基于CMS復合總線智慧物聯家居系統設計

王驍舟，曹儀民，朱靜宜

（1.杭州巨安科技有限公司，浙江 杭州 311201；2.浙江建設職業技術學院，浙江 杭州 311231）

0 引 言

隨著現代科學技術的發展及人民生活水平的提高，住宅的概念不再是一個“遮風擋雨”的地方，人們開始對住宅的功能、質量提出了更高的要求。智能家居系統能夠實現更多的按照主人的生活方式來服務主人，創造一個更舒適、更健康、更環保、更節能、更人性化的綠色居住環境，因此逐漸受到大眾喜愛，智能住宅成為現代化住宅的發展趨勢。

根據前瞻產業研究院發布的《中國智能家居設備行業市場前瞻與投資策略規劃報告》統計數據顯示，2017年全球智能家居市場規模為357億美元，2018—2023年間的復合年均增長率[1]為26.9%，預計到2023年將達到1 506億美元。在中國市場，2016年中國智能家居市場規模已達2 608.5億元，2017年中國智能家居市場規模[2]達到3 342.3億元，同比增長24.8%。

隨著5G和物聯網技術的發展，促使了智慧物聯家居行業的快速發展。因此，本文在現有智慧物聯家居的基礎上，將進一步實現智能家居的智慧化、平臺化、生態化，對人們的居家生活，包含起居、飲食、采光、照明、家電、安全、娛樂等一系列產品與服務起到積極的作用。

1 目前智能家居系統存在的問題

2017年11月26日，中央辦公廳、國務院辦公廳聯合印發《推進互聯網協議第六版（IPv6）規模部署行動計劃》（簡稱《行動計劃》），為部署IPv6提供了行動指南；2018年5月，工信部發布《關于貫徹落實的通知》，提出落地IPv6的詳細措施：2018—2025年，實現我國IPv6網絡規模、用戶規模和流量規模位居世界第一，網絡、應用、終端全面支持IPv6，全面完成向下一代互聯網的平滑演進升級，同時形成全球領先的下一代互聯網技術產業體系。隨著IPv6與5G技術的飛速發展與落地，為智能家居行業打下了堅實的基礎[4]。但是現有的智能家居存在以下問題：

（1）由于國內電磁環境復雜、建筑信號屏蔽作用強，因此無線系統跨房間覆蓋存在信號衰減大、輻射大并且容易受干擾，穩定性差、功耗大、安全性低。

（2）以KNX、RS 485為代表的有線系統，布線復雜、施工周期長、造價高，需要額外的布線穿管。

（3）舊小區由于成本和環境的限制不適合重新布線，最好利用已有線路實現升級。

（4）多個運營商互相競爭接入，標準不同，網絡覆蓋、數字電視以及智能家居無統一標準和接口，重復施工，設備冗余。

目前采用ZigBee、WiFi、藍牙等無線方式較多；采用成熟的RS 485工業總線的方式也較為普遍，但真正與傳統弱電相結合的整體方案尚屬空白。本文面向新一代物聯網的基于IPv6的同軸復合信號傳輸控制技術，在原有同軸線綜合解決網絡WiFi覆蓋、有線電視和智能家居控制數據傳輸到每個房間，在房間內可方便地通過局部無線或零火線控制到終端設備，既具有無線系統的無布線優勢和靈活性，又具有有線系統的可靠性和穩定性，升級成本低。

2 智慧物聯家居系統的總體設計

基于CMS復合總線構建了一個集互聯網接入、IPTV/VOD承載和智能家居控制為一體的、高帶寬的、高可靠的多元家庭網絡，作為多個業務共同的傳輸總線，其核心是在多元傳輸和控制總線上進行業務區分和高效數據轉發。

2.1 系統主體架構

智能家居系統框架如圖1所示。該系統由智能主機、路由器、區域網關、執行設備、傳感器設備、無線遙控器設備、PC工具、手機客戶端等組成。

圖1 智能家居系統框架圖

系統上電后，區域網關通過UDP廣播方式自動獲取主機IP地址及端口，然后通過摩根加密算法及協議與主機建立TCP通信，系統內的總線設備采用摩根自主研發的退避算法，通過總線將設備信息注冊到網關，接著由網關將設備信息發送到主機，由主機統一對系統內的設備進行管理。通過手機APP和主機進行鏈接，獲取系統內的設備信息，修改設備名稱和所屬房間，添加場景、定時器、傳感器邏輯條件及遙控器配置，并且將上述添加的場景、定時器、傳感器邏輯條件及遙控器配置保存至系統主機和網關。配置完成后，可以通過手機APP控制系統設備、場景，可以通過遙控器、智能面板控制系統的設備和場景，也可以通過傳感器自動控制系統設備和場景。

2.2 面向IPv6的同軸綜合傳輸技術

該智能家居系統由智能主機、千兆路由器、復合調制轉換器、分控器面板、智能家居網關、遙控器、面板及總線產品組成，如圖2所示。分控器面板和復合調制轉換器內部具有調制和解調功能，系統上電后，分控器面板利用實用信道的不同頻帶寬度，可以加載不同信號的原理，將注冊數據放入特定的頻段，通過同軸將注冊數據發送至復合調制轉換器，復合調制轉換器解調分控器面板的注冊數據。然后將調制后的數據發送給系統主機或者第三方主機，建立智能主機或第三方主機和分控器面板的通信。通過智能家居主機控制系統內的設備時，主機將數據發送到復合調制轉換器，通過同軸線發送至分控器面板，分控器面板解調復合調制轉換器的控制數據，發送給智能家居網關，網關收到數據后通過無線或者有線方式將控制數據發送至執行設備。

圖2 MEIC總線三網合一系統框架

3 智慧物聯家居系統拓撲結構設計

基于RS 485協議的自研總線系統，完善的通信協議保證數據幀的無沖突傳輸。復合總線智能家居系統集成了住宅設備控制與環境、安防監控，提供了全方位信息交互功能。系統集照明、窗簾、電視、空調等智能家電設備控制、環境與安防監控等強大功能于一體，構建了管控有利、布線簡潔、綠色節能、擴展性強的智慧系統，也為用戶提供了舒適、便捷的居住環境。

從結構上考察，現有的智能家居控制系統本質上屬于室內網絡，具備承載帶寬的能力，如圖3所示，可以更加清晰直觀地從結構上體現其承載網絡的拓撲。在這個網絡中，以太網交換機和WiFi接入點（AP）充當了室內網絡的主干，中控主機和分控主機、微網關作為兩大類的終端設備，并且這兩類設備與一般意義上的網絡設備并無實質差異，可以將其視為一個標準的室內網絡。這個室內網絡的主干帶寬一般為100 Mb/s的水平，其中以太網交換機具備千兆上聯的能力，并可經濟地提供8到12/16個100 Base的下聯帶寬，以及WiFi AP普遍采用IEEE 802.11 b/g/n標準，也可經濟地提供最大150 Mb/s的帶寬。

圖3 室內覆蓋網絡拓撲

由于以太網交換機的連接能力強，因此使用1臺以太網交換機和 8個WiFi AP，按照每一個WiFi AP的實用信號覆蓋尺寸為半徑10 m的球狀的話，則可覆蓋包括中等別墅在內的較寬廣范圍的住宅。

但現有智能家居系統只用來傳輸控制信號，從上述簡單分析看，這不免是一種浪費。本文是根據現有的智能家居控制系統的功能單一性而提出?？紤]到住宅的網絡應用，除去智能家居控制系統的部署以外，互聯網接入和IPTV兩項業務則更為剛需。

4 結 語

利用同軸傳輸所有信號，采用統一的TCP/IP協議，將使得各種以IP為基礎的業務都能在不同的網上實現互通。利用此技術設計一套具有一定的前瞻性，戶內三網合一與智能家居系統融合的方案，是深化智能家居在家裝方面的一次有力探索，可大大降低智能家居的安裝及維護成本，也可大大推進智能家居系統的產品落地。