減、阻抗失配以及等幅振蕩干擾等問題；（4）如何設(shè)計(jì)電力線接口（PowerLine Interface,簡(jiǎn)稱PLI）。
2)藍(lán)牙技術(shù)
藍(lán)牙技術(shù)是由藍(lán)牙SIG(Special Interest Group)聯(lián)合制定的近距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其目的是實(shí)現(xiàn)最高數(shù)據(jù)傳輸速率1Mb/s(有效數(shù)據(jù)傳輸速率是721kb/s)、最大傳輸距離為10米(增加功率后可傳輸100米)的無線通信。藍(lán)牙技術(shù)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：工作于2.4GHz的ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)頻段)頻段，無需申請(qǐng)頻率許可證；采用1600hop/s的快速跳頻技術(shù)；采用正向糾錯(cuò)編碼(FEC)技術(shù)；采用FM調(diào)制方式，設(shè)備簡(jiǎn)單；支持點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)通信；協(xié)議體系完備，充分支持現(xiàn)有高層協(xié)議；設(shè)備體積小,便于攜帶或移動(dòng),成本低廉�；谒{(lán)牙技術(shù)的家居智能網(wǎng)絡(luò)是用近距離的無線通信技術(shù)取代線纜，構(gòu)建智能化的無線家居網(wǎng)絡(luò)。
藍(lán)牙家居網(wǎng)絡(luò)使藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)家電、藍(lán)牙通信控制器和其它嵌入藍(lán)牙模塊的設(shè)備，利用無線方式連在一起,使之相互通信；同時(shí)，利用具有路由功能的藍(lán)牙家庭網(wǎng)關(guān)和外部網(wǎng)絡(luò)相連,構(gòu)成家庭式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或家庭局域網(wǎng)，提供集中的或異地的音頻、視頻通信、計(jì)算機(jī)控制和管理等，使信息在家庭內(nèi)以及與外部之間充分流通和共享。藍(lán)牙分布式智能家居網(wǎng)絡(luò)是沿用工業(yè)控制方案，將控制功能下放到相當(dāng)于工業(yè)控制中下位機(jī)的藍(lán)牙通信控制器上，實(shí)現(xiàn)分散控制、集中管理的模式。
藍(lán)牙智能家居網(wǎng)絡(luò)中由于藍(lán)牙技術(shù)和信息處理技術(shù)的局限，其缺點(diǎn)也是不可忽視的。其表現(xiàn)如下：由于每臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備最多同時(shí)只能和7臺(tái)設(shè)備保持連接，而藍(lán)牙通信控制器需要和較多的設(shè)備交互，如果想和更多的設(shè)備協(xié)調(diào)，需要工作模式的轉(zhuǎn)換，影響處理效率，甚至導(dǎo)致通信失敗；由于同一設(shè)備可能接受很多信息，如果微處理器對(duì)信息采用排隊(duì)處理，時(shí)間延遲將增加；在藍(lán)牙分布式智能家居網(wǎng)絡(luò)中，藍(lán)牙通信控制器之間、藍(lán)牙通信控制器和藍(lán)牙設(shè)備之間、藍(lán)牙設(shè)備都有信息傳遞，造成串?dāng)_，同時(shí)通信路數(shù)越多，串?dāng)_越大，通信距離和傳輸速率都隨之降低。
3)射頻（RF）技術(shù)與紅外技術(shù)
射頻（RF）技術(shù)成熟度高、成本低廉，穿透性也非常好，但缺點(diǎn)是沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各公司的通信協(xié)議都不一樣；紅外技術(shù)非常成熟、具有很好的靈活性和可移動(dòng)性，成本也非常低廉，但受到障礙物的限制，沒有穿透性，方向性較差，也沒有標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議。目前，由于無線射頻無需增加附加的布線資源，數(shù)據(jù)傳輸性能可靠且成本低廉，因而成為目前最現(xiàn)實(shí)和最受歡迎的物理層接口形式之一�？梢灶A(yù)見，隨著無線方式的逐漸成熟，它將在未來取代有線通信，成為家庭網(wǎng)絡(luò)的最佳連接方式。
家電的控制關(guān)鍵在于接口，接口的關(guān)鍵在于由協(xié)議做成的控制集成電路，我國在半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)的研究水平較低，所以，今后，一定要從基礎(chǔ)抓起，抓緊對(duì)家智能控制集成電路芯片的研究與生產(chǎn)；另外，也可利用現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)，對(duì)家智能控制集成電路芯片進(jìn)行開發(fā)，目前，有若干的集成電路芯片，可用于家電的智能控制，如電力載波控制的芯片，ARM技術(shù)芯片，以及目前較為常見單片機(jī)芯片。
很簡(jiǎn)單的講，您家里空調(diào)、電視、DVD每樣設(shè)備都單獨(dú)使用一臺(tái)遙控器，我們是否能夠把他們幾合一呢？豈不是更加方便？管理這么一堆設(shè)備從軟件上來講肯定是復(fù)雜的多了，從硬件方面當(dāng)然也需要功能更加強(qiáng)大、功耗極低、價(jià)格更廉價(jià)的處理器來支持，32位的ARM處理器能夠輕松完成以上需求。嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域顯然已經(jīng)成為另一種科學(xué)，也由于網(wǎng)絡(luò)與通訊的高速進(jìn)步，帶動(dòng)了信息家電，信息工業(yè)的潮流，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為不可或缺的生活必需品。
圖2ARM嵌入式應(yīng)用于各行業(yè)框圖
ARM公司并不生產(chǎn)芯片，他向芯片制造商提供知識(shí)產(chǎn)權(quán)，優(yōu)異的體系結(jié)構(gòu)和開放的平臺(tái)，使ARM處理器應(yīng)用非常廣泛，各大公司都同時(shí)投入大量的人力研究ARM內(nèi)核的處理器，這不同于CPU幾乎由2家公司壟斷生產(chǎn)，ARM處理器的選擇范圍非常寬廣，同內(nèi)核可以選擇任意一家廠商的芯片。由于多家的支持努力，基于ARM內(nèi)核的處理器芯片外設(shè)非常豐富，這個(gè)用戶帶來了極大的方便，很多情況都可以一個(gè)芯片就可以完成全部的資源需求。
ARM處理器的優(yōu)點(diǎn)，ARM處理器本身是位設(shè)計(jì)，但也配備16位指令集。一般來講存儲(chǔ)器比等價(jià)位代碼節(jié)省，然而保留了32位系統(tǒng)的所有優(yōu)勢(shì)。 ARM的Jazelle技術(shù)使Java加速得到比基于軟件的Java虛擬機(jī)(JVM)高得多的性能，和同等的非Java加速核相比功耗降低80％。 CPU功能上增加DSP指令集提供增強(qiáng)的16位和32位算術(shù)運(yùn)算能力，提高了性能和靈活性。ARM內(nèi)核最初是位手持通訊設(shè)備設(shè)計(jì)的，所以他的功耗非常低。
由上可看出ARM技術(shù)是一個(gè)以開放性源代碼進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的芯片，只要抓緊開發(fā)，我們就能開發(fā)適應(yīng)與家電智能控制中央處理的芯片。
目前，單片機(jī)器件技術(shù)發(fā)展很快，例如單片機(jī)器件STC12C5410AD系列內(nèi)設(shè)置１ＴCPU、１２Ｋ閃存、有A/D轉(zhuǎn)換、PWM輸出、１６位定時(shí)器等許多功能，其最大優(yōu)點(diǎn)是可以用Ｃ語言與匯編語言混合編程，這些都為研發(fā)智能家電芯片提供方便，因此，筆者認(rèn)為，單片機(jī)器件可以用于家居智能控制的單元型控制芯片。
4 結(jié)論
隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)家居智能控制的各方面條件更加成熟，筆者對(duì)家居智能控制的發(fā)展提出一些想法，相信對(duì)從事家居智能控制設(shè)計(jì)的人員會(huì)有一些幫助。
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收稿日期：2008-01-12
作者簡(jiǎn)介：潘慶浩（1974-），男，助理實(shí)驗(yàn)師，工程碩士學(xué)位（軟件工程方向）；古鵬（1963-），男，副教授，本科。
