Мультимедийный пульт управления "умным домом"

Владимир Ничипорович
Виталий Мозолевский

В статье предложены результаты анализа ситуации на рынке универсальных пультов управления, описаны наиболее популярные решения от производителей, перечислены основные требования к устройствам данного класса. Также предложено описание решения, разрабатываемого компанией Promwad, приведено подробное описание аппаратной и программной частей.

Введение

У большинства людей при словах "умный дом" возникает ассоциация с большим загородным особняком, напичканным электроникой, который сегодня можно увидеть лишь в телевизионных программах о жизни "сильных мира сего". Безусловно, раньше отчасти это было правдой. Сегодня же можно свободно наблюдать повсеместную пассивную интеллектуализацию жилых помещений. К примеру, в большей части современных устройств (радиотелефон, музыкальный центр, ПК и пр.) присутствует функция объединения в единую UPnP (Universal Plug and Play) сеть, которая дает возможность автоматического подключения данных устройств друг к другу и организации их совместной работы в своей сетевой среде. Однако данная технология не очень популярна среди потребителей, и проблема здесь заключается в том, что далеко не все пользователи подозревают о существовании такой функции в своих приборах.

При этом каждый человек стремится создать для себя максимально комфортную обстановку в доме, квартире. Что же сейчас происходит на самом деле? У многих из нас в зале на столе можно обнаружить дружную колонну пультов управления от телевизора (или телевизоров - в последнее время все чаще в доме их несколько), DVD-плеера, музыкального центра, домашнего кинотеатра, кондиционера и пр. И теперь для того, чтобы дома просто посмотреть фильм, приходится включать, как минимум, два устройства, как правило, двумя различными пультами. А представьте, что будет дальше, когда появится желание управлять не только средствами развлечения, но и отоплением, освещением, кондиционированием, вентиляцией, электропитанием, охранно-пожарной сигнализацией и так далее?

Если сейчас наиболее активно интеллектуализации подвержены домашние устройства для отдыха и развлечения при том, что другие приборы (в особенности бытовые) менее затронуты данной тенденцией, то в скором времени ситуация стабилизируется, и разрыв в "интеллекте" между производимыми электронными устройствами для дома нивелируется. Уже сейчас можно наблюдать активное развитие технологий "умного дома" в среде бытовых приборов (системы кондиционирования, вентиляции, освещения, отопления и др.).

Но не стоит забывать, что одно дело приобрести эти устройства, а другое - заставить их работать вместе. По мнению Института интеллектуального здания (г. Вашингтон), "умным домом" считается "здание, обеспечивающее продуктивное и эффективное использование рабочего пространства, благодаря оптимизации его четырех основных элементов: структуры, систем, служб и управления, которое обеспечивает взаимодействие между ними". Если в самом начале задача управления "умным домом" распространялась только на бытовые приборы и решалась при помощи контроля электросети, то в настоящее время каждое устройство в доме должно подчиняться единому центру и контролироваться им.

Поэтому именно о проблеме управления "умным домом", организации взаимодействия между различными устройствами, а также о способах решения такой задачи и пойдет речь в данной статье.

Сравнительный анализ

В процессе развития современных технологий был предложен ряд устройств, способных решить в той или иной степени существующую проблему контроля над "умным домом": мобильный телефон, карманный компьютер, персональный компьютер и т.д.. Позже стало понятно, что устройства, разработанные для определенного круга функций, невозможно в достаточной степени приспособить к решению новых нестандартных задач. Таким образом, стало ясно, что необходимо кардинально новое устройство, созданное специально для контроля и управления "умным домом" - универсальный пульт управления.

На сегодняшний день на рынке существует множество решений пультов управления "умным домом", предлагаемых рядом компаний, среди которых такие мировые производители как Philips, Sony, Logitech и др. Возрастающая популярность таких универсальных пультов заставляет предъявлять ряд жестких требований к устройствам такого класса:

• минимальный вес, по возможности, не должен превышать 1 кг;
• продолжительность работы от аккумулятора при активном использовании от 5 часов и более;
• способность запоминать и управлять в среднем 250 устройствами;
• поддержка современных интерфейсов связи;
• ударопрочность;
• влагоустойчивость и др.

В Таблице 1 приведены данные, отражающие основные характеристики пультов управления различных производителей.

Характеристики	UCP	Philips SBCRU980	Philips Pronto NG TSU9600	HTM MX-3000
Питание	Li-Ion	Ni-MH	Li-Polimer	Ni-MH
Датчик освещенности	да	да	да	нет
Датчик присутствия	да	да	да	да
Технология PoE	да	нет	нет	нет
Ethernet 10/100 Mbit	да	нет	нет	нет
Инфракрасный порт	да	да	нет	да
Wi-Fi 802.11b/g	да	нет	да	нет
USB 2.0 - 1 порт	2.0 - 1 порт	1.1 - 1 порт	2.0 - 1 порт	нет
Аудио выход	да	нет	да	да
Встроенные динамики	да	нет	да	да
Микрофонный вход	да	нет	нет	нет
LCD	цветной 7'' 800x480	цветной 3,8'' 320х240	цветной 3,7'' 640х480	цветной 3,5'' 320х240
Touch screen	да	да	да	да
Клавиатура и светодиодная индикация	да	да	да	да
Частота процессора	200 MHz	20 MHz	266 MHz	206 MHz
Память RAM	32 MB	64 MB	64 MB	16 MB
Flash	8 MB	32 MB	64 MB	16 MB
Цена	500 $	1010 $	870 $	998 $

Таблица 1. Сравнительная таблица универсальных пультов управления

Рисунок 1. Philips SBC RU980

Одним из лидеров на рынке универсальных пультов сегодня является компания Philips. Среди ранних успешных проектов этой компании можно выделить ПУ Philips SBC RU980 (Рис. 1). Он и сегодня обладает достаточными характеристиками, чтобы успешно конкурировать с современными моделями. Производитель позиционирует данный продукт как эффективное и полностью настраиваемое средство управления всеми бытовыми устройствами. Основными функциями являются универсальная база данных ИК кодов, функция считывания кодов, однокнопочная настройка и возможность загрузки обновлений.

Рисунок 2. Philips Pronto NG TSU9600

Philips Pronto NG TSU9600 - одна из последних моделей универсального ПУ компании Philips (Рис. 2). Как утверждает производитель, данное устройство способно управлять всеми домашними цифровыми устройствами - начиная с развлечений (домашний кинотеатр) и систем освещения (данный ПУ поддерживает систему управления освещением RadioRA от компании Lutron Electronics) до аудиорешений (Escient Fireball Media Manager). Более подробные технические характеристики устройств, предлагаемых компанией Philips, можно посмотреть в Таблице 1.

Рисунок 3. HomeTheaterMaster MX-3000

Универсальный пульт управления MX-3000 от компании HomeTheaterMaster (Рис. 3) - один из самых популярных пультов на территории США. Он обладает цветным touch-screen LCD экраном 3.5" с поддержкой более 65 000 цветов и автоматической подсветкой, а также позволяет управлять 256 устройствами и зонами. Основными каналами управления являются ИК или радиоканал. С техническими характеристиками данного пульта можно ознакомиться в Таблице 1.

Постановка задачи

Многие из существующих решений либо не отвечают современным требованиям (малое время работы от аккумулятора, небольшой LCD экран, отсутствие возможности работы с современными интерфейсами связи, отсутствие возможности гибкого изменения и дополнения ПО и пр.), либо попросту очень дорогие. Как такового универсального решения для пульта управления "умным домом", сочетающего в себе свойство "цены-качества", на данный момент не существует. Таким образом, сложившаяся ситуация на рынке устройств управления "умным домом" показывает необходимость создания универсального мультимедийного пульта управления, отвечающего всем вышеизложенным требованиям. При этом его стоимость должна быть значительно ниже существующих на рынке аналогов.

Перед компанией Promwad была поставлена задача на разработку программного обеспечения, дизайна универсального пульта управления с наличием большого цветного LCD экрана и широкого перечня поддерживаемых интерфейсов, а также создание прототипа устройства. Пульт управления должен быть портативным, эргономичным и обладающим низким электропотреблением.

К аппаратной части разрабатываемого устройства компания-заказчик предъявила следующие требования:

• Ethernet 10/100Mbit;
• USB 2.0 host;
• Wi-Fi стандарта 802.11b/g;
• LCD с разрешением 800х480 и 24-х битной цветовой палитрой;
• Touch screen;
• Датчик освещенности;
• Датчик присутствия;
• Инфракрасный порт;
• Линейный аудио выход;
• Микрофонный вход;
• Клавиатура и светодиодная индикация;
• Внешнее питание от источника 12V или от Ethernet (технология PoE);
• Автономное питание от литий ионных аккумуляторов;
• Работа под управлением ОС Linux.

По проекту разрабатываемого устройства на текущий момент завершены этапы по проектированию аппаратной и программной частей, что позволило провести сравнительный анализ предложенного универсального пульта с уже существующими на рынке аналогами (Таблица 1). В данной статье разработанному универсальному пульту присвоено название UCP (Universal Control Panel).

Решение

Анализ ситуации на рынке универсальных пультов показывает интересную тенденцию, которая заключается в стремлении некоторых производителей оснастить свои устройства максимально мощными, а следовательно, и дорогими процессорами, которые изначально предназначались для карманных компьютеров, или PDA, при этом добавив к ним неоправданно большой объем Flash и оперативной (RAM) памяти. Политика гонки за производительностью лишь увеличивает себестоимость устройства и сокращает круг потенциальных потребителей, готовых приобрести продукт. Сегодня средняя цена современного универсального пульта управления составляет порядка 1000 долларов США. Исходя из этого, становится ясным, что стремление превратить универсальный пульт в портативный компьютер не имеет перед собой будущего, поскольку, во-первых, ниша мобильных устройств на рынке электроники давно и крепко занята превосходящими по многим параметрам карманными компьютерами PDA, а, во-вторых, итоговая цена за единицу продукции может просто распугать возможных клиентов.

Рисунок 4. Плата и эскизы исполнения UCP пульта

Поэтому плата для UCP пульта была спроектирована на базе процессора SoC Cirrus Logic EP9307. В данную систему-на-кристалле интегрировано большое количество интерфейсов, используемых в пульте. Такое решение позволяет значительно снизить количество требуемых дополнительных компонентов, а значит, уменьшить габариты устройства.

Производительность процессора позволяет успешно выполнять все задачи, возложенные на разрабатываемое устройство. В качестве операционной системы используется ОС Linux, а встроенный аппаратный графический ускоритель предоставляет пользователю красочный динамический интерфейс.

Применение Linux позволило сделать данное устройство универсальным в плане выполняемых функций и применить его не только как пульт дистанционного управления. Например, при помещении устройства в "крэдл" пульт при определенной настройке становится электронной фото-рамкой, выводя на экран загруженные фотографии. Благодаря возможности загрузки свободного ПО, пользователь может выходить в Интернет, загружать разнообразные игры, а также просматривать электронную почту, создавать напоминания, заметки для других членов семьи и многое-многое другое.

Каждый производитель стремится реализовать в устройствах данного класса максимум мультимедийных возможностей. Изначально в универсальных пультах в большей степени преобладало управление при помощи клавиатуры, а экран выступал лишь средством отображения информации. В настоящее время все устройства оснащены сенсорными экранами, и клавиатура начинает выступать лишь как вспомогательный инструмент. Поэтому при проектировании мультимедийного пульта управления "умным домом" основной акцент специалисты компании Promwad делали на минимизацию количества клавиш в устройстве и увеличении площади сенсорного LCD экрана.

В результате был применен LCD экран Hitachi TX18D16VM1CBA c сенсорной панелью - один из самых крупных для устройств данного класса (7'' против 3,8'' у аналогов) с разрешением 800x480 и 24-х битной глубиной цвета. Помимо этого, на плате реализованы клавиатура (использует интерфейс 8x8 Keypad Scanner процессора), светодиодная индикация режимов работы и светодиодная подсветка клавиатуры.

Оцифровка звука с микрофона и вывод сообщений либо музыки на динамики осуществляется посредством аудиокодека AD1981BJSTZ, подключенного к интерфейсу AC`97 процессора. Также устройство снабжено инфракрасным приемником и передатчиком, так как эта технология все еще широко применяется при управлении аудио- и видео- техникой.

Многие из существующих аналогов в целях снижения энергопотребления имеют датчики присутствия и освещенности. Для решения задачи малого энергопотребления на плате UCP установлены датчик освещенности на основе микросхемы TSL2550T и датчик присутствия на чипе QT113-ISG от Qprox. Такое решение показывает свою эффективность и позволяет продлить время работы пульта на 35%.

Для реализации функций беспроводной связи через WiFi используется модуль Unex RM5 стандарта 802.11b/g на базе чипа Marvell M8385. Для подключения USB-накопителей и других USB-slave устройств реализован интерфейс USB-host стандарта 2.0.

Помимо того, в устройстве реализовано три варианта питания. В первом варианте используется PoE (Power-over-Ethernet) модуль, который позволяет передавать устройству вместе с данными электрическую энергию через стандартную витую пару в сети Ethernet. В настоящее время такое решение не является распространенным и со временем, возможно, завоюет большую популярность среди разработчиков и потребителей. Второй вариант - от внешнего источника питания. Третий вариант - от встроенной аккумуляторной батареи.

Относительно программного обеспечения аппаратной платформы был разработан пакет поддержки аппаратуры (BSP) на основе начального загрузчика U-Boot и операционной системы Poky Linux для процессора ARM, базирующейся на полнофункциональной системной библиотеке GNU libc. В качестве ядра операционной системы используется стандартная стабильная версия ядра Linux 2.6.20 с изменениями, которые поставляется компанией Cirrus Logic.

В процессе разработки ПО также реализованы драйверы для датчика присутствия и драйверы для управления питанием, которые используются различными функциональными модулями устройства. В процессе адаптации ядра внесены изменения в драйвер клавиатуры. Для работы с экраном LCD компании Hitachi адаптирован соответствующий драйвер поддержки framebuffer и изменен графический Х-сервер с целью поддержки устройства сенсорного экрана LCD.

Стоимость предложенной системы-на-кристалле незначительна и составляет около 20 долларов США. При этом разработанная печатная плата имеет 6 слоев. Такое небольшое количество слоев для печатной платы позволило уменьшить стоимость производства и упростить его так, чтобы было возможно проводить полный цикл производства устройства на российских заводах, учитывая их технологические нормы и процессы. Это в совокупности с минимизацией количества использованных дополнительных компонентов позволило значительно снизить себестоимость устройства.

В итоге стоимость предложенного UCP пульта в разы меньше по сравнению с аналогами. Низкий ценовой диапазон позволит в дальнейшем сделать технологии "умного дома" более популярными среди массового потребителя и, возможно, как результат - значительно снизить среднюю стоимость устройств данного класса.

Выводы

Таким образом, разработанный UCP пульт управления "умным домом" позволяет высокоэффективно заменить различные устройства управления одним.

Предлагаемый универсальный пульт управления позволяет выполнять такие функции как:

• управление всеми устройствами, подключенными в домашнюю сеть;
• отображение состояния всех подключенных электронных устройств;
• использование в качестве универсального пульта ДУ с возможностью программирования;
• интеграция с видео-домофоном, выполнение функции вывода качественного изображения и приема-передачи звука;
• интеграция в автоматизированную систему контроля и учета энергии;
• электронная книга;
• планшетный PC для доступа в интернет и просмотра электронной почты;
• цифровой аудио- и видео- плеер;
• фото-рамка при установке в "крэдл";
• интернет-радио;
• часы, будильник, органайзер, "семейный напоминатель".

Данный перечень выполняемых функций неокончательный. Однако, уже на данном этапе ясно, что разработанное компанией Promwad устройство может конкурировать со многими современными аналогами по ряду значимых параметров, таких как размер и разрешение экрана, которые на порядок больше, поддержка всех современных интерфейсов и работа под управлением свободно распространяемой ОС Linux с возможностью бесплатной загрузки программного обеспечения, функциональные возможности и низкое энергопотребление. Широкое применение, свободное распространение и наличие большого количества специалистов в области ОС Linux позволяет вносить изменения в функциональность пульта с минимальными затратами, что дает возможность адаптировать устройство под специфические требования как целых групп потребителей, так и конкретного пользователя.

Так, если потребитель изъявил желание в индивидуализации графического интерфейса взаимодействия, то политика открытого кода ОС Linux позволяет в минимальные сроки предоставить данному потребителю решение, максимально отвечающее его требованиям. Таким образом, эта возможность позволяет обеспечить высокую конкурентоспособность данного продукта с линейкой существующих аналогов, которые зачастую используют коммерческие ОС, имеющие ряд недостатков, связанных с закрытым исходным кодом, отсутствием большого числа специалистов, знакомых с данной архитектурой, а также необходимостью обязательной выплаты лицензионных отчислений.

Еще одним немаловажным критерием для успешной конкуренции с аналогичными разработками является низкая стоимость устройства, которая позволит открыть рынок недорогих универсальных пультов управления "умного дома" широкому кругу потребителей. Возможно, именно это качество и сыграет ключевую роль в дальнейшей судьбе данного прибора.

Стоит отметить, что процесс разработки UCP пульта еще не завершен, и поэтому вполне возможны последующие улучшения некоторых аппаратных и программных параметров устройства.

Разрабатываемый продукт появится на европейском рынке предположительно в третьем- четвертом кварталах 2008 года.

Полезные ссылки
www.promwad.com
www.dolnikoff.com
www.smarthome.com
www.smarthouse.com.au
www.smart-house.com