基于 LonWorks 總線的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

智能家居以住宅作為平臺，綜合利用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、家電控制、綜合布線等技術(shù)，將家庭智能控制、信息交換、安防監(jiān)控等家居生活有效結(jié)合起來，創(chuàng)造出高效、安全、舒適、便捷的個性化住宅空間。

LonWorks是美國Echelon公司推出的現(xiàn)場總線技術(shù)，該總線可為智能控制系統(tǒng)提供一套完整的解決方案，其核心技術(shù)是LonTalk協(xié)議和神經(jīng)元芯片。其中，神經(jīng)元芯片都內(nèi)嵌有LonTalk協(xié)議的固件，同時(shí)神經(jīng)元芯片還具有通信和控制功能，可提供34種常見的I/O控制對象。LonWorks網(wǎng)絡(luò)采用分布式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)相互通信。LonWorks作為一種開放、互操作、全數(shù)字的現(xiàn)場總線技術(shù)，以實(shí)時(shí)性好、靈活性好、可靠性高等特點(diǎn)，贏得了相關(guān)領(lǐng)域的生產(chǎn)商、研究機(jī)構(gòu)和用戶的青睞.得到了極為廣泛的應(yīng)用叫LonWorks產(chǎn)品中的的電力線收發(fā)器不需要另外布線，可使各種設(shè)備組成智能網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)測控與通信，而且組網(wǎng)維護(hù)十分方便。所以，本文采用LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)來設(shè)計(jì)智能家居系統(tǒng)。

1系統(tǒng)架構(gòu)

智能家居系統(tǒng)的底層設(shè)備需要有數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理等功能。設(shè)計(jì)時(shí)可以將智能家居系統(tǒng)劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3個層次。

感知層包括所有搭載神經(jīng)元芯片的智能節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)使用電力載波的通信方式組成LonWorks網(wǎng)絡(luò)。這樣組網(wǎng)的最大優(yōu)勢是不用重新布線，而使用現(xiàn)有電力線就能架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，使得組網(wǎng)更方便。底層終端可以大致分為安防報(bào)警類、環(huán)境監(jiān)控類、家電控制類、設(shè)備管理類等。

網(wǎng)絡(luò)層包括運(yùn)行著LNSServer軟件的服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)，服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)接口與LonWorks網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備進(jìn)行通信，并能直接對現(xiàn)場的各種設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控與管理。LNS服務(wù)器上還能建立一個Web服務(wù)器，以將數(shù)據(jù)通過Web站點(diǎn)發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上去。

應(yīng)用層是用戶和系統(tǒng)的接口，利用友好的界面完成用戶與系統(tǒng)的信息交互過程。用戶的終端可以是PC機(jī)、手機(jī)、平板電腦等。圖1所示是其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，智能節(jié)點(diǎn)使用單片機(jī)作為主控控制器，神經(jīng)元芯片作為通信協(xié)議處理器，圖2所示是其智能節(jié)點(diǎn)的構(gòu)架圖。單片機(jī)和神經(jīng)元芯片之間使用串口協(xié)議進(jìn)行通信，使用單片機(jī)作為主控制器的優(yōu)點(diǎn)在于外圍電路開發(fā)方便，相應(yīng)技術(shù)也比較成熟。用神經(jīng)元芯片作為通信協(xié)議處理器使得增加、移動和改變設(shè)備可以快速實(shí)現(xiàn),網(wǎng)絡(luò)圖和數(shù)據(jù)庫的維護(hù)也比較簡單間。

本系統(tǒng)要對盡可能多的電器實(shí)現(xiàn)自動控制，但是目前家庭自動化產(chǎn)品還比較少，不能夠經(jīng)過系統(tǒng)直接控制。所以，本設(shè)計(jì)采用其他方式進(jìn)行間接控制。本系統(tǒng)中的間接控制主要采用電源控制和紅外遙控。

對于沒有自動控制功能的產(chǎn)品（比如電扇、臺燈、電暖箱等），這些普通家電的控制可以通過對其電源開關(guān)的控制來實(shí)現(xiàn)自動化。這些普通家電的身份識別問題，可以使用RFID射頻標(biāo)簽來解決。電子標(biāo)簽除了微型芯片IC以及一個高效率天線外，無任何其他元件，所以，可以方便地貼在電器插頭上。電源控制的智能節(jié)點(diǎn)外圍電路部分主要包括射頻讀寫模塊、與射頻讀寫模塊配合使用的天線外圍電路及220V交流電控制電路。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)單片機(jī)讀取到數(shù)據(jù)后,可通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給神經(jīng)元芯片，神經(jīng)元芯片再將其發(fā)送到LonWorks網(wǎng)絡(luò)中。上位機(jī)獲得LonWorks網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)后,便可以根據(jù)相應(yīng)規(guī)則進(jìn)行系列自動控制。

一般家庭中還有一些可以通過紅外遙控的電器（如電視、空調(diào)等）。這些電器不能直接與系統(tǒng)進(jìn)行通信，但是可以通過紅外遙控來控制。因?yàn)楝F(xiàn)在的紅外遙控編碼非常多，本設(shè)計(jì)使用帶學(xué)習(xí)型紅外遙控［7］功能的智能節(jié)點(diǎn)，并通過將節(jié)點(diǎn)布置在相應(yīng)位置來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對這些電器的控制。其節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3  電源控制的智能節(jié)點(diǎn)外圍電路

圖4  學(xué)習(xí)型紅外遙控智能節(jié)點(diǎn)外圍電路

2.2通信協(xié)議處理器

本設(shè)計(jì)中，通信協(xié)議處理器選用型號為PL3150的神經(jīng)元芯片。PL3150是Echelon公司推出的一款電力線智能收發(fā)器。PL3150智能收發(fā)器采用窄帶BPSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，具有雙頻調(diào)制的特點(diǎn),能夠在主要通信頻率被阻塞時(shí)啟用預(yù)備頻率工作，從而提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PL3150電力線智能收發(fā)器的12個I/O管腳可以通過編程配置成38種預(yù)定義標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出模式。本系統(tǒng)中,PL3150采用Serial（半雙工異步串行）輸入/輸出對象與單片機(jī)進(jìn)行通信，該I/O對象類型用于使用異步串行數(shù)據(jù)格式傳輸數(shù)據(jù),波特率可設(shè)置為600b/s,1200b/s,2400b/s或4800b/s。在該方式下IO8弓I腳為串行輸入，IO10引腳為串行輸出，它們分別與單片機(jī)的P1.7和P1.6引腳連接。整個電力線收發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5  LonWorks電力線收發(fā)器電路示意圖

3軟件設(shè)計(jì)

3.1智能節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

智能節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要分為兩部分：一部分是單片機(jī)的監(jiān)控程序，另一部分是神經(jīng)元芯片的通信程序。

單片機(jī)的電源控制智能節(jié)點(diǎn)程序可采用模塊化設(shè)計(jì)。主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、接收數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)的發(fā)送和控制功能。電子標(biāo)簽的信息采集通過中斷完成，中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至神經(jīng)元芯片。串口中斷服務(wù)程序則負(fù)責(zé)接收上位機(jī)的控制命令。

神經(jīng)元芯片的通信程序采用NeuronC語言編寫。作為通信處理芯片的神經(jīng)元芯片用于完成與上位機(jī)系統(tǒng)和單片機(jī)的通信任務(wù)。神經(jīng)元芯片與上位機(jī)系統(tǒng)的通信協(xié)議是在固件的控制下完成的，具體的實(shí)現(xiàn)方式有網(wǎng)絡(luò)變量和顯式報(bào)文兩種方法。本設(shè)計(jì)在程序中定義了輸入、輸出網(wǎng)絡(luò)變量，可將待接收、發(fā)送的數(shù)據(jù)賦給相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)變量，這樣，只要網(wǎng)絡(luò)變量的值有更新，新的值就會傳送到相應(yīng)的位置。神經(jīng)元芯片與單片機(jī)的通信程序由初始化程序和預(yù)定義事件處理程序構(gòu)成。初始化程序主要完成I/O端口的功能配置、網(wǎng)絡(luò)變量的定義、緩沖器大小的定義等。預(yù)定義事件處理程序是通過事件觸發(fā)的，當(dāng)定義的事件發(fā)生時(shí)，神經(jīng)元芯片會執(zhí)行相應(yīng)的處理程序，其程序流程如圖6所示。

圖6  神經(jīng)元芯片程序流程圖

3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

圖7所示是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖7中的LonWorks網(wǎng)絡(luò)底層為智能節(jié)點(diǎn)，中間層有數(shù)據(jù)庫、VB應(yīng)用程序和LNSDDE服務(wù)器。Web層有Web服務(wù)器、Internet網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程用戶終端。LNSDDE服務(wù)器負(fù)責(zé)將底層智能節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絍B應(yīng)用程序中，并通過ADO數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息與數(shù)據(jù)庫的交換。當(dāng)遠(yuǎn)程終端向Web服務(wù)器發(fā)出請求時(shí),Web服務(wù)器會檢索信息數(shù)據(jù)庫，并返回相應(yīng)信息給遠(yuǎn)程終端的瀏覽器。

4結(jié)語

為了驗(yàn)證系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)的可靠性，筆者對系統(tǒng)的通信、組網(wǎng)、互操作性能等進(jìn)行了一些必要的測試。測試表明，該控制器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)均能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。本智能家居系統(tǒng)不僅大大縮短了組網(wǎng)時(shí)間，還能提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

基于LonWorks總線的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單、可靠、實(shí)用，而且在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還采用了分布于生產(chǎn)現(xiàn)場的電力線作為通信線路，更使得整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有了安裝簡單、傳輸線路廣泛的特點(diǎn)。本系統(tǒng)可以向居住者提供一個安全、舒適、便利、高效的居住生活環(huán)境。

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