基于LonWorks網(wǎng)絡(luò)的智能住宅家庭控制裝置的設(shè)計(jì)
摘要:針對目前家庭智能化所存在的功能規(guī)劃不詳盡、設(shè)備功能單一、運(yùn)用技術(shù)參差不齊等缺點(diǎn),本文運(yùn)用現(xiàn)場總線LonWorks技術(shù)開發(fā)家庭智能控制系統(tǒng),來實(shí)現(xiàn)家庭中三表計(jì)費(fèi)、三防(防火、防災(zāi)、防盜)、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測、廚房設(shè)備控制、衛(wèi)生間排風(fēng)控制等功能。此外,由家庭智能控制裝置及各種測控器件構(gòu)成的家庭智能控制系統(tǒng)具有擴(kuò)展能力,多個(gè)這樣的獨(dú)立系統(tǒng)通過LonWorks總線連接可以構(gòu)成智能小區(qū)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。此裝置能夠滿足人們的需要,具有廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:家庭控制裝置;LonWorks;神經(jīng)元芯片;開放性
1 裝置硬件設(shè)計(jì)
1.1 硬件功能規(guī)劃
智能化住宅家庭控制裝置所實(shí)現(xiàn)的功能包括:對住宅居室環(huán)境(溫度、濕度)進(jìn)行監(jiān)控;對住戶三表(水表、煤氣表、電表)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳計(jì)費(fèi);對住戶實(shí)現(xiàn)三防(防火、防煤氣泄漏、防盜);對廚房設(shè)備實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制;對衛(wèi)生間實(shí)現(xiàn)自動排風(fēng)控制。其中每個(gè)裝置均可作為一個(gè)智能節(jié)點(diǎn),多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了智能小區(qū)管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(即LonWorks網(wǎng)絡(luò)),在小區(qū)中心設(shè)置服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理。此外,家用電腦可與家庭控制裝置通信,實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)設(shè)備的管理。
1.2 硬件總體設(shè)計(jì)方案
依據(jù)對裝置功能的上述規(guī)劃,可將裝置分為兩部分設(shè)計(jì),即Lon控制模塊設(shè)計(jì)和采集模塊設(shè)計(jì)。控制裝置以Lon控制模塊為核心,通過對采集電路所采集的各種信號加以作用,完成裝置的各種功能。其中Lon控制模塊包括神經(jīng)元(neuron) 芯片、存儲器、晶振、收發(fā)器等;采集模塊包括I/O接口電路、光電隔離保護(hù)電路、驅(qū)動電路、緩沖電路、保持電路、鎖存電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路等;二部分之間通過一個(gè)18針雙列直插式板邊連接器和一個(gè)6針單列直插式板邊連接器相連,符合模塊化設(shè)計(jì),便于安裝與調(diào)試。該硬件裝置原理圖如圖1所示。
1.3 Lon控制模塊設(shè)計(jì)
在該模塊的設(shè)計(jì)中,涉及到神經(jīng)元芯片的選擇、存儲器的分配、通信端口的配置問題,分別介紹如下。
1.3.1 神經(jīng)元芯片選擇
神經(jīng)元芯片包括Neuron3120xx和Neuron3150,這兩種芯片在功能上大體相同,只是3120芯片內(nèi)含有2k存儲器,多用于功能較少而不需要擴(kuò)展存儲器的硬件構(gòu)造中;而Neuron3150芯片內(nèi)部具有0.5k EEPROM、2k RAM存儲器,可外擴(kuò)存儲器來存儲信息,可以用來開發(fā)更為復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)。本文選用Neuron3150芯片作為開發(fā)裝置的核心器件。
1.3.2 通信端口配置
Neuron3150芯片的通信口可與多種傳輸媒介接口(即網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器)相連接,以實(shí)現(xiàn)較寬范圍的傳輸速率。同時(shí),各種不同類型的網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器的配置,也為選擇不同通信媒介提供了條件。本設(shè)計(jì)中的家庭控制裝置采用FTT-10型收發(fā)器配置,利用雙絞線實(shí)現(xiàn)與家用電腦以及整個(gè)小區(qū)管理網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞。FTT-10型收發(fā)器采用變壓器隔離,可以實(shí)現(xiàn)高隔離、高抗擾,其傳輸距離可達(dá)2700米、傳輸速率達(dá)78 kb/s,可滿足裝置與上位機(jī)信息傳遞的要求。Neuron3150芯片的通信端口可以配置成三種工作方式:單端工作方式、差分工作方式、專用工作方式。不同工作方式所對應(yīng)的引腳定義不同,如表1所示。
本裝置中Neuron3 1 50芯片的通信端口采用單端工作方式配置,與FTT-10收發(fā)器的配置如圖2所示,其中FTT-10的CLK端與3150的CLK2相連,以保證二者的時(shí)序一致。
1.3.3 存儲器分配及電路設(shè)計(jì)
由于Neuron3150芯片內(nèi)部的存儲器不能滿足存儲要求,因此在 Lon控制模塊設(shè)計(jì)中,采用外接32k閃存和24kSRAM作為外存,其中16kB(尋址范圍0X0000-0X3FFF)閃存用來保存 Neuron3150芯片固件,另16kB閃存(0X4000-0X7FFF)用來存儲各種配置以及應(yīng)用信息。24k SRAM主要用于存儲應(yīng)用數(shù)據(jù)以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的緩存。存儲器分配圖如圖3所示:
在電路設(shè)計(jì)中,利用3150芯片的A15端口來實(shí)現(xiàn)對32k閃存的片選 (低電平有效),利用3150芯片的A14、A13進(jìn)行與非運(yùn)算所得結(jié)果,與A15再進(jìn)行與非運(yùn)算來驅(qū)動SRAM的片選(低電平有效)。具體電路設(shè)計(jì)如圖4所示。
1.4 采集電路設(shè)計(jì)
依據(jù)裝置要實(shí)現(xiàn)的功能,采集電路規(guī)劃為數(shù)字輸入12路、數(shù)字輸出12路、模擬輸入 4路:Neuron3150芯片I/07至I/0010管腳用來接收室內(nèi)溫濕度值,配置成4路模擬電路;I/O-O至I/O-6管腳和利用地址總線擴(kuò)展出的3路I/O口共同形成24路數(shù)字信號。
1.4.1 模擬輸入電路設(shè)計(jì)
模擬輸入電路為檢測居室環(huán)境(溫度、濕度)設(shè)計(jì),該電路如圖5所示。
圖中的Max186芯片是用于進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的,由美國美信公司生產(chǎn),Max186是12位的數(shù)據(jù)采集集成芯片,它把8通道多路開關(guān)、大帶寬跟蹤/保持電路和串行接口組合在一起,4線串行接口可直接接到SPI、QSPIMicrowire器件而無需外加邏輯,使用內(nèi)部時(shí)鐘或外部串行接口時(shí)鐘以完成逐次逼近模/數(shù)轉(zhuǎn)換。通過射隨器進(jìn)入芯片的模擬輸入信號為0-5 V電壓信號,它可以轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并以Neurowire總線方式串行進(jìn)入神經(jīng)元芯片中,然后存放在存儲器SRAM中,這些數(shù)據(jù)可傳到家用電腦中用來顯示和記錄。
1.4.2 數(shù)字電路設(shè)計(jì)
數(shù)字電路設(shè)計(jì)包括輸入電路設(shè)計(jì)和輸出電路設(shè)計(jì)。
(1)數(shù)字輸入電路
數(shù)字輸入電路為采集三表、三防信號而設(shè)計(jì),電路如圖6所示。數(shù)字輸入電路以神經(jīng)元芯片中的I/O-O-I/O-5管腳所擴(kuò)展成的6總線為基礎(chǔ),通過片選信號作用形成12路,此電路中光電隔離的輸入端,接各種傳感器信號,以防止因傳感器輸入電壓過大而燒毀元器件。2片74LS245芯片作為數(shù)字輸入緩沖電路,以確保裝置能準(zhǔn)確地接受傳感器的信號。
(2)數(shù)字輸出電路
數(shù)字輸出電路以I/O-O-I/O-5管腳所擴(kuò)展成的6總線為基礎(chǔ),通過片選信號作用形成12路,電路如圖6所示。圖中2片74LS273芯片作為輸出鎖存電路,利用該電路保持輸入狀態(tài)的特點(diǎn),使Lon控制模塊輸出的信號可靠地傳到各種執(zhí)行裝置上。
1.5 抗擾電路設(shè)計(jì)
在硬件設(shè)計(jì)過程中,考慮了多種抗擾設(shè)計(jì)措施。
(1)采用高品質(zhì)的電源向控制器供電,單點(diǎn)接電源,單點(diǎn)接地。
(2)線路板上的數(shù)字電路與模擬電路盡量分開,數(shù)字地與模擬地分開,地線、電源線盡量加粗。
(3)輸入信號加光電耦合器隔離,防止外圍器件動作時(shí)產(chǎn)生的回流沖擊系統(tǒng)電路。
(4)數(shù)字量輸出的繼電器線圈處要加放電二極管,可以用串一個(gè)電阻的辦法來軟化信號的跳變沿或提供一定的阻尼。
2 程序設(shè)計(jì)
上述功能在應(yīng)用程序中采用模塊化設(shè)計(jì),主要包括遠(yuǎn)程抄表模塊、報(bào)警聯(lián)動模塊、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測模塊、順序控制模塊,各功能模塊采用定時(shí)器事件來驅(qū)動。程序流程圖如圖7所示:
3 結(jié)論
利用此裝置可以控制住宅溫、濕度等參數(shù),以滿足智能住宅規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)(溫度控制在18~28℃,濕度控制在30~70%;此裝置能夠?qū)⒏鞣N信息準(zhǔn)確采集,并能按照事先設(shè)定好的方式發(fā)出命令,實(shí)現(xiàn)三防(火、盜、氣),對廚房炊具、衛(wèi)生間排風(fēng)進(jìn)行監(jiān)控,三表計(jì)費(fèi)等功能;此裝置可以將三表采集信息、室內(nèi)溫濕度數(shù)值以及室內(nèi)設(shè)備狀態(tài)準(zhǔn)確地傳遞給家用電腦,家用電腦能夠監(jiān)控控制裝置的工作。