智能家电互联技术的研究与应用

    随着智能控制技术、计算机及信息技术的飞速发展，使得信息家电IA(Information Application)、计算机、通信一体化的趋势日见明显，家庭网络应运而生。顾客对家电产品的要求也越来越高，家电智能化、网络化成了一种趋势。即家电不需要人来控制，人的工作只是设定一系列的目标函数和目标参数以及作息时间等，其他的工作由家电的微电脑通过一定的计算方法和控制方法来实现，例如，智能空调可以根据不同的季节、气候及用户所在地域，自动调整其工作状态以达到最佳效果，在满足人们需要的前提下尽量实现节能。家庭内的大部分电气设备可以通过一定的方式连入网络，可以实现这些设备的远程控制与自动控制。家庭网络化实现了家庭内部信息与外部信息的交换，为人们提供各种各样、个性化、方便、舒适、安全和高效的服务，所以有着很大的潜在市场。现在我国的智能家电正处在试探阶段，还有待进一步研究与开发。家电产品的节能、降耗、健康、环保、舒适等目标，通过家电智能化、网络化可以更容易实现，进而实现使用过程的节能性。作为家电企业，对家电开展节能技术、智能技术及网络化技术的研究应用，将对我国家电行业整体升级，保持竞争优势具有重要的作用。
    本文的目的在于解决家电互联的关键技术，从而提高我省家电企业产品智能化、网络化水平，降低家庭能耗，满足家电的节能、环保、舒适、方便的要求，增强我省家电企业产品的市场竞争力。

1 智能家电网络
    智能家电，即“有感觉、能思考、善交流、会学习”的家电。智能家电是微处理器和计算机技术引入家电设备后形成的家电产品，具有自动监测自身故障、自动测量、自动控制、自动调节与远方控制中心通信功能的家电设备。例如，炎热的夏天下班前发个短信命令，家中的空调便开始工作；睡觉时空调能感知主人温度而自动调节气温，从而免去因吹空调而感冒的后顾之忧；洗衣机能实现精确洗涤时间、精确用水量、精确烘干时间，高效而节能，因而节能和环保也成为智能家电发展的一个趋势。智能家电网络包括智能家电网关、外部网和局部网，家电，安防设备等，实现智能家电互联的关键在于家庭网关的开发与应用。在家庭信息化网络技术体系中，家庭与互联网的连接需要一个家庭网络中央控制器(家庭网关)。家庭网关对外与Internet网络连结，对内通过家庭内部局域网将家电互联互通进行集中控制与管理，如图1所示。家庭网关作为智能家电网络化的核心设备，管理或控制家中家电的网络访问。

    未来的智能家电主要将向三个方向发展：智能化、自适应化和网络化。智能化是家电设备尽最大可能的模拟很多种人的思维或者活动的功能；自适应是家电设备根据自己状态和外界环境自动适应工作方式和过程的能力，因此，这种能力使得家电设备在其使用过程中都处于最有效率、最省能源状态；网络化是建立家电设备社会的一种形式，网络化的家电设备可以由用户实现远程管理控制，在家电设备之间也可以实现互联互通。

2 嵌入式家庭网关
2．1 嵌入式家庭网关简介
    嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统，一般用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。网关实质上是一个网络通向其它网络的IP地址。典型的家庭网关融合了ADSL接入功能和LAN侧无线接入功能，并具有路由器、集线器和调制解调器的功能。为实现每种家电设备都能与外界信息进行交换，就有必要将嵌入式系统与家庭网关结合起来，设计一个嵌入式家庭网关来实现它。它可使电视机，冰箱等嵌入式家电设备通过家庭网关与Internet连接，转变为一个家电网络。
    嵌入式家庭网关是位于现代家庭内部的一个网络设备，它的作用是使家庭用户连接到Internet，使位于家庭中的多种智能设备相互之间实现通信，或者使这些智能设备都能够连接到Internet的服务。从技术角度说，嵌入式家庭网关在家庭内部以及内部到外部实现桥接／路由、协议转换、地址管理和转换，承担防火墙的职责等。
2．2 嵌入式家庭网关功能
    由于嵌入式家庭网关是家庭内网络与外部互联网连接的桥梁，具有很重要的地位。嵌入式家庭网关所能提供的功能将直接影响智能家电的使用、控制及管理。一个好的嵌入式家庭网关应该使家庭内外信息能够安全高效地交换，应具备以下的基本功能特点：
    (1)共享信息：通过家庭网关，能使住宅用户获得各种家庭服务。例如接收电子邮件、浏览各种网上信息和订阅各种报纸与期刊等；
    (2)智能管理：它将管理家庭内的通讯家电设备的运行，使家庭内部的多个PC及其它信息设备有效地共享宽带接入，以保证家庭网络系统的运行正常；
    (3)自动运行：能够把家庭内部的所有家电设备都连接到网络上，通过相关管理控制软件，可以实现对家电设备的管理监测和故障诊断等。如果有故障发生，家庭管理控制系统会有相应的提示，向家庭主人发出信号；
    (4)节能安全：通过网络管理系统，可以远程管理控制家庭内家电设备的运行，提高家电的使用效率；同时能够在家庭里安装各类检测报警装置来管理控制家庭的安全，消防等。如家中安装煤气检测报警器，如果有煤气泄露时，当气体报警器检测到气体浓度达到爆炸或中毒报警器设置的临界点时，煤气检测报警器就会发出报警信号，有效防止发生爆炸、火灾、中毒事故；
    (5)操作简单：因为该网络系统是在大部分用户中使用的，考虑到用户各方面的差异，因此该系统的操作要简单、方便、可靠，大部分人都会使用；
    (6)防火墙：网络安全一直是需要重点考虑的问题。嵌入式家庭网关应具备一定的防网络攻击能力，为家庭内部网络提供一个相对安全的网络环境。2．3 嵌入式家庭网关的优点
    嵌入式家庭网关是通过嵌入式操作系统来实现的，所以它同样具有嵌入式系统应有的特点，因此我们可以根据网络的不同来配置不同的嵌入式家庭网关。嵌入式家庭网关不仅仅具有普通家庭网关的功能，还具有防火墙和通信中信息加密功能。防火墙可避免外接网络对家庭内部设备的非法访问和攻击；加密这种较强有力的手段，能为数据提供保密性、真实性、完整性和限制性访问。

3 基于嵌入式家庭网关家电互联系统
    本文介绍的基于嵌入式网关的家电互联技术系统的结构框架如图2所示，嵌入式家庭网关硬件平台是以ARM9微处理器为中心的，外部通过LAN接入互联网，家庭内的家电设备通过家庭内部无线局域网连接起来，实现家电设备管理控制。这样用户通过PC机就可以对家电设备进行运行状态的查询和控制，在本地也可以通过家庭内的手持控制终端进行家电设备的管理控制。

    系统主要采用直接接入的拓扑结构形式，从器件的家庭设备组成多个星形网，实现对家庭内设备的本地和远程的实时控制。硬件平台由嵌入式主机网关、微处理器、无线通信控制模块、外围设备，HUB等组成。HUB一个多端口的转发器，当以HUB为中心设备时，网络中某条线路产生了故障，并不影响其它线路的工作，它可以给用户提供多种接入网络方式，如拨号、宽带网等，无线通信模块通过串行通信实现与多个网络家电控制器的连接。由于嵌入式Linux操作系统是源代码开放的、可裁减的、内核小但很稳定的一种能处理复杂任务的软件平台系统，所以应用网关的操作系统拟选用嵌入式Linux系统。

4 家电网络通信控制流程
    (1)注册家庭网关：用户通过嵌入式Web服务器网页登录嵌入式家庭网关后，先进行家庭网关注册。
    (2)发送控制信息：注册成功后将家电控制信息提交到家庭网关，同时将家电控制信息转化成家电控制指令，然后嵌入式家庭网关应用程序将家电设备控制指令按照通信协议打包，通过无线模块发送给家电设备。
    (3)接收控制指令并执行：家电设备接收到控制帧后，根据上述协议帧格式将信息帧进行解包，提取帧类型、有效控制指令和相关的有效信息，对家电设备进行设置及相应操作。
    (4)回送当前状态信息：操作完成后按照上述格式将设置后的家电设备的当前状态按上述状态帧的格式打包，发送给嵌入式家庭网关。
    (5)接收新指令并执行，通信结束：嵌入式家庭网关收到家电设备发送的状态帧后，发送确认帧给家电设备，然后根据不同的状态帧，再调用相应的家庭网关应用程序进行处理。如果嵌入式家庭网关在规定的时间里(300 ms)没有收到状态帧，则会重新发送三次此控制帧给家电设备。当家电设备收到嵌入式家庭网关发出的确认帧后结束此次通信。
    如果家电设备没有收到确认帧，会继续发送三次此状态帧后结束。如果嵌入式家庭网关收不到家电设备发来的状态帧，嵌入式家庭网关会向用户报告设置失败，结束通信。

5 结束语
    信息技术及网络化的不断发展，使家电正朝着智能化、网络化、信息化的方向演进，不断的满足着人们对于娱乐、信息、舒适、便捷、自由的追求，智能家电互联互通及远程控制正是适应这一趋势的产物。本系统将嵌入式技术、网络化技术相结合，使智能家电互联更加方便可靠。