智能家電互聯(lián)技術的研究與應用

　　隨著智能控制技術、計算機及信息技術的飛速發(fā)展，使得信息家電IA（InformaTIon ApplicaTIon）、計算機、通信一體化的趨勢日見明顯，家庭網(wǎng)絡應運而生。顧客對家電產(chǎn)品的要求也越來越高，家電智能化、網(wǎng)絡化成了一種趨勢。即家電不需要人來控制，人的工作只是設定一系列的目標函數(shù)和目標參數(shù)以及作息時間等，其他的工作由家電的微電腦通過一定的計算方法和控制方法來實現(xiàn)，例如，智能空調(diào)可以根據(jù)不同的季節(jié)、氣候及用戶所在地域，自動調(diào)整其工作狀態(tài)以達到最佳效果，在滿足人們需要的前提下盡量實現(xiàn)節(jié)能。家庭內(nèi)的大部分電氣設備可以通過一定的方式連入網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)這些設備的遠程控制與自動控制。家庭網(wǎng)絡化實現(xiàn)了家庭內(nèi)部信息與外部信息的交換，為人們提供各種各樣、個性化、方便、舒適、安全和高效的服務，所以有著很大的潛在市場?，F(xiàn)在我國的智能家電正處在試探階段，還有待進一步研究與開發(fā)。家電產(chǎn)品的節(jié)能、降耗、健康、環(huán)保、舒適等目標，通過家電智能化、網(wǎng)絡化可以更容易實現(xiàn)，進而實現(xiàn)使用過程的節(jié)能性。作為家電企業(yè)，對家電開展節(jié)能技術、智能技術及網(wǎng)絡化技術的研究應用，將對我國家電行業(yè)整體升級，保持競爭優(yōu)勢具有重要的作用。

　　本文的目的在于解決家電互聯(lián)的關鍵技術，從而提高我省家電企業(yè)產(chǎn)品智能化、網(wǎng)絡化水平，降低家庭能耗，滿足家電的節(jié)能、環(huán)保、舒適、方便的要求，增強我省家電企業(yè)產(chǎn)品的市場競爭力。

　　1 智能家電網(wǎng)絡

　　智能家電，即“有感覺、能思考、善交流、會學習”的家電。智能家電是微處理器和計算機技術引入家電設備后形成的家電產(chǎn)品，具有自動監(jiān)測自身故障、自動測量、自動控制、自動調(diào)節(jié)與遠方控制中心通信功能的家電設備。例如，炎熱的夏天下班前發(fā)個短信命令，家中的空調(diào)便開始工作；睡覺時空調(diào)能感知主人溫度而自動調(diào)節(jié)氣溫，從而免去因吹空調(diào)而感冒的后顧之憂；洗衣機能實現(xiàn)精確洗滌時間、精確用水量、精確烘干時間，高效而節(jié)能，因而節(jié)能和環(huán)保也成為智能家電發(fā)展的一個趨勢。智能家電網(wǎng)絡包括智能家電網(wǎng)關、外部網(wǎng)和局部網(wǎng)，家電，安防設備等，實現(xiàn)智能家電互聯(lián)的關鍵在于家庭網(wǎng)關的開發(fā)與應用。在家庭信息化網(wǎng)絡技術體系中，家庭與互聯(lián)網(wǎng)的連接需要一個家庭網(wǎng)絡中央控制器（家庭網(wǎng)關）。家庭網(wǎng)關對外與Internet網(wǎng)絡連結，對內(nèi)通過家庭內(nèi)部局域網(wǎng)將家電互聯(lián)互通進行集中控制與管理，如圖1所示。家庭網(wǎng)關作為智能家電網(wǎng)絡化的核心設備，管理或控制家中家電的網(wǎng)絡訪問。

　　未來的智能家電主要將向三個方向發(fā)展：智能化、自適應化和網(wǎng)絡化。智能化是家電設備盡最大可能的模擬很多種人的思維或者活動的功能；自適應是家電設備根據(jù)自己狀態(tài)和外界環(huán)境自動適應工作方式和過程的能力，因此，這種能力使得家電設備在其使用過程中都處于最有效率、最省能源狀態(tài)；網(wǎng)絡化是建立家電設備社會的一種形式，網(wǎng)絡化的家電設備可以由用戶實現(xiàn)遠程管理控制，在家電設備之間也可以實現(xiàn)互聯(lián)互通。

　　2 嵌入式家庭網(wǎng)關

　　2．1 嵌入式家庭網(wǎng)關簡介

　　嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)，一般用于實現(xiàn)對其他設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。網(wǎng)關實質(zhì)上是一個網(wǎng)絡通向其它網(wǎng)絡的IP地址。典型的家庭網(wǎng)關融合了ADSL接入功能和LAN側無線接入功能，并具有路由器、集線器和調(diào)制解調(diào)器的功能。為實現(xiàn)每種家電設備都能與外界信息進行交換，就有必要將嵌入式系統(tǒng)與家庭網(wǎng)關結合起來，設計一個嵌入式家庭網(wǎng)關來實現(xiàn)它。它可使電視機，冰箱等嵌入式家電設備通過家庭網(wǎng)關與Internet連接，轉變?yōu)橐粋€家電網(wǎng)絡。

　　嵌入式家庭網(wǎng)關是位于現(xiàn)代家庭內(nèi)部的一個網(wǎng)絡設備，它的作用是使家庭用戶連接到Internet，使位于家庭中的多種智能設備相互之間實現(xiàn)通信，或者使這些智能設備都能夠連接到Internet的服務。從技術角度說，嵌入式家庭網(wǎng)關在家庭內(nèi)部以及內(nèi)部到外部實現(xiàn)橋接／路由、協(xié)議轉換、地址管理和轉換，承擔防火墻的職責等。

　　2．2 嵌入式家庭網(wǎng)關功能

　　由于嵌入式家庭網(wǎng)關是家庭內(nèi)網(wǎng)絡與外部互聯(lián)網(wǎng)連接的橋梁，具有很重要的地位。嵌入式家庭網(wǎng)關所能提供的功能將直接影響智能家電的使用、控制及管理。一個好的嵌入式家庭網(wǎng)關應該使家庭內(nèi)外信息能夠安全高效地交換，應具備以下的基本功能特點：

　　（1）共享信息：通過家庭網(wǎng)關，能使住宅用戶獲得各種家庭服務。例如接收電子郵件、瀏覽各種網(wǎng)上信息和訂閱各種報紙與期刊等；

　?。?）智能管理：它將管理家庭內(nèi)的通訊家電設備的運行，使家庭內(nèi)部的多個PC及其它信息設備有效地共享寬帶接入，以保證家庭網(wǎng)絡系統(tǒng)的運行正常；

　?。?）自動運行：能夠把家庭內(nèi)部的所有家電設備都連接到網(wǎng)絡上，通過相關管理控制軟件，可以實現(xiàn)對家電設備的管理監(jiān)測和故障診斷等。如果有故障發(fā)生，家庭管理控制系統(tǒng)會有相應的提示，向家庭主人發(fā)出信號；

　?。?）節(jié)能安全：通過網(wǎng)絡管理系統(tǒng)，可以遠程管理控制家庭內(nèi)家電設備的運行，提高家電的使用效率；同時能夠在家庭里安裝各類檢測報警裝置來管理控制家庭的安全，消防等。如家中安裝煤氣檢測報警器，如果有煤氣泄露時，當氣體報警器檢測到氣體濃度達到爆炸或中毒報警器設置的臨界點時，煤氣檢測報警器就會發(fā)出報警信號，有效防止發(fā)生爆炸、火災、中毒事故；

　　（5）操作簡單：因為該網(wǎng)絡系統(tǒng)是在大部分用戶中使用的，考慮到用戶各方面的差異，因此該系統(tǒng)的操作要簡單、方便、可靠，大部分人都會使用；

　?。?）防火墻：網(wǎng)絡安全一直是需要重點考慮的問題。嵌入式家庭網(wǎng)關應具備一定的防網(wǎng)絡攻擊能力，為家庭內(nèi)部網(wǎng)絡提供一個相對安全的網(wǎng)絡環(huán)境。

　　2．3 嵌入式家庭網(wǎng)關的優(yōu)點

　　嵌入式家庭網(wǎng)關是通過嵌入式操作系統(tǒng)來實現(xiàn)的，所以它同樣具有嵌入式系統(tǒng)應有的特點，因此我們可以根據(jù)網(wǎng)絡的不同來配置不同的嵌入式家庭網(wǎng)關。嵌入式家庭網(wǎng)關不僅僅具有普通家庭網(wǎng)關的功能，還具有防火墻和通信中信息加密功能。防火墻可避免外接網(wǎng)絡對家庭內(nèi)部設備的非法訪問和攻擊；加密這種較強有力的手段，能為數(shù)據(jù)提供保密性、真實性、完整性和限制性訪問。

　　3 基于嵌入式家庭網(wǎng)關家電互聯(lián)系統(tǒng)

　　本文介紹的基于嵌入式網(wǎng)關的家電互聯(lián)技術系統(tǒng)的結構框架如圖2所示，嵌入式家庭網(wǎng)關硬件平臺是以ARM9微處理器為中心的，外部通過LAN接入互聯(lián)網(wǎng)，家庭內(nèi)的家電設備通過家庭內(nèi)部無線局域網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)家電設備管理控制。這樣用戶通過PC機就可以對家電設備進行運行狀態(tài)的查詢和控制，在本地也可以通過家庭內(nèi)的手持控制終端進行家電設備的管理控制。

　　系統(tǒng)主要采用直接接入的拓撲結構形式，從器件的家庭設備組成多個星形網(wǎng)，實現(xiàn)對家庭內(nèi)設備的本地和遠程的實時控制。硬件平臺由嵌入式主機網(wǎng)關、微處理器、無線通信控制模塊、外圍設備，HUB等組成。HUB一個多端口的轉發(fā)器，當以HUB為中心設備時，網(wǎng)絡中某條線路產(chǎn)生了故障，并不影響其它線路的工作，它可以給用戶提供多種接入網(wǎng)絡方式，如撥號、寬帶網(wǎng)等，無線通信模塊通過串行通信實現(xiàn)與多個網(wǎng)絡家電控制器的連接。由于嵌入式Linux操作系統(tǒng)是源代碼開放的、可裁減的、內(nèi)核小但很穩(wěn)定的一種能處理復雜任務的軟件平臺系統(tǒng)，所以應用網(wǎng)關的操作系統(tǒng)擬選用嵌入式Linux系統(tǒng)。

　　4 家電網(wǎng)絡通信控制流程

　?。?）注冊家庭網(wǎng)關：用戶通過嵌入式Web服務器網(wǎng)頁登錄嵌入式家庭網(wǎng)關后，先進行家庭網(wǎng)關注冊。

　　（2）發(fā)送控制信息：注冊成功后將家電控制信息提交到家庭網(wǎng)關，同時將家電控制信息轉化成家電控制指令，然后嵌入式家庭網(wǎng)關應用程序?qū)⒓译娫O備控制指令按照通信協(xié)議打包，通過無線模塊發(fā)送給家電設備。

　　（3）接收控制指令并執(zhí)行：家電設備接收到控制幀后，根據(jù)上述協(xié)議幀格式將信息幀進行解包，提取幀類型、有效控制指令和相關的有效信息，對家電設備進行設置及相應操作。

　?。?）回送當前狀態(tài)信息：操作完成后按照上述格式將設置后的家電設備的當前狀態(tài)按上述狀態(tài)幀的格式打包，發(fā)送給嵌入式家庭網(wǎng)關。

　?。?）接收新指令并執(zhí)行，通信結束：嵌入式家庭網(wǎng)關收到家電設備發(fā)送的狀態(tài)幀后，發(fā)送確認幀給家電設備，然后根據(jù)不同的狀態(tài)幀，再調(diào)用相應的家庭網(wǎng)關應用程序進行處理。如果嵌入式家庭網(wǎng)關在規(guī)定的時間里（300 ms）沒有收到狀態(tài)幀，則會重新發(fā)送三次此控制幀給家電設備。當家電設備收到嵌入式家庭網(wǎng)關發(fā)出的確認幀后結束此次通信。

　　如果家電設備沒有收到確認幀，會繼續(xù)發(fā)送三次此狀態(tài)幀后結束。如果嵌入式家庭網(wǎng)關收不到家電設備發(fā)來的狀態(tài)幀，嵌入式家庭網(wǎng)關會向用戶報告設置失敗，結束通信。

　　5 結束語

　　信息技術及網(wǎng)絡化的不斷發(fā)展，使家電正朝著智能化、網(wǎng)絡化、信息化的方向演進，不斷的滿足著人們對于娛樂、信息、舒適、便捷、自由的追求，智能家電互聯(lián)互通及遠程控制正是適應這一趨勢的產(chǎn)物。本系統(tǒng)將嵌入式技術、網(wǎng)絡化技術相結合，使智能家電互聯(lián)更加方便可靠。