智能家居系統及其中的終端設備的製作方法

2023-07-05 04:41:26 2

專利名稱：智能家居系統及其中的終端設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種智能家居系統及其中的終端設備。
背景技術：
智能家居主要是指，以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防範 技術、自動控制技術、音視頻技術，等等，將家居生活有關的設施集成在一起，構建高效的住 宅設施與家庭日程事務的管理系統，提升家居的安全性、便利性、舒適性、藝術性，並實現環 保節能的居住環境。智能家居系統包含的主要子系統有家居布線系統、家庭網絡系統、智 能家居(中央)控制管理系統、家居照明控制系統、家庭安防系統、背景音樂系統、家庭影院 與多媒體系統、家庭環境控制系統等八大系統。現有的智能家居主要是由智能家居(中央) 控制管理系統與另外七個系統中一個或多個構成，而這七個系統都分別只與中央控制系統 聯絡，是一個星型結構。這種星型結構的缺點是，擴展性不好，無法自動識別新入網的設備， 也無法實時得知已離開網絡的設備。於是智能家居中還有一類為無線智能家居系統，主要 為ZigBee的智能家庭網絡，WiFi的家庭網絡。ZigBee技術是主要應用於自動控制的一種近距離、低複雜度、低功耗、低數據速 率、低成本的雙向無線通信技術。它主要工作在無須註冊的2.4GHz ISM (Industrial Scientific Medical)頻段，和868MHz頻段。總共分配了 27個具有3種速率的信道在2. 4 GHz頻段有16個速率為2501ib/s的信道，在915 MHz頻段有10個40 kb/s的信道，在868 MHz頻段有1個20 kb/s的信道。這些信道的中心頻率按如下定義(k為信道數):
Fc=868. 3MHz, (k=0)
Fc=906MHz+2(k-l)MHz, (k=l，2......10)
Fc=2405MHz+5(k-ll)MHz, (k=ll,12......26)
一個IEEE802. 15. 4可以根據ISM頻段、可用性、擁擠狀況和數據速率在27個信道中選
擇一個工作信道。在組網方式上，ZigBee技術主要採用了三種組網方式，星型網、對等網及混合網。 在Zigbee組網系統中主要有三種設備協調器(Co-ordinator)，它是啟動和配置網絡的一 種設備，是網絡的中心節點，一個網絡只允許有一個協調器；路由器(Router)，是一種支持 關聯的設備，能夠將消息轉發到其他設備，樹型網絡可以有多個路由器，星型網絡不支持路 由器；終端設備(End Device)，執行具體功能的設備。這三種設備可根據功能完整性分為全 功能設備(FFD)和半功能設備(RFD)。其中，全功能設備可作為協調器，路由器或終端設備， 而半功能設備只能作為終端設備。一個FFD可與多個RFD或多個其他的FFD通信，而一個 RFD只能與一個FFD通信。例如，終端設備僅與其母節點(PAN協調器或路由器)進行通信。 這些終端設備的功能相對較少，因為它們不需要路由功能。精簡功能設備(RFD)的一個優 點就是棧尺寸明顯要小很多。因此，程序快閃記憶體、數據存儲器RAM以及快閃記憶體要求也大大降低。 這就使得通常是ZigBee節點主要組成部分的RFD頗具成本優勢。RFD特別適用於超低耗設 計，因為在大部分時間裡可以將微控制器和RF收發器關閉。一個具有路由功能的設備需要始終謹記，其必須要接收一個數據包。雖然Zigbee這類的智能家居系統應用了自組織網絡技術，實現設備之間的自組 多跳傳輸，使得網絡更加的靈活，可靠。但是這類系統成本高，需要對現有的每個家庭設備 增加對應的發射接收裝置，而且高頻信號有輻射。

發明內容
本發明提出了一個新的智能家居系統，該智能家居系統的組成主要為本發明新的 終端、路由器與協調器。智能網絡的拓撲結構可以是星狀網或者樹型網。本發明的新終端 集成有紅外遙控設備、繼電器控制的設備，等等。再者，本發明基於提出新的無線終端，創新 地加入NTP (Network time protocol) MAC層協議，不是採用現有無線智能網絡中的CSMA 協議，而是採用TDMA協議，其上層協議為修改後的ZigBee的上層協議，充分利用了現有商 用協議的安全管理，網絡拓撲擴展管理的優點，又避免了物理成本高的缺點。具體地，本發明在一個方面提供一種終端設備，該終端設備與通信網絡中的協調 設備和至少一個要控制的設備進行通信。所述終端設備包括微處理器，學習來自於第一來 源的信號，將學習後的第一來源的信號存儲在存儲模塊中，並用學習後的第一來源的信號 控制所述至少一個要控制的設備，所述微處理器在第一指定的時隙接收來自於所述協調設 備的要控制所述至少一個要控制的設備的指令，並在第二指定的時隙內根據所述指令發送 所述學習後的第一來源地信號給所述至少一個要控制的設備，存儲模塊，存儲所述學習的 第一來源的信號，該信號用來控制所述至少一個要控制的設備，信號接收模塊，接收來自於 所述第一來源的信號，信號發送模塊，發送學習後的第一來源的信號到所述至少一個要控 制的設備對它進行控制。所述的終端設備和所述協調設備在MAC層之上根據Zigbee有關協議進行通信。所述微處理器還接收來自所述協調設備定時發送的同步時間信息，以與其它終端 設備進行同步。所述外部信號學習模塊包括紅外信號學習模塊、無線信號學習模塊中的任意組
合 O所述的存儲器存儲有分配給所述終端設備、所述協調設備以及所述至少一個要控 制的設備的地址碼和數據碼，所述地址碼包括全球唯一標識碼和本地網絡標識碼，所述數 據碼是識別所述至少一個要控制的設備的不同狀態的代碼。所述的全球唯一標識碼是IEEEMAC地址碼，所述本地網絡標識碼是16位地址碼， 用於標識在本地網絡中的設備，所述數據碼是4位數據碼，標識同一個短地址下的不同的 數據節點。所述的16位地址碼，前4位標識具體地理上的位置信息，接著2位標識所述終端 設備的類型，最後的10位地址碼為無線類型的終端設備中的無線晶片的地址碼、紅外類型 的終端設備中的存儲器中的地址碼標識或者哪一路開關輸入。本發明在另一個方面提供一種智能家居系統，其包括至少一個如前所述的終端設 備、協調設備和至少一個要控制的設備，其中所述協調設備發送指令給所述至少一個終端 設備，使所述至少一個終端設備控制所述至少一個要控制的設備，並且所述協調設備給所 述至少一個終端設備發送同步信號，使它們同步。
其中所述的智能家居系統在MAC層之上是遵循Zigbee協議進行工作的。本發明是提出一個新的智能家居系統的設計。通過這個系統，可以有效地將家裡 所有電器管理在一個統一的平臺上，這樣用戶可以通過手機，控制面板，有網絡接口的電腦 管理家裡的所有電器，並且這些電器也可以根據用戶的設置，自動運行。其優點在於。1.對現有電器的改動很小，紅外遙控的設備與繼電器控制的設備可直接支持，無 線遙控的設備只需要支持PT2262/PT2272編解碼協議，即使不是無線遙控的設備，通過加 上簡單的成本低的發射接收裝置就可以支持。2.新電器的加入智能化，可自動被檢測到。3.不僅系統的控制可遠程進行，軟體的升級也可遠程進行。4.系統支持的電器可無限擴容，這是目前星型控制器系統所不能支持的。


下面結合附圖對本發明的智能家居系統作進一步詳細描述。圖1是根據本發明的智能家居系統網絡的星型拓撲結構。圖2是根據本發明的智能家居系統網絡的樹型拓撲結構。圖3是根據本發明智能家居系統的各層示意圖。圖4是根據本發明的智能家庭網絡中的終端的示意圖。圖5 (a)所示為根據本發明的紅外指令學習過程流程示意圖。圖5 (b)所示為根據本發明的無線控制指令學習過程流程示意圖。圖5 (C)所示為根據本發明的微處理器控制過程流程圖。
具體實施例下文的描述先從本發明的智能家居系統的網絡構成與拓撲結構開始，再介紹其協 議，最後介紹每層協議的特點。本發明的智能家居系統含三種硬體類型無線終端、路由器與協調器。這三種硬體可以構成的智能家居的網絡拓撲結構例如為星型拓撲結構，如圖1所 示；或者例如為樹型拓撲結構，如圖2所示。圖1和圖2僅作為示例，並不對本發明造成任 何限制。在圖1的星型結構中，可以沒有路由器，但任意兩個終端之間的通信必須經過協 調器，協調器在一個網絡中只能有一個。在圖2的樹型結構中，路由器與協調器可以有自己的子節點，例如，路由器或者終 端。在一個網絡中，協調器只能有一個，路由器可以有多個。終端之間的通信可以通過路由 器或協調器進行，最短路徑是通明且是唯一的。在建立網絡時，根據Zigbee協議，協調器節點啟動，根據定義的搜索頻道 (DDEFAULT_CHANLIST)和 PID (DZDAPP_CONFIG_PAN_ID)建立網絡；如果 PID 定義為 OxFFFF， 則隨機產生PID。路由節點和終端節點啟動後，搜索指定的PID (DZDAPP_CONFIG_PAN_ID) 網絡，並加入網絡。如果PID定義為OxFFFF，則可加入其他網絡。本領域技術人員可以根據 本發明的教導結合現有技術實現這部分，因此不再贅述。圖3所示為本發明智能家居系統的各層示意圖。圖4是根據本發明的智能家庭網絡中的終端的示意圖。如圖3所示，本發明的智能家居系統包括物理層、MAC層和MAC層以上的層。首先，物理層有三種設備，終端10、協調器20與路由器30 (參考圖1和圖2)(如 前所述，路由器30不是必需的，例如在星型網絡中可以沒有路由器)。路由器30例如可以為 普通的路由器，協調器20例如可以為電腦或者是含一個微處理器的電路板構成。關於協調 器的具體的流程將在後面介紹。協調器20傳輸的指令例如可以為發射紅外信號、發射無線 信號等等，協調器的輸入來自用戶通過控制面板的輸入、用戶通過網口輸入的或用戶通過 開關電路的輸入，即，例如，用戶可以通過一個軟體界面輸入控制信息。協調器20是整個智 能家居系統的中心控制單元，它收集了各模塊所有的信息，並根據這些信息用廣播的方式 發送具體的指令，由於本發明的智能家居系統的拓撲結構是多級結構，各級之間是靠路由 器維持之間的相互位置信息，所以當路由器30收到協調器20發來的指令，根據指令中的地 址信息決定是否屬於本級子網的，如果是本級子網指令信息，再發送到下一級，該下一級可 以為其它路由器或終端10。同時路由器30也轉發來自終端10的信息，發送到協調器20。 部分終端10也可以不需要通過路由器30，直接掛在協調器20下，與協調器20直接通信，受 協調器20的直接管理。圖4所示為根據本發明的終端10的示意圖。終端10可以認為是一個電路板，主 要包含四個模塊或者電路紅外電路11、無線電路12、開關電路(也稱繼電器控制)13與微 處理器部分14。紅外電路11主要包括調製電路110，接收電路111與發射電路112。紅外 電路11與微處理器14 一起工作可以實現可學習的紅外遙控電路設計，也就是說終端10可 以通過學習的方式學習任意一種紅外信號，並通過微處理器14來控制紅外發射電路112輸 出紅外信號。無線電路12主要包括無線接收電路120、解調電路121、解碼電路122、編碼電 路123、調製電路124、和無線發射電路125。無線電路12與微處理器14 一起工作可以實現 可學習的無線遙控電路設計，例如，頻率為315MMHZ或433MHz，該頻率是開放的，目前家用 小控制設備大多是這個頻率，也就是說終端10可以通過學習的方式學習PT2262編碼的頻 率為315MMHZ或433MHz無線信號，並通過微處理器14來控制無線發射電路112來輸出無 線信號。當然，根據此處的啟示，終端10還可以學習其它頻率的無線信號。開關電路13的輸入與輸出部分就比較簡單，微處理器14可檢測開關電路13輸入 部分的變化，開關電路的輸入例如是由用戶手動操作的。然後輸出控制信號，控制信號可以 為開關電路13的接通或斷開，也可以是紅外控制信號，或是無線控制信號。這裡可認為是 接了個傳感器，如果感知到信號，比如漏氣，有人通過，等等，這些傳感器電路會產生一種開 合或關閉的信號，所以微處理器要做的事是檢測到這種突發的開合或關閉信號，就去控制 其它電器，產生應急措施。網口 16與微處理器14相連，主要是從協調器20獲取信息或向其分發信息。本發明智能家居系統的物理層的工作流程主要有三種紅外指令學習過程，無線 控制指令學習過程以及微處理器控制過程。圖5 (a)所示為根據本發明的紅外指令學習過 程流程示意圖；圖5 (b)所示為根據本發明的無線控制指令學習過程流程示意圖；圖5 (c) 所示為根據本發明的微處理器控制過程流程圖。如圖5 (a)所示，在步驟501中，終端的微處理器14從網口 16接收學習紅外信號 的指令，該指令例如是微處理器發出的學習電視開的紅外遙控信號。在步驟502中，微處理器14等待外界的紅外遙控器發射紅外信號，該信號例如是電視或者空調的遙控器發射的 紅外信號。在步驟503中，終端的微處理器接收到紅外信號。在步驟504中，準備讀取接收 到的紅外線編碼，並通過微處理器14進行存儲，該過程是紅外線學習的主要部分。最後在 步驟505中完成紅外線的學習。通過學習需要用紅外線進行控制的各電子設備的遙控信 號，使得本發明終端可以使用學習的紅外信號來控制所述各電子設備。在圖5 (b)中，在步驟506，終端的微處理器等待外界的無線遙控器發射的要學習 的無線信號。在步驟507中，微處理器從網口接收要學習的無線發送信號的指令。然後在 步驟508中，根據指令在存儲器中尋找對應的地址的數據碼。再在步驟509中，根據地址數 據碼發送無線信號。存貯器是和微處理器在一起的。這裡定義的無線信號本身就含有要 控制的電器的地址碼與數據碼，所以根據收到的無線信號就可以判斷對應的地址碼和數據 碼。對無線遙控的指令的學習在步驟510中結束。在圖5 (c)中，在圖511中，終端10中的處理器等待協調器20從網口發來的控 制指令，該控制指令為無線指令。同時終端10還在等待從開關電路發來的控制指令，見步 驟512。在步驟513中，微處理器接收到其中的一個指令。然後在步驟514中根據所接收的 指令判斷它要執行的操作。再接著根據所述指令進行相關的操作。最後在步驟516中整個 控制過程結束。上述圖5 (a)、(b)和(c)僅是用於示例本發明的紅外、無線控制指令學習過程和 微處理器控制過程，根據本發明的教導，本領域技術人員會容易地得出其它的改動和變形， 等等，這些都應當包含在本發明的範圍內。從物理層的介紹可以看出，上層協議主要是微處理器14通過網口 16與上層協議 通信。協調器20與路由器30本來就含網口，所以它們之間的通信只需要清晰定義上層協 議就可以。下面由下往上開始介紹上層協議。1、MAC 層
本發明在MAC層用TDMA(時分多址)通信。就是在同一個節點下(可為協調器20或為路 由器30)的每個終端10按照指定的時隙發送或接收指令。比如說指令格式為[發送/接 收指令+目的地址+狀態指令(例如開啟)。而時間同步問題可以通過傳統的NTP(netWOrk time protocol)協議完成，由協調器20定時通過廣播或組播方式向終端10發送時間信息， 通信協議例如為UDP協議。終端10作為接收端，使用識別(Authentication)機制，檢查它 所接收的對時信息是否是真正來自所宣稱的伺服器(即，協調器20)，並檢查資料的返迴路 徑，以提供對抗幹擾的保護機制。2、MAC以上的上層協議。A)協議棧由一組子層構成，每層為其上層提供一組特定的服務一個數據實體提 供數據傳輸服務；一個管理實體提供全部其他服務。每個服務實體通過一個服務接入點 (SAP)為其上層提供服務接口，並且每個SAP提供了一系列的基本服務指令來完成相應的 功能。B)終端10、路由器20與協調器30在工作時，各種不同的任務在不同的層次上執 行，通過層的服務，完成所要執行的任務。每層的服務主要完成2種功能一種功能是根據 他的下層服務要求，為上層提供相應的服務；另一種功能是根據上層的服務要求，對他的下 層提供相應的服務。各層服務通過服務原語來實現。
C)如圖3所示，上層協議棧的體系結構包括應用層與網絡層。ZigBee聯盟提供了 網絡層和應用層(APL)框架的設計。我們這裡參照了 ZigBee的定義，利用其對安全管理與 網絡拓撲管理的優勢，本發明在其中應用層的框架包括了應用支持子層(APS)和設備對象。3、其協議棧相對ZigBee協議來說，不僅修改了其PHY，MAC層，而且針對本發明系 統的終端10中紅外設備以及開關設備無數據地址碼特點，路由器也無數據地址碼特點，修 改了其協議棧中的路由管理和映射器管理。本發明的智能家居系統中的每個設備節點都包括以下的三種代碼。1. IEEE MAC 地址碼
這是一種64位的地址，這個地址由IEEE組織進行分配，用於唯一的標識設備，全球 沒有任何兩個設備具有相同的MAC地址。由於本領域技術人員可以參照此處的教導實現 這個地址，因此對於這個地址將不再贅述。2. 16位地址碼
16位數據地址碼用於在本地網絡中標識設備，和在網絡中發送數據，也稱為短地址。所 以如果是處於不同的網絡中有可能具有相同的短地址。當一個節點加入網絡的時候將由它 的父節點給它分配短地址。協調器的短地址是0。3. 4位數據碼
4位數據碼用於標識同一個短地址下不同的數據節點，可用於識別同一設備的不同狀 態，例如開啟或關閉或增加溫度等狀態。也就是說，除了 IEEE MAC地址的64位地址碼之外，本發明智能家居系統中的每個 設備主要包括16位地址碼和4位數據碼(共20位)。16位地址碼前4位標識具體地理上的 區間位置信息。接著的2位標識為紅外、無線或開關電路設備。後面的10位為地址碼，如 果是無線設備就直接為PT2^52/PT2272晶片中的地址碼信息，如果是紅外設備，後10位為 存儲器件中的地址碼標識，如果是開關電路，後面10位分別表示從哪一路輸入。4位數據碼 用於標識需要執行的動作，比如開啟、關閉、增力卩、減少等等。這樣在路由管理、映射管理時， 原來ZigBee協議的兩層地址管理變成了類似三層地址管理(IEEE MAC地址、16位數據地址 碼、4位數據碼)。這樣的地址數據的一個示例格式例如為00010111100000000001，它表示 1號區間(0001)的無線設備(01)，其地址碼為(1110000000)，要求執行關閉操作(0001)。本發明提出了一種新的智能家居系統。通過這個系統，可以有效地將家裡所有電 器管理在一個統一的平臺上，這樣用戶可以通過手機，控制面板，有網絡接口的電腦管理家 裡的所有電器，並且這些電器也可以根據用戶的設置，自動運行。本發明的智能家居系統的 優點在於。1.對現有電器的改動很小，紅外遙控的設備與繼電器控制的設備可直接支持，無 線遙控的設備只需要支持PT2^52/PT2272編解碼協議，即使不是無線遙控的設備，通過加 上簡單的成本低的發射接收裝置就可以支持。2.新電器的加入智能化，可以自動檢測到新電器的加入。3.不僅可以遠程進行系統的控制，也可以遠程進行軟體的升級。4.系統支持的電器可無限擴容，這是目前星型控制器系統所不能支持的。
權利要求
1.一種終端設備，該終端設備與通信網絡中的協調設備和至少一個要控制的設備進行 通信，其特徵在於所述終端設備包括微處理器，學習來自於第一來源的信號，將學習後的第一來源的信號存儲在存儲模塊 中，並用學習後的第一來源的信號控制所述至少一個要控制的設備，所述微處理器在第一 指定的時隙接收來自於所述協調設備的要控制所述至少一個要控制的設備的指令，並在第 二指定的時隙內根據所述指令發送所述學習後的第一來源地信號給所述至少一個要控制 的設備，存儲模塊，存儲所述學習的第一來源的信號，該信號用來控制所述至少一個要控制的 設備，信號接收模塊，接收來自於所述第一來源的信號，信號發送模塊，發送學習後的第一來源的信號到所述至少一個要控制的設備對它進行 控制。
2.根據權利要求1所述的終端設備，其特徵在於，其中所述的終端設備和所述協調設 備在MAC層之上根據Zigbee有關協議進行通信。
3.根據權利要求1或2所述的終端設備，其特徵在於，其中所述微處理器還接收來自所 述協調設備定時發送的同步時間信息，以與其它終端設備進行同步。
4.根據權利要求1或2的終端設備，其特徵在於，其中所述外部信號學習模塊包括紅外 信號學習模塊、無線信號學習模塊中的任意組合。
5.根據權利要求1或2的終端設備，其特徵在於，其中所述的存儲器存儲有分配給所述 終端設備、所述協調設備以及所述至少一個要控制的設備的地址碼和數據碼，所述地址碼 包括全球唯一標識碼和本地網絡標識碼，所述數據碼是識別所述至少一個要控制的設備的 不同狀態的代碼。
6.根據權利要求5所述的終端設備，其特徵在於，其中所述的全球唯一標識碼是 IEEEMAC地址碼，所述本地網絡標識碼是16位地址碼，用於標識在本地網絡中的設備，所述 數據碼是4位數據碼，標識同一個短地址下的不同的數據節點。
7.根據權利要求6所述的終端設備，其特徵在於，其中所述的16位地址碼，前4位標識 具體地理上的位置信息，接著2位標識所述終端設備的類型，最後的10位地址碼為無線類 型的終端設備中的無線晶片的地址碼、紅外類型的終端設備中的存儲器中的地址碼標識或 者哪一路開關輸入。
8.一種智能家居系統，其特徵在於其包括至少一個如權利要求1至7任意一項權利要 求的終端設備、協調設備和至少一個要控制的設備，其中所述協調設備發送指令給所述至 少一個終端設備，使所述至少一個終端設備控制所述至少一個要控制的設備，並且所述協 調設備給所述至少一個終端設備發送同步信號，使它們同步。
9.根據權利要求8的智能家居系統，其中所述的智能家居系統在MAC層之上是遵循 Zigbee協議進行工作的。
全文摘要
本發明涉及一種智能家居系統，其中有至少一個終端設備，該終端設備與通信網絡中的協調設備和至少一個要控制的設備進行通信。所述終端設備包括微處理器，學習來自於第一來源的信號，將學習後的第一來源的信號存儲在存儲模塊中，並用學習後的第一來源的信號控制所述至少一個要控制的設備，所述微處理器在第一指定的時隙接收來自於所述協調設備的要控制所述至少一個要控制的設備的指令，並在第二指定的時隙內根據所述指令發送所述學習後的第一來源地信號給所述至少一個要控制的設備，存儲模塊，存儲所述學習的第一來源的信號，該信號用來控制所述至少一個要控制的設備，信號接收模塊，接收來自於所述第一來源的信號，信號發送模塊，發送學習後的第一來源的信號到所述至少一個要控制的設備對它進行控制。
文檔編號H04L12/28GK102148731SQ20111003750
公開日2011年8月10日 申請日期2011年2月14日 優先權日2011年2月14日
發明者楊勝齊, 鄒黎 申請人:上海理滋晶片設計有限公司