无线／有线相结合的家庭和小区控制网络略谈

摘　要：介绍了智能小区、以太控制网及无线网络的概念，提出了将以太控制网和无线网技术应用到智能小区中，组建一种灵活的无线／有线混合的小区智能控制系统。即在家庭中配置家庭控制终端，利用蓝牙技术组建家庭网络；在大楼和小区中采用无线／有线混合以太控制网完成网络构建。
　　关键词：智能小区；以太控制网；家庭控制终端；蓝牙；802．11；

　　Abstract：The controlEthernet，intelligentcommunity and wireless networks technique is introduced．And an intelligentcontrolsystem based on the combination ofwireless and wired networks is presented．The system makes use of home controlterminalbasedon Bluetooh to organize home LAN，and makes use ofcontrolEthernetbased on wirelessand wired technique to organize building andcommunity LAN．
　　Keywords：intelligence community；controlEthernet；home controlterminal；Bluetooth；802．11
　　信息化、智能化如今已经成为一种潮流。智能化的家居系统、智能化的建筑，已经成为人们生活中的重要组成部分。智能小区概念的提出已久，技术也日趋成熟，但在某些场合，现今常用的基于总线技术的系统存在一些局限性，如需对建筑做大量的布线规划、布线后改变布线结构困难、与Internet融合较困难等。如果将以太控制网引入智能小区的网络建设中，同时广泛应用无线网络技术，使无线和有线网络进行相互补充，这样既可解决小区控制网络与Internet融合的问题，又可较好地解决布线问题。

1　智能小区与无线网络技术
1．1　智能小区
　　智能小区指的是具有小区智能化系统的小区。所谓小区智能化系统，指的是在现代计算机网络和通信技术的基础上，将传统的土木建筑技术与计算机技术、自动控制技术、通信与信息处理技术、多媒体技术等先进技术相结合的自动化和综合信息网络系统。
　　智能小区的根本特征在于网络化，网络化是小区智能化系统实现的前提和基础。随着网络和通信技术的发展，Internet，Intranet和Infranet三网的融合成为可能，并成为未来发展的趋势。
　　目前国内智能小区的建设大致有利用电话网的系统、 基于单独布线的系统和基于有线电视网的系统3种类型。其中基于LonWorks现场总线技术单独布线的系统在我国得到了很好的推广和应用。
1．2　以太控制网
　　以太网是目前应用最广泛的局域网技术，具有开放性、低成本和广泛应用的软硬件支持等明显优势。以太控制网最典型的应用形式是Ethernet＋TCP／IP。他的底层是Ethernet，网络层和传输层采用国际公认的标准TCP／IP。以太控制网容易与信息网集成，组建统一的企业网。以太控制网克服了现场总线的不足，更好的实现了控制网与信息网的集成，较好解决了Infranet与Internet和Intranet的融合问题，已成为控制网络的新趋势。
1．3　无线网络技术
　　无线网络技术是21世纪全球信息技术发展的重要标志之一。无线接入、无线局域网等技术在最近几年得到了蓬勃发展。其中Bluetooth，802．11等技术已经日趋成熟。
　　Bluetooth是1998年由Ericsson，IBM，Intel，Nokia和Toshiba五家联合发起制定的近距离无线通信技术标准，具有低成本、短距离、小范围等特点。Bluetooth在发射功率为0 dB（1 mW）时通信距离为10 m，当发射功率提高到20 dB（100 mW）时为100 m。Bluetooth工作在无需申请许可证的2．4 GHz的ISM频段，采用FHSS技术，具有较强的抗干扰能力。遵循Bluetooth协议的设备能以无线方式接入Internet,Intranet和Infranet等网络中。Bluetooth采取PPP连接协议，可构成由1个Master（主设备）和7个Slave（从设备）组成的Piconet，如果采用休眠-唤醒方式，则互联设备数不受限制，但最多只能同时激活8个。
　　802．11是个系列标准，现在完成制定的包括802．11，802.11a,802.11b,802.11b-Corl,802.11d五个标准，其其中应用较多的是802．11b和802．11a。802．11b工作在2．4 GHz的频段，采用高速直接序列扩频技术，最大速率可达11 Mb／s。802．11a工作在5 GHz频段，采用OFDM扩频技术，物理层最大速率为54 Mb／s，传输层最大速率可达24 Mb／s。

2　家庭和小区智能控制系统的构建
　　在将无线网络技术和以太控制网相结合以后，构建的系统可以将整个小区实现无缝隙的智能化。从智能小区各单元的服务对象和工作范围而言，整个智能小区系统可分割成家庭控制终端、大楼管理中心、小区管理中心3个层次。
　　家庭控制终端负责对家庭中的智能仪表、安防、智能家电等进行综合的控制，并直接和大楼管理中心进行联网通信。大楼管理中心分别和小区管理中心以及家庭控制终端进行连接，一方面对大楼内的公用设施进行控制，另一方面则负责完成小区管理中心和家庭终端之间通信的中间控制。小区管理中心负责整个小区的公用设施及对各大楼的家庭用户的信息进行终端分析和控制。
　　如何处理3个层次之间的网络建设和通信，使得整个系统具有可靠性好、可扩展性强的特点是系统设计的关键问题。家庭终端是整个小区系统最底层，也是整个系统中最基本和最灵活的单元，所以家庭控制终端和家庭网络是本系统的关键。从技术和市场上考虑，在家庭网络中采用无线技术，将充分体现家庭网络灵活、扩展性强的特点。在大楼中根据需求选择无线或有线方式组建以太控制网，在小区中采用有线为主、无线做补充的思想组建控制网，以无线弥补有线的不足，从而实现小区网络的整体提升。采用无线／有线混合网络以后，家庭和小区控制系统的具体网络结构如图1所示。　

2．1　家庭控制终端和家庭网络
　　家庭控制终端完成了家庭控制网的集线作用，承担对家庭智能仪表、安防设施等的综合控制及与外部完成通信的功能，起到了小区系统中下位机的作用，是家庭网络和大楼中心进行通信的关键器件。一个基本的家庭控制网络上的终端设备包括各种智能化仪表、安防报警以及各种智能家电、PC等。家庭控制网络的简单示意图如图2所示。

　　

　　方便、灵活、可靠是家庭网络组网的要求。如今，家庭内部的控制网络多以RS485总线构建为主。该种方式组网简单、成本低廉、可靠性较强，但同时也存在不够灵活、布线相对比较复杂的缺点。这种方式特别是对原有普通住宅进行智能化改造时较为复杂。而RS485的这些缺点恰好是无线网络技术的长处，因而在家庭控制网中采用无线技术，对于智能家居系统有很大的意义。
　　一般情况下，家庭网络范围局限在单个家庭以内，采用蓝牙技术就可满足通信的需要。另一方面，蓝牙技术因其低成本（预计2004年内蓝牙芯片价格降到5美元以内）、低功耗、低复杂性、高速率等特点，使得基于其开发的家庭网络系统能被大多数家庭接受。同时，各种嵌入式智能仪表、智能家电的存在和发展也使无线家庭网络的构建成为可能。

　　在家庭集中控制器中嵌入蓝牙模块和微处理器作为主设备，各种仪表设备、智能家电、安防报警等终端设备内嵌入蓝牙模块以及单片机作为从设备，构建Piconet。整个系统采用监视-主从问答式，平时从设备处于休眠状态，在有需求时，对从设备进行唤醒，并进行通信，即可满足需要。具体示意图如图3所示。
　　从设备主要分为2大类：一类为各种智能仪表设备和智能家电，这些终端的特点是从设备对主设备的询问进行响应，并反馈信息；另一类为安防报警等终端，其特点为从设备对主设备发出的突发性信息，由主设备给出响应。两类设备的优先级别不同，由于第2类从设备的信息直接关系着居住人的安全，故应该将其置于较高的优先等级上，而对于第1类从设备则处于相对较低的优先等级。
　　对于不同类型的从设备，可以从蓝牙设备的标识码中进行区别。对于第2类从设备，在发现紧急情况后，主动唤醒蓝牙装置，并向主设备发出呼叫和报警，主设备确认后，切断主设备与其他设备的连接，并不停的向大楼和小区发出呼叫和报警，直到大楼和小区发回应答信息为止。 对于第1类从设备，平时处于休眠状态，等待大楼和小区发出的询问，当大楼或小区发出询问并由主设备确认询问后，按标识码寻找到询问的对象从设备，并向该从设备发出询问，唤醒从设备完成询问要求的工作后，主设备得到从设备的回答，经过确认，向大楼或小区发回回答信息。
　　下面给出主从设备嵌入MCU的程序流程，如图4所示。

　　

2．2　大楼管理中心与大楼网络
　　大楼管理中心是整个大楼信息处理和控制的中心，也是联系大楼内家庭控制终端和小区管理中心的枢纽。目前，大楼控制网络采用的多是RS485总线或LonWorks总线技术。如果改用以太控制网，则可以和大楼信息网乃至Internet网结合，若采用802．11构建无线以太网，又可具有无线网灵活、架设简单等优点。根据实际需要灵活的选择有线或无线方式构建以太控制网，既适用在新建各智能大楼上，也可快速、灵活的完成普通大楼的智能化改造。相对于家庭网络，大楼网络的传输距离和速率要求都要高一些。为此，在组建无线以太网时候，采用了802．11系列标准。由于控制网络一般信息传输量不是很大，故一般情况下采用最大传输速率为11 Mb／s的802．11b即可。该标准目前技术成熟，且产品价格便宜，选择余地较广。
　　对于大楼管理中心，配置几台PC作为大楼服务器，其主要工作是实现家庭与小区之间的通信，完成对家庭控制 系统的上级指令控制及大楼内公用设备的管理，这些PC承担的就是整个系统中位机的任务。大楼管理控制中心的主要工作可由软件完成，且软件实现不是很复杂。程序实现方法可以采用类似家庭网络的监控主从问答式。对于智能仪表的数据采集任务，可以由小区管理中心下达定时采集的指令，由大楼中心在小区中心规定的时间段内对各家庭发出采集指令，并对数据进行汇总，以大楼数据表的形式向小区进行报告，并向家庭回送本用户的汇总信息。对于紧急呼叫报警等情况，可以在接收到家庭报警信息后，根据网络标识，识别出报警位置，并迅速对小区进行报警，而那些对大楼其他用户构成一定利害的报警信息，则进行大楼广播。当然，大楼中心除了上述功能外，还需要对楼宇内的其他设施进行监控，具体实现方式与家庭终端类似。
2．3　小区管理中心
　　 小区管理中心是智能小区的“大脑”，而小区网络可以说是智能小区的“中枢神经”。小区管理中心负责的除了对各大楼的智能管理外，还要完成小区其他设施的管理。包括车辆与停车场管理、保安与巡更管理、小区门禁与出入管理、小区防越界管理、小区公用设施管理等。除上述监视管理功能外，小区中心同时提供用户信息数据（如三表数据）供各用户查询。对于小区网络可以采用以太控制网进行构建。由于小区网络的通信信息量较大，同时小区网络多在户外条件下建设，并建成后变动不大，在此情况下，可选择有线以太网。同时对于一些较独立的设施和系统，可以采用无线方式实现作为有线的很好补充。
　　小区管理中心采用PC机作为上位机，利用VC，Delphi等进行软件开发。软件主要分为大楼（家庭）用户数据采集及查询模块、报警监视模块、小区保安与出入管理模块、小区公用设施管理模块和车辆管理模块等。

3　结语
　　 采用无线／有线混合的网络构建家庭和小区控制系 统，充分发挥了无线和有线网络的各自优点。利用蓝牙构建家庭网络，使家庭网络灵活性和可扩展性提高；在大楼和小区网络中，全面采用无线／有线混合的以太控制网代替原有的LonWorks总线技术，为控制网与信息网的集成奠定了基础。
　　系统进一步改进后，可全面实现Internet，Intranet和Infranet的融合，构建一体化的智能小区网络。

［1］刘晓胜，吴乐南，周爽．智能小区系统工程技术导论［M］．北京：电子工业出版社，2001．
［2］金纯，许光辰，孙睿．蓝牙技术［M］．北京：电子工业出版社，2001．
［3］郑文波．控制网络技术［M］．北京：清华大学出版社，2001．
［4］赵怀林，王静．控制网络与Internet的融合［J］．自动化与仪表，2002，（4）：1-4.