IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的家庭遠程控制系統(tǒng).doc

從人文角度考察，住宅小區(qū)智能化、信息化建設(shè)是為了創(chuàng)造一個安全、舒適、便捷、健康的居住環(huán)境，以先進適用的技術(shù)引導(dǎo)生活方式乃至生活觀念的演變。尤其在 智能家居系統(tǒng)中，如何將領(lǐng)先的技術(shù)融入人們?nèi)粘Ｆ鹁觿谧髦?，使用戶真正享受科技所帶來的便利，而非視技術(shù)為生吞活剝的異物，是需要認真思考的問題。 家庭遠程控制系統(tǒng)的演進過程，也正表明了業(yè)界在產(chǎn)品易用性、可靠性方面所作出的努力。所謂遠程控制，可以理解為用戶即便不在設(shè)備現(xiàn)場，亦能夠自如進行操作，比如通過固定電話、移動電話、或者Internet等手段。 1 家庭遠程控制系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu) 理論上，家中所有的電氣設(shè)備均可接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠程控制。以設(shè)備自身對網(wǎng)絡(luò)的支持程度劃分，電氣設(shè)備可以分為兩類：其一是傳統(tǒng)的無任何智能的電器，如普通 的電視、空調(diào)、電燈、紅外探頭；其二則是內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和端口的信息家電，如機頂盒，由此可有如下粗略的功能結(jié)構(gòu)： 而縱向考察，就每一個功能模塊而言，則又須提供3方面基本的交互機制： 1) 查詢：用戶能夠全面查詢當(dāng)前家中各系統(tǒng)的狀態(tài)以及所有歷史記錄，比如了解所有防區(qū)是否已經(jīng)全部布防，或者查詢主臥空調(diào)的溫度； 2) 預(yù)警監(jiān)測：遠程控制系統(tǒng)應(yīng)該可以提供實時監(jiān)測的機制，對系統(tǒng)的動態(tài)運行狀況、異常事件的發(fā)生，能夠及時反饋至相關(guān)人員、機構(gòu)，譬如用戶空調(diào)設(shè)定溫度過低，電飯煲工作時間過長，抑或家中安防系統(tǒng)報警，戶主必須及時被通知； 3) 遠程控制：用戶可以通過某種方式（撥打電話、登陸Internet等）進行異地操作，或者預(yù)設(shè)若干特定的規(guī)則(定時控制規(guī)則、聯(lián)動控制規(guī)則)，由系統(tǒng)自動 根據(jù)規(guī)則完成相關(guān)操作。例如，用戶在下班之前撥打電話將空調(diào)溫度設(shè)為26度，如果忘記布防，在出門后可以上網(wǎng)將所有防區(qū)均置為布防狀態(tài)。 除了上述3種基本的交互機制，家庭遠程控制系統(tǒng)還需必要系統(tǒng)安全機制、可靠性保障機制支撐，尤其涉及安防系統(tǒng)的遠程控制時，系統(tǒng)須具備完善的用戶認證、數(shù) 據(jù)加密、事件跟蹤、以及抗攻擊抗干擾能力。在集成方面，家庭遠程控制系統(tǒng)又須與智能家居系統(tǒng)的其他子系統(tǒng)以及小區(qū)信息化智能化系統(tǒng)密切協(xié)作。 2 控制協(xié)議的演進 設(shè)計實現(xiàn)家庭遠程控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一便是不同系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通，而在智能建筑領(lǐng)域，目前幾乎所有的設(shè)備廠商均可提供一個設(shè)備網(wǎng)絡(luò)：若干集中部署的主 控制器放置在管理中心機房，大量區(qū)域輔助控制器安裝在小區(qū)內(nèi)的各控制子網(wǎng)，住戶家中則以家庭控制器向上連接。由于硬件系統(tǒng)由各廠商的專有驅(qū)動程序驅(qū)動，各 種系統(tǒng)服務(wù)之間難以實現(xiàn)真正的集成，一方面，受限于特定項目的單一平臺，功能開發(fā)成本較高，另一方面，系統(tǒng)難以適應(yīng)未來的更新?lián)Q代，操作系統(tǒng)的升級或硬件 系統(tǒng)的任何更改都可能導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常運行。 協(xié)議的開放性因此成為備受關(guān)注的問題，1990年Echelon公司提出Lonworks協(xié)議，1995年ASHRAE發(fā)表更為復(fù)雜的BACnet協(xié)議，均說明業(yè)界在系統(tǒng)互操作性方面逐漸由封閉走向開放。下表簡要列舉了流行的7種控制協(xié)議： 其中BACnet和Lonworks在國內(nèi)影響較大，X10則在歐美市場稱雄。就家庭遠程控制系統(tǒng)而言，它不是一個孤立的系統(tǒng)，而必須與其他子系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù) 據(jù)集成和控制集成。上述協(xié)議在某種程度上是開放的，基于這些控制協(xié)議的智能家居系統(tǒng)(如X10)可以完成家庭遠程控制系統(tǒng)所應(yīng)實現(xiàn)的大部分功能。從技術(shù)特 征和中國國情的角度考察，則可以發(fā)現(xiàn)每一種協(xié)議均存在某些不足之處： 對于BACnet： 1) 沒有標準的編程語言，必須從設(shè)備廠商購買專有的編程工具 2) 沒有標準的系統(tǒng)配置工具，必須購買從設(shè)備廠商購買專有的配置工具 3) 開發(fā)費用高昂 4) 出于競爭考慮，許多大型廠商在協(xié)議開放性方面已經(jīng)有所退縮 對于Lonworks： 1) 由于神經(jīng)元芯片規(guī)格與速度的限制，系統(tǒng)伸縮性較差 2) 沒有用于編寫復(fù)雜算法或應(yīng)用的工具 3) 硬件是專有的，必須向Echelon公司支付LNS和神經(jīng)元芯片的使用許可費用 4) 不是一個端對端的方案，只適用于設(shè)備自動化 X10則利用電力線載波進行數(shù)據(jù)傳輸，允許X10兼容設(shè)備通過110V交流電電纜實現(xiàn)通訊，在電場雜波較多的情況下，容易產(chǎn)生信道噪音、串?dāng)_、信號衰減、阻抗變化和反射。 3 智能家居環(huán)境與TCP/IP協(xié)議族 盡管存在不足，BACnet、Lonworks、X10等控制協(xié)議依然將延展其各自的市場空間，但在中國，智能家居系統(tǒng)的構(gòu)建維護更加關(guān)注系統(tǒng)總體性價比的問題，尤其在家庭遠程控制系統(tǒng)需要一個穩(wěn)定、高效、低廉的網(wǎng)絡(luò)支持的情況下。 過去6年間，Internet已經(jīng)成為IT技術(shù)發(fā)展的主要驅(qū)動力量，智能小區(qū)領(lǐng)域概莫能外。國內(nèi)智能小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)標準亦逐漸從爭議中走出，在物理層和數(shù)據(jù)鏈 路層，以太網(wǎng)已成為高速LAN的標準，RS485是低速LAN的標準，RS232則是點對點通信的標準；IP協(xié)議成為網(wǎng)絡(luò)層的標準；TCP和UDP這兩個 互為補充的協(xié)議成為傳輸層的標準。另一方面，國內(nèi)住宅小區(qū)以太網(wǎng)已經(jīng)大面積敷設(shè)，在此基礎(chǔ)構(gòu)建智能家居系統(tǒng)是順理成章的。 4 sino2000家庭遠程控制系統(tǒng) 上海新諾智能技術(shù)有限公司自主開發(fā)的sino2000家庭遠程控制系統(tǒng)是sino2000信息化智能小區(qū)系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，在IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下為小區(qū)住戶提供較完整的遠程控制支持。 4.1 系統(tǒng)原理 對于傳統(tǒng)的無任何智能的電器，如果實現(xiàn)控制，前提是能夠?qū)⑼獠恐噶睿ㄓ捎脩粝逻_）轉(zhuǎn)化為其內(nèi)部工作指令。這種轉(zhuǎn)化，sino2000遠程家庭控制系統(tǒng)采用了兩種途徑： 其一，被控制的電器開放接口和協(xié)議，由外部控制設(shè)備與之銜接后向電器發(fā)送指令。簡單的情況如紅外探頭布防功能的啟用與關(guān)閉，復(fù)雜的如空調(diào)運行狀態(tài)的調(diào)整； 其二，外部控制設(shè)備通過某種方式主動學(xué)習(xí)被控制電器的操作指令，學(xué)習(xí)成功之后，將這些指令轉(zhuǎn)化為普通用戶可以理解的形式，然后由用戶調(diào)用。通常，很多家用 電氣設(shè)備均具有紅外遙控功能，而通過紅外線傳輸?shù)目刂浦噶顢?shù)據(jù)往往沒有經(jīng)過加密處理，故而可以被截獲、解析，例如對空調(diào)、電視等電器均可識別其紅外遙控指 令。 而由于傳統(tǒng)的電氣設(shè)備往往不具備通用的網(wǎng)絡(luò)接口，因此在某些情況下需要附加一個由電氣設(shè)備內(nèi)部協(xié)議向RS232或RS485的轉(zhuǎn)換。上述與電氣設(shè)備的對接 工作通過sino2000家庭遠程控制系統(tǒng)中的遠程控制擴展模塊完成，或者直接由cPAL家庭信息化智能終端實現(xiàn)，cPAL是智能家居系統(tǒng)的核心設(shè)備，它 主要承擔(dān)著6方面任務(wù)：家庭安防、自動抄表、家電控制、信息傳輸、高速上網(wǎng)、門禁對講。 cPAL將采集的數(shù)據(jù)封裝為IP數(shù)據(jù)包(傳輸層采用TCP協(xié)議以保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸)，經(jīng)由以太網(wǎng)與由安裝在物業(yè)中心的nPAL網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)通信。在家庭 遠程控制系統(tǒng)中，nPAL網(wǎng)管系統(tǒng)扮演著管理者和協(xié)調(diào)員的角色，既全面管理小區(qū)智能系統(tǒng)各組成要素(設(shè)備、用戶、線路)，包括對住戶家中所有cPAL的配 置、監(jiān)控和權(quán)限的認證，又負責(zé)協(xié)調(diào)最終用戶界面和家庭控制網(wǎng)絡(luò)之間的動態(tài)交互。 用戶界面由兩大部分組成：小區(qū)呼叫中心和iPAL信息服務(wù)平臺。小區(qū)呼叫中心是集成在nPAL網(wǎng)管系統(tǒng)中的無人值守電話語音服務(wù)系統(tǒng)，當(dāng)用戶撥打物業(yè)中心 服務(wù)電話請求相關(guān)服務(wù)時，呼叫中心系統(tǒng)在用戶身份驗證無誤之后，將以一系列語音提示引導(dǎo)用戶下達所有操作指令，包括：家庭安防控制、家電控制、照明控制、 實時監(jiān)控。這些指令由nPAL網(wǎng)管系統(tǒng)整理調(diào)度后將發(fā)往用戶家中的cPAL智能終端，cPAL將完成具體的控制工作，比如設(shè)定空調(diào)溫度。iPAL信息服務(wù) 平臺是針對小區(qū)應(yīng)用設(shè)計的綜合Web服務(wù)系統(tǒng)，其中提供了一個簡潔易用的界面，使得授權(quán)用戶上網(wǎng)登陸后可進行更為直觀的操作。用戶由iPAL信息服務(wù)平臺 發(fā)送的控制指令同樣將由nPAL網(wǎng)管系統(tǒng)作進一步處理。小區(qū)呼叫中心和iPAL信息服務(wù)平臺的設(shè)計目標之一便是為用戶提供一個方便的使用界面，在任何時間 任何地點均能夠?qū)彝顩r有清晰的把握，從而降低技術(shù)準入的門檻。 4.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) sino2000家庭遠程控制系統(tǒng)的物理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為四層： 1. 家庭網(wǎng)絡(luò)層：以cPAL智能終端為主，遠程控制模塊為輔，采用普通4芯線纜（連接普通電氣設(shè)備，根據(jù)設(shè)備接口定義的不同，可能實際只用到芯線中的芯或 芯）或芯雙絞線（連接數(shù)字設(shè)備）連接4大類家用電氣設(shè)備，即安防設(shè)備(主要是各種安防探測器，如紅外探頭、門磁、窗磁)，家用電器（如空調(diào)、機頂盒、 電飯煲），照明設(shè)備（如電燈），和影像監(jiān)控設(shè)備(數(shù)碼攝像頭、云臺等)，形成一個總線型家庭網(wǎng)絡(luò)（Homebus）。 2. 樓宇網(wǎng)絡(luò)層：家庭網(wǎng)絡(luò)通過cPAL的上聯(lián)以太網(wǎng)端口（雙絞線）接入敷設(shè)在整個小區(qū)的以太網(wǎng)，以TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)物業(yè)管理中心與家庭網(wǎng)絡(luò)之間的通信。 3. 物業(yè)中心：nPAL網(wǎng)管系統(tǒng)（包括小區(qū)呼叫中心）與iPAL信息服務(wù)平臺將架設(shè)在物業(yè)中心的服務(wù)器之上。 4. 公網(wǎng)：小區(qū)住戶通過接入固定電話網(wǎng)和移動電話網(wǎng)，與小區(qū)呼叫中心系統(tǒng)相聯(lián)，進而完成對家庭的遠程控制。或者通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)接入Internet，登陸iPAL信息服務(wù)平臺，使用瀏覽器即可實現(xiàn)遠程監(jiān)控。 4.3 功能特征 sino2000家庭遠程控制系統(tǒng)采用高度集成化的體系結(jié)構(gòu)，在IP網(wǎng)絡(luò)中深度融合數(shù)據(jù)通信與自動控制技術(shù)，具有多項信息查詢、預(yù)警監(jiān)測、遠程操作的功能特征： 1) 在安防控制方面：用戶通過電話、Internet可以隨時查詢當(dāng)前家中所有防區(qū)的設(shè)防狀態(tài)，若需要，還可檢索歷史布/撤防記錄；如果使用瀏覽器觀看安防狀 態(tài)，用戶可以設(shè)定數(shù)據(jù)刷新頻率，達到實時監(jiān)視的效果；假若某個防區(qū)沒有布防，用戶可以根據(jù)電話語音提示或者網(wǎng)頁上的指示將該防區(qū)設(shè)置為布防狀態(tài)；一旦安防 系統(tǒng)被觸發(fā)報警，cPAL將立即把報警信息上傳至物業(yè)中心的nPAL網(wǎng)管系統(tǒng)，并通過呼叫中心撥打業(yè)主的電話，及時提醒家中的情況。 2) 在家電控制方面：sino2000家庭遠程控制系統(tǒng)可以連接傳統(tǒng)的電器以及信息家電，并針對不同類型的電器提供相應(yīng)的操作。當(dāng)電器數(shù)量較多時，可以在附加 遠程控制模塊與cPAL智能終端相連，每一個遠程控制模塊包含了一個紅外自學(xué)習(xí)遙控子模塊和4路開關(guān)量控制子模塊，而一個cPAL可連接遠程控制模塊的數(shù) 目多達32個。當(dāng)用戶通過電話進行控制某電器(比如空調(diào))時，sino2000家庭遠程控制系統(tǒng)將首先提示該電器的當(dāng)前狀態(tài)(比如空調(diào)已經(jīng)開啟，處于通風(fēng) 狀態(tài)，且溫度為攝氏27度，風(fēng)力較強)，以避免可能的誤操作。如果通過iPAL信息服務(wù)平臺則可以更迅速地了解電器的狀態(tài)(如圖4所示)。 3) 在照明控制方面：照明設(shè)備可以與cPAL智能終端或遠程控制模塊相連，用戶可以在家中使用燈光開關(guān)或cPAL控制，如果使用遠程控制，操作方式與家用電器的操作方式類似，系統(tǒng)將首先提示某位置(例如客廳)燈光的開關(guān)狀態(tài)，然后再由用戶選擇進一步的操作。 4) 在實時監(jiān)控方面：住戶可以選擇在家中的重點部位如門口、嬰兒房等處安裝數(shù)字攝像頭及云臺，并與cPAL智能終端相連，而后便可通過iPAL信息服務(wù)平臺遠 程實時監(jiān)控家中重點部位的情況。在家中老人或兒童獨自在家時，實時監(jiān)控的功能將為主人的監(jiān)護提供方便。如果家庭安防系統(tǒng)報警，也可及時觀看家中的情況。 5) 系統(tǒng)聯(lián)動控制：聯(lián)動控制意味著，只要主人設(shè)定好聯(lián)動規(guī)則之后，電氣設(shè)備將自動依次運行，例如，主人希望在打開家門后，客廳和主臥的燈光立刻自動點亮，主臥的空調(diào)在2分鐘后開啟并且溫度為攝氏28度，同時廚房的電飯煲開始上電，烹煮一頓營養(yǎng)晚餐。 6) 系統(tǒng)定時控制：家電的定時控制功能使用戶可以自己設(shè)置定時規(guī)則，讓家電在指定的時間精確地工作，比如設(shè)定電飯煲每天18:00開始煮飯，讓客廳空調(diào)在第二 天的11:31時的溫度從27度降為25度，可見，對于定時操作，用戶既可以設(shè)置為每天的規(guī)律性操作，