智能家居是融合了自動化控制系統、計算機網絡系統和網絡通信技術于一體的網絡智能化的家居控制系統。智能家居將讓用戶用更方便的手段來管理家庭設備，比如通過觸摸屏、無線遙控器、電話、互聯網或者語音識別控制家用設備，更可以執行場景操作，使多個設備形成聯動。另一方面，智能家居內的各種設備相互間可以通信，不需要用戶指揮也能根據不同的狀態互動運行，從而給用戶帶來最大程度的高效、便利、舒適與安全的使用環境。
紅外技術是目前使用最廣泛的一種通信和遙控手段，它利用紅外線作為載體，進行數據傳輸。在日常生活中，紅外技術的應用隨處可見，如通過紅外遙控器對電視機、空調等家用電器進行控制和在耳機上以紅外的方式進行音頻傳輸等。在智能家居控制領域，紅外技術與射頻和藍牙技術相比有它自身的優勢。一方面，從應用的角度上看，射頻信號的頻譜已經非常擁擠，而各個國家對射頻頻譜范圍管理較嚴格，可提供的無線電波的頻率范圍也非常緊缺，而電磁波譜中的光譜是不受通信管理委員會條例限制的。另一方面，與藍牙技術相比，紅外技術在傳輸距離上雖與之相似，但可節省大量成本。近幾十年來，隨著編碼調制技術的發展，紅外無線數據傳輸率也越來越高，可以說紅外傳輸技術已經成熟。另外，它穩定性高、私密性強，所以，非常適合用在短距離無線通信智能家居控制系統中。
1 智能家居網絡結構
1．1 總體結構
在室內紅外網絡中，每個終端節點控制器配備用于光電信號相互轉化的紅外收發模塊，以發散的紅外光作為載體信號，使在同一室內的各終端節點以自組織方式構成網絡，形成對目標的監測區域。每個房間分別裝有一個主節點控制器和若干個從節點控制器，這些控制器的尺寸很小，可以安裝在室內任何區域，工作范圍又僅限在自己的屋內，所以不受相鄰屋子系統操作的干擾。主節點控制器之間以電力線形式連接，實現家庭中各居室的相互通信。
主節點控制器同時又配有GPRS模塊，可以與外部網絡進行通信。主節點控制器通過外部網絡，把數據從監測區域發送到遠程數據庫，然后利用各種應用軟件對采集到的數據進行分析處理，通過各種顯示方式提供給終端用戶。用戶和遠程任務管理單元也可以通過外部網絡，與主節點控制器進行交互，如向目的節點發布查詢請求和控制命令，并接收返回的信息。通過外部網絡控制主節點控制器發出紅外光，散射到天花板、墻壁或其他物體上，并在其表面產生漫反射，光信號載體就布滿了整個房間。這樣，從節點控制器接收輻射光的視覺角度寬，而且接收是適合各個方向的。因此，主從節點的發射模塊和接收模塊不需要有直接的照射光線，光的傳輸路徑不會輕易被打斷。同樣的傳輸方法也適用于上傳數據。紅外無線網絡體系結構如圖1所示。
1．2 室內結構
在充滿漫射紅外光的住宅內，紅外遙控器和主節點控制器都具有專用的身份識別碼、電器選擇碼。紅外遙控器還具有功能鍵代碼，當按下相應鍵時，便發射出紅外光，光線中攜帶有自身的編碼信息、操作對象及操作指令。每個家用設備都安裝一個從節點控制器，這些從節點控制器在出廠時不帶有自身的編碼地址信息，需用戶輸入指定的身份地址編碼，從節點控制器通過自學習過程，存儲該編碼。使用過程中，從節點控制器接收到紅外光信息后，對信息進行身份識別，就可對與它連接的設備進行相應的操作，并在完成之后發出反饋信號。室內的不同控制器分別實現了其自身功能，室內智能家居結構如圖2所示。
室內智能家居向用戶提供家電統一管理、照明控制、供電控制、室內無線遙控、防盜報警、家居安全保障、溫度光照檢測與調節及GPRS遠程監控等功能，并結合其他系統為住戶提供一個溫馨舒適、安全節能、先進易用的家居環境，讓住戶充分享受到現代科技給居家生活帶來的安全、舒適、便利與精彩。
智能家居是融合了自動化控制系統、計算機網絡系統和網絡通信技術于一體的網絡智能化的家居控制系統。智能家居將讓用戶用更方便的手段來管理家庭設備，比如通過觸摸屏、無線遙控器、電話、互聯網或者語音識別控制家用設備，更可以執行場景操作，使多個設備形成聯動。另一方面，智能家居內的各種設備相互間可以通信，不需要用戶指揮也能根據不同的狀態互動運行，從而給用戶帶來最大程度的高效、便利、舒適與安全的使用環境。
紅外技術是目前使用最廣泛的一種通信和遙控手段，它利用紅外線作為載體，進行數據傳輸。在日常生活中，紅外技術的應用隨處可見，如通過紅外遙控器對電視機、空調等家用電器進行控制和在耳機上以紅外的方式進行音頻傳輸等。在智能家居控制領域，紅外技術與射頻和藍牙技術相比有它自身的優勢。一方面，從應用的角度上看，射頻信號的頻譜已經非常擁擠，而各個國家對射頻頻譜范圍管理較嚴格，可提供的無線電波的頻率范圍也非常緊缺，而電磁波譜中的光譜是不受通信管理委員會條例限制的。另一方面，與藍牙技術相比，紅外技術在傳輸距離上雖與之相似，但可節省大量成本。近幾十年來，隨著編碼調制技術的發展，紅外無線數據傳輸率也越來越高，可以說紅外傳輸技術已經成熟。另外，它穩定性高、私密性強，所以，非常適合用在短距離無線通信智能家居控制系統中。
1 智能家居網絡結構
1．1 總體結構
在室內紅外網絡中，每個終端節點控制器配備用于光電信號相互轉化的紅外收發模塊，以發散的紅外光作為載體信號，使在同一室內的各終端節點以自組織方式構成網絡，形成對目標的監測區域。每個房間分別裝有一個主節點控制器和若干個從節點控制器，這些控制器的尺寸很小，可以安裝在室內任何區域，工作范圍又僅限在自己的屋內，所以不受相鄰屋子系統操作的干擾。主節點控制器之間以電力線形式連接，實現家庭中各居室的相互通信。
主節點控制器同時又配有GPRS模塊，可以與外部網絡進行通信。主節點控制器通過外部網絡，把數據從監測區域發送到遠程數據庫，然后利用各種應用軟件對采集到的數據進行分析處理，通過各種顯示方式提供給終端用戶。用戶和遠程任務管理單元也可以通過外部網絡，與主節點控制器進行交互，如向目的節點發布查詢請求和控制命令，并接收返回的信息。通過外部網絡控制主節點控制器發出紅外光，散射到天花板、墻壁或其他物體上，并在其表面產生漫反射，光信號載體就布滿了整個房間。這樣，從節點控制器接收輻射光的視覺角度寬，而且接收是適合各個方向的。因此，主從節點的發射模塊和接收模塊不需要有直接的照射光線，光的傳輸路徑不會輕易被打斷。同樣的傳輸方法也適用于上傳數據。紅外無線網絡體系結構如圖1所示。
1．2 室內結構
在充滿漫射紅外光的住宅內，紅外遙控器和主節點控制器都具有專用的身份識別碼、電器選擇碼。紅外遙控器還具有功能鍵代碼，當按下相應鍵時，便發射出紅外光，光線中攜帶有自身的編碼信息、操作對象及操作指令。每個家用設備都安裝一個從節點控制器，這些從節點控制器在出廠時不帶有自身的編碼地址信息，需用戶輸入指定的身份地址編碼，從節點控制器通過自學習過程，存儲該編碼。使用過程中，從節點控制器接收到紅外光信息后，對信息進行身份識別，就可對與它連接的設備進行相應的操作，并在完成之后發出反饋信號。室內的不同控制器分別實現了其自身功能，室內智能家居結構如圖2所示。
室內智能家居向用戶提供家電統一管理、照明控制、供電控制、室內無線遙控、防盜報警、家居安全保障、溫度光照檢測與調節及GPRS遠程監控等功能，并結合其他系統為住戶提供一個溫馨舒適、安全節能、先進易用的家居環境，讓住戶充分享受到現代科技給居家生活帶來的安全、舒適、便利與精彩。
2 系統硬件設計
2．1 節點結構
主節點選用STM32L151芯片作為系統MCU。該芯片是意法半導體公司提供的超低功耗、高數據安全性、高效能的ARMCortex-M3系列芯片。由于本系統采用漫射紅外原理，單獨的紅外光不足以構成室內紅外光網，故主節點采用紅外收發模塊點陣增大光強和光照范圍，增強室內紅外數據傳輸的可靠性。主節點配有GPRS模塊與外部網絡進行通信。另外，從安全的角度考慮，無論是主節點還是從節點都必須配有備用電池，避免如家中突然停電，室內信息無法告知用戶等情況給用戶造成的損失。紅外網絡系統的主節點硬件結構如圖3所示。
考慮到未來家居紅外網絡的擴展性、節能性和價格，從節點選用超低功耗、高性能單片機C8051F964作為系統MCU。具有64 kB的片內Flash和8 448字節片內RAM、10位300 ksps或12位75 ksps單端ADC、SMBUS／I2C總線、增強型硬件UART、4個通用16位定時器等特性。配有紅外收發模塊HSDL-3020的從節點與家用電器、燈具、三表等家居設備相連，實現命令控制或數據傳輸。紅外網絡系統的從節點硬件結構如圖4所示。
2．2 紅外收發模塊
HSDL-3020是安華高科技公司推出的紅外收發模塊。該模塊體積小、傳輸速度快，通過該模塊，可以將串口中的邏輯信號轉換成紅外信號并發送到空氣中。HSDL-3020為3紅外收發頭封裝，它的遙控命令(紅外光波長940 nm)和數據傳輸(紅外光波長874 nm)功能得到了充分的發揮。它完全兼容IrDA1．4物理層的低功耗規格，具有調制解調功能，傳輸速率9．6 kbps～4．0 Mbps，并具備廣角和高輻射強度，不對人眼造成任何傷害，數據傳輸距離最高可達14 m。HSDL-3020可以處于睡眠模式以達到最低的功率消耗。在睡眠模式下，Pin二極管將會被閑置，只產生極少的光電流，這些光電流甚至比周圍普通光還要低，所以低功耗效果非常理想。
2．3 紅外收發模塊的設計
MCU和紅外收發模塊HSDL-3020可通過UART接口直接連接。HSDL-3020的數據輸入端TxD_RC兼容CMOS電平，并且它提供的紅外通信端口(ICP)支持雙通道SIR數據，其傳輸速率為115．2 kbps，也支持FIR數據，傳輸速率高達4 Mbps。圖5為HSDL-3020與MCU的硬件接口連接圖。
其中，MCU與HSDL-3020的“紅外數據”只可通過UART接口進行發送，而“遙控命令”既可以通過UART接口，也可通過通用I／O口進行發送。對SD和TxD_IR兩引腳輸入不同的時序邏輯，可以改變HSDL-3020的通信方式，實現SIR、MIR及FIR三種方式的切換。通信過程中應注意的是，雖然在硬件上數據傳輸和遙控命令可以同時進行，但在軟件上需要解決空中傳輸數據混淆和丟失的問題。
3 智能家居紅外網絡的建立
3．1 IrDA通信協議簡介
紅外數據協會(Infrared Data Association，IrDA)是1993年6月成立的一個獨立組織，它為短距離紅外無線數據通信制定了一系列開放的標準。IrDA標準包括3個必須的協議層：物理層協議(IrPHY)、鏈路建立協議(IrLAP)、鏈路管理協議(IrLMP)。除此之外，還有一些適用于特殊的應用模式的可選層。IrDA的目標是制定能以合理且較小的代價實現標準和協議，以推進紅外通信的發展。IrDA協議棧結構圖如圖6所示。
當今IrDA紅外通信方式的通信速度因IrDA物理層的規范方式而異，共分為5大類SIR、MIR、FIR、VFIR和UFIR。SIR通信速度為115 kbps，用于文字信息的傳輸。MIR和FIR方式的通信速度分別為1 Mbps和4 Mbps，可使文字信息傳輸速度更快，也可傳輸音頻信息，如MP3、WMA等格式的文件。VFIR和UFIR方式的通信速度分別為16 Mbps和100 Mbps，主要用于圖像數據信息傳輸。在智能家居領域中，圖像傳輸比較少，故采用前3種通信方式。
3．2 紅外編碼格式
IrDA協議的物理層制定了規范的編碼格式。IrDA物理層1．0版本應用于SIR和MIR通信方式。它基于異步串行通信接口，將從UART接收到的數據進行了編碼，將數據“0”變換成3／16位速率或1．6μs的窄脈沖，而數據“1”變換成不發送脈沖。IrDA物理層1．0版的幀結構如圖7所示。
其中，兩個STA為起始位，每個STA由01111110組成；后面的內容是上層IrLAP協議加載來的數據，包括8位地址位、8位控制位和n×8位數據位(nMAX=256)；FCS為16位的CRC校驗位；STO為停止位，由01111110組成。
IrDA物理層1．1版本應用于FIR通信方式。它采用4PPM調制方法，以500 ns為固定時隙并將其4等分，根據脈沖在時隙的位置來確定數字模式。4PPM調制方法具有4 Mbps的傳輸速率，在此速率下，封裝包是以同步方式傳送的。IrDA物理層1．1版的幀結構如圖8所示。
其中，16PA為16位的引導碼1000 0000 1010 1000；一個STA起始位由0000 1100 0000 1100 0110 0000 01100000組成；后面的內容同樣是上層IrLAP協議加載來的數據，包括8位地址位、8位控制位和n×8位數據位(nMAX=256)；FCS為32位的CRC校驗位；STO為停止位，由0000 1100 0000 1100 0000 0110 0000 0110組成。
3．3 紅外網絡的建立過程
紅外網絡節點由IrDA通信協議的IrLAP完成鏈路連接，IrLAP在紅外信道上提供了一種可靠的數據傳輸機制。在網絡中，各收發模塊以紅外方式通信時實現尋址、地址沖突處理、恢復機制、工作站的發現／識別、連接建立、主站競爭、媒體接入控制等功能。在面向連接的業務中，IrLAP為所支持的數據鏈路提供了業務的服務質量，可選的數據塊大小為64～2 048位，可選波特率為9 600～4 000 000 bps，等待時間閾值為3 s，最大探詢時間為50～500 ms。
IrLAP定義了3種幀：
①無編號幀。用于建立和釋放數據鏈路，報告過程錯誤，傳送數據。
②監督幀。用于鏈路管理，如應答接收幀、傳輸站點狀態報告幀序列錯誤。
③信息幀。用于傳輸信息。
IrLAP的工作過程包括地址沖突處理、建立連接、喚醒、信息交換、重置連接、終止連接。IrLAP工作過程如圖9所示。
一旦通過IrLAP建立了鏈路連接，鏈路的使用和應用參數的設定將由IrLMP協議來管理。IrLMP的工作過程包括LSAP(鏈路業務接入點)連接控制、站點控制、IrLAP連接控制等。紅外站點間的通信出現碰撞時，用超時重傳方法來解決。
IrLAN是基于上述協議的高層協議，支持IrDA與其他已有局域網的互連。基于IrLAN協議的移動站的工作方式有3種模式：接入點、對等式、主機式。IrLAN使用TinyTP協議來分割和組裝分組并進行流量控制。
結語
本文采用漫射紅外的方式，完成了家中局域網的建立，實現了紅外通信功能。無論是控制命令的響應速度，還是紅外數據的傳輸速度，都達到了理想的效果。這樣，遙控器或控制終端可以對家中的所有電器設備進行控制。例如，可對智能家居系統編制情景功能如“夜間模式”，即可自動關閉窗簾，開啟客廳燈光，打開電視機、空調、音響，并將家庭報警設備設置為主人在家的模式，防止誤報——無需繁瑣地逐個操作各種電器及設備。
(審核編輯: 小王子)
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