家电智能化控制系统

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嵌入式系统在智能家电控制系统中的应用

摘要:随着Internet网像普通家庭生活不断扩展，智能化信息家电产品已经开始

不如家庭，并成为现代社会和家庭的新时尚。本文涉及实现了基于嵌入式Internet

技术和LIN总线技术的家庭智能控制系统，该控制系统具有连接Internet的以太

网接口，同时它能够通过LIN总线与其他家庭智能电器相连接，这样借助于更改

系统，通过LIN总线连接起来的家庭智能电器网络就能够与Internet连接起来，

通过Internet可以远程访问家庭的所有设备并进行相应的控制。

关键词：Internet；嵌入式；LIN总线；智能家电

1引言

嵌入式系统在家庭和工业领域有着很广泛的应用,例如洗衣机、电冰箱、工

业生产流水线等,但是大多数的应用都是以单个为主体,如果这些嵌入式系统都

能连接到Internet上面，则可以在任何地方实现检测和控制。随着互联网的发展

为嵌入式Internet提供的良好的发展基础，并使其成为当下一个很热门的话题，

这也是该论文研究的主要容。

嵌入式Internet技术的智能家电控制系统必须具有和其他家庭智能电器通信

的接口，通过该接口，该控制系统和其他家电智能电器进行通信，通过信息交

换来实现相应的监测和控制。同时，该智能控制系统也要具有连接Internet的接

口，并支持TCP/IP协议。满足以上条件后，只要该系统有一个IP地址，在世界

上任何地方控制者都可以通过Internet进行访问，了解与其相连的所有智能家电

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的状态信息，并进行相应的控制。本文将介绍基于LIN总线的智能家电系统部网

络的实现。

2整体设计结构框架

2.1网络问题

本文的目标是设计一个只能电气控制系统将多个家庭电器联入Internet，那

么则需要两个网络：家庭智能电器组成的家庭部网络和Internet网。并且还必须

要将两个网络通过某种传输媒介连接起来。

2.2家庭电器的部网络

目前，家庭部组网有多种方式，从传输介质上来看主要分有线和无线两种：

有线方式主要有线、电力线、光纤等；无线方式主要有红外、蓝牙技术等。但

是家庭电器具有多样性，并且要求稳定和低成本，鉴于这种特点本文中我们应

用一种新的组网方式，由于这种技术的家庭领域应用很少，因此才说其新。我

们采用的是最早应用于汽车行业作为CAN的辅助总线的LIN总线。由于LIN协

议的突出特点是协议对硬件的依赖程度低，成本低廉，可以基于普通单片机的

通用串口等硬件资源以软件方式实现，几乎所有的为控制都具备LIN必须的硬件

资源，因此可以广泛应用于智能家电系统部网络的数据通信等。

LIN协议标准包括传输协议规、传输媒体规、开发工具接口规和用于软件编

程的接口。LIN在硬件和软件商保证了网络节点的互操作性，并有可预测EMC

的功能。LIN通讯是基于SCI(UART)数据格式，采用单主控制器/多从设备的

模式。仅使用一根12V信号总线和一个无固定时间基准的节点同步时钟线。

Lin总线是基于UART/SCI方式的，而物理层电平等需要用专门的Lin收发器实

现。Lin的协议简单，可在软件里面完成。

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LIN联盟最初由奥迪、宝马、克莱斯勒、摩托罗拉、博士、大众和

沃尔沃等整车厂及芯片制造商创立，目的是推动LIN总线的发展，并且发

布和管理LIN总线规，制定一致性测试标准和认证一致性测试机构。目前，

改联盟正努力将LIN总线推广为ISO国际标准。

2.3LIN总线技术在实现智能家电控制中所具有的优势

目前，实现智能家居系统的传输方式包括电子载波的X-10和CEBUS、线的

HomePNA、LonWorks总线、R485总线和CAN总线等。这些有线实现方案有各自

的技术特点，适用于要求不用的数据传输速率和数据传输围的不同场合。但有

些技术还或多或少地存在一些自身的不足，例如LonWorke总线适合于智能楼宇

控制而不适合于家庭使用，而且价格偏高；X-10的抗干扰能力较差，寻址空间

小，对模拟量的支持不够；CEBUS解决了这个问题大接口技术复杂，价格也就

难以让人接收。但从家庭网络系统最底层的家庭信息节点的数据采集类信息的

传输方面来看，CAN总线应该比较适合的实现方案。CAN总线具有高抗电磁干扰

性和高传输可靠性，在很多场合都得到广泛应用，但其成本也相对较高。而串

行通信总线LIN具有出色的性能价格比，十分合适在数据传输率低的场合实现简

单通信。

与其他总线技术相比，LIN总线技术所具有的突出优点就是不需要单独的

硬件控制器，可以用普通的单片机以软件的方式来实现LIN的协议，从而可以大

大降低智能家电系统的硬件成本。另外一个突出优点就是它是一个但数据总线，

在家庭网络中的架构上可以减少室的布线量，很迎合家庭装修美观的要求。而

且LIN具备完备的通信协议，完全可以满足家庭网络部的数据采集、家用电器控

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制等比较简单的数据通信的需要。两者完美的结合，决定了LIN总线将会在未来

的家庭网络通信的有线方式中占据重要的地位。

2.4LIN总线的特点

○1基于同样UART／SCI家口的低成本硬件实现。

○2无需改变LIN子节点的硬件和软件就可以在网络上增加节点。

○3节点不需要品振或者瓷振荡器就可以同步实现，从而减少了子节点成本。

○4能保证最差状况下信号传送的等待时间，可避免总线访问冲突。

结合智能家电控制系统网络的要求，并参考LIN总线的特点，我认为选择

LIN总线比较合适。

2.5LIN通信协议和数据帧格式

LIN网络由一个主节点和多个从节点构成。所有的节点都包括一个从任务，

从任务又分为发送和接收任务，主节点涵盖包括一个主任务。在LIN网络中所有

通信都是由主任务发起的，主任务发送一帧头给所有的从任务。帧头由3部分

组成：同步间隔、同步场和信息识别符。从任务通过信息识别符来判断是否响

应任务，若需要响应主任务则开始发送响应信息。

LIN的数据帧由帧头和响应信息组成。帧头由主任务发出，主任务在发出同

步间隔后发送同步帧，从节点利用同步帧将他的波特率调整到传送来的信号的

波特率。从任务通过该字节判断数据是否与自己有关，并确定自己如何处理该

数据。LIN总线的另一个帧是睡眠帧，由主任务发出，它的作用是让总线和节点

进入低功耗状态。该通信规则可用多种方式来交换数据，可由主节点到一个或

多个子节点，也可以由一个子节点到主节点或其他的子节点。

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2.6接入Internet方式选择

以太网技术的成熟使其具备了向智能家居等领域发展的基础，嵌入式以太网

技术的应用的一些细节也随着以太网技术成熟而得以解决。因此在本文中我们

选择通过以太网来连接Internet，即家庭智能控制系统具有嵌入式以太网接口。

作为一种新型的串行通信协议，LIN总线在有线方式实现家庭部网络中是一种值

得推荐的总线协议。其连接Internet的示意图如图1：

图1控制系统连接Internet示意图

用户可以通过internet用浏览器直接浏览家庭设备的当前状况，并可以通过

web直接控制家庭设备，控制信息通过浏览器提交给web服务器，然后家庭信息

控制中心将控制信息转发给相应的家庭网络终端，家庭网络终端将控制信息直

接转发给相关控制设备，完成控制工作。控制完成后，家庭网络终端再将接过

信息反馈回家庭信息控制中心，控制中心将其写入数据库，并反馈给发出控制

请求的用户。

当用户想通过控制家庭设备时，直接拨打家庭，可以在语音提示的帮助下，

被监

控智

能家

电设

备

LIN

总

线

几

口

家庭

智能

设备

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系统

以

太

网

接

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N

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N

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T

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语音

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完成相关控制。当通过控制时。家庭网络终端自动将相关信息转发给相关控制

设备，通过控制家用电器设置密码功能，只有密码比较成功后才能够进入控制

模块，这也提供了一定的安全性。

3基于LIN总线的控制

以LIN总线实现的家庭网络的拓扑结构如图2所示。

图2基于LIN总显得家庭网络拓扑结构

用户可以通过拨打户，在无人接听的一段时间后，主控器会自动接通，进

入电气控制界面，根据预知的语音提示，用户可以对电器节点的状态进行查询

及根据自己需要进行启动或关闭控制。

使用LIN总线来通信，可以再主节点无需再从节点控制时，是所有的从节点

进入睡眠模式，降低系统的功耗。主控制器在接收到远程的控制命令后，再往

各节点发送唤醒帧。在唤醒信号发送到总线上后，所有的节点都运行启动过程，

并等待主机任务发送报文头，接收并作出相应的响应。

家庭总线系统

LIN主节点

家电系统三表系统

电

冰

箱

电

表

空

调

其

他

水

表

燃

气

表

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用LIN总线实现的智能家居控制系统部网络的工作流程具体如图3所示。

4结束语

便捷、安全、舒适、现代化、数字化的生活环境是中所追求的。利用LIN总

线技术实现的智能家居正是按照用户的需求来发展的，它不仅为人们床在新的

生活，还让我们欣喜地看到，过去想象中的高科技生活正在逐步成为现实。我

们相信，随着技术的日益发展，市场逐渐成熟，用户的更加关注，家庭网络产

业将蓬勃发展，我们必定将体验到多样化、个性化的高品质的美好生活。以LIN

总线架构的有线网络一定会帮助人们真正实现智能家居系统，LIN总线的应用也

将在更多的工业领域推广。

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参考文献

1.阳线惠现场总线技术及应用2001

2．何琳琳；海军基于网络的家用电器远程控制系统的实现[期刊论文]-微计算

机信息2006（14）

3.鹤旭林涛嵌入式控制系统清华大学