智能家庭网络系统的设计说明书文档格式.docx
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单体住宅、小区乃至整个城市的智能化、信息化成为现实。
广域网的出现，不仅使远程控制家电变得轻而易举，更重要的是可以提供远程医疗、远程教育、视频会议、网上购物和电子货币结算等全新的服务，这极大地扩展了智能住宅的内涵。
1.2智能家庭网络的概念及功能
随着互联网技术的不断发展和我国家用电脑的不断普及，家庭网络的发展也由此发展起来，所谓的家庭网络，指的是将有限范围内通过有线或无线方式将多个设备连接起来而形成的网络，这个网络是为了满足用户的某些需求而组建的，为用户提供一定的业务与应用。
用户的需求可以是有限范围内多个设备之间的信息流通，也可以是有限范围内的多个设备与公共网络之间的信息流通，甚至可以是有限范围内的所有设备之间以及这些设备与公共网络之间的信息流通。
通俗意义上来讲家庭网络是指融家庭控制网络和多媒体信息网络于一体的家庭信息化平台，是在家庭范围内实现信息设备、通信设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、照明设备、保安（监控）装置及水电气热表设备、家庭求助报警等设备互联和管理，以及数据和多媒体信息共享的系统。
智能家庭网络是一种混合型网络，一般分为四类，即高速局域主干网、控制子网现场总线、视频线和电话线。
高速局域网主要包含IEEE802.3以太网协议、IEEE802.11b无线局域网技术和Bluetooth技术，实现PC、便携设备和信息娱乐设备等高端设备之间的互连，控制子网现场总线主要指以RS485、CAN、Lonworks等简单智能协议为代表的现场总线技术，实现信息家电、智能传感器和控制器等设备的互连，电话线主要用于高端设备和电信设备直接接入Internet，而视频电缆方式则实现有线电视、VOD服务，以及在服务供应商的支持下提供另外一种高速接入Internet的途径。
家庭网络概念是个变化的概念，它随着用户的需求、政策、技术、标准的发展而不断发展，一般可以认为家庭网络包含四个要素，即用户需求、设备、网络、业务与应用，每个要素对不同用户、不同时期是不同的。
智能家庭网络系统通过其核心设备——家庭智能终端来实现家庭网络化的功能。
家庭智能终端是智能家庭的心脏，通过它实现系统信息的采集、输入、逻辑处理、输出、联动控制等家庭智能化功能，具体如下：
（1）家庭安防，是智能家庭的首要组成部分。
例如当家庭智能终端处于布防状态时，红外探头探测到家中有人走动，就会自动报警，通过蜂鸣器和语音实现本地报警；
同时，报警信息报到物业管理中心，还可以自动拨号到主人的手机或电话上。
（2）可视对讲，通过集成与显示技术，在家庭智能终端上集成可视对讲功能，无需另外设置室内分机即可实现可视对讲的功能。
（3）远程抄表，如水、电、气表的远程自动抄收计费是物业管理的一个重要部分，实现三表自动抄表计费解决了人户抄表的低效率、干扰性和不安全因素。
（4）网络家电，是智能家庭集成系统的重要组成和支持部分，代表着家庭智能化的发展方向。
通过统一的家电联网接口，将网络家电与家庭智能终端相连，组成网络家电系统，实现家用电器的远程监控、故障远程诊断等功能。
（5）家庭短信，是通过家庭智能终端和物业管理中心的联网，来对住户发布信息，住户可通过家庭智能终端的交互界面选择物业管理公司提供的各种服务。
（6）物业报修，通过家庭智能终端可以向物业管理部门申请维修、预订等指定社区服务。
1.3智能家庭网络的现状与未来
目前的智能家庭网络主要有两个方面的应用:
对电器设备的监控和调节，如灯光控制、家电控制、温度控制、安全和保安管理以及能源管理等。
控制量为开关量或对实时要求较低的数字量，信号频率低、占用信道带宽窄。
计算机互连包括互联网与家用网络接入设备（主要是计算机）之间的互连以及家用网络中的多媒体计算机和家用娱乐设备，如电视、摄/录像机、VCD/DVD和数码相机之间的互连。
网络上传输的是视频、音频等占用高带宽的高速信号7。
自20世纪60、70年代以来，已经有不少的家庭自动化系统面世，但是由于没有解决各系统之间的相互兼容性问题，因此网络标准在全球尚未统一。
目前有数种产品作为即成标准共存，这些产品主要集中在美国、西欧和日本等八个地区。
在美国，X-10系统已于70年代后期进入市场，80年代后，又有LonWorks系统、CEBus（ConsumerElectronicBus）、SmartHouse系统相继出现；
在欧洲有EHS（EuropeanHomeSys-tem）系统和EIB（EuropeanInstallationSystem）系统；
而在日本则有HBS（HomeBusSystem）系统0。
在我国，智能家庭网络的开发和研究处于起步阶段，还有许多问题需要解决。
目前国际上对家庭网络技术方面的研究形成了多个集团，这些集团的基本目标大致相同，即建立家庭数字网络技术体系。
每个集团中按主导企业技术背景差异基本上可划分为两大类，一类以计算机通信企业为主导，另一类以家用电器企业为主导。
第一类的代表性集团是开放业务网关（OpenServiceGateway，OSG），其基本目标是以PC为基础建立包括其它非PC（后PC）类黑色家电、白色家电通信，甚至于电表水表等的全家庭网络体制。
基本思想是以业务为主线建立体系。
第二类集团很多，其中影响力较大的是家庭视音频交互协会（HomeAudioVideoInterractive，HAVI），由主要的数字视音频产品制造商和部分通信计算机制造商组成，基本目标是建立非PC的家庭多媒体网络体系。
工作的主线是设备间的互联性。
其它主要的集团有JINI，CEBus，HomveAPI，HomePNA，HomePnP，HomeRF等。
各个集团的侧重点不同，目前谁是主流体制尚不明朗。
国内厂商也在进行智能化家庭网络产品的研发和生产，一些大型IT企业用自身在资金与技术等方面的优势，在低端产品市场上已占据了相当重要的地位。
一些传统家电业的巨头也开始进入智能化家庭网络产业市场。
从设计思想和技术角度分析，国内厂家主要有两个方向:
一是基于非PC平台的家庭网络系统，二是基于PC平台的家庭网络系统。
从物理结构上看大都采用嵌入式技术，家电的控制信息及数据采集信息与相应的网络互联接入。
然而由于国内智能化家庭网络产品的研发从二十世纪九十年代后期起步，在整体水平上显得参差不齐，软件功能较差，升级能力差，系统也不易维护。
随着计算机技术、控制技术、通信技术的发展及关键技术的突破，智能化家庭网络将得到进一步的发展和完善。
家庭网络的发展方向是绿色、信息化与智能化的结合，家电接口的标准化、设备控制的智能化、系统功能的集成化、客户使用的傻瓜化和市场的平民化将是未来家庭网络发展的趋势0。
2005年6月信息产业部颁布的《家庭网络平台》（简称e家佳标准）与《信设备资源共享协同服务》（简称闪联标准）1.0版两个系列标准，这两个标准成为国家推荐性行业标准。
闪联标准偏重于高速网络的互联互通，而e家佳标准则偏重于家庭家电控制的互联互通。
但目前来看，由于现行标准的制定没有经过系统的实践和检验,因此显得不够严谨和完善，它们对智能家居行业的影响力没有原来想像的那么大。
从现状看,我国智能家居产业现在还没有统一的标准，现在也没有哪家公司可以一统天下，大家都是在慢慢发展壮大中，许多中小企业各自为政，彼此之间的产品也不具备兼容性。
真正的标准的实施需要产业化，产业化的成功与否又是市场选择的结果，它既需要兼顾网络的高速互联，又要兼顾各家电和安防设备的控制需求，二者要相互补充和有效融合。
要真正做到智能家居产品之间彼此兼容，在传输协议上也要一致或兼容。
2智能家庭网络的技术及发展
智能家庭网络是信息时代带给人们的一个高科技产物，随着集成技术、通讯技术、互操作能力和布线标准的实现而不断改进，它涉及到对家庭网络内所有的智能器具、设备和系统的操作和管理，以及计算机技术、通讯网络技术和自动控制技术的应用。
2.1智能家庭网络的结构分析
2.1.1家庭网络的系统结构
图2.1家庭网络的系统结构
家庭网络是家庭信息基础设施的组成部分，完善的家庭网络系统如图2.1所示，包括高速A/V网络、数据通信网络和低速控制网络。
高速A/V网络主要负责处理软件、声音/影像数据和静止图像等多媒体信息；
数据通信网络主要负责将信息从家中传向外界以及家庭内部的信息控制；
控制网络主要负责居住环境的控制，支持用户在室内外对家电进行监视和控制，以确保降低能源消耗、安全和其它功能的实现。
三种网络通过一网关互连，该网关同时也是整个网络的控制配置主节点，每一子网可以使用不同的物理媒体和通信协议，网关节点兼容所有的通信协议，不同子网的设备可以和其它子网的设备交互通信，从而实现家庭的网络化智能控制。
2.1.2HomeNet的分层结构
图2.2HomeNet的分层结构图
图2.2为HomeNet的分层结构图，整个系统共分为五层:
物理媒体层（Media），底层协议层（Protocol）、应用程序接口层（API）、应用程序层（APP）和最终用户接口层（UI）。
其中第一、二层的标准已经颁布，并己在实际中应用；
第三层（API）是家庭网络技术发展的关键，是当前业界研究的热点；
第四层是应用程序层，它是在第三层的基础上由技术人员开发的各种应用程序:
第五层是各种用户接口（UD工具，它不只限于PC接口，同时也包括各种应急按钮、求助开关、遥控装置和其它可视接口设备。
UI的简单性、易用和灵活性关系到整个系统性能的发展和使用，对用户的接受程度有很大的影响，因此系统的UI规划在HomeNet的设计中占有很重要的地位。
2.1.3家庭网络架构的总体构图
建立智能家庭网络的目的是为了给家庭电气设备提供一个统一平台，通过该平台能实现家庭设备之间的互连和信息共享，实现家庭设备与外界的信息交换。
完善的家庭网络系统应该分成两个阶段完成，第一阶段实现家庭自动化系统的基本功能，包括室内灯光控制、家用电器远程控制、家庭保安、低速数据通讯、能源管理等，这一阶段主要是低速数据信息和控制信息的传送:
第二阶段是实现更复杂的功能，增强家庭自动化系统的可靠性、方便性和灵活性，包括公用事业费的自动计费和转帐、高速音频视频数据的实时传送、交互电视网的开通等。
因此，家庭网络首先以第一阶段为出发点进行构架，即基于低速数据信息和控制信息的传输，同时考虑整个系统的扩展性和灵活性，再向第二阶段进行扩展。
家庭网络架构的总体框图如图表2.3所示。
图2.3家庭网络的总体框图
家庭网络中心突出网络功能，是一个信息交换和资源共享的中心。
它提供多种通讯媒体接口，满足现有家用电器的连网方式，适合不同家用电器的对象结构与特性。
同时，网络中心具有安全路由器和安全网关功能，将家庭网络通过网络接口与Internet互联，实现远程管理与维护家用电器，实时监控与获取家庭信息。
家用PC机通过接口与家庭网络中心相连接，对家庭网络进行有效的管理和配置。
2.2智能家庭网络技术的研究
2.2.1智能家庭网络技术发展与趋势
智能家庭网络的发展应紧密结合现代控制技术、计算机技术及通讯网络技术的飞速发展。
（1）基于控制器的智能家庭网络
基于控制器的家庭网络符合当前多数家庭的实际需要，解决了当前家庭中大量存在的传统家电设备的互联问题，同时通过电话线实现对PSTN的拨号接入，可完成数据远传和异地控制。
该控制器具有很大的市场价值和广阔的应用前景。
整个控制器功能主要由四个部分组成：
和上位PC机通信；
和家庭内部设备实现通信；
完成远程拨号的操作；
实现数据的检测和采集。
在家庭中形成一个控制网络，构建一个家庭信息处理平台，完成对所有设备集中统一的监控和管理，同时还提供一个外部以太网或Internet的接口以便摆脱传统的单机运作模式，实现远程或异地的监控和访问。
（2）基于家用电脑的智能家庭网络
基于家用电脑的智能家庭网络把熟悉的PC技术简单地嫁接到新的家庭网络技术中，通过无线局域网，使用家用电脑作为中央控制单元，提供家庭与Internet之间的寻址和路由。
这种以家用电脑为基础的智能家庭网络，具有以下突出的优点：
电脑具备强大的网络接入功能，是首屈一指的网络终端。
当今是宽带互联网时代，电脑能够非常有效地利用宽带接入技术，高速连接广域网和小区局域网，
实现上网无需拨号，24小时始终在线，让家庭与瞬息万变的网络世界时刻保持密切联系。
利用电脑运行智能家居管理软件，能提供很多高级控制特性。
以具有智能家居控制功能的方正电脑卓越Z系列为例，在方正卓越Z中，各种智能操作的步骤均有一目了然的提示，采用友好易用的Windows标准操作方式，无须专门学习即可轻松掌握。
通过清晰明了的智能家居管理界面，用户可以非常容易对电视机、VCD（含DVD/LD）机、功放、空调等多种设备集中进行单功能控制或者组合控制，电脑将多种家用电器设备的一系列动作包含在一个组合按钮中，从而无须再使用多个遥控器，只需一个键盘就可以完成多种家用电器的操作。
即使出差旅行在外，一样能通过电脑实时实景监控家居的安全情况，解除了后顾之忧。
以家用电脑为基础的智能家居系统具有优秀的兼容性和扩展性，而且在技术上也能有效支持802.11无线技术、蓝牙技术，以及HomeRF技术。
（3）基于电力线通信的智能家庭网络
电力线网络技术使用的是与插座直接相连的现有电力线，不需要电话线，只要用一个电力线适配器插入插座即可。
基于电力线通信的智能家庭网络由于电力线网络拓扑及其电源插座用作接入点的方便性，使其成为智能家庭网络的一种很很有吸引力的候选技术和新的发展趋势。
基于电力线通信的智能家庭网络相对于其它技术具备诸多优点：
网络家电可以通过电力线进行通信，无需另外布线。
在一个住宅内通常有多个接入点，即电源插座。
用户可以用同一技术建家庭LAN，把PC机、打印机、扫描仪以及其他任何想连接的设备连接起来。
目前，按HomePlug1.0标准规定的电力线通信可以提供14Mbit/s的数据速率，足够网络家电日常使用。
电力线通信还内含一个QoS协议，使它能够适用于实时应用。
将来的电力线通信协议还可能提供100Mbit/s
的速率，以支持高质量数字多媒体应用。
建电力线通信网的成本比其它技术低。
随着产量的扩大，估计HomePlug网卡的价格将是无线网卡的一半左右。
目前，电力线通信还必须借助其它技术来向互联网发送数据以及与移动设备通信，在实施和市场方面也存在不少问题。
用于家庭联网的电力线通信产品虽然已有提供，但对用户来说，可供选择的产品并不多，技术支持也较差，有待于进一步的研究和发展。
2.3智能家庭网络的通讯媒体技术
家庭网络的通讯媒体主要有以太网（双绞线）、电话线、电力线、无线射频、红外线、电缆和光纤，但当前主要以双绞线、电话线和电力线为主，家庭无线网络将以其灵活方便和可移动计算的特点而成为未来发展的方向。
2.3.1有线通讯方式
有线通讯方式主要利用家庭中的电话线、有线电视线、交流电力线等已经存在的配线进行通讯，也可以为系统新增网络配线。
（1）电话线网络
利用住宅内现有电话线路的家庭网络具有较好的发展前景，因为电话应用己经普及，施工和安装比较方便，通过频分多用技术可以使一根电话线利用不同频率同时传输数据、Internet信息和声音。
相对其它技术而言，基于电话线路的连网产品价格较低，数据传输不容易受到干扰。
但电话线的原设计是为传输音频信号用的，因此它可传输的信号的带宽比较窄，此外电话线的传输阻抗不易控制和信号在电话线上的衰减比较大，这些问题都使电话线很难应用于高速信号的传输。
（2）电力线网络
电力线网络的一个最大优势是，通常在家庭中的墙面上都会留有插座，而且，大部分的家用电器都已经通过电源面板被互联起来，因此施工和安装更为方便。
尽管以前的电力线很难成为数据网络的传输载体，但除去干扰的因素之外，最新的技术可以实现非常高的数据传输速率与容错性。
它的主要问题是躁声和干扰比较大，从而限制了它可传输的信号的带宽和数据的传输速率。
此外由于信号与市电在同一对线上传输，对所使用的元件的耐压要求比较高，在安全问题上有一定的隐患。
（3）以太网（双绞线）
家庭网络安装新型的以太网布线系统也是一个很有吸引力的方案。
其优势在于以太网技术已十分成熟，组网设备也容易买到，同时技术上的简单、可靠和低成本更是以太网的过人之处。
2.3.2无线通讯方式
家庭网络无线通讯方式主要集中于红外线和无线射频两种技术的应用。
（1）红外线
随着电子技术的发展，红外遥控己广泛应用于家用电器、安全保卫、工业控制以及人们日常生活等方方面面。
红外遥控调制简单，易于编码，可实现多路控制，成熟的红外线遥控技术与微处理器结合，扩大了红外技术的应用范围。
红外遥控的主要问题是红外线无法穿透墙壁，应用受到空间的限制，因此只适合作为家庭网络的辅助通讯媒体。
（2）无线射频
无线射频技术的成熟性在很多应用领域己经得到了验证。
与其它方式的家庭网络系统相比，无线系统的费用较为昂贵，一方面，是因为要有专门的较大功率的收发器;
另一方面，是要用数字信号处理芯片过滤来自其它设备的干扰。
当前无线局域网有多种技术标准，因不同厂家产品不能互操作而给其市场拓展带来限制。
三个最有潜力的无线技术是:
IEEE802.11协议、共享无线接入协议（SWAP）和蓝牙技术。
有线方式数据传输的速率高，可靠性强，但灵活性差，布线复杂;
无线方式便于移动设备的连接，非常灵活，但速率相对较低，抗干扰性和安全性也是需要解决的问题。
有线和无线技术，既是相互竞争的也是相互补充的，既有各自的优点也有各自的缺点，未来将是多种技术的混合和共存。
2.4智能家庭网络的Internet技术
一个安全、舒适、便利生活环境要求达到住宅智能多元化。
这就需要智能家庭网络。
智能家庭网络的最终目的一方面是将家庭内部的所有信息设备以及家用电器联网，更加方便地进行监控和信息交换。
另一方面是将家庭内部的网络通过现有的信息网络与家庭以外的世界连接起来，最重要的是和Internet互联0。
2.4.1用TCP/IP协议构建家庭网
智能住宅包括住宅自动化和家庭自动化，是信息化时代的产物，它通过高度集成的通信和计算机网络，把家庭的各种电气设施连接起来，实现住宅的智能化、网络化和最优化，为住户营造一个自由、安全、舒适、便利、节能和娱乐化的生活环境0。
利用互联网覆盖范围广、简单、灵活、开放的特点，为每个设备分配一个全球唯一的IP地址，将它们搬上Internet网，这样，用户就可以在任何地方、任何时间利用Internet访问家中的设备。
网络互连离不开协议，Internet正是依靠TCP/IP协议实现各种网络互连的。
TCP/IP协议是Internet的基础和核心。
现在互联网上普遍采用的版本是Ipv4标准，使用的是32位的寻址方式。
理论上，Ipv4可以支持40亿个地址。
然而，由于先前的低效地址分配，有将近一半的地址已被指派。
另外，由于以前Ipv4设计的缺陷，剩余的地址也仅有一小部分可以利用。
因此，Ipv4协议所能够提供的域名最终将全部耗尽，从而阻碍整个互联网向前发展。
目前，我国智能住宅家庭网络技术0有如下几项：
（1）宽带网接入技术:
随着网上语音通信、音频、视频广播和宽带交互式的快速发展，对宽带网的要求越来越高·
目前，我国宽带网接入网的方式按介质分为五种:
XDSL、HFC、光缆双绞线混合网、无线网、光缆网。
（2）蓝牙技术0:
智能家庭无线网络由蓝牙网关与家庭中的蓝牙设备组成，蓝牙网关是整个家庭无线网络系统的核心部分，它一方面完成家庭无线网络中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，另一方面也负责对家庭中各个蓝牙设备的管理和控制。
各个蓝牙设备也可通过蓝牙网关与外部网络相联，从而实现信息的交互和共享。
（3）现场总线技术:
现场总线技术0“是一种全数字化、双向、多变量、多点多站的通信系统。
”目前常用的现场总线有LonWorks、CANBus、Profibus等·
在我国，LonWorks在智能住宅中应用广泛。
它能够实现真正的多网合一，分布式无中心控制，且易扩充、易组态，产品开发方便、有效。
要将所有的设备都连上Internet，首先必须要有大量的IP地址空间。
新一代的Ipv6协议采用128位来表示地址，可以保证让所有的设备都上网。
此外，Ipv6还有增强的地址方式、简化的报头格式、改进的路由结构及高效的互联网引擎等一些特有的功能，可使智能住宅的构建更方便。
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