未来的智能家居——您所向往的科幻生活

    家庭自动化装置随手可得，但需要巨大的努力，才能使之最终成为一个遥控房子：而不是一个机器人伴侣。我们可以想象有一天我们可以让一个听话的房子关掉卧室的灯光，而不是煮了一锅热气腾腾的面条、再通知消防部门，然后启动了自毁装置。
    从一开始，孩子们就尽着所谓的智能家居中所有的职责：从冰箱中拿出啤酒、换电视频道。考虑到孩子们不可能永远都在我们左右，期待有更好的技术出现是很合理的。当然，我们都应该生活在有机器人的房子里，它们作为有意识的生活仆人，来满足我们所有的需求和愿望。
    20世纪50年代对于“家园的未来”的想象偏向于快速制造方面。当时设计未来的家将会是大规模生产、便利的运输以及快速建造而成的。其内部结构一律用无菌的白色塑料建成，并有内置式家具和一个小厨房。住在未来的家里，就像生活在一个瑞士军刀上。不过20世纪50年代的人们很少会知道，未来真正的房子其实和普通的看起来一样，只是它们有一个别的房子不具备的东西：大脑。
    那么使老房子拥有新功能的秘密是什么呢？方法之一是采用一个具有能自己决定做什么的思维的设施，同时加上未来的技术，比如语音识别。还有一整套家庭自动化工业提供能够集成成为一个无灵魂的自动家居的小器械。另一方面，人工智能往机器人技术的家注入活力，让它足够了解其居民的习惯以便预测他们的活动和癖好。将智能机器人技术融入家居的基础被称为普适计算。无论您选择家庭自动化或普适计算再或两者都选，在您的房子可以为一只鲭鱼做后空翻之前都不要停止。
    现在，“智能家居”技术在书店里都能找到；家庭自动化爱好者已经获取了各种工具，可以使生活更简单或更复杂。家庭自动化的关键目标是给居住者在任何地方以完全的控制权。大多数家庭自动化装置都需要一个中央个人计算机来控制与运行程序。
    举例来说,把10个模块插到墙上，然后与电脑连通，这样，人就可以通过网络开启或关闭灯光和电器。相当多的传感器，例如相机、运动探测器或水检漏仪都可以被用来监测谁在您的车道上、当人接近时打开室外灯或经常检查水管是否损坏。与此同时，效应器还可以用来自动浇水、遥控升高或降低百叶窗或者喂养您的宠物。任何人都可以创造最终的遥控房子，唯一的限制是您的钱包。
    遥控房子并不新鲜了，但智能环境又是另一回事。整个研究领域的重点都集中在把高科技电脑融入家庭环境。与一个放在桌上的电脑交流不同的是，未来的居民互动的对象是一个有用的、智能并且友好的机器人房子。
    可悲的是，为您取啤酒并不是智能家居优先考虑的。相反，最有前途的应用是帮助老人能安全和独立的居住。人口普查资料显示，20年内，整个美国的年龄构成将与佛罗里达现在的年龄构成相同。智能家居被设计时采用通用于家庭安全系统的简单传感器和先进的人工智能技术，以便弄清楚人在做什么(活动识别)和他们在何处(定位估算)。
    乔治亚科技意识家庭看起来像一个有两层楼的房子，但实际上是一个有传感仪器的实验室，包括天花板上的相机、墙壁中的话筒和门口安装的看不见的行程传感器。这个意识家庭和其他类似的实验室都是智能家居的最初原型，它们终有一天将帮助我们所有人摆脱家庭护理。
    第一系列的智能家居已经投放市场，以帮助高龄市民在自己家里能安全的生活。家庭安全公司ADT近日推出了称为“安静护理”的24小时的监测服务。这一系统使用了一个普通的家庭安全设施，这个设施由运动探测器和接触开关组成，除了防止盗贼进入外，该系统还密切注视屋内发生的一切。
    该系统一周7天，一天24小时不间断的把居民日常活动的信息传送给ADT。随着时间的推移，以日常活动为基础的基线建立起来，如果这个“日常路线”被打破，那么将会触动警报。“安静护理”的出现使照顾者和家庭能通过互连网与他们年老的亲戚进行一个虚拟的“检测”，听起来很舒服，不是吗？
    如果您害怕墙壁中的喇叭发出的空洞的声音，那么您可能想用一个移动机器人来完善您的智能房屋。在一次卡内基梅隆大学对Nursebot的实验中（Nursebot是一种垃圾筒大小的轮式机器人，用来分发药品及提醒病人吃药，研究人员发现用激光测距仪，机器人家居能够正确预测人通常会走的路径，并使移动机器人能够避开这条路。Nursebot可以用这种智能有效地迎合居住者的要求。Nursebot甚至设有扶手，使老年用户能够抓住把手站起来，这胜过了小型蹋板车。
    智能家居已经成为现实，但最尖端的研究还仅仅是使他们变成老人的保姆。家庭自动化装置随手可得，但需要巨大的努力，才能使之最终成为一个遥控房子：而不是一个机器人伴侣。我们可以想象有一天我们可以让一个听话的房子关掉卧室的灯光，而不是煮了一锅热气腾腾的面条、再通知消防部门，然后启动了自毁装置。

精彩案例

加利福尼亚州西湖村Bliss家庭影院和自动化系统

    当自动控制系统能够控制您浴室的蒸汽流量时，您一定拥有了一个高科技的家。
    以下是一个居住在科罗拉多州山脉的一个新建的32000平方英尺住宅的主人的例子。房子设计成一个复合的U形风格，并由几栋不同的建筑物组成。主室位于“U”形的中央，包括厨房、起居室和主卧；邻近的是客房和工人房；“娱乐”房包括影院室、台球室、游戏室和保龄球室；“马车室”包括额外的卧室、SPA室、桑拿室、蒸汽室、运动室和技术室。
    这栋住宅获得了今年快思聪“终极互联之家”的75万美元大奖，其视听系统的总成本为430万美元。该系统由位于加利福尼亚州西湖村的Bliss家庭影院和自动控制公司进行设计和集成。
    George Bliss——Bliss家庭影院的技术总监和该项目的系统设计师，解释说：“屋主在追求‘终极控制’，他想拥有当前所有的并且可在将来进行升级的自动控制，他还想通过现在的遍布每个房间的触摸屏来控制整个房子。”
    该系统的核心部分是两个快思聪RACK2控制器连同两个快思聪PRO2控制主机处理照明系统。后者控制97快思聪CLX调光器模块和11个infiNET调光器。155个CNX-B2按键面板可单独地控制所有的灯，或作为编程场景的一部分。
    William Brewer——Bliss家庭影院的系统工程师兼这个项目的程序员解释说，每一个照明处理器都位于不同的设备室。“由于房子尺寸的原因，我们不得不使用两个照明处理器，”他说。“有两个设备室。有些灯接到其中的一个设备室，而另一些灯则接到第二个设备室。我们不得不使用了大量的网络数据处理通信以使得所有的灯都能以一种粘结的方式工作。”
    通过8个大型的快思聪TPS-5000、6个TPS-6000触摸屏以及17个小型的TPS-2000和4个STX-1700CXP界面，可控制照明、亮度、采暖、通风与空调、接入控制和音频分配。
    内部通信系统的音频分配由快思聪C2N-IADS提供，它集成了所有大型触摸屏和5个门口对讲机。1个C2N-IVDS将视频分配到多个门口对讲机和所有的大型触摸屏上，这样就使得住户可以监控安防摄像头。
    现场有12个音频/视频系统，其中11个配置成环绕音效。这些系统的显示由液晶显示器和等离子电视机组成。这些系统通过快思聪STX-1700CXP、TPMC-10和ML-500界面来加以控制。等离子升降装置安装在主卧，以及客房的卧室和起居室。
    Robert Bliss——Bliss销售和设计主管设计了家庭影院。由数字式发射Is8-2K投影机获得的图像显示在Stewart电影屏幕上。7.1环绕声系统和D-Box Odyssee运动模拟器是由快思聪TPMC-10和TPS-6000界面控制，这两个界面安装在嵌入咖啡桌的机械化抽屉内。
    在保龄球室，具有“连接个人电脑”功能的TPS-6000控制着球童得分电脑，此外还控制了庭院强力灯、树林里轮子式的灯、闪光灯、烟机和音频/视频系统。
    屋主可通过一个由几个大型触摸屏集合而成的高清晰度PTZ相机观看山脉的景色和附近的滑雪活动。可以通过所有的大型触摸屏和Davis Pro II工具优势查看天气消息。
    屋主通过Crestron e-Control XPanel软件实现对家的遥控。
    Bliss指出其中一项最重要的安装挑战是如何铺设集成所有设备所需要的电线。“这是一所很大的房子，我们拉了大约96英里的电线，以满足我们目前的安装需要和未来的安装需要，”他说，“我们又辅设了大量的、可能在未来需要使用电线槽”。
    触摸屏的容量也要求设备整合人员仔细地作出计划。“大多数家里有一到两个大触摸屏，然后有几个小型的触摸屏，”Bliss说，“家里有很多个子系统，如带环绕声的等离子电视等”。
    Brewer指出，Crestron的广泛产品可以实现其它自动控制系统无法提供的全集成方案。“他们的产品涵盖各种应用场合，这使得集成起来非常容易，”他说。“他们的一些竞争对手没有这样广泛的产品线，所以您不得不将很多设备和第三方的设备集在一起。这样集成起来困难多了，而且效果也不太好。而使用快思聪设备，您将拥有更加平滑的界面，而且您也可以做得更多。”
    Bliss将这个住宅形容为一个真正的“智能化的”家。“在房子里没人的时候，这所房子将进入节能模式。房子还知道目前是一天当中的什么时候，而且将相应地调整亮度、灯光、采暖、通风与空调以节约能源，”他说。如果没有这项技术，一般大小的一所房子将需要一名管家；如果无法在一个源头上控制这些灯，那么每天的开灯、关灯将占用他很大一部分的时间。这所房子这么大，您需要专门聘请一个人来管理这个家，或者您也可以安装一套快思聪系统。这所房子需要一套自动控制系统，让它得到适当的控制。

精彩案例

基于ARM及GPRS的智能家居系统的实现

    本文主要介绍了一种基于嵌入式处理器ARM平台以及GPRS网络通信技术的智能家居系统。该系统核心部分主要包括住宅小区的家居安防监控，图像监控以及远程抄表的实现。利用当前较为成熟的GPRS技术实现对住宅小区用户进行集中的安防监控与管理，给出了系统的功能和结构以及硬件原理框图和软件设计思路。

引   言
    近年来，随着网络通讯技术、电子技术、计算机技术的迅猛发展，人们对生活质量提出了更高的要求，现代化的家居环境也备受人们的关注。目前，国内的智能家居系统主要集中在对单个住宅分散的子系统的控制上，这些子系统功能上比较单一，很难实现信息共享，不便于进行集中管理。本文针对目前国内智能家居系统的局限性，提出一种基于GPRS无线技术的智能家居系统，不仅能对小区多个住宅内的安全状况进行实时监控，还实现了“三表”（即水表、电表、燃气表）的远程抄送。

GPRS技术简介
    GPRS（General Packet Radio Service），即通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，面向用户提供移动分组的IP或者X.25连接。与GSM电路交换数据相比，GPRS在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势：资源共享，频带利用率高，用户只有在进行数据传输时才占有系统资源；数据传输率高，GPRS采用分组交换技术，每个用户能同时占用多个无线信道，同一无线信道又可由多个用户共享。理论上，GPRS最高传输率可达171.2kbit/s；支持X.25协议和IP协议，可与现有的数据网络进行互通互连；用户永远在线且按流量、时间计费，通信成本低。由此可见，将GPRS技术应用于智能家居系统的数据传输是最理想的选择。

系统功能及总体结构设计
1.系统实现的功能
    该系统主要是针对普通住宅小区家庭用户而设计的，它可以对小区内用户住宅内安全状况进行集中监控和管理，同时还实现了门禁及抄表功能。用户可以根据自己需要进行监控状态、监控参数的设置。系统实现了以下功能：
（1）家居安防监控
    当小偷闯入住宅或者有火灾、燃气泄漏等危急事件发生时，监控终端能实时地监测到险情，向监控中心发送告警信息，监控中心则以GSM短信的方式通知户主。
（2）家居安全状况远程实时监控与查询
    主人离家在外，可通过发送手机短信的方式来查询家中安全状况信息。
（3）现场图像抓拍功能
    在设防状态下，当红外传感器或者门磁触发告警时，系统将启动图像抓拍器，对现场进行拍摄，所拍摄的图像通过GPRS网络发送到监控中心的主机上进行备份。用户也可以通过发送手机短信的方式来启动图像抓拍的功能。
（4）“三表”远程自动抄送与门禁功能
    可以定时或主动读取用户家中的水表、电表、煤气表的用量，并根据相应价格计算费用。当有刷卡开门事件时，判断卡合法则允许进入。

2．系统总体结构
    智能家居系统由监控终端，GSM短信收发模块，监控主机三部分组成。监控终端硬件采用ARM7平台，软件采用嵌入式实时操作系统VxWorks。监控主机是一台运行监控管理软件的PC机，一般置于小区的物业管理中心。图1是整个系统架构图。
    系统工作时，监控终端循环检测安装在室内的门磁、红外、烟雾、燃气监测等传感器，当检测到有异常情况发生时，终端控制警笛发出告警声音，提醒户主及物业管理人员有险情发生并采取防范措施。另外，监控终端还通过GPRS网络向监控中心发送告警信息。当终端检测到门磁或红外告警时，将启动图像抓拍器，对用户室内现场进行连续拍照，拍摄到的图像终端先进行缓存，再通过GPRS网络发送至监控主机，监控主机将图像以文件的形式进行备份。
    监控终端还循环接收监控主机下发的数据请求命令，终端对这些命令进行解析。如果是查询传感器及门磁状态，监控终端对相应传感器的状态进行检测，向监控主机返回传感器的状态信息；如果是查询水表、电表或者煤气表的用量命令，监控终端根据“三表”的RS-485协议，构造查询帧命令，发送相应的查询命令，将“三表”返回的数据按照系统的通信协议打包，通过终端上内置的GPRS模块发送到监控主机。监控主机接收到终端发送的数据后，先对数据帧进行解析。若是告警信息，则监控主机将根据不同的告警播放相应的告警提示音，提醒管理员作出处理。当有告警发生时，监控主机通过RS232接口输出AT指令，控制外置GMS模块向系统预先设置好的住宅主人的手机号码发送告警短信，通知户主家中有警情发生。
    同时，监控主机还将把告警事件以日志的形式记录下来，以便事后对告警信息进行查询；当接收到的数据帧是抄表命令返回的数据时，主机将把数据写入到系统数据库。同时，在显示界面上弹出一个新窗口，显示户主信息、查询时间、表的用量、相应费用等信息。

系统硬件设计
    终端硬件采用的是嵌入式硬件平台，CPU选用三星公司的基于ARM7TDMI内核的S3C440X微处理器，该处理器是三星公司专为PDA和一般应用开发提供的高性价比和高性能的解决方案。经过性能与成本的综合考虑，GPRS模块选用明基公司的M22模块。该模块可工作在三种频率下：900/1800/1900MHz。支持语音通信，具有GPRS、USSD和CSD三种数据方式及SMS和FAX功能；内嵌TCP/IP协议，软件支持标准AT指令并遵循3GPP 27.07/27.05规范。
    S3C44B0的IO口的D口扩展了三个按键，它们是设防键、开门键、消告警键。按下设防键，CPU检测到IO口为低电平，系统进入监控状态。该状态下，系统将循检测门磁及所有已经安装的传感器。由于选用的传感器输出电平为0V或12V，而S3C44B0的外围接口电平为0V-3.3V，传感器的输出需经光耦隔离后连接至CPU的IO引脚。采用光耦隔离还有一个作用：在雷雨天气，传感器输出导线很容易引入雷电，导线上会有瞬时高压脉冲，用光耦将传感器的输出与CPU的IO口隔离后，起到保护CPU的作用。当监测到开门键按下，电控锁吸合，门将打开，此时为合法开门状态，不会产生告警。
    如果是在监控状态下，门被强行打开，则门磁输出由低电平变为高电平，CPU检测到门磁传感器输出高电平，产生告警，CPU控制GPD3口输出低电平，触发警铃产生告警音。告警发生时，CPU通过UART0发送AT指令来控制GPRS模块，经GPRS网络向系统监控主机发送告警信息，监控主机对告警信息进行分析处理。
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    M22模块与CPU采用115200bps的波特率进行通信。它们之间的接口比较简单，只需要将接收和发送两个引脚进行连接。考虑到本系统运行过程中需要保存大量的事件日志，如“三表”查询的数据、告警事件日志以及告警抓拍到的50张图像等，系统扩展了大容量的外部存储器HY57V641620(容量为8MB的SDRAM)，SST39VF1601(2MB的FLASH)。其中SDRAM主要负责程序运行以及中间数据的保存，2MB的FLASH主要负责源程序的保存以及一些掉电需要保存的历史数据，事件日志、图像数据等。
    图像抓拍器的主要作用是当有盗情发生时，进行现场抓拍。目前在国内市场上已经有很多该类型的产品。我们选择了深圳安信阳光科技有限公司的彩眼HRM600GJ图像抓拍器。HRM600GJ自带以太网接口。HRM600GJ在接收到S3C44B0发来的拍照命令包后进行连续拍照，所拍摄的图像为静态JPEG格式图像，解析度为320×240，图像经过网口发送给ARM处理器等待处理。由于S3C44B0片内并不带以太网接口，因此必须扩展一片以太网接口芯片实现彩眼和ARM处理器之间的互连。这里我们选用比较常见的也是性价比相对较高的RTL8019AS作为以太网接口芯片。
    SN75LBC184是RS485驱动芯片。我们将S3C44B0的第二个串口（UART1）扩展为系统的RS485总线接口。该接口是CPU与“三表”及刷卡器等设备的通信接口。CPU按照主从模式与“三表”进行通信。CPU定义为主设备，“三表”为从设备。主从设备都有唯一的设备地址，通信时，主设备向指定地址的从设备发查询命令，从设备返回当前数据给主设备。

系统软件设计
1.终端软件
    传统的单片机程序设计基本上都采用顺序结构，实时性低且CPU对资源的利用率不高。这里，我们采用了嵌入式实时操作系统VxWorks，它是美国风河（WindRiver）公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS）。终端软件设计包括针对系统硬件平台进行的操作系统的移植和在VxWorks平台上应用程序的设计两部分。操作系统的移植的重点也即难点是BSP（Board Support Package）的设计。VxWorks本身提供了针对许多处理器的BSP，但针对S3C44B0的BSP并未提供。在设计系统BSP时，我们首先仔细研究了其中一种BSP代码范例，了解并掌握了BSP的结构，然后在风河公司针对ARM处理器提供给用户的BSP模板的基础上设计了本系统的BSP。
    监控终端的应用程序采用模块化的设计思想。由于VxWorks支持多任务，我们将每个功能模块以一个任务来实现。从时间上看，各个任务处于并行运行的状态，极大地提高了系统对事件响应的速度，有效地提高了CPU对资源的利用率。终端应用程序包含五个任务，分别是：消息处理任务、传感器检测任务、GPRS通信任务、   RS485总线设备通信任务、按键检测及处理任务。除消息处理任务以外，其它五个任务优先级相同。VxWorks中任务优先级从0到255，0为最高优先级，255为最低优先级。我们将消息处理任务优先级设定为90，其它四个任务优先级都设定为100。这样可使消息处理任务尽快的处理其它任务发送来的消息，提高系统对外部事件的响应速度。下面分别对各个任务所实现的功能进行简要的介绍。

（1）消息处理任务
    该任务循环检测自己的消息队列，当有其它任务发送来的消息时，读取消息，对消息进行解析，确定事件类型，然后调用事件相应的处理函数进行处理。本系统定义了多种事件类型，主要有如下几种事件：传感器告警事件、设置终端参数事件、传感器状态请求事件、刷卡开门事件、水表数据查询事件、电表数据查询事件、煤气表数据查询事件和按键设置事件。
（2）传感器检测任务
    在任务运行的时间片内，首先判断系统当前所处的状态，如果系统处于设防状态，那么CPU将对室内所有已安装传感器进行循环检测。如果系统工作在撤防状态下，那么只对烟雾、煤气传感器进行检测。当任务检测到某一传感器的输出达到系统设定的告警阈值时，将向消息处理任务的消息队列发送一条传感器告警消息，消息中包含传感器通道编号。
（3）GPRS通信任务
    此任务完成GPRS模块的初始化、终端与监控中心建立连接以及数据通信功能。
（4）RS485总线设备通信任务
    任务完成“三表”数据的读取以及用户刷卡检测功能。
（5）按键检测及处理任务
    该任务完成对终端上三个功能键的扫描。当其中某个按键被按下时，CPU检测到键值，向消息处理任务发送消息，消息任务将调用相应的处理函数进行处理。

2.监控中心软件
    监控中心软件采用Borland C++ Builder 6.0开发。它使用WinSock控件接收和发送数据。中心软件采用模块化的设计思想，分别实现系统参数设置、操作员权限管理、用户管理、告警事件处理、数据库的维护以及数据打印和系统帮助等功能。

结束语
    本系统实现了对住宅小区内多用户室内安全状况的集中监控与管理，还实现了对用户家中的水表、电表、煤气表的远程无线抄送。该系统在实用性、可靠性以及成本等方面取得了较为满意的效果。目前，本系统已经完成最后调试，即将进入现场试运行。由于系统在硬件设计上充分考虑到了不同的应用场合，留有较大的扩展空间，因此相信该系统将会有较为广阔的应用前景。

技术交流