基于RS-485總線的智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

引言

　　智能家居系統(tǒng)由一個主控制器和各節(jié)點(diǎn)模塊組成，主控制器有以ARM LPC2364為核心和MAX3088構(gòu)成的RS一485接口，可以掛接最多256個設(shè)備節(jié)點(diǎn)，對于一個家庭已經(jīng)夠用，尤其對于這樣一個設(shè)備復(fù)雜多變的家庭網(wǎng)絡(luò)非常適合。

　　MAX3088芯片支持最大10 Mb／s的傳輸速度，使傳輸一些大數(shù)據(jù)量信息成為可能，而且還提高了系統(tǒng)通信的實時性。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　該系統(tǒng)通過以LPC2364為核心的主控制器連接外部Internet網(wǎng)絡(luò)和家庭RS一485網(wǎng)絡(luò)，摒棄了傳統(tǒng)的以家庭電腦為主控制器的方法，不僅節(jié)省了開支，而且省電節(jié)耗效果明顯。另外，保留了一個RS-232接口，以方便與家庭電腦通信，也為以后的系統(tǒng)升級提供了方便。LPC2364是飛利浦公司的一款帶有以太網(wǎng)控制器的ARM芯片，具有豐富的外設(shè)、較高的速度、工業(yè)級的控制標(biāo)準(zhǔn)，是穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的最佳選擇。其次，RS一485總線的掛接節(jié)點(diǎn)，按其功能可以分為家電控制模塊節(jié)點(diǎn)、安防控制模塊節(jié)點(diǎn)、燈光控制模塊節(jié)點(diǎn)等。

　　1 總體方案設(shè)計

　　智能家居系統(tǒng)包括多方面控制，如家電控制、安防報警控制、燈光控制、三表控制、門窗控制等。

　　每一方面的控制都包含了很多小的節(jié)點(diǎn)。本文選擇代表性較強(qiáng)的家電控制和安防監(jiān)控模塊進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計。

　　1.1 家電控制模塊

　　現(xiàn)代家庭中主要使用的電器的共同特點(diǎn)是繼電器控制。在家電的控制板上將功能繼電器相應(yīng)的控制線與模塊MCU連接，通過RS-485總線接口就可以方便地使用該系統(tǒng)進(jìn)行控制，如圖2所示。

　　使用7 bit輸入／輸出的達(dá)林頓管芯片MC1413驅(qū)動繼電器，來控制相關(guān)的開關(guān)量。如對空調(diào)來說，溫度控制、風(fēng)向控制等是按鍵的開關(guān)量，都可以由繼電器來完成相應(yīng)的控制?？紤]到要嵌入家電中，控制節(jié)點(diǎn)盡量做得精小，而且沒有復(fù)雜的控制對象，選用AT89C2051單片機(jī)作為控制器。RS-485通信接口使用MAX1487芯片，允許掛接125個家電，采用半雙工通信方式，通信速率為2.5 Mb／s。家電控制通信只是進(jìn)行控制命令和家電狀態(tài)信息的傳輸，數(shù)據(jù)量很小。該芯片通信速率能夠滿足要求。

　　1.2 安防監(jiān)控模塊

　　安防系統(tǒng)由煙霧傳感部分、煤氣傳感部分、實時監(jiān)控部分等組成，實現(xiàn)了防火、防煤氣中毒、防盜監(jiān)控等功能。這些組成部分由煙霧傳感器和煤氣傳感器等傳感器組成，結(jié)合A／D轉(zhuǎn)換芯片傳輸信息。

　　實時監(jiān)控部分采用Ovinmin公司生產(chǎn)的OV7141圖像采集芯片。OV7141是高度集成的攝像芯片，支持多種格式，內(nèi)設(shè)串行控制總線（serial Camera Control Bus，SCCB）接口，提供簡單控制方式，可以對OV7141芯片內(nèi)部所有寄存器值進(jìn)行修改 。OV7141包含有8 bit數(shù)據(jù)（DO，D1，D7），同步信號VSYNC、HREF、PCLK，這些信號需要送給CPU以讀取圖像數(shù)據(jù)和保證同步。

　　由于OV7141默認(rèn)幀頻為30 Hz，像素為640×480= 307 200，在此幀頻下的圖像數(shù)據(jù)傳輸速率為9.216 MB／s。在不考慮同步的情況下已遠(yuǎn)超過串口的響應(yīng)速度，必須重新設(shè)置以降低幀頻和像素。

　　在該系統(tǒng)中對OV7141的訪問有：

　　① 設(shè)置地址號為0xl1的幀頻控制器CLKRC，以降低幀頻；

　?、?設(shè)置地址號為0x14的控制器COMC，以設(shè)置像素為320×240；

　　③ 設(shè)置地址號為0x28的COMH，以設(shè)置掃描格式 。

　硬件電路如圖3所示。

　　單片機(jī)89C51的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲只有128 ByteRAM，必須外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲器存儲圖片。由于單片機(jī)串口速度的限制，OV7141的像素設(shè)置為320×240，采集黑白圖片，這樣一幀圖片的存儲空間約為76 800 bit，即9.6 KB。外擴(kuò)一個比9.6 KB大的存儲器即可，選擇32 KB的62256芯片可存儲多幀圖片。

　　數(shù)據(jù)的傳輸速度受到串口速度的限制，必須提高串口波特率。根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，在使用串口傳輸方式3時，波特率可變，可以根據(jù)傳輸效果實時改變。表1所示是采用不同波特率時一幀（一幀按9.6 KB計算）圖片的傳輸時間。

　　2 網(wǎng)絡(luò)通信

　　2.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

　　單片機(jī)構(gòu)成的多級系統(tǒng)常采用總線型主從式結(jié)構(gòu)。所謂主從式結(jié)構(gòu)，即在多個單片機(jī)中，一個主機(jī)負(fù)責(zé)通信管理，其余的都是從機(jī)，從機(jī)要服從主機(jī)的調(diào)度和支配。主機(jī)還負(fù)責(zé)通過網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。

　　在實際的多機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常采用RS一232、RS一422或RS一485串行標(biāo)準(zhǔn)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)傳輸距離和通用性，選擇RS一485總線，單片機(jī)采用串行口工作方式3通信。

　　每個從機(jī)都有惟一的地址碼，該地址碼就是從機(jī)身份的識別標(biāo)志。

　　2.2 通信機(jī)制

　　系統(tǒng)采用了RS一485總線通信方式，如圖4所示。通信中采用“輪詢制”，中繼器作為主設(shè)備不斷向下發(fā)送設(shè)備請求應(yīng)答幀，而接人從設(shè)備不能主動發(fā)送數(shù)據(jù)。任何時刻，總線只處于一種方式，即接收數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)初始化一旦完成，總線即被置為接收狀態(tài)，當(dāng)從設(shè)備接收完主設(shè)備發(fā)來的消息后，立即通過軟件將總線置為發(fā)送狀態(tài)，等從設(shè)備發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)又立即轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)，等待主設(shè)備的請求幀。如果發(fā)來的請求幀中，設(shè)備ID地址和自身ID地址一致，接收設(shè)備就檢查這個幀是否正確。

　　表2所示為主機(jī)地址幀，從機(jī)的地址碼為00H，01H，02H，并用地址碼FFH命令從機(jī)復(fù)位。

　　表3所示為主機(jī)給從機(jī)的命令幀，OlH為主機(jī)命令從機(jī)接收數(shù)據(jù)，02H為主機(jī)命令從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　如表4所示，數(shù)據(jù)字描述的都是開關(guān)量的信息，可以作為狀態(tài)信息傳送給主機(jī)，也可作為主機(jī)發(fā)送的命令格式。

　　2.3 通信流程圖

　　通信流程圖如5所示。

　　3 結(jié)語

　　系統(tǒng)采用嵌入式控制芯片做控制單元，通用RS-485總線組成傳輸網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了低成本、長距離傳輸，滿足一般家庭的遠(yuǎn)程控制家電需求，具有較高的經(jīng)濟(jì)性和實用性。