住宅智能化是IT技術向傳統建筑產業滲透發展的必然結果。自1984年在美國誕生第一座智能大廈以來，智能建筑的發展在世界范圍內一浪高過一浪。從各種特殊功用的智能大樓，到近幾年已經全面向建筑行業的最基本內容——民居住宅發展，引起了住宅建筑本身智能型、舒適性的革命性變化，還帶動了家用電器的操作控制智能化，產生了信息家電產業。國外甚至出現了網絡房屋，出現了與虛擬社區相對應的網絡社區。國內智能小區的建設也十分火爆，這其中的最基本單元就是智能住宅。
　　智能建筑在我國經過十多年的發展，正面臨著前所未有的大好形勢。目前，絕大多數的智能家居產品尚處在發展初級階段，系統集成程度低、動作聯動性差、智能化水平差，甚至由于其功能的不完備，系統操作反而成為一種負擔。為了解決這些問題，本文詳細闡述了筆者親身設計并實現的智能家居系統——分布式智能家居系統。
　　
　　一、分布式智能家居系統構建背景
　　
　　分布式控制系統DCS（Distributed Control System）采用多臺控制分機分別承擔不同的控制功能和處理范圍，不僅其處理能力大大提高，而且將危害及系統安全的因素降低。由于智能家居系統具有監控點多、控制動作簡單、設備分布散、系統邏輯關系復雜等特點，系統運行需要協調大量被監控對象之間的關系，這就需要應用一種適合該系統特點要求的控制理論。于是，本設計采用工業上廣為使用的分布式控制系統來構建智能家居系統。系統采用分級模塊的方式，可以使處理工作分散、協調工作統一、控制功能靈活機動、可靠性高、安裝靈活方便。采用分布式控制技術，系統分類分區的監控可以分散系統處理器運算處理工作，減小誤報、誤控的發生。同時，分散的子系統各自獨立工作，可以避免系統一處故障全體癱瘓的情形出現。
　　1. 分布式控制系統在智能建筑中的應用現狀
　　DCS在智能建筑中的應用早已提出，所構建系統控制分機采用可靠性較高的PC機作為控制分機及主機，系統功能強大、可靠性高。但是，智能家居系統不可能采用多臺PC機來構建分布式控制系統，這就要求必須有分散的控制處理單元。加之其處理工作繁瑣但不復雜，故本文采用了處理能力簡單的AVR單片機為模塊處理器。所構建的系統功能適用、性價比高、功能穩定，完全可以達到要求。
　　2. 分布式智能家居的構建思路
　　智能家居系統的設備量大、分布散、需要監控的數量多，以及網絡經濟的逐步發展，必將改變目前這種家用電器單機運作的模式。同時又考慮到家用電器的擺放及使用的靈活性，我們研究并提出了采用分布式控制技術解決方案。根據DCS的特點與智能家居系統的功能需要，選用了ATMEL公司生產的8位AVR單片機——ATmega8。
　　考慮到同類分機模塊的功能基本相同，我們設計了環境監測分機模塊、監控分機模塊、控制主機模塊。最后，據各子系統不同的功能要求分別編制對應程序進行現場錄制，從而使各模塊真正具有功能齊全、經濟合理、維護升級方便的特點。家庭內各個被控單元與控制功能模塊連接，實現智能監控，并且各模塊間建立聯系，最終通過控制主機模塊與PC機及電話等連接。主人可以通過遙控器、網絡、電話等監控家庭安全及住宅環境狀況，遙控家用電器的運行。
　　
　　二、分布式智能家居控制系統的構建
　　
　　為了綜合利用資源，模塊的設計采用了統分結合的指導思想，實現家居智能監控可以簡化為監測處理信息和實現控制功能。為了滿足家庭內所有監控功能，根據需要將所需監控對象根據位置劃分，安裝相應的分機模塊。
　　1. 系統構建總體框架
　　系統功能根據監控任務的不同分為三類：環境狀況監測功能；設備開關監控功能；信息處理及對外通信功能。據此，將家庭內各處設備分類分區控制，并且模塊間均具有獨立的通信及控制功能，可以相互協作（如圖1所示）。例如，監測模塊把所監測到的信息發送到總線上，控制模塊接收并判斷實現控制功能。控制主機模塊與家用PC及電話互通信息，實現遠程監控。
　　2. 系統構建模塊
　　1）環境監測分機模塊
　　設計環境監測模塊，主要是因為環境參數受周圍電器工作和安裝位置的影響較大。為了防止檢測誤差，單獨安裝減小干擾作用。該模塊負責監測住宅內外的所有環境信息，包括溫度、濕度、亮度、煙霧、燃氣、噪音、風速、空氣質量、有人活動、玻璃破碎等參數。它還可以將所有的信息進行綜合分析，最后將結果總結，決定該采取何種控制動作并發送到總線上，比如環境監測模塊檢測房間內的溫度，同時與總線上傳來的室外溫度及天氣情況進行邏輯分析。如果室外溫度舒適而且空氣質量好，未有刮風下雨等，則該模塊就會發送打開該房間窗戶的命令。相反，如果天氣突然惡劣時，會發出關閉窗戶的命令。
　　2）設備監控分機模塊
　　該模塊負責所分配區域所有設備的開關控制，并且進行設備控制效果監控。將房間內各個電器根據需要劃分為若干個區域，使用一臺分機控制。控制的內容主要為照明、空調、窗戶、窗簾、電視、背景音樂及總電源開關等。分機接到命令或條件成立時，模塊實施控制動作，并且檢查控制效果。在正常運行期間，定時進行設備故障監測，并且隨時匯報故障結果，同時進行故障記錄。比如上述情況中環境監測模塊發送打開窗戶的命令時，相應模塊便會打開窗戶，同時檢查是否成功打開，并且將結果發送到控制主機；如果有故障發生，則將故障結果發送到總線上等待處理，在未處理之前會隔一定時段再次匯報。
　　3）控制主機模塊
　　控制主機模塊為該系統的下位機的處理中心，它負責接收處理所有分機發送的信息，與上位機或電話聯系，實現報警或遠程監控功能。當控制主機配裝液晶顯示器時，主人可以方便查看各設備的工作狀況、故障情況。并且，系統在沒有上位機的情況下仍能獨立的完成各項控制工作，從而保證了系統的可靠性及對環境的適應性。當發生緊急情況時，該模塊要進行電話自動撥號報警。如果PC機打開的情況下還可以通過互聯網報警、監視或監聽等。
　　3. 系統通信方式
　　1）有線通信方式
　　該系統通信采用了RS-485總線。由于RS-485總線的可擴展性及工程安裝的簡單性、廉價性等特點，使得系統可以方便的實現各并聯連接功能模塊之間的通信，易于擴展、維護升級方便。保證了分機模塊間的順利通信協調工作之后，總線可以通過一個RS-485轉RS-232器件與計算機通信，實現系統與局域網、互聯網的互聯。
　　2）無線通信方式
　　該系統還采用了無線通信方式。無線數據傳輸電路由Nordic公司的單片UHF無線數據收發芯片NRF401及其外圍電路構成。NRF401采用FSK調制解調技術，其工作效率可達20kbit/s，且有兩個頻率通道供選擇，并且支持低功耗和待機模式。它不用對數據進行曼徹斯特編碼，其天線接口設計為差分天線，因而很容易用PCB來實現。采用該無線通信方式可以實現模塊間通信，還可靈活布置無線探測器及控制器。完全采用無線通信方式可以方便進行舊住宅房改造安裝，不會影響裝修并且省去布線的工作和費用。
　　
　　三、系統軟件設計
　　
　　本系統軟件主要由系統主機和系統分機的AVR程序及系統上位機控制系統與Internet網絡通訊程序組成。該系統正常工作時，用戶可以完全不必干預，也可通過分機操作接口、上位機操作系統接口界面控制，或通過Internet及電話方式進行遠程訪問監控。
　　1. 下位機程序的編制
　　系統主機程序主要用于實現系統的總體通信調節控制功能，包括無線數據傳輸程序、分機采集匯報數據的收集處理轉發、緊急電話撥號報警、雙音頻編解碼程序、語音錄放程序、串行通訊程序、鈴流檢測與摘掛機控制程序、系統初始化程序、意外事件處理程序及接收上位機控制命令及匯報數據等。程序編制以消息驅動為主導思想。消息由計數器中斷1、外部中斷0和串行中斷產生，在中斷服務程序中應按相應的狀態位置位，而在消息循環中則應按相應的狀態位調用功能函數，然后由功能函數將相應的狀態位清0并完成所需功能，并最后返回到消息循環中。其程序流程如圖5所示。該系統的分機程序和主機類似，故此不再詳述。
　　2. 上位機操作系統及其與Internet網絡遠程訪問程序的編制
　　上位機操作系統程序用C++語言在C++ Builder編譯環境中編制，系統帶有友好操作界面，可以通過鼠標方便的控制及查詢任何家居設備的工作狀態等。通過Internet訪問部分通訊程序分為服務器和客戶端兩個程序。服務器程序主要完成客戶端與系統主機通訊的中轉，即將客戶端發來的控制或者查詢命令翻譯成系統主機能識別的格式；或者將系統主機收到的報警等信息上傳到客戶端，主要通過Internet網絡完成用戶的控制功能。客戶端程序是運行在遠端用戶的控制界面，主要用于完成家居內狀態的顯示以及對家居內電器的遠程控制，同時使客戶端直接連接到服務器。
　　
　　四、結論
　　
　　本系統是利用8位AVR單片機Atmega8位處理器開發，利用RS-485總線實現各模塊間的聯合協作，配合上位機可實現網絡遠程監控功能。本系統充分利用了現有的網絡資源，經過初期調試運行證明該方案切實可行。系統運行穩定，能夠達到設計初期的各項要求。相信將在信息家電、智能小區等方面得到廣泛應用。
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