简介 对嵌入式系统的概念、形式进行了探讨，同时讨论了嵌入式系统和智能家用电器的关系，指出了家用电器智能化的智能理论。介绍了家居网络以及家用电器上网的方法，家居网络的形式，Echelon公司的LonWorks网络及家用电器上网问题。比较了几种上网方法的优缺点，最后讨论了发展的趋向。

关键词 嵌入式系统 家居网络 智能家电

　　单片机最早是以嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller)的面貌出现的。在嵌入式系统中，它是最重要也是应用最多的智能核心器件。无论在交通、通讯、工业、仪器、医疗等领域，都有大量的单片机应用，但是家用电器无疑是单片机用量最大的领域之一。

　　从结构的角度讲，由于单片机是嵌入家用电器内部并作为核心控制部件，故家用电器的结构体系很明显是一个嵌入式系统。而单片机在家用电器中一般来说有两个作用：一个是用作智能控制部件，另一个是用作智能管理部件。无论这种智能控制及智能管理看起来多么简单和初步，毕竟已体现了人类的一定的智慧能力。

　　显然，智能家用电器是一种嵌入式系统，反之可以说，嵌入式系统的一种形态表现在家用电器中。

　　随着网络技术的发展，家用网络系统HNS(Home Networked System）又促进了嵌入式系统的发展。在家居网络系统中，对家用电器提出了两种可以分别称之为“个性化”和“社会化”的要求。所谓“个性化”就是提高家用电器的智能特点;所谓“社会化”就是提高家用电器通过网络与其他设备或人进行信息交流的能力。

　　如果把网络看成是一个系统，家用电器在网络中的位置则相当于嵌入式系统中的一个器件，这时，HNS则可以看成一个嵌入式系统。这种包含作用和数学上的子集类同，任何一个嵌入式系统可看成一个物理子集，一个物理子集可以含有若干个物理子集，相信不久将会有形式化描述网络的数学方法产生。

一、 嵌入式系统的家用电器

　　家用电器由于单片机的嵌入，不但提高了品质和性能，而且出现了智能。这和传统机械型家用电器有很大区别，这种区别除了导致结构的改变之外，还产生了很多新的功能和能力。这种进步关键在于两种很重要的技术，一种是单片机的集成硬件技术，另一种是单片机的智能软件技术。

　　单片机硬件依靠半导体集成工艺，单片机的智能软件则依赖于软件方法及智能理论。在家用电器中，单片机硬件只能选择现存的产品，对于设计者而言，则关键在于嵌入式系统中的控制电路设计。

1. 家用电器的嵌入式结构

　　从作用机制上来说，家用电器的嵌入式结构有单核嵌入和双核嵌入两种。一般电脑电饭煲，它的内部只有一个单片机，这种控制系统是单核嵌入。对于分体式空调，则在室内机和室外机分别有1个单片机，显然分体空调机这种嵌入式系统是双核嵌入结构。

　　从物理位置上来说，家用电器的嵌入式结构有中心嵌入、边缘嵌入、顶部嵌入、底部嵌入等多种形式。模糊电磁灶的单片机及控制部件在其中心部位，这是典型的中心嵌入;电饭煲的单片机控制器通常在煲的外边缘，这是典型的边缘嵌入;电脑热水瓶的单片机控制器在顶部，故是顶部嵌入;模糊蒸炖煲的单片机安装在底部，故是底部嵌入。

　　从逻辑结构上来说，家用电器有独立嵌入结构，主从嵌入结构、复合嵌入结构等多种方式。一般的家用电器只有一个单片机，故是独立嵌入结构;在分体空调机中，室外机有一个控制用的单片机，而室内机有1个用于对室内机进行控制同时又接收红外遥控信号，并对室内外机进行管理。因此，室内单片机和室外单片机是主从嵌入结构，而它们又是复合结构。

2. 家用电器的嵌入式智能基础

　　家用电器要实现智能，必然把软件嵌入其内部，在本质上就是需要有智能理论指导进行软件编制，这些理论就是智能基础理论。在目前，可以嵌入到家电之中的智能理论和技术方法一般有如下几种：

　　（1）  启发式搜索

　　在家电控制中，其智能化除了有良好的人机对话功能之外，更重要的是对主要指标的最优化控制。启发式搜索方法是人工智能求解中开发出来的对目标求解的最优化方法。它主要依靠和任务无关的信息来简化搜索进程，但它可以从任务中得到的启发信息来确定搜索方向，从而大大减少了优化时间。这种方法在洗衣机的程序选择过程中是十分有用的。

　　（2）  人工神经网络

　　人工神经网络在家电中最有作用的是用于经验的学习。家用电器在运行中其参数会随着时间的迁移而变化，用神经网络不断在运行中对家电性能的学习，可以预测出家电变化的趋向，以及在参数变化后的最优控制方法，从而保持家电始终处于一种优秀的工作状态。这种智能方法用于有运行损耗的动力系统中最有效，像洗衣机、洗碗机等家用电器的经验学习用神经网络是很方便而有效的。

　　（3）  模糊逻辑理论

　　模糊逻辑控制在家电指标控制中是一种极有效的智能化方法。在家电控制中，所用的技术指标或任务是模糊的。这是因为人在日常生活中的感觉，包括触觉、嗅觉、视觉都是以模糊量描述的。以模糊控制方法控制家用电器更适合人类的智慧思维及处理过程。

　　（4）  遗传算法

　　遗传算法是一种模拟自然选择及遗传的随机搜索算法，它的原则是适者生存，不适者淘汰。这种优化方法在家电中较适用于进行状态参数最优组合。在洗衣机中，用于对洗涤过程的自适应优化;在电冰箱中的制冷过程自适应优化;空调机对外部环境包括室外季节、室内人员情况的自适应优化控制。

二、 家居网络系统和家用电器

　　家居网络系统（HNS）是指在集成协同工作环境中把计算机、音频设备、视频设备，以及家居自动子系统（包括能量管理、保险、安全、加热、通讯等）连接起来，以实现家居资源的共享和管理，同时实现更舒适和全新的服务。

　　在家居网络系统中，家用电器是主要成员。可以说，家居网络系统基本上是一个家电网络。

　　一个好的家居网络系统应有以下一些特性：

　　（1） 有利于开发，适合网络传输技术，具有清晰的集成结构。
　　（2） 能识别、定义和协调所提供的服务，并按此寻找出正确的驱动面。
　　（3） 建立适当的管理方便的系统和应用结构，可以把具有多种能力的各种产品混合在一起，确保不同的技术和概念实现透明和无缝的集成。

　　目前，用于家居自动化已有几种技术方法。包括欧洲家居系统EHS（European Home System Network);欧洲设备总线EIB（European Installation Bus);贝蒂巴斯俱乐部的BatiBUS。这些技术提供的是网络的协议，从而可以使家用电器在家居内连成网络。只是家居网络系统还存在多种问题，首先，作为局部网络的家居网络采用何种协议最有效;其次，家居网络如何与互联网接挂最为理想。

　　家居网络和一般网络有很大的不同，主要表现在如下几个方面：

　　（1） 一般网络中连网的对象是结构一致的微型机系统，而家居网络中连接的对象是结构和特性完全相异的各种家用电器。
　　（2） 一般网络中信息量大，但对实时性要求不高;家居网络中家用电器信息量小，但对实时性要求较高。
　　（3） 一般网络的微机系统往往处于办公环境，较少有外界干扰，而家居网络中的家用电器处于各种差别较大的环境，受到各种干扰较多。
　　（4） 一般网络的物理结构价格较贵，在家居网络中需要较低位的价格，才能被广大家庭认可和接受。

　　为了解决家居网络的各种相关问题，人们已提出了各种相关的方案。近年来，VESA家居网络委员会提出了基于IEEE P1394高速串行总线标准和IP协议的家居网络，而Greaves和Vncos等人提出了基于ATM的家居网络技术，目的在于寻找便于访问网络的集成方法。互联网界也在考虑扩展IP协议以适应基于IP的家居网络。为了免除在组网时所用的电缆，数字电力线技术也处于标准化和运行的不同阶段，这种技术会大大减少家居网络入网的困难以及家庭用户的心理障碍。

　　不过，在目前看来，能成功集成HNS的解决方法还不很清晰，源于两个问题。第一，目的在于消费者市场的组网技术及器件价格仍然是一个重要问题;第二，能提供可靠的自重构应用集成的系统设备和器件仍然是一个未能很好解决的问题，这些设备应符合互相配合/互操作性的标准化工作。

三、 嵌入式系统家居网络的互配合及结构

　　很明显，由于在家居网络中存在大量的性能和特点结构不同的家用设备和电器，故而需要进行协调和标准化的工作，以推进HNS应用的集成化。这一过程越公开，越有利于系统、设备、制造商及用户。

　　家居网络的协调和标准化是在现有的经验基础上开始的，并且分别在各种领域展开。人们认为，如果在系统中采用一个公共模型，则对在家居网络中希望把家居子系统集成在一起的目标带来很大的便利。这种工作的研究已在计算机界开展了。Munro等人提出的开放分布处理模型ODPM(Open Distributed Processing Model)是解决问题的一个较贴切的方法，其目的在于提出一种可用家居自动化子系统成功进行集成的解决办法。

　　目前最为成功的应该是Echelon公司的现场总线控制网络——LonWorks网络。2000年10月18日~19日在美国佛罗里达州举行的LonWored2000会议上十分明显地显示了这种趋向。在该会议上，AT&T、Toshiba\,Sun Microsystem\,Honeywell\,Cypress\,Hyundai\,Samsung等都展出它们用LonWorks所构成的家居网络系统。

1. 家居网络LonWorks

　　LonWorks网络也简称Lon网。它是局部操作网络（Local Operating Network）的简写，是由美国Echelon公司在1991年推出市场的。LonWorks网络有其明显的优点：统一性、互操作性以及开放性。这也是用户对网络发展的要求。

　　LonWorks网络的特色如下：

　　（1）  通信媒介多。它可以用光纤、同轴电缆、双绞线、电力线、无线电波、红外线等进行信息传输，并且允许多种媒介混合使用。
　　（2）  开放性。网络协议LonTalk是开放的，并且对任何用户都是平等的。
　　（3）  互操作性。网络协议完善，任何厂商的产品都能实现互操作。

　　这些基本特色使得LonWorks在家居网络应用中表现出比其他网络有更大的优势，从而得到越来越广泛的应用。

　　LonWorks网络最重要的技术有两项：第一项是用Neuron Chip作为网络接口部件。所谓Neuron Chip也称神经元芯片，实质是一种特殊的单片机。这种单片机除了有存储器和I/O接口之外，还有网络通信用的收发器及各自用于不同目的的三个CPU：一个称介质访问CPU，即MAC CPU，它用于执行LonTalk协议的物理层和链路层;一个称网络CPU，它用于执行LonTalk协议的网络层、传输层、会话层、表示层这四层工作;一个称应用CPU，它用执行LonTalk协议的应用层工作，故而是用户可用的。LonTalk协议固化在Neuron Chip的存储器中，所以，一旦Neuron Chip接到LonWorks网络，它的介质访问CPU和网络CPU就自动执行网络通信及控制工作，无需用户专门进行网络通信方面的开发。这就大大方便了用户连网的工作，只须把时间花在对象的控制上（即如何应用好CPU）就足够了。

　　LonWorks最重要的第二项技术是它的微处理器接口程序，即MIP软件。用MIP软件可以开发出各种低成本的网关，从而使各种网络的互连成为轻而易举的事情。这样，网络的设计者及系统集成者无需担心其网络过时，因为可以用LonWorks技术把它和新的网络连接。

2. 家用电器上网的方法

　　家用电器上网已有多种不同的方法，这些方法基本上有如下几种：

　　（1） 在家用电器内部控制器上嵌入支持TCP/IP协议的芯片，直接上互联网。
　　这种思想是较直接的，但是把TCP/IP协议固化需要较大容量的存储器，同时执行TCP/IP协议需要速度高的处理器，这样，家电控制器就会较为复杂。应用系统电路的控制软件和执行协议相关，软件设计量大而复杂，并且，还须对家用电器控制器给定一个IP地址，从而成本较高，一般是不为用户所接受。
　　（2） 用EmWare公司的EMIT技术，并在单片机系统中采用emNet协议，再通过emGateway和互联网连接。
　　由于家电中的单片机只用较简单的emNet协议，故对单片机要求不高，不过设计者必须对emNet协议和有关的接口熟悉，同时，还应选择适合于支持emNet协议的单片机，故而这种方法实现起来仍然有较大的困难。
　　（3） 在家电控制的单片机和网关之间加入所谓WebChip芯片，并通过网关接入互联网。
　　这种方法在WebChip内部固化了和emGateway及OSI协议兼容的MCUNet协议，家电中单片机系统通过串行口SPI和WebChip打交道。这样，就可以实现家电上网，这种方法相当于在单片机与互联网之间加上一个中间部件。
　　（4） 利用LonWorks组成家电网，再通过网关和互联网连接。这种方法中，家电的一个集合首先组成一个局部网（即LonWorks网），再通过网关与互联网相接。
　　这种方式中，家电控制器只须用NeuronChip即可。故而对家电而言，其硬件结构简单，同时，软件编制也方便。用这种方法使家电进入互联网有成本低的优点。另外，LonWorks在用电力线进行组网方面有着明显的优势。

　　对于上述4种不同的方法，各有各的优缺点。第一种方法，在家电控制器内部嵌入支持TCP/IP协议的芯片，在存储容量、单片机性能上所付出的代价是很高的。因此，成本必定较高，系统也会复杂一些。第二种方法采用EMIT技术在技术开发上仍有不少困难。第三种方法的思想有一定特色，但WebChip的功能还应在实际应用中加以证实。第四种方法由于LonWorks已有近10年的历史，其各方面的技术已十分成功，并且全世界已有数千个厂商进行对应的产品开发及生产，而且可靠性已为实际所证实，故而这种方法有着明显的实用性及经济性。

结束语

　　嵌入式系统和网络已是一种不可分割的结合体。单片机的应用促使了嵌入式系统的发展，而嵌入式系统和网络的结合又形成一个复杂的系统。家用电器是一种特殊网络，它的每个节点所连的都是嵌入式系统，从而可以称为嵌入式网络。

　　家电上网和实现远程操作，其意义不在于这种网络的出现所产生的经济价值，而在于把家电从一种过去像“小农经济”式的存在方式，进入一种开放、互联的“社会化”的存在方式，也就是从个体进入网络。

　　家电自身的进化必定要进一步智能化;家电与外界的沟通必定要实现网络化。这是家电发展的两个重要方向。这两个方向中，还有很多问题需要探讨。例如，智能化应达到何等程度才是合理又合适的，如何才是最优的上网途径。随着科学技术的发展，将会产生各种卓有成效的方法和技术，在不断解决现有问题的同时，又向更深的方向发展。