基于LonWorks網(wǎng)絡(luò)的智能住宅家庭控制裝置的設(shè)計

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、運用技術(shù)參差不齊等缺點，本文運用現(xiàn)場總線LonWorks技術(shù)開發(fā)家庭智能控制系統(tǒng)，來實現(xiàn)家庭中三表計費、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)具有擴展能力，多個這樣的獨立系統(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
1．1 硬件功能規(guī)劃
    智能化住宅家庭控制裝置所實現(xiàn)的功能包括：對住宅居室環(huán)境(溫度、濕度)進行監(jiān)控；對住戶三表(水表、煤氣表、電表)實現(xiàn)遠(yuǎn)傳計費；對住戶實現(xiàn)三防(防火、防煤氣泄漏、防盜)；對廚房設(shè)備實現(xiàn)時序控制；對衛(wèi)生間實現(xiàn)自動排風(fēng)控制。其中每個裝置均可作為一個智能節(jié)點，多個節(jié)點構(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)器可實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)的管理。此外，家用電腦可與家庭控制裝置通信，實現(xiàn)對室內(nèi)設(shè)備的管理。
1．2 硬件總體設(shè)計方案
    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，即Lon控制模塊設(shè)計和采集模塊設(shè)計?？刂蒲b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18針雙列直插式板邊連接器和一個6針單列直插式板邊連接器相連，符合模塊化設(shè)計，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
    在該模塊的設(shè)計中，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，以實現(xiàn)較寬范圍的傳輸速率。同時，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，利用雙絞線實現(xiàn)與家用電腦以及整個小區(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，可以實現(xiàn)高隔離、高抗擾，其傳輸距離可達2700米、傳輸速率達78 kb／s，可滿足裝置與上位機信息傳遞的要求。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，以保證二者的時序一致。

1．3．3 存儲器分配及電路設(shè)計
    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)計中，利用3150芯片的A15端口來實現(xiàn)對32k閃存的片選 (低電平有效)，利用3150芯片的A14、A13進行與非運算所得結(jié)果，與A15再進行與非運算來驅(qū)動SRAM的片選(低電平有效)。具體電路設(shè)計如圖4所示。

1．4 采集電路設(shè)計
    依據(jù)裝置要實現(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
    模擬輸入電路為檢測居室環(huán)境(溫度、濕度)設(shè)計，該電路如圖5所示。

    圖中的Max186芯片是用于進行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)部時鐘或外部串行接口時鐘以完成逐次逼近模／數(shù)轉(zhuǎn)換。通過射隨器進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
    數(shù)字電路設(shè)計包括輸入電路設(shè)計和輸出電路設(shè)計。
    (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，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，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
    在硬件設(shè)計過程中，考慮了多種抗擾設(shè)計措施。
    (1)采用高品質(zhì)的電源向控制器供電，單點接電源，單點接地。
    (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
    上述功能在應(yīng)用程序中采用模塊化設(shè)計，主要包括遠(yuǎn)程抄表模塊、報警聯(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，實現(xiàn)三防(火、盜、氣)，對廚房炊具、衛(wèi)生間排風(fēng)進行監(jiān)控，三表計費等功能；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。