智能控制器是家庭网络设计与实现

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3.0 朱铭铭 2024-09-20 5 4 911.37KB 70 页 150积分
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第一章 绪论
第一章 绪论
§1.1 引言
自1984 年在美国诞生第一座智能大厦以来，智能建筑的发展在世界范围内
一浪高过一浪，从各种特殊功用的智能大楼，到近几年已经全面向建筑行业最
基本的内容——民居住宅发展，引起了住宅建筑本身智能型、舒适性的革命性变
化，还带动了家用电器的操作控制智能化，产生了信息家电产业。智能建筑是信
息时代的必然产物，建筑物智能化程度随科学技术的发展而逐步提高。当今世界
科学技术发展的主要标志是 4C 技术，即 Computer 计算机技术、Control 控制技
术、Communication 通信技术、CRT 图形显示技术。而建筑智能化的目的是应用现
代4C 技术构成智能建筑结构与系统，在建筑物内建立一个计算机综合网络，使
建筑物智能化，并结合现代化的服务与管理方式给人们提供一个安全、舒适的生
活、学习和工作环境空间。
踏入二十一世纪以来，在近年来兴起的现代高科技和信息技术正在由智能
大厦走向智能住宅小区，进而走进家庭。国外出现了网络房屋，出现了与虚拟社
区相对应的网络社区，国内智能小区的建设也十分火爆，这其中的最基本单元
就是智能家庭。智能家庭的迅猛发展依赖于以下两点[21]：
（1）市场的需求使智能家庭有很好的应用前景
在社会信息化进程日益发展的今天，人们对自己住宅的关注已不再仅仅局
限于居室面积、周边自然环境、交通等方面，而是把更多的兴趣和注意力放在与
外界沟通、信息服务、安全防范、物业管理等方面。现代社会的家庭成员正在以追
求家庭智能化带来的多元化信息和安全、舒适与便利的生活环境作为一个理想的
目标。正是适应这种社会需求，智能家庭应运而生。
（2）信息技术的发展使智能家庭成为可能
网络技术不断进步，使得在因特网的基础上诞生了内联网。内联网本身基于
TCP/IP 通信协议和 WWW 技术，集成单位已有的各类系统，实际上是一个开放、
分布、动态的双向信息交流环境，是对现有网络模式、应用技术和信息资源的统
一规划和新的集成。以企业为主要应用对象的内联网，因为其昂贵的造价，显然
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不适用于个人家庭的信息服务，因而如何构建一种适合个人家庭的网络成为很
实际的问题。
数字技术的发展和成熟，使得广播、计算机、通信三者不断渗透会聚；半导
体技术的发展特别是高速CPU 和存储器的出现，使信息的收集、处理变得越来
越快；电脑电视和信息家电的诞生使得一种适合多媒体业务的家用交互式用户
终端成为可能。此外，现场总线技术在家庭网络中的应用给住宅智能化带来了全
新的解决方案，监控技术的发展也推进了家庭智能化的进程。
§1.2 家庭网络的概念及功能
智能家庭是信息高速公路进入家庭的产物，IT 技术向传统建筑产业渗透发
展的必然结果。智能化的实现目标是将家庭中各种与信息相关的通讯设备、家用
电器和家庭保安装置通过家庭总线技术（HBS）连接到一个家庭智能化系统上
进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅
环境的和谐与协调。要实现这一目标，最基本的条件是家庭中各种独立的设备就
必须集成在一个统一的家庭网络（HomeNet）中，家庭网络作为家庭信息基础
设施的组成部分，为家庭信息提供必要的通路。其次，在家庭网络的操作系统的
控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有家庭网络上的家电和设备的
控制和监测。再次，它们都要通过一定的媒介，构成与外界的通讯通道，以实现
与家庭以外的世界沟通信息，满足远程控制/监测和交换信息的需求。最后，它
们的最终目的都是为满足人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的需求。
家庭网络是一种新的概念，代表着新的发展方向，具有潜在的巨大市场。网
络的概念已不再仅仅局限于简单的控制部分，而是覆盖家庭全方位的、提供各种
智能服务的网络系统，具体功能应该涉及安全服务、能源管理、数据通信服务、
家庭环境控制和各种智能控制。总的说来，家庭网络应该具有以下一些功能。
（1）信息共享功能 共享 Internet 访问，共享微机外设，共享文件和应用。
（2）家庭娱乐功能 对内实现多媒体设备之间的视频音频信号传输，对外
实现可视电话、视频会议和视频点播等视频音频信息交流。
（3）信息采集 收集住户家庭运行的各种参数，包括水表、电表、煤气表的
计量数据以及居室温湿度等，实现自动抄表，提高住宅档次和物业管理水平。
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第一章 绪论
（4）信息服务 住户可以了解自己家庭运作的各种参数，如房间温、湿度，
各种计量表读数，被控家电状态等，同时可以通过网络进行各种交费的简单查
询。
（5）安全防范 通过住宅室内安装的各种报警探测器和紧急按钮进行防盗、
防火和防灾监控，能够及时处理各种警情。
（6）智能化控制 根据周围环境的变化进行对家用电器进行智能化控制，
从而建立舒适健康的生活环境。
（7）其它增值功能 如家庭电子商务、申请社区服务等功能。
当前，家庭智能化是中国乃至全球的一大热点，家庭网络是未来家庭发展
的一大趋势。随着计算机技术、网络技术、控制技术的迅猛发展，特别是总线协
议和集散控制的发展，家庭网络必将向着高度灵活性和高度互操作性的方向发
展，其智能化程度也将越来越高。
§1.3 嵌入式系统在家庭网络的应用
嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的专用计算机系统。它主要由嵌
入式处理器、相关支持硬件、嵌入式操作系统及应用软件组成，是集软硬件于一
体的可独立工作的“器件”。住宅的智能化是以执行各项功能的电子设备的信息
化网络化为前提的，而这些设备大多以单片机构成的嵌入式系统为控制核心。也
就是说，住宅的智能化很重要的一部分工作就是构建一个嵌入式系统的网络并
将这个网络与 Intemet 连接。
基于嵌入式系统的家庭网络除了需要实现各种智能控制功能之外，还需要
实现复杂的人机界面尤其是图形界面，更需要实现相关的网络通讯协议，而这
一切如果没有一个强大的嵌入式操作系统支持是无法实现的。嵌入式操作系统通
常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界
面、标准化浏览器Browser 等。因此家庭网络的软件开发更接近于计算机软件的
开发，甚至由于其嵌入式的应用环境，家庭网络的软件开发较之普通的计算机
软件开发有更高的技术要求。目前国内厂家进行嵌入式系统的开发，主要还是依
赖于国外的嵌入式操作系统如Windows CE、Real-Time Linux、VxWorks 等。这些
操作系统在功能上尽管非常强大，但一般需要高级的嵌入式微处理器相支持，
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因此系统价格非常昂贵，同时需要开发者具备较高的技术基础。
为了实现远程监控以及与外部网络的通信，必须要实现家庭网络的 Internet
接入。在目前存在的多种实现方式中，嵌入式 Internet 技术具有很好的实用价值，
可以很容易地实现远程的控制与监测，也是信息家电要实现的主要目标。嵌入式
Internet 技术[50]是指电子设备通过嵌入式模块直接接入Internet，以 Internet 为介
质实现信息交互的技术，嵌入模块包含有实时操作系统，实现TCP/IP 协议和
WebServer 的基本功能。将电子设备与Internet 互联，从技术上讲电子设备只要
具备有Web 服务器，并装载和解释 TCP/IP 协议就可以实现与 Internet 的互联。
但目前的困难在于各类嵌入式系统中微处理器的硬件资源（如总线宽度、存储容
量、运行速度等）有限，很难支持 TCP/IP 等Internet 协议，而且指令系统也各不
相同，不能像PC 机那样通过标准的软件、硬件接口接入Internet 网络。因此，如
何解决嵌入式设备与Intemet 的透明连接已成为嵌入式 Intemet 的核心技术。目前
许多公司都在致力于嵌入式 Internet 技术的开发，并提供了多种嵌入式系统与
Internet 互联的解决方案。如emWare 公司的EMIT 技术、Microchip 公司的iPIC
系列单片机、Scenix 公司的SX 系列单片机、Seiko 公司的iChip S7600A 芯片以及
P＆S公司的Webchip PS2000 芯片就是其中的代表产品。
§1.4 家庭网络的现状与未来
在智能化家庭网络的发展过程中，美国一直处于世界领先水平，其次是欧
洲和日本。家庭网络控制部分的许多标准业已成熟并已在信息家电中得到实际应
用，数据网络及娱乐网络也有相应的标准可循，如美国的 X-10、CEBus 和
LonWorks 标准，欧洲的BatiBUS、EIB 和Europe Home System 标准，日本的
HBS 标准以及一些工作组发布的互操作和接口规范。其中，CEBus 和Lontalk 协
议已被EIA 发布为EIA-600 标准和EIA-709 标准，并正向国际标准发展。近年来
以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批知名企业也先后进入智能家庭网
络的研究及开发领域，分别开发了“梦幻之家”、“家庭主任”、“居所之门”
等家庭网络产品，其智能化程度已经得以体现。但现有系统在操作方式及方便使
用方面离用户的要求还有一定的差距，问题主要表现在 [6]：家庭内部各个部分
的通信协议不同难以构成一个统一的家庭网络系统（即网络集成问题），无法
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第一章 绪论
在应用层为用户提供方便统一的使用界面（即互操作性问题），进而延缓了相
关市场的普及和家庭网络化的进程。
国内厂商也在进行智能化家庭网络产品的研发和生产，一些大型 IT 企业用
自身在资金与技术等方面的优势，在低端产品市场上已占据了相当重要的地位。
一些传统家电业的巨头也开始进入智能化家庭网络产业市场。从设计思想和技术
角度分析，国内厂家主要有两个方向：一是基于非PC 平台的家庭网络系统，二
是基于 PC 平台的家庭网络系统。从物理结构上看大都采用嵌入式技术，家电的
控制信息及数据采集信息与相应的网络互联接入。然而由于国内智能化家庭网络
产品的研发从二十世纪九十年代后期起步，在整体水平上显得参差不齐，软件
功能较差，升级能力差，系统也不易维护。
随着计算机技术、控制技术、通信技术的发展及关键技术的突破，智能化家
庭网络将得到进一步的发展和完善。家庭网络的发展方向是绿色、信息化与智能
化的结合，家电接口的标准化、设备控制的智能化、系统功能的集成化、客户使
用的傻瓜化和市场的平民化将是未来家庭网络发展的趋势[11]。
§1.5 本文的目的及安排
通过家庭网络相关技术的研究，同时结合目前的发展情况，本文的目的在
于提出家庭网络的一种构架方案以及其软硬件的实现方法，该网络能够采用目
前存在的多种通讯媒体，实现一定的智能化功能和远程监控功能，组网灵活方
便，适合分散的家庭应用，并具有系统的可扩展性。
全文主要完成以下几部分的工作：
（1）第一章着重于介绍家庭网络的概念、功能及特点，并阐述嵌入式系统
在家庭网络的应用特点，同时分析家庭网络的发展现状和未来趋势。
（2）第二章集中于分析家庭网络的系统结构，全面、系统地介绍家庭网络
的相关技术问题，包括目前存在的各种规范和标准，通讯媒体技术，嵌入式
Internet 技术，嵌入式操作系统等。
（3）多种通讯媒体的家庭网络结构模型则在第三章具体给出，设计思想在
于能够采用家庭普遍存在的多种通讯媒体进行信号的传输，达到灵活组网的目
的，因此这一章不仅分析了该模型的结构以及功能特点，而且详细讨论了各种
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摘要：

第一章绪论第一章绪论§1.1引言自1984年在美国诞生第一座智能大厦以来，智能建筑的发展在世界范围内一浪高过一浪，从各种特殊功用的智能大楼，到近几年已经全面向建筑行业最基本的内容——民居住宅发展，引起了住宅建筑本身智能型、舒适性的革命性变化，还带动了家用电器的操作控制智能化，产生了信息家电产业。智能建筑是信息时代的必然产物，建筑物智能化程度随科学技术的发展而逐步提高。当今世界科学技术发展的主要标志是4C技术，即Computer计算机技术、Control控制技术、Communication通信技术、CRT图形显示技术。而建筑智能化的目的是应用现代4C技术构成智能建筑结构与系统，在建筑物内建立一个...

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