随着信息社会的发展，网络和信息家电已越来越多地出现在人们的生活之中，而这一切发展的最终目标都是给人类提供一个舒适、便捷、高效、安全的生活环境。如何建立一个高效率、低成本的智能家居系统已成为当今世界的一个热点问题。近年来，国际上许多大公司提出了相应的解决方案，但迄今为止，这一领域的国际标准尚未成熟，各国正努力研制适合于本国国情的智能家居系统。国防科大嵌入式Internet和智能家居系统研发小组通过对这一领域相关技术的研究和探索，提出了一种适合中国国情的智能家居及嵌入式Internet解决方案。智能家居系统的提出和实现不仅会带来普通居民用户家庭生活方式上的变革，而且将波及工业控制等许多与Internet相关的嵌入式应用领域。而以智能家居为最基本构成单元的一个有序化网络体系结构的诞生则会为Internet注入新的生机和活力。
嵌入式Internet与智能家居
嵌入式Internet是近几年发展起来的一项新兴概念和技术，是指设备通过嵌入式模块而非PC系统直接接入Internet，以Internet为介质实现信息交互的过程，通常又称为非PC Internet接入。国外许多大公司如EmWare、Microchip、SII 等联合成立了嵌入式Internet联盟，来专门讨论和制定嵌入式Internet领域的标准和开发相关的技术。随着嵌入式Internet产品的开发和应用，远程监控、数据采集和系统重构等领域将会发生深刻的变革。
智能家居系统又称智能家庭局域网，是适应现代化家庭生活而形成的一个形式多样化的网络结构。智能家庭局域网主要包含家庭计算机网络、信息家电、智能仪表、消防与安防设备、家庭多媒体网络等各种不同类型的子网。根据各个家庭的具体需求量体裁衣，构成一个特定形式的智能家居系统。智能家庭局域网的核心是家庭网关，它不仅负责各种不同类型子网之间的协议转换，而且还要完成家居智能控制和Internet 接入功能。
国外在探索现代化智能家居系统及其核心技术的过程中，已逐渐形成了一些相关的标准，分别受许多大公司的支持，其中较有影响力的是OSGI （Open Services Gateway Initiative）的SpecificationRelease1.0和EIA/TIA相关标准。智能家居系统已由开始时以PC为控制中心逐渐转向以嵌入式家庭网关为核心的嵌入式系统领域。而智能家居系统物理层的接口标准和数据传输协议则是大部分国内外学术机构和厂商关注的问题。
演示系统设计
智能家居演示系统是嵌入式Internet和智能系统的雏形和设计思路的基本体现，演示系统研制的目的是建立智能家居网络结构和管理控制系统的基本模型，解决嵌入式Internet和智能家庭局域网项目研制的关键技术难题，提供一个比较简单的演示样机，以配合项目整体思路的阐述和推广。通过演示系统，向用户展示创造一个舒适、安全、便捷的家庭生活环境的途径。演示系统研制的主要任务包括：
（1）构造智能家庭局域网基本模型。
（2）解决相关关键技术难点，主要包括：嵌入式 Modem、嵌入式TCP/IP协议栈、嵌入式WebServer、家居网关RG模型、局域网内部网络通信协议、物理层接口技术、智能应用终端改造途径、整个系统小型化设计等。
（3）提供一套比较简单的家居网关演示样机。
根据演示系统所需完成的任务，演示系统样机主要由智能家庭网关、物理层系列接口、智能应用终端三大部分组成。演示系统结构如图1所示。
智能家庭网关是一个独立、智能、灵活多变、标准化的家居网络系统接口单元。它通过各种途径（如Internet、WAP、电话、手机等）从多种多样的外部网络接收通信信号，然后通过家庭内部网络将信号传送到特定的用户设备上，并将相应信号反馈给外部通信节点，实现整个远程交互过程。
物理层系列接口是实现家庭局域网内部网络结构的底层硬件协议接口，是智能家庭局域网的最基本部件。目前国际上流行的物理层系列接口主要包含无线射频（RF）、电力载波（PL）、双绞线（RS485等）、蓝牙技术（Bluetooth）、无线以太网（IEEE802.11）、X11、HomeRF技术等，这些接口涵盖了从以智能设备监控为代表的低速数据链路接口和以家庭多媒体娱乐和视频监控为代表的高速数据链路接口。演示系统拟首先采用无线射频和电力载波两种比较普遍和直观的物理层接口。
智能应用终端是指智能家居用户用于生活、娱乐、工作等方面的智能设备，是智能家庭局域网的最终受控对象。最为普遍适用的智能应用终端主要包括智能家电（如网络冰箱、空调、微波炉等）、智能家庭仪表（如水、电、气三表系统等）、智能安防设备（如消防联动系统、安全报警联动系统等）三大方面。智能应用终端的发展基于现有设备的智能化改造，同时研制新一代有时代特色的智能设备。演示系统拟采用模拟节点的方式替代智能终端，在有条件的情况下，组建一个智能家居演示实验室。
演示系统功能与指标
1.智能家庭网关
演示系统中智能家庭网关应具备以下功能：
·Internet接入功能；
·简单的Modem功能；
·Web服务器功能；
·简单的内部网络协议转换功能；
·智能家居控制和管理功能；
·简单友好的用户操作界面；
·具有系统升级和重构功能。
演示系统中智能家庭网关的技术指标如下：
·外部网络接入形式：Internet Web Browser；
·外部网络传输协议：TCP/IP；
·Modem数据传输速率：2.4K～56K；
·Web Server标准：HTTP1.1和CGI1.1；
·系统升级重构：JTAG、Flash或RS232。
2．物理层系列接口
根据演示系统的实际需求，物理层系列接口拟实现以下功能：
·无线射频数据传输；
·电力载波数据传输。
演示系统中物理层系列接口的技术指标如下：
·无线射频数据传输速率：300bps～2Mbps；
·无线射频符合FCC Part15标准；
·电力载波数据传输速率：300～9600bps；
·物理层接口标准：UART、SPI、I2C等。
3．智能应用终端
演示系统中智能应用终端由于受实际情况的限制，拟采用模拟智能应用终端的形式，功能如下：
（1） 能根据智能家庭网关的控制执行相应动作；
（2） 能将自身状态及信息反馈给智能家庭网关；
（3） 自身具有一定的智能分析逻辑功能。
演示系统智能应用终端的技术指标包括：
（1） 接口形式：UART、SPI、I2C等标准接口；
（2） 信息表述形式：继电器、蜂鸣器、指示灯（LED）或液晶显示器等。
演示系统模块化设计
演示系统总体设计采用各分系统模块化设计的方法。
1.智能家庭网关
智能家庭网关是智能家庭局域网的核心部分，主要完成家庭内部网络各种不同通信协议之间的转换和信息共享，以及同外部通信网络之间的数据交换功能，同时网关一般还负责家庭智能设备的管理和控制。为适用于普通的家庭用户，网关一般设计为非PC廉价设备，采用嵌入式Internet技术和高性能微处理器。
最基本的智能家庭网关由嵌入式Modem （iModem）、tiny TCP/IP协议栈、tiny WebServer、家庭智能控制与管理程序、内部网络协议转换等五大部分构成。在此基础上，还可扩展tiny WebBrowser等功能。智能家庭网关的基本结构如图2所示。
(1)嵌入式Modem家庭网关与外部通信网络的物理接口，其特点有两个方面：嵌入式Modem必须采用简单灵活的实现方式，以减小系统的复杂性和降低一般家庭用户对Modem基本操作技能的依赖性；嵌入式Modem需要完成 Modem的基本功能，负责将家庭网关接入外部通信网络。根据目前家庭通信网络的现状， Modem的实现一般基于V.90以下的线缆Modem标准，但随着通信调制解调技术和电信基础设施的发展，还可实现如ISDN、ADSL、ATM等较高速Modem标准。另外，随着有线电视交互技术的突破，在不久的将来还可采用有线电视Modem。考虑到有效性和使用性，演示系统拟采用单芯片嵌入式Modem，速率为2.4k～33.6kbps。
(2)嵌入式TCP/IP协议栈（tinyTCP/IP）家庭网关和外部Internet网络通信的协议基础。在复杂系统中，TCP/IP协议栈一般都作为操作系统的一部分，通过软件实现。当前比较流行的嵌入式操作系统基本上都包含TCP/IP协议栈，适合于中高档微处理器实现。但对于一般的以8/16位微处理器和单片机为代表的低成本嵌入式系统而言，操作系统应尽可能精简，一般仅取其内核部分，且若用软件形式实现TCP/IP 协议栈，会占用大量CPU处理时间，从而导致嵌入式系统性能下降。演示系统拟采用硬件方式实现TCP/IP协议栈，一方面可提高系统的处理效能；另一方面该模块可广泛应用于将来的实际嵌入式Internet应用系统中。
(3)嵌入式Web服务器（tinyWebServer）家庭网关面向外部通信网络和远程监控用户的窗口，家庭内部各种智能应用终端的信息和状态均以网页的形式通过Web服务器传送给远程监控用户，远程监控用户通过网页以CGI形式改变和控制家庭智能终端的参数和状态。根据目前技术背景和应用前景，Web服务器有三种不同的形式：WWW Web服务器、WAP Web服务器、电话控制服务器。WWW Web服务器是指当前应用最为广泛的以HTTP协议和CGI为基础的网络服务器；WAP Web服务器是指以移动电话为代表的移动终端所支持的无线应用协议为基础的网络服务器，是最为便捷最有前途的网络服务器；电话控制服务器则是指支持用户通过电话实现对家庭智能终端的监视和控制的服务程序，这种方式技术含量较低，且一般只能控制单个或少数家庭智能终端，无法实现对复杂家庭局域网的有效控制。考虑到有代表性和实用性及技术基础，演示系统拟采用 WWW Web服务器的方式实现。
(4)家庭智能控制与管理程序智能家庭网关，乃至整个智能家庭局域网的核心，负责所有智能应用终端的控制和管理功能。家庭智能控制与管理程序不仅需要根据远程监控用户的指令完成对各种不同智能应用终端的参数设置和控制，而且还要根据各种不同智能应用终端的特性和家居生活的特点，制定一套有效合理的控制和管理策略，从而给家庭用户提供一个舒适、便捷、安全的生活环境。家庭智能控制与管理是一个涉及技术领域广泛、工程比较庞大的系统工程，研制一套切实有效的家庭智能控制与管理程序将是一个比较漫长的反复探索过程。演示系统拟针对某些特定类型的智能应用制定一套比较合理的智能控制和管理程序。
(5)内部网络协议转换智能家庭局域网的枢纽，担负着智能家庭局域网内部各种不同协议子网之间的协议转换工作，是处于智能家庭网关中与物理层接口的底层软件，也是智能家庭网关的基础。智能家庭局域网一般包含三种类型的子网：第一种是以家庭自动化为目标的、以现场总线为基础的低速控制网络，这种子网要求数据传输速率不高（一般小于4Mbps），但要求数据传输可靠性特别高，以免产生误动作，引发家居生活不便甚至安全隐患；第二种是以通信和设备共享为目的家庭计算机网络，这已有成熟的标准（目前使用较为广泛的是IEEE802.11无线以太网）；第三种是以家庭娱乐为主要目的的多媒体信息网络（如媒体点播等），是一种典型的宽带网络，也是下一代智能家居重点发展的子网类型。演示系统由于侧重于以现场总线为基础的家庭自动化子网类型，并不涉及具体的计算机网络和高速多媒体网络，故网络协议转换部分相对简单，仅解决现场总线子网相关的一些问题，但同时保留其他子网类型协议转换的扩展接口。
2.物理层系列接口
物理层系列接口是指智能家庭局域网内部各种类型子网所采用的不同物理层接口。其中以现场总线为特征的家庭自动化子网的物理层接口形式比较多样，且大量的新型接口标准正处于探索和标准化之中，这些方面一直是智能家居最热门，也是最有活力的研究内容之一。智能家庭计算机网络和高速多媒体网络技术比较成熟，如无线以太网（IEEE802.11）、IEEE1394、Bluetooth等已有比较完善的标准，实现过程则较易规范化。针对智能家居最为迫切的家庭自动化子网的需求，演示系统侧重于以现场总线为特征的家庭自动化子网物理层系列接口的研究与实现。
现场总线标准的物理层接口形式主要采用无线射频、电力载波、双绞线、红外等形式。其中无线射频和电力载波以其无需增加附加的布线资源、可靠的数据传输性能和低廉的成本成为最现实和最受欢迎的两种物理层接口形式。演示系统拟基于这两种基本的物理层接口形式。
无线射频技术为增强可靠性拟采用具有扩谱技术（SpreadSpectrum）的芯片组作为核心芯片，基于该芯片组的无线射频物理层接口模块将具有1Mbps以上的通信速率。
电力载波模块拟采用国际上著名的电力载波专用芯片IntellonP200或CEBus，该接口模块主要应用于对智能家电和仪表的控制，要求数据率较低、可靠性较高，模块研制将侧重于数据通信的可靠性方面。
3.智能应用终端
智能应用终端是智能家庭局域网最基本的组成单元，也是智能家居系统的最终受控对象。各种各样针对不同家庭需求组合而成的形式多样的智能应用终端系统，在智能家庭网关的控制与管理下，为家庭用户提供了一个舒适、便捷、安全的生活环境。除了诸如计算机等高档智能设备以外，构成智能家居最为普遍适用的还是家庭自动化子网中的各种应用智能终端。
家庭自动化子网智能应用终端主要包括智能家电、智能家庭仪表、智能安防设备等三个方面。智能家电主要指如智能空调、智能冰箱、智能微波炉、智能通风系统等与提供舒适生活信息相关的一些智能家用电器；智能家庭仪表主要指以水、电、气三表为代表的，与提供便捷生活环境和智能小区管理密切相关的智能化计量收费系统；智能安防设备则是指以消防安全、防入侵系统、异常探测等为代表的、以提供安全生活环境为目的的联动仪器设备系统，也是家庭自动化子网可靠性要求最高、最为引人关注的智能应用终端类型。
受实际条件的研制，演示系统采用了自行研制模拟节点的方式代替智能终端。智能终端最终产品的研制采取以现有设备改造和新型设备研制相结合的途径，以增加OEM模块为主要手段。
