时间：2023-03-20 16:24:47
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l引言
随着国民经济和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。
2智能家居控制系统概述
智能家庭控制系统是以HFC、以太网、现场总线、公共电话网、无线网的传输网络为物理平台，计算机网络技术为技术平台，现场总线为应用操作平台，构成一个完整的集家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范等功能的控制系统。
智能家居控制系统的总体目标是通过采用计算机技术、网络技术、控制技术和集成技术建立一个由家庭到小区乃至整个城市的综合信息服务和管理系统，以此来提高住宅高新技术的含量和居民居住环境水平。
系统通常由系统服务器、家庭控制器(各种模块)、各种路由器、电缆调制解调器头端设备CMTS、交换机、通讯器、控制器、无线收发器、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等主要部分组成。
3智能家居控制系统功能
智能家庭控制系统的主要功能包括家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范三个方面。
3．1家庭通信
家庭通信可采用电话线路、计算机互联网、CATV线路、无线局域网等方式。
(1)电话线路
通过电话线路实现双向传输语音信号和数据信号。
(2)计算机互联网
通过互联网实现信息交互、综合信息查询、网上教育、医疗保健、电子邮件、电子购物等。
(3)CATV线路
通过CATV线路实现VOD点播和多媒体通信。
(4)无线局域网
通过无线收发器、天线、各种无线终端，实现双向传输数据信号。
3．2家庭设备自动监控
家庭设备自动监控包括电器设备的集中、遥控、远距离异地(通过电话或Internet)的监视、控制及数据采集。
(1)家用电器的监视和控制
按照预先所设定程序的要求对热水器、微波炉、视像音响等家用电器进行监视和控制。
(2)热能表、燃气表、水表、电度表的数据采集、计量和传送根据小区物业管理的要求所设置数据采集程序，通过传感器对热能表、燃气表、水表、电度表的用量进行自动数据采集、计量，并将采集结果远程传送给小区物业管理系统。
(3)空调机的监视、调节和控制
按照预先所设定的程序，根据时间、温度、湿度等参数对空调机进行监视、调节和控制。
(4)照明设备的监视、调节和控制按照预先设定的时间程序，分别对各个房间照明设备的开、关进行控制，并可自动调节各个房间的照度。
(5)窗帘的控制
按照预先设定的时间程序，对窗帘的开启／关闭进行控制。
3．3家庭安全防范
家庭安全防范主要包括多火灾报警、可燃气体泄漏报警、防盗报警、紧急求救、多防区的设置、访客对讲等。家庭控制器内按等级预先设置若干个报警电话号码(如家人单位电话号码、手机电话号码、寻呼机电话号码和小区物业管理安全保卫部门电话号码等)，在有报警发生时，按等级的次序依次不停地拨通上述电话进行报警(可报出家中是哪个系统报警了)。同时，各种报警信号通过控制网络传送至小区物业管理中心，并可与其它功能模块实现可编程的联动(如可燃气体泄漏报警后，联动关闭燃气管道上的电磁阀)。
(1)防火灾发生
通过设置在厨房的感温探测器和设置在客厅、卧室等的感烟探测器，监视各个房间内有无火灾的发生。如有火灾发生家庭控制器发出声光报警信号，通知家人及小区物业管理部门。家庭控制器还可以根据有人在家或无人在家的情况，自动调节感温探测器和感烟探测器的灵敏度。
(2)防可燃气体泄漏
通过设置在厨房的可燃气体探测器，监视燃气管道、灶具有无燃气泄漏。如有燃气泄漏家庭控制器发出声光报警信号，并联动关闭燃气管道上的电磁阀，同时通知家人及小区物业管理部门。
(3)防盗报警
防盗报警的防护区域分成两部分，即住宅周界防护和住宅内区域防护。住宅周界防护是指在住宅的门、窗上安装门磁开关，在对外的玻璃窗、门附近安装玻璃破碎探测器；住宅内区域防护是指在主要通道、重要的房间内安装被动红外探测器或被动红外／微波双技术探测器。当家中有人时，住宅周界防护的防盗报警设备(门磁开关、玻璃破碎探测器)设防，住宅内区域防护的防盗报警设备(红外探测器或被动红外／微波双技术探测器)撤防。当家人出门后，住宅周界防护的防盗报警设备(门磁开关、玻璃破碎探测器)和住宅内区域防护的防盗报警设备(被动红外探测器或被动红外／微波双技术探测器)均设防。当有非法侵入时，家庭控制器发出声光报警信号，并通知家人及小区物业管理部门。另外，通过程序可设定报警装置的等级和报警器的灵敏度。
(4)访客对讲
住宅的主人通过访客对讲设备与来访者进行双向通话或可视通话，确认是否允许来访者进人。住宅的主人利用访客对讲设备，可以对大楼入口门或单元门的门锁进行开启和关闭控制。
(5)紧急求救
当遇到意外情况(如疾病或有人非法侵入)发生时，按动报警按钮向小区物业管理部门进行紧急求救报警。紧急求救信号在网络传输中具有最高的优先级别，由于是人在紧急情况下的求救信号，其误报的可能性很小。
智能家居控制系统类型
4．1系统类型
智能家庭控制系统可分成采用公共电话网的智能家庭控制系统、HFC的智能家庭控制系统、以太网的智能家庭控制系统、LonWorks的智能家庭控制系统、KS485的智能家庭控制系统、无线网的智能家庭控制系统等类型。
4．2基本特点、功能、适用范围
(1)采用公共电话网的智能家庭控制系统采用公共电话网的智能家庭控制系统图参见国家建筑标准设计<智能家居控制系统设计施工图集》03X602第14页。
·基本特点：家庭智能控制器内配置了与电话线连接的收发器，利用电话网络作为信息传输网。该系统不仅在功能上能完全满足要求，而且大大地简化了布线，可以节省布线的投资。
·系统组成：系统由系统服务器、家庭控制器(内置了与电话线连接的收发器)、路由器、收发器、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等组成。
·系统功能：实现家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范。
·适用范围：该系统适用于新建、扩建的智能化住宅(小区)工程，且特别适用于改造的智能化住宅(小区)工程，利用原有的电话线就可实现数据信号的共网传输。
(2)采用HFC的智能家庭控制系统
采用HFC的智能家庭控制系统图参见国家建筑标准设计<智能家居控制系统设计施工图集》03X602第15页。
·基本特点：家庭智能控制器内配置了CableModem，利用有线电视的HFC网络作为信息传输网。该系统不仅在功能上能完全满足要求，而且大大地简化了布线，可以节省布线的投资。
HFC网络采用共享方式，其共享带宽为36Mbps。当上网人数较多时，上网的速度会变慢。由于CableModem设备费用较高，用户网络的开通费用高。
·系统组成：系统由系统服务器、家庭控制器(内置了CableModem)、路由器、电缆调制解调器头端设备CMTS、有线电视传输网络、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等组成o
·系统功能：实现家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范。
·适用范围：该系统适用于新建、扩建的智能化住宅(小区)工程，且特别适用于改造的智能化住宅(小区)工程，仅将原有的有线电视HFC网络进行双向改造，就可实现数据和图像信号的共网传输。
(3)采用以太网的智能家庭控制系统
采用以太网的智能家庭控制系统图参见国家建筑标准设计<智能家居控制系统设计施工图集》03X602第16、17页。
·基本特点：家庭智能控制器内配置了以太网网卡，利用以太网作为信息传输网。以太网同时支持住户计算机和智能家庭控制系统。该系统不仅在功能上能完全满足要求，而且大大地简化了布线，可以节省布线的投资。
以太网传输速率较高，传输速率有10Mbps、100Mbps等。根据传输距离的要求，由小区物业管理中心至各楼交换机采用5类以上4对对绞线、多模光缆或单模光缆，由交换机至家庭控制器采用超5类4对对绞电缆。
·系统组成：系统由系统服务器、家庭控制器、路由器、交换机、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等组成。
·系统功能：实现家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范。
·适用范围：该系统适用于新建、扩建和改造的智能化住宅(小区)工程，用以太网实现数据和图像信号的双向传输。
(4)采用LonWorks的智能家庭控制系统采用LonWorks的智能家庭控制系统图参见国家建筑标准设计《智能家居控制系统设计施工图集如3X602第21、22、23页。
·基本特点：采用一个覆盖全部ISO／OSI标准七层通信协议、开放性的LonWork总线技术，一台系统服务器最多可连接127台LONWorks路由器，一台LonWorks路由器最多可连接63台家庭控制器。每台家庭控制器为LonWork一个通道上的网络节点，每个网络节点包括有神经元(NEURON)芯片、振荡器、电源、一个通过媒介通信的收发器和与监控设备接口的I／O设备(电路)、存储器等。
LonWorks直接通信距离可达2700m(双绞线、78Kbps)，其通信传输速度最大可达1．25Mbps(此时有效传输距离为130m)。LonWorks路由器至小区物业管理中心线路长度超过2700m时，需在总线上加装中继器。传输线通常采用双绞线，根据需要也可采用同轴电缆或电力线。
·系统组成：由系统服务器、家庭控制器、路由器、LonWorks路由器、交换机、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等组成。
·系统功能：实现家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范。
·适用范围：该系统特别适用于新建、扩建的智能化住宅(小区)工程。
(5)采用KS485的智能家庭控制系统
采用KS485的智能家庭控制系统图参见国家建筑标准设计<智能家居控制系统设计施工图集>03X602第18、19、20页。
·基本特点：KS485串行接口总线为主从式网络，它的通信为半双工、采用双向单信道连接方式。RS485串行接口总线的传输介质采用双绞线，它可以高速地进行远距离传输，传输速度与传输距离的技术指标如下：传输速率为10Mbit／s时，最大传输距离是12m；传输速率为1Mbit／s时，最大传输距离是120m；传输速率为100kbit／s时，最大传输距离是1200m。
·系统组成：由系统服务器、家庭控制器、路由器、通讯器、控制器、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等组成。
·系统功能：实现家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范。
·适用范围：该系统特别适用于新建、扩建的智能化住宅(小区)工程。
(6)采用无线网的智能家庭控制系统
采用无线网的智能家庭控制系统图参见国家建筑标准设计<智能家居控制系统设计施工图集>03X602第24、25页。
·基本特点：利用无线作为信息传输网，该系统不仅在功能上能完全满足要求，而且从系统服务器至家庭控制器、家庭控制器至各种现场末端装置均采用无线传输方式，小区、楼内、户内无需布线，施工简单，可以节省施工的投资。
无线网的工作频率符合IEEE802．11b标准要求。
·系统组成：由系统服务器、家庭控制器、无线收发器、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等组成。
·系统功能：实现家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范。
·适用范围：该系统适用于新建、扩建的智能化住宅(小区)工程，且特别适用于改造的智能化住宅(小区)工程，不用敷设线路就可实现数据信号的传输。
5系统设计及产品选用要点
5．1智能家庭控制系统类型的选用
新建、扩建的智能化住宅(小区)工程，宜采用LonWorks的智能家庭控制系统、以太网的智能家庭控制系统或采用RS485的智能家庭控制系统。改造的智能化住宅(小区)工程，宜采用公共电话网的智能家庭控制系统、HFC的智能家庭控制系统或无线网的智能家庭控制系统。
5．2家庭控制器的选用
家庭控制器的选用主要包括功能、总线技术及模块化设计、扩展功能、可按用户的基本要求进行配置等方面的选用要求。
(1)家庭控制器功能的选用
家庭控制器通常具有以下功能：
·家庭防盗报警；
·家庭火灾报警；
·家庭燃气泄露报警；
·家庭紧急求助；
·远程设防与撤防；
·远程报警；
·访客对讲；
·家用电器监控；
·家用表具数据采集及处理；
·空调机监控；
·接入网接口；
·小区电子公告；
·信息查询；
·家用设备报修等。
(2)家庭控制器功能的选择
在工程设计中，家庭控制器功能的选择可参见下表所示。
5．3总线技术及模块化设计
·家庭控制器要求采用总线技术，如LonWorks、R5485、BACnet、C^NBlls、CEBus、X一10；
·家庭控制器要求采用模块化设计，以便用户可以根据需求选择不同的模块完成不同的功能。
5．4扩展功能
家庭控制器要有一定的扩展功能，考虑能适应今后发展的需要。
5．5可按用户的基本要求进行配置应能根据用户提出有哪些被控设备及监视控制要求(功能要求)等因素，来对家庭控制器组成进行配置，包含模块种类的选择和各种模块数量的选择。设备的安装
6．1交换机、路由器、控制器、放大箱、分配箱、电话分线箱
2．在住户内安装入侵报警探测器。
具有语音对讲及控制开启楼道人口处防盗门功能。
1~2点
热能表、燃气表、水表、电度表的自动抄收及远传、超限判断、自动检查、分时计费、实时计量、管理功能。
提高级(2A)
在室内安装可燃气体泄
漏自动报警装置。且能就地
发出声光报警信号。
1．在住户内两处安装紧急按钮开关。
2．在住户内安装入侵报警探测器，在户门、及用台、外窗安装
人侵报警装置。
具有语音对讲及控镧开启楼道人口处防盗门功能。可实
现住户与安防监控中心的直接联系。
2点以上
热能表、燃气表、水表、电度表的自动抄
收及远传、超限爿断、自动检查、分时计费、实时计量、管理功能。
先进级(3A)
1．在室内安装可燃气体泄漏自动报警装置，当燃气体泄漏报警后能自动切断气源、打开捧气装置，且能就地发出声光报警信号。
2．在住户内设置火灾自动报警装置。
1．在住户内不少于两处安装紧急按钮开关。
2．在住户内安装入侵报警探测器，在户门及阳台门、外窗安装入侵报警装置。
具有语音、可视对讲及控翻开启楼道入口处防盗门功能，可实现住户与安防监控中心的直接联系。
2点以上
热能表、燃气表、水表、电度表的自动抄收及远传、超限判断、自动检查、分时计费、实时计量、管理功能。
这些设备均应安装在电气竖井内或公共走道的墙上(内)。
6．2家庭控制器
暗装(或明装)在墙内(上)，其底边距地面1．4m左右。家庭控制器应设置在住户大门附近(宜距户门0．5m以内)，且容易操作(包括设防与撤防)的地方。
6．3可燃气体探测器
安装在厨房内的燃气管道、灶具附近，当住户使用的是天然气，燃气探测器吸顶棚安装在距顶棚300ram以内的地方；当住户使用的是液化石油气，燃气探测器安装在距地面300mm以内地方。
6．4感温探测器设置在厨房内，它吸顶棚安装。
6．5感烟探测器设置在起居室、卧室等房间内，它吸顶棚安装。
6．6紧急按钮开关
设置在起居室沙发和主卧室床头附近的墙上，及卫生间的墙上。紧急按钮开关暗装在墙内，其底边距地面0．5m~1．2m。
6，门(窗)磁开关
安装在门扇和门框内或窗扇和窗框内。
6．8玻璃破碎探测器
安装在窗户和玻璃门(阳台)附近的墙上或吸顶棚安装。
6．9被动红外侵入探测器和被动红外／微波双技术探测器
安装在住户的主要通道、重要的房间内，它吸顶棚安装或安装在顶棚的墙角处。
6．10红外遥控器
安装在被控电器设备正面附近的墙上，距离不能超过红外线工作范围，且与电器设备之间没有遮挡。
7工程设计实例
以二室户型为例介绍户内的智能家庭控制系统设计，设计标准采用康居住宅先进级(3A)。采用以太网的家居控制系统，家庭控制器与户内各模块之间采用R．$485总线，家庭控制器可通过电话线或计算机网络接收控制指令、发出信息，所选用的家庭控制器具有可视访客对讲功能。家居控制系统图参见国家建筑标准设计<智能家居控制系统设计施工图集>03X602第17页，二室户型家居控制平面图参见图1、2所示，家庭控制器与室内设备的连接参见图3所示。
在起居厅、卧室设置了感烟探测器，厨房设置了感温探测器、可燃气体探测器，各房间的窗户、阳台推拉门上及附近设置了门(窗)磁开关和玻璃破碎探测器，起居厅设置了被动红外侵入探测器，起居厅、卧室、卫生间设置了紧急按钮开关。对电、水、燃气进行计量；可对餐厅、起居厅、卧室的灯进行控制；当可燃气体探测器探测到有燃气泄漏后，联动控制关闭燃气管道上电磁阀、开启排烟风机；当有各种探测器报警后，联动警报发声器发出报警声音。
家庭控制器共提供13路输入：电度表(电度表安装在照明配电箱内)、燃气表、热能表、可燃气体探测器、感温探测器、感烟探测器、紧急按钮开关、被动红外侵入探测器、玻璃破碎探测器各1路，水表、门(窗)磁开关各2路。
家庭控制器共提供7路输出：警报发声器控制1路、燃气管道上电磁阀控制1路、排烟风机控制1路、照明控制4路。
21世纪是信息化的世纪，各种电信和互联网新技术推动了人类文明的巨大进步。数字化家居控制系统的出现使得人们可以通过手机或者互联网在任何时候、任意地点对家中的任意电器（空调、热水器、电饭煲、灯光、音响、DVD录像机）进行远程控制；也可以在下班途中，预先将家中的空调打开、让热水器提前烧好热水、电饭煲煮好香喷喷的米饭……；而这一切的实现都仅仅是轻轻的点几下鼠标，或者打一个简单的电话。此外，该系统还可使家庭具有多途径报警、远程监听、数字留言等多种功能，如果不幸出现某种险情，您和110可以在第一时间获得通知以便进一步采取行动。舒适、时尚的家居生活是社会进步的标志，智能家居系统能够在不改变家中任何家电的情况下，对家里的电器、灯光、电源、家庭环境进行方便地控制，使人们尽享高科技带来的简便而时尚的现代生活。
1系统的总体结构及工作过程
智能家居系统由系统主机、系统分机、Internet服务器和网络接口等部分组成。其中系统主机通过服务器（个人计算机）连入Internet，并通过自己的PSTN公用电话交换网接口电路连入PSTN。其结构图如图1所示。主机与分机通过无线传输组成星形拓扑结构。系统主机通过本地无线传输网络同系统分机进行通讯、传输控制命令和反馈信息。
该系统正常工作时，用户可以通过Internet和PSTN两种网络进行访问，当通过Internet访问时，本系统可提供一个界面友好的终端软件，用户只需登陆到运行在家中的服务器即可对家中的设备进行远程控制；当通过PSTN访问时，本系统将为用户提供语音操作界面。其工作流程如图2所示。
2系统的硬件构成
本系统的硬件主要有系统主机与系统分机两大部分。系统主机由单片机AT89C52和各种接口电路组成，如图3所示。系统分机由单片机AT89C52和各种接口电路、传感器单元电路、固态继电器控制电路组成，并由固态继电器控制具体设备，具体硬件组成框图如图4所示。
通过系统主机的各种接口电路可将主机CPU从繁忙的计算中解脱出来，以便把主要精力运用在控制和信息传递上。系统主机主要依照各个功能电路的输出结果进行逻辑判断和控制命令的输出。系统分机的各种接口电路和主机相似，只是根据设备的不同（传感器单元）有着细节上的变化。下面主要介绍系统主机的各种接口电路。
2．1nRF401无线数据传输电路
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。
2．2看门狗电路
看门狗电路由MAX813L及其元件组成。通常，在单片机的工作现场，可能有各种干扰源。这些干扰源可能导致程序跑飞、造成死机或者程序不能正常运行。如果不及时恢复或使系统复位，就容易造成损失。看门狗电路的作用就是在程序跑飞或者死机时，能有效地使系统复位以使系统恢复正常运转。因此，在程序中定期给P1．5送入看门狗信号，就可以保证在程序运行异常时，由MAX813L使单片机复位。
2．3DS1307时钟接口电路
DS1307时钟芯片是美国DALLAS公司生产的I2C总线接口实时时钟芯片。DS1307可以独立于CPU工作，它不受晶振和电容等的影响，并且计时准确，月积累误差一般小于10秒。此芯片还具有掉电时钟保护功能，可自动切换到后备电源供电。同时还具有闰年自动调整功能，可以产生秒、分、时、日、月、年等数据，并将其保存在具有掉电保护功能的时间寄存器内，以便CPU根据需要对其进行读出或写入。由于单片机AT89C52没有I2C总线接口，因此，要驱动DS1307，就必须采用单主机方式下的I2C总线虚拟技术。在此方式下，以单片机为主节点（主器件），主器件永远占有总线而不出现总线竞争，且可以用两根I／O口线来虚拟I2C总线接口。I2C总线上的主器件（单片机）可在时钟线（SDL）上产生时钟脉冲，在数据线（SDA）上产生寻址信号、开始条件、停止条件以及建立数据传输的器件。任何被选中的器件都将被主器件看成是从器件。在这里，DS1307作为I2C总线的从器件。I2C总线为同步串行数据传输总线，其内部为双向传输电路，端口输出为开漏结构，因此，需加上拉电阻。
2．4MT8880C双音频编解码电路
由于单片机是通过MT8880C芯片得到PSTN网络的双音频信号解码输出，也就是说，单片机可以识别来自PSTN网络的控制信号，用户可以根据系统的语音提示进行按键选择以实现用户身份的识别与远程控制。因此，利用MT8880C的双音频编码功能，系统可以在紧急时刻将用户预置的紧急电话打到PSTN网络，从而把损失减少到最低。
2．5ISD4004语音录放电路
ISD4004是美国ISD公司生产的一种语音录放芯片。它可录制8～16分钟的语音信号。该芯片可提供SPI标准接口和单片机进行接口，其语音的录放控制均通过单片机来实现。该芯片的一个最大特点是可以按地址编程录放，因而可由ISD4004和单片机编程控制来构成本系统与PSTN网络用户的语音平台。由于ISD4004的INT和RAC脚输出为开漏结构，因此需要加上拉电阻。
2．6MAX202串行通讯电路
通讯电路可由串行通讯专用芯片MAX202组成，通过此电路可以方便地与PC机进行串行通讯。
2．7铃流检测与摘挂机控制电路
当系统被呼叫时，电话交换机发出铃流信号。振铃为25±3V的正弦波，失真小于10％，电压有效值为90±15V。振铃信号以5秒为周期，即1秒送，4秒断。由于振铃信号电压比较高，所以先要通过高压稳压二极管进行降压，然后输入至光耦。再经光耦隔离转换后，从光耦输出时通时断的正弦波，最后经RC回路进行滤波以输出标准的方波。该方波信号可以直接输出至单片机的定时器1进行计数，以实现对铃流的检测。
由于程控电话交换机在电话摘机时电话线回路电流会突然变大（约30mA），因此，交换机检测到回路电流变大就认为电话机已经摘机。自动摘挂机电路可以通过单片机的P1．7来控制一个固态继电器，固态继电器的控制端应连接一个大约300Ω的电阻后再接入电话线两端，从而完成模拟摘挂机。
3系统软件编制
本系统软件主要由系统主机和系统分机的C51程序和系统与Internet网络通讯程序组成。
3．1系统主机程序的编制
系统主机程序主要用于实现系统的总体功能。包括无线数据传输程序、看门狗程序、时间戳程序、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，应将相应的状态位置位，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。
3．2系统与Internet网络通讯程序的编制
这部分通讯程序分为服务器和客户端两个程序，主要通过Internet网络完成用户的控制功能。
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。服务器程序使用Socket与客户端进行Internet通讯。
关键词：智能家居；FPGA；ZigBee；无线传感器节点
Key words： smart home；FPGA；ZigBee；wireless sensor node
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）18-0068-02
0 引言
智能家居系统的概念起源于上世纪70年代的美国，随后，传播到欧洲、日本等国并且得到了很好的发展。在我国，智能家居这一概念推广较晚，约在90年代末家居智能化系统才得以进入国内，但发展速度惊人。随着物联网技术的不断发展，根据人们需求而开发设计的智能家居系统拥有更加优越及复杂的配置，可以将家庭中各种通信设备、家用电器以及家庭保安装置通过物联网技术连接起来，实现环境控制、养鱼养花、烧水煮饭、多媒体控制及安全报警等功能，并可以异地监控、管理、报警，为住户提供安全舒适、高效便利的学习生活及工作环境。
由于智能家居系统还缺乏统一明确的国际标准，许多公司开发出的产品都是基于自己组网和信息交换协议，很多产品是针对特定的组网环境开发的，部分核心技术没有对外公布，技术复杂，直接导致了使用范围的局限性。再者，缺乏对应的第三方产品，各个接入设备之间不能兼容，互操作性差，不利于产品的扩充，因而进一步局限了产品的发展。再加上有的系统成本过高，严重影响了产品的普及。本文通过FPGA构建了一个嵌入式控制处理平台，利用FPGA技术低功耗、定制性高、扩展性强、接口灵活等优点，实现了物联网智能家居控制部分的设计，能够满足家居需要。
1 FPGA在物联网智能家居中的应用
目前常见的智能家居系统大多基于ARM的嵌入式系统，这类系统并不能同时支持多种无线通信协议。通过整合多种无线通信控制方式，来实现基于FPGA的物联网智能家居控制器，为智能家居的控制领域探索了一种新可行性的方法。利用FPGA芯片可自由定制以及接口灵活性的特点，设计智能家居控制器各个模块，相比ARM单片机支持串口少的短板，可以使系统在同一时刻支持多种通信方式，从而使系统具有更高的适应性和可扩展性，能够同时控制多达31个家用电器，基本满足日常家居需要。基于FPGA的物联网智能家居在设计实现的过程中，使用了Quartus II等集成开发环境，以及ModelSim专业仿真工具，利用Verilog HDL硬件描述语言，在Altera公司的DE2开发板上进行开发设计。
2 基于FPGA的物联网智能家居设计
2.1 系统功能
基于FPGA的物联网智能家居系统能够最大限度地使家居更加智能化，其三大关键功能是通过网络信息终端进行信息的获取、处理以及，进行信息的及时反馈；对相应的单元以及一些机构进行控制，实现实时监测；兼容性一定要足够强大。该系统特色功能具体如下：
①环境控制系统：对室内温度、湿度、亮度进行实时测量，通过人设模式控制空调、加湿器、窗帘、灯光等设备达到宜居的室内环境；②智能养花系统：通过测量相关参数，提供浇水、施肥、遮盖阳光等功能，可以远程监控养花，或者自动养花；③智能养鱼系统：通过测量相关参数，提供补氧、喂食、控温、换水等功能，可以远程监控养鱼，或者自动养鱼；④智能餐饮系统：通过控制烧水壶、微波炉、电饭锅等设备电源及煤气开关，完成烧水、蒸煮、烹饪等功能，可以远程监控完成或自动完成；⑤多媒体系统：通过开关控制，可以远程操控电视、音响、电脑等设备；⑥完全报警系统：通过测量相关水电气参数或者红外感知参数，对室内实时监控，如有危险提示则报警。
2.2 系统架构
该系统是以单个家庭为单位进行安装，智能家居控制台采用大唐移动公司研制的智能家居控制试验箱，ZigBee中心节点采集环境信息。FPGA相当于智能家居系统中的管理中心，其核心是采用Altera公司推出的32位高性能软处理器nios2与每个子节点连接。管理中心通过串口可根据接收到的ZigBee中心节点数据进行处理，并通过家庭总线系统与其他节点设备进行关联操作，实现家庭环境的监测与管理，从而为用户提供安全、舒适的生活或工作环境。智能家居控制器系统结构图如图1所示。
2.3 硬件结构
2.3.1 FPGA部分
系统的核心控制部分由FPGA实现，其设计思路是：采用Altera公司DE2-70开发平台来完成系统设计，从ZigBee网络传输过来的数据经过串口后存储到DE2-70开发板上的SDRAM中，在FPGA控制平台上，由Altera的IP核构成Nios II软核，并植入FPGA芯片中，然后通过软件编写来实现FPGA控制平台的功能，然后系统从SDRAM中读取数据后将温度、湿度等信息显示在LCD液晶屏上。FPGA系统的Nios II软核结构如图2所示。
2.3.2 无线传感器节点
无线传感器模块由ATMEGA128和CC2420组成，CC2420通过SPI总线连接到ATMEGA128。CC2420是Chipcon As公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器，该器件包括众多额外功能，是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。该模块能够在低电压低频率模式下开始工作，同时能够进行低功耗操作，还能够支持许多种不同的低功耗模式，例如睡眠模式以及深度睡眠模式等，都是可以实现的，从而达到系统更加智能化的目的。无线传感器模块如图3所示。
2.3.3 ZigBee中心节点
ZigBee中心节点使用大唐移动公司研制的智能家居控制试验箱配套产品，模块内嵌工作频率2.4GHz基于IEEE802.15.4标准的ZigBee通信协议，支持最新的RS232串行模式，在此标准通信协议下，经测试，ZigBee中心节点每次接力通信都能在75m范围内提供250kbps的速率，能在网状或多次跳接无线网络内支持串行数据路由，速率最高可达38.4kbps，能够达到目前国内产品的最好性能，完整体现了最新ZigBee网络层的强大功能。
3 结论
本系统通过FPGA构建了一个嵌入式控制处理平台， 利用FPGA技术低功耗、定制性高、扩展性强、接口灵活等优点，实现了物联网智能家居控制部分的设计。最终通过Altera公司的DE2开发板验证，本控制系统在板载50MHz的时钟频率下稳定运行，实验结果达到了预期目标。该系统中的部分模块已在我学院SMT实训基地自主开发研制并生产。另外以该系统项目为例，通过翻转课堂教学模式激发了学生的实践操作能力、创新能力，对在研课题具有较好的理论价值和实际意义。
参考文献：
[1]韩德强.嵌入式家庭控制器系统的设计与实现[J].电子技术应用，2008（3）：23-25.
