基于CMS复合总线智慧物联家居系统设计

2021-10-27王骁舟曹仪民朱静宜

物联网技术 2021年10期

王骁舟，曹仪民，朱静宜

（1.杭州巨安科技有限公司，浙江杭州 311201；2.浙江建设职业技术学院，浙江杭州 311231）

0 引言

随着现代科学技术的发展及人民生活水平的提高，住宅的概念不再是一个“遮风挡雨”的地方，人们开始对住宅的功能、质量提出了更高的要求。智能家居系统能够实现更多的按照主人的生活方式来服务主人，创造一个更舒适、更健康、更环保、更节能、更人性化的绿色居住环境，因此逐渐受到大众喜爱，智能住宅成为现代化住宅的发展趋势。

根据前瞻产业研究院发布的《中国智能家居设备行业市场前瞻与投资策略规划报告》统计数据显示，2017年全球智能家居市场规模为357亿美元，2018—2023年间的复合年均增长率[1]为26.9%，预计到2023年将达到1 506亿美元。在中国市场，2016年中国智能家居市场规模已达2 608.5亿元，2017年中国智能家居市场规模[2]达到3 342.3亿元，同比增长24.8%。

随着5G和物联网技术的发展，促使了智慧物联家居行业的快速发展。因此，本文在现有智慧物联家居的基础上，将进一步实现智能家居的智慧化、平台化、生态化，对人们的居家生活，包含起居、饮食、采光、照明、家电、安全、娱乐等一系列产品与服务起到积极的作用。

1 目前智能家居系统存在的问题

2017年11月26日，中央办公厅、国务院办公厅联合印发《推进互联网协议第六版（IPv6）规模部署行动计划》（简称《行动计划》），为部署IPv6提供了行动指南；2018年5月，工信部发布《关于贯彻落实的通知》，提出落地IPv6的详细措施：2018—2025年，实现我国IPv6网络规模、用户规模和流量规模位居世界第一，网络、应用、终端全面支持IPv6，全面完成向下一代互联网的平滑演进升级，同时形成全球领先的下一代互联网技术产业体系。随着IPv6与5G技术的飞速发展与落地，为智能家居行业打下了坚实的基础[4]。但是现有的智能家居存在以下问题：

（1）由于国内电磁环境复杂、建筑信号屏蔽作用强，因此无线系统跨房间覆盖存在信号衰减大、辐射大并且容易受干扰，稳定性差、功耗大、安全性低。

（2）以KNX、RS 485为代表的有线系统，布线复杂、施工周期长、造价高，需要额外的布线穿管。

（3）旧小区由于成本和环境的限制不适合重新布线，最好利用已有线路实现升级。

（4）多个运营商互相竞争接入，标准不同，网络覆盖、数字电视以及智能家居无统一标准和接口，重复施工，设备冗余。

目前采用ZigBee、WiFi、蓝牙等无线方式较多；采用成熟的RS 485工业总线的方式也较为普遍，但真正与传统弱电相结合的整体方案尚属空白。本文面向新一代物联网的基于IPv6的同轴复合信号传输控制技术，在原有同轴线综合解决网络WiFi覆盖、有线电视和智能家居控制数据传输到每个房间，在房间内可方便地通过局部无线或零火线控制到终端设备，既具有无线系统的无布线优势和灵活性，又具有有线系统的可靠性和稳定性，升级成本低。

2 智慧物联家居系统的总体设计

基于CMS复合总线构建了一个集互联网接入、IPTV/VOD承载和智能家居控制为一体的、高带宽的、高可靠的多元家庭网络，作为多个业务共同的传输总线，其核心是在多元传输和控制总线上进行业务区分和高效数据转发。

2.1 系统主体架构

智能家居系统框架如图1所示。该系统由智能主机、路由器、区域网关、执行设备、传感器设备、无线遥控器设备、PC工具、手机客户端等组成。

图1 智能家居系统框架图

系统上电后，区域网关通过UDP广播方式自动获取主机IP地址及端口，然后通过摩根加密算法及协议与主机建立TCP通信，系统内的总线设备采用摩根自主研发的退避算法，通过总线将设备信息注册到网关，接着由网关将设备信息发送到主机，由主机统一对系统内的设备进行管理。通过手机APP和主机进行链接，获取系统内的设备信息，修改设备名称和所属房间，添加场景、定时器、传感器逻辑条件及遥控器配置，并且将上述添加的场景、定时器、传感器逻辑条件及遥控器配置保存至系统主机和网关。配置完成后，可以通过手机APP控制系统设备、场景，可以通过遥控器、智能面板控制系统的设备和场景，也可以通过传感器自动控制系统设备和场景。

2.2 面向IPv6的同轴综合传输技术

该智能家居系统由智能主机、千兆路由器、复合调制转换器、分控器面板、智能家居网关、遥控器、面板及总线产品组成，如图2所示。分控器面板和复合调制转换器内部具有调制和解调功能，系统上电后，分控器面板利用实用信道的不同频带宽度，可以加载不同信号的原理，将注册数据放入特定的频段，通过同轴将注册数据发送至复合调制转换器，复合调制转换器解调分控器面板的注册数据。然后将调制后的数据发送给系统主机或者第三方主机，建立智能主机或第三方主机和分控器面板的通信。通过智能家居主机控制系统内的设备时，主机将数据发送到复合调制转换器，通过同轴线发送至分控器面板，分控器面板解调复合调制转换器的控制数据，发送给智能家居网关，网关收到数据后通过无线或者有线方式将控制数据发送至执行设备。

图2 MEIC总线三网合一系统框架

3 智慧物联家居系统拓扑结构设计

基于RS 485协议的自研总线系统，完善的通信协议保证数据帧的无冲突传输。复合总线智能家居系统集成了住宅设备控制与环境、安防监控，提供了全方位信息交互功能。系统集照明、窗帘、电视、空调等智能家电设备控制、环境与安防监控等强大功能于一体，构建了管控有利、布线简洁、绿色节能、扩展性强的智慧系统，也为用户提供了舒适、便捷的居住环境。

从结构上考察，现有的智能家居控制系统本质上属于室内网络，具备承载带宽的能力，如图3所示，可以更加清晰直观地从结构上体现其承载网络的拓扑。在这个网络中，以太网交换机和WiFi接入点（AP）充当了室内网络的主干，中控主机和分控主机、微网关作为两大类的终端设备，并且这两类设备与一般意义上的网络设备并无实质差异，可以将其视为一个标准的室内网络。这个室内网络的主干带宽一般为100 Mb/s的水平，其中以太网交换机具备千兆上联的能力，并可经济地提供8到12/16个100 Base的下联带宽，以及WiFi AP普遍采用IEEE 802.11 b/g/n标准，也可经济地提供最大150 Mb/s的带宽。