1 智能家電網(wǎng)絡(luò)

智能家電，即“有感覺、能思考、善交流、會學(xué)習(xí)”的家電。智能家電是微處理器和計算機(jī)技術(shù)引入家電設(shè)備后形成的家電產(chǎn)品，具有自動監(jiān)測自身故障、自動測量、自動控制、自動調(diào)節(jié)與遠(yuǎn)方控制中心通信功能的家電設(shè)備。例如，炎熱的夏天下班前發(fā)個短信命令，家中的空調(diào)便開始工作；睡覺時空調(diào)能感知主人溫度而自動調(diào)節(jié)氣溫，從而免去因吹空調(diào)而感冒的后顧之憂；洗衣機(jī)能實現(xiàn)精確洗滌時間、精確用水量、精確烘干時間，高效而節(jié)能，因而節(jié)能和環(huán)保也成為智能家電發(fā)展的一個趨勢。

智能家電網(wǎng)絡(luò)包括智能家電網(wǎng)關(guān)、外部網(wǎng)和局部網(wǎng)，家電，安防設(shè)備等，實現(xiàn)智能家電互聯(lián)的關(guān)鍵在于家庭網(wǎng)關(guān)的開發(fā)與應(yīng)用。在家庭信息化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系中，家庭與互聯(lián)網(wǎng)的連接需要一個家庭網(wǎng)絡(luò)中央控制器（家庭網(wǎng)關(guān)）。家庭網(wǎng)關(guān)對外與Internet網(wǎng)絡(luò)連結(jié)，對內(nèi)通過家庭內(nèi)部局域網(wǎng)將家電互聯(lián)互通進(jìn)行集中控制與管理，如圖1所示。家庭網(wǎng)關(guān)作為智能家電網(wǎng)絡(luò)化的核心設(shè)備，管理或控制家中家電的網(wǎng)絡(luò)訪問。

未來的智能家電主要將向三個方向發(fā)展：智能化、自適應(yīng)化和網(wǎng)絡(luò)化。智能化是家電設(shè)備盡最大可能的模擬很多種人的思維或者活動的功能；自適應(yīng)是家電設(shè)備根據(jù)自己狀態(tài)和外界環(huán)境自動適應(yīng)工作方式和過程的能力，因此，這種能力使得家電設(shè)備在其使用過程中都處于最有效率、最省能源狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)化是建立家電設(shè)備社會的一種形式，網(wǎng)絡(luò)化的家電設(shè)備可以由用戶實現(xiàn)遠(yuǎn)程管理控制，在家電設(shè)備之間也可以實現(xiàn)互聯(lián)互通。

2 嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)

2．1 嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)簡介

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)，一般用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。網(wǎng)關(guān)實質(zhì)上是一個網(wǎng)絡(luò)通向其它網(wǎng)絡(luò)的IP地址。典型的家庭網(wǎng)關(guān)融合了ADSL接入功能和LAN側(cè)無線接入功能，并具有路由器、集線器和調(diào)制解調(diào)器的功能。為實現(xiàn)每種家電設(shè)備都能與外界信息進(jìn)行交換，就有必要將嵌入式系統(tǒng)與家庭網(wǎng)關(guān)結(jié)合起來，設(shè)計一個嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)它。它可使電視機(jī)，冰箱等嵌入式家電設(shè)備通過家庭網(wǎng)關(guān)與Internet連接，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€家電網(wǎng)絡(luò)。

嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)是位于現(xiàn)代家庭內(nèi)部的一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它的作用是使家庭用戶連接到Internet，使位于家庭中的多種智能設(shè)備相互之間實現(xiàn)通信，或者使這些智能設(shè)備都能夠連接到Internet的服務(wù)。從技術(shù)角度說，嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)在家庭內(nèi)部以及內(nèi)部到外部實現(xiàn)橋接／路由、協(xié)議轉(zhuǎn)換、地址管理和轉(zhuǎn)換，承擔(dān)防火墻的職責(zé)等。

2．2 嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)功能

由于嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)是家庭內(nèi)網(wǎng)絡(luò)與外部互聯(lián)網(wǎng)連接的橋梁，具有很重要的地位。嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)所能提供的功能將直接影響智能家電的使用、控制及管理。一個好的嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)該使家庭內(nèi)外信息能夠安全高效地交換，應(yīng)具備以下的基本功能特點：

（1）共享信息：通過家庭網(wǎng)關(guān)，能使住宅用戶獲得各種家庭服務(wù)。例如接收電子郵件、瀏覽各種網(wǎng)上信息和訂閱各種報紙與期刊等；

（2）智能管理：它將管理家庭內(nèi)的通訊家電設(shè)備的運行，使家庭內(nèi)部的多個PC及其它信息設(shè)備有效地共享寬帶接入，以保證家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運行正常；

（3）自動運行：能夠把家庭內(nèi)部的所有家電設(shè)備都連接到網(wǎng)絡(luò)上，通過相關(guān)管理控制軟件，可以實現(xiàn)對家電設(shè)備的管理監(jiān)測和故障診斷等。如果有故障發(fā)生，家庭管理控制系統(tǒng)會有相應(yīng)的提示，向家庭主人發(fā)出信號；

（4）節(jié)能安全：通過網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，可以遠(yuǎn)程管理控制家庭內(nèi)家電設(shè)備的運行，提高家電的使用效率；同時能夠在家庭里安裝各類檢測報警裝置來管理控制家庭的安全，消防等。如家中安裝煤氣檢測報警器，如果有煤氣泄露時，當(dāng)氣體報警器檢測到氣體濃度達(dá)到爆炸或中毒報警器設(shè)置的臨界點時，煤氣檢測報警器就會發(fā)出報警信號，有效防止發(fā)生爆炸、火災(zāi)、中毒事故；

（5）操作簡單：因為該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是在大部分用戶中使用的，考慮到用戶各方面的差異，因此該系統(tǒng)的操作要簡單、方便、可靠，大部分人都會使用；

（6）防火墻：網(wǎng)絡(luò)安全一直是需要重點考慮的問題。嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)具備一定的防網(wǎng)絡(luò)攻擊能力，為家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)提供一個相對安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

2．3 嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)的優(yōu)點

嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)是通過嵌入式操作系統(tǒng)來實現(xiàn)的，所以它同樣具有嵌入式系統(tǒng)應(yīng)有的特點，因此我們可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的不同來配置不同的嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)。嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)不僅僅具有普通家庭網(wǎng)關(guān)的功能，還具有防火墻和通信中信息加密功能。防火墻可避免外接網(wǎng)絡(luò)對家庭內(nèi)部設(shè)備的非法訪問和攻擊；加密這種較強(qiáng)有力的手段，能為數(shù)據(jù)提供保密性、真實性、完整性和限制性訪問。
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3 基于嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)家電互聯(lián)系統(tǒng)

本文介紹的基于嵌入式網(wǎng)關(guān)的家電互聯(lián)技術(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖2所示，嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)硬件平臺是以ARM9微處理器為中心的，外部通過LAN接入互聯(lián)網(wǎng)，家庭內(nèi)的家電設(shè)備通過家庭內(nèi)部無線局域網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)家電設(shè)備管理控制。這樣用戶通過PC機(jī)就可以對家電設(shè)備進(jìn)行運行狀態(tài)的查詢和控制，在本地也可以通過家庭內(nèi)的手持控制終端進(jìn)行家電設(shè)備的管理控制。

智能家電，即“有感覺、能思考、善交流、會學(xué)習(xí)”的家電。智能家電是微處理器和計算機(jī)技術(shù)引入家電設(shè)備后形成的家電產(chǎn)品，具有自動監(jiān)測自身故障、自動測量、自動控制、自動調(diào)節(jié)與遠(yuǎn)方控制中心通信功能的家電設(shè)備。例如，炎熱的夏天下班前發(fā)個短信命令，家中的空調(diào)便開始工作；睡覺時空調(diào)能感知主人溫度而自動調(diào)節(jié)氣溫，從而免去因吹空調(diào)而感冒的后顧之憂；洗衣機(jī)能實現(xiàn)精確洗滌時間、精確用水量、精確烘干時間，高效而節(jié)能，因而節(jié)能和環(huán)保也成為智能家電發(fā)展的一個趨勢。

智能家電網(wǎng)絡(luò)包括智能家電網(wǎng)關(guān)、外部網(wǎng)和局部網(wǎng)，家電，安防設(shè)備等，實現(xiàn)智能家電互聯(lián)的關(guān)鍵在于家庭網(wǎng)關(guān)的開發(fā)與應(yīng)用。在家庭信息化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系中，家庭與互聯(lián)網(wǎng)的連接需要一個家庭網(wǎng)絡(luò)中央控制器（家庭網(wǎng)關(guān)）。家庭網(wǎng)關(guān)對外與Internet網(wǎng)絡(luò)連結(jié)，對內(nèi)通過家庭內(nèi)部局域網(wǎng)將家電互聯(lián)互通進(jìn)行集中控制與管理。家庭網(wǎng)關(guān)作為智能家電網(wǎng)絡(luò)化的核心設(shè)備，管理或控制家中家電的網(wǎng)絡(luò)訪問。

系統(tǒng)主要采用直接接入的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，從器件的家庭設(shè)備組成多個星形網(wǎng)，實現(xiàn)對家庭內(nèi)設(shè)備的本地和遠(yuǎn)程的實時控制。硬件平臺由嵌入式主機(jī)網(wǎng)關(guān)、微處理器、無線通信控制模塊、外圍設(shè)備，HUB等組成。HUB一個多端口的轉(zhuǎn)發(fā)器，當(dāng)以HUB為中心設(shè)備時，網(wǎng)絡(luò)中某條線路產(chǎn)生了故障，并不影響其它線路的工作，它可以給用戶提供多種接入網(wǎng)絡(luò)方式，如撥號、寬帶網(wǎng)等，無線通信模塊通過串行通信實現(xiàn)與多個網(wǎng)絡(luò)家電控制器的連接。由于嵌入式Linux操作系統(tǒng)是源代碼開放的、可裁減的、內(nèi)核小但很穩(wěn)定的一種能處理復(fù)雜任務(wù)的軟件平臺系統(tǒng)，所以應(yīng)用網(wǎng)關(guān)的操作系統(tǒng)擬選用嵌入式Linux系統(tǒng)。

4 家電網(wǎng)絡(luò)通信控制流程

（1）注冊家庭網(wǎng)關(guān)：用戶通過嵌入式Web服務(wù)器網(wǎng)頁登錄嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)后，先進(jìn)行家庭網(wǎng)關(guān)注冊。

（2）發(fā)送控制信息：注冊成功后將家電控制信息提交到家庭網(wǎng)關(guān)，同時將家電控制信息轉(zhuǎn)化成家電控制指令，然后嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序?qū)⒓译娫O(shè)備控制指令按照通信協(xié)議打包，通過無線模塊發(fā)送給家電設(shè)備。

（3）接收控制指令并執(zhí)行：家電設(shè)備接收到控制幀后，根據(jù)上述協(xié)議幀格式將信息幀進(jìn)行解包，提取幀類型、有效控制指令和相關(guān)的有效信息，對家電設(shè)備進(jìn)行設(shè)置及相應(yīng)操作。

（4）回送當(dāng)前狀態(tài)信息：操作完成后按照上述格式將設(shè)置后的家電設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)按上述狀態(tài)幀的格式打包，發(fā)送給嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)。

（5）接收新指令并執(zhí)行，通信結(jié)束：嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)收到家電設(shè)備發(fā)送的狀態(tài)幀后，發(fā)送確認(rèn)幀給家電設(shè)備，然后根據(jù)不同的狀態(tài)幀，再調(diào)用相應(yīng)的家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序進(jìn)行處理。如果嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)在規(guī)定的時間里（300 ms）沒有收到狀態(tài)幀，則會重新發(fā)送三次此控制幀給家電設(shè)備。當(dāng)家電設(shè)備收到嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)出的確認(rèn)幀后結(jié)束此次通信。
如果家電設(shè)備沒有收到確認(rèn)幀，會繼續(xù)發(fā)送三次此狀態(tài)幀后結(jié)束。如果嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)收不到家電設(shè)備發(fā)來的狀態(tài)幀，嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)會向用戶報告設(shè)置失敗，結(jié)束通信。

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