智能家居控制系统的设计初探

    住宅智能化是IT技木向传统建筑产业渗透发展的必然结果。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的最基本内容——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。国外甚至出现了网络房屋，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住宅。
    智能建筑在我国经过十多年的发展，正面临着前所未有的大好形势。目前，绝大多数的智能家居产品尚处在发展初级阶段，系统集成程度低、动作联动性差、智能化水平差，甚至由于其功能的不完备，系统操作反而成为一种负担。为了解决这些问题，本文详细阐述了笔者亲身设计并实现的智能家居系统——分布式智能家居系统。
    一、分布式智能家居系统构建背景
    分布式控制系统DCS（Distributed Control System）采用多台控制分机分别承担不同的控制功能和处理范围，不仅其处理能力大大提高，而且将危害及系统安全的因素降低。由于智能家居系统具有监控点多、控制动作简单、设备分布散、系统逻辑关系复杂等特点，系统运行需要协调大量被监控对象之间的关系，这就需要应用一种适合该系统特点要求的控制理论。于是，本设计采用工业上广为使用的分布式控制系统来构建智能家居系统。系统采用分级模块的方式，可以使处理工作分散、协调工作统一、控制功能灵活机动、可靠性高、安装灵活方便。采用分布式控制技术，系统分类分区的监控可以分散系统处理器运算处理工作，减小误报、误控的发生。同时，分散的子系统各自独立工作，可以避免系统一处故障全体瘫痪的情形出现。
    1. 分布式控制系统在智能建筑中的应用现状
    DCS在智能建筑中的应用早已提出，所构建系统控制分机采用可靠性较高的PC机作为控制分机及主机，系统功能强大、可靠性高。但是，智能家居系统不可能采用多台PC机来构建分布式控制系统，这就要求必须有分散的控制处理单元。加之其处理工作繁琐但不复杂，故本文采用了处理能力简单的AVR单片机为模块处理器。所构建的系统功能适用、性价比高、功能稳定，完全可以达到要求。
    2. 分布式智能家居的构建思路
    智能家居系统的设备量大、分布散、需要监控的数量多，以及网络经济的逐步发展，必将改变目前这种家用电器单机运作的模式。同时又考虑到家用电器的摆放及使用的灵活性，我们研究并提出了采用分布式控制技术解决方案。根据DCS的特点与智能家居系统的功能需要，选用了ATMEL公司生产的8位AVR单片机——ATmega8。
    考虑到同类分机模块的功能基本相同，我们设计了环境监测分机模块、监控分机模块、控制主机模块。最后，据各子系统不同的功能要求分别编制对应程序进行现场录制，从而使各模块真正具有功能齐全、经济合理、维护升级方便的特点。家庭内各个被控单元与控制功能模块连接，实现智能监控，并且各模块间建立联系，最终通过控制主机模块与PC机及电话等连接。主人可以通过遥控器、网络、电话等监控家庭安全及住宅环境状况，遥控家用电器的运行。
    二、分布式智能家居控制系统的构建
    为了综合利用资源，模块的设计采用了统分结合的指导思想，实现家居智能监控可以简化为监测处理信息和实现控制功能。为了满足家庭内所有监控功能，根据需要将所需监控对象根据位置划分，安装相应的分机模块。
    1. 系统构建总体框架
    系统功能根据监控任务的不同分为三类：环境状况监测功能；设备开关监控功能；信息处理及对外通信功能。据此，将家庭内各处设备分类分区控制，并且模块间均具有独立的通信及控制功能，可以相互协作（如图1所示）。例如，监测模块把所监测到的信息发送到总线上，控制模块接收并判断实现控制功能。控制主机模块与家用PC及电话互通信息，实现远程监控。
    2. 系统构建模块
    1）环境监测分机模块
    设计环境监测模块，主要是因为环境参数受周围电器工作和安装位置的影响较大。为了防止检测误差，单独安装减小干扰作用。该模块负责监测住宅内外的所有环境信息，包括温度、湿度、亮度、烟雾、燃气、噪音、风速、空气质量、有人活动、玻璃破碎等参数。它还可以将所有的信息进行综合分析，最后将结果总结，决定该采取何种控制动作并发送到总线上，比如环境监测模块检测房间内的温度，同时与总线上传来的室外温度及天气情况进行逻辑分析。如果室外温度舒适而且空气质量好，未有刮风下雨等，则该模块就会发送打开该房间窗户的命令。相反，如果天气突然恶劣时，会发出关闭窗户的命令。
    2）设备监控分机模块
    该模块负责所分配区域所有设备的开关控制，并且进行设备控制效果监控。将房间内各个电器根据需要划分为若干个区域，使用一台分机控制。控制的内容主要为照明、空调、窗户、窗帘、电视、背景音乐及总电源开关等。分机接到命令或条件成立时，模块实施控制动作，并且检查控制效果。在正常运行期间，定时进行设备故障监测，并且随时汇报故障结果，同时进行故障记录。比如上述情况中环境监测模块发送打开窗户的命令时，相应模块便会打开窗户，同时检查是否成功打开，并且将结果发送到控制主机；如果有故障发生，则将故障结果发送到总线上等待处理，在未处理之前会隔一定时段再次汇报。
    3）控制主机模块
    控制主机模块为该系统的下位机的处理中心，它负责接收处理所有分机发送的信息，与上位机或电话联系，实现报警或远程监控功能。当控制主机配装液晶显示器时，主人可以方便查看各设备的工作状况、故障情况。并且，系统在没有上位机的情况下仍能独立的完成各项控制工作，从而保证了系统的可靠性及对环境的适应性。当发生紧急情况时，该模块要进行电话自动拨号报警。如果PC机打开的情况下还可以通过互联网报警、监视或监听等。
    3. 系统通信方式
    1）有线通信方式
    该系统通信采用了RS-485总线。由于RS-485总线的可扩展性及工程安装的简单性、廉价性等特点，使得系统可以方便的实现各并联连接功能模块之间的通信，易于扩展、维护升级方便。保证了分机模块间的顺利通信协调工作之后，总线可以通过一个RS-485转RS-232器件与计算机通信，实现系统与局域网、互联网的互联。
    2）无线通信方式
    该系统还采用了无线通信方式。无线数据传输电路由Nordic公司的单片UHF无线数据收发芯片NRF401及其外围电路构成。NRF401采用FSK调制解调技术，其工作效率可达20kbit/s，且有两个频率通道供选择，并且支持低功耗和待机模式。它不用对数据进行曼彻斯特编码，其天线接口设计为差分天线，因而很容易用PCB来实现。采用该无线通信方式可以实现模块间通信，还可灵活布置无线探测器及控制器。完全采用无线通信方式可以方便进行旧住宅房改造安装，不会影响装修并且省去布线的工作和费用。
    三、系统软件设计
    本系统软件主要由系统主机和系统分机的AVR程序及系统上位机控制系统与Internet网络通讯程序组成。该系统正常工作时，用户可以完全不必干预，也可通过分机操作接口、上位机操作系统接口界面控制，或通过Internet及电话方式进行远程访问监控。
    1. 下位机程序的编制
    系统主机程序主要用于实现系统的总体通信调节控制功能，包括无线数据传输程序、分机采集汇报数据的收集处理转发、紧急电话拨号报警、双音频编解码程序、语音录放程序、串行通讯程序、铃流检测与摘挂机控制程序、系统初始化程序、意外事件处理程序及接收上位机控制命令及汇报数据等。程序编制以消息驱动为主导思想。消息由计数器中断1、外部中断0和串行中断产生，在中断服务程序中应按相应的状态位置位，而在消息循环中则应按相应的状态位调用功能函数，然后由功能函数将相应的状态位清0并完成所需功能，并最后返回到消息循环中。其程序流程如图5所示。该系统的分机程序和主机类似，故此不再详述。 [Page]
    2. 上位机操作系统及其与Internet网络远程访问程序的编制
    上位机操作系统程序用C++语言在C++ Builder编译环境中编制，系统带有友好操作界面，可以通过鼠标方便的控制及查询任何家居设备的工作状态等。通过Internet访问部分通讯程序分为服务器和客户端两个程序。服务器程序主要完成客户端与系统主机通讯的中转，即将客户端发来的控制或者查询命令翻译成系统主机能识别的格式；或者将系统主机收到的报警等信息上传到客户端，主要通过Internet网络完成用户的控制功能。客户端程序是运行在远端用户的控制界面，主要用于完成家居内状态的显示以及对家居内电器的远程控制，同时使客户端直接连接到服务器。
    四、结论
    本系统是利用8位AVR单片机Atmega8位处理器开发，利用RS-485总线实现各模块间的联合协作，配合上位机可实现网络远程监控功能。本系统充分利用了现有的网络资源，经过初期调试运行证明该方案切实可行。系统运行稳定，能够达到设计初期的各项要求。相信将在信息家电、智能小区等方面得到广泛应用。
    ■  泰豪科技股份有限公司  张自强