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基于Internet的智能家庭網(wǎng)絡(luò)控制器的實(shí)現(xiàn)
摘要：隨著智能建筑的迅速發(fā)展，家庭自動(dòng)化系統(tǒng)在方便、高效、節(jié)能和安全等方面逐步完善。設(shè)計(jì)了一種基于Internet的智能家庭網(wǎng)絡(luò)控制器，上層實(shí)現(xiàn)Internet的互聯(lián)，下層應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)底層設(shè)備的管理。其優(yōu)越性在于充分利用Internet的互聯(lián)性及現(xiàn)場(chǎng)總線的雙向、串行、數(shù)字等特點(diǎn)，對(duì)家用電器進(jìn)行監(jiān)控管理、能源優(yōu)化使用。關(guān)鍵詞：Internet 智能化 CAN總線 家庭自動(dòng)化系統(tǒng)
隨著計(jì)算機(jī)、控制、網(wǎng)絡(luò)、通信、微電子和建筑等技術(shù)的不斷發(fā)展完善，以及相互之間的系統(tǒng)集成和有機(jī)結(jié)合，智能建筑已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑的發(fā)展方向。其中樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)（BAS）、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)（OAS）和通信自動(dòng)化系統(tǒng)（CAS）已有成功應(yīng)用。同時(shí)人們生活水平的提高，對(duì)住宅環(huán)境在舒適、安全、高效、節(jié)能和便捷等多方面提出了更高要求，因此家庭自動(dòng)化系統(tǒng)（HAS）應(yīng)運(yùn)而生，它一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的管理，另一方面與整個(gè)樓宇主控管理系統(tǒng)互聯(lián)[1]。對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)的管理主要有：
（1）對(duì)電器設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控，對(duì)能源進(jìn)行優(yōu)化管理與控制，如家電開(kāi)關(guān)、空調(diào)調(diào)節(jié)、燈光控制、聲音調(diào)節(jié)、溫度控制、濕度控制、安全和保安管理及水、電、氣三表自動(dòng)計(jì)費(fèi)和轉(zhuǎn)賬管理等。
（2）對(duì)數(shù)字設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，內(nèi)部家用網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備之間局域網(wǎng)的連接，如計(jì)算機(jī)、多媒體計(jì)算機(jī)、電視、攝/錄像機(jī)、VCD/DVD和數(shù)碼相機(jī)等娛樂(lè)設(shè)備。對(duì)外實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、教育、醫(yī)療、存貸、購(gòu)物等。
目前已有多種HAS產(chǎn)品共存，主要集中在歐洲、美國(guó)和日本，基本采用DCS控制方案，但是各系統(tǒng)之間網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)不一，相互兼容性差，具體可參閱文獻(xiàn)資料。國(guó)內(nèi)現(xiàn)處于開(kāi)發(fā)研究起步階段，許多問(wèn)題亟待解決。
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1 總體方案設(shè)計(jì)
一般來(lái)說(shuō)，用戶是逐個(gè)購(gòu)置家用設(shè)備的。從信息化角度看，大多電器設(shè)備屬于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，不具備信息化條件，為“信息孤島”，數(shù)字設(shè)備則具備了信息交換的基礎(chǔ)。而設(shè)備功能的復(fù)雜性和多樣性、設(shè)備間的相關(guān)性、用戶使用的隨機(jī)性及使用程度的不可預(yù)知性等，要求系統(tǒng)具有良好的開(kāi)放性、可擴(kuò)展性和較高的智能化程度，系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整以適應(yīng)不同用戶和多種環(huán)境需求。用戶只需簡(jiǎn)要地操作配置，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的“即插即用"，自動(dòng)識(shí)別設(shè)備的類型并建立與其相關(guān)的聯(lián)系。
從智能建筑的網(wǎng)絡(luò)資料以及外設(shè)嵌入式聯(lián)網(wǎng)的趨勢(shì)持，樓宇局域網(wǎng)與Internet已經(jīng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，有的Ethernet直接入戶，充分利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和樓內(nèi)已有資源，Internet的接入提供了條件，同時(shí)可以滿足用戶方便、快捷、簡(jiǎn)單地進(jìn)行異地操作，對(duì)家中設(shè)備遠(yuǎn)程查詢、監(jiān)控和管理。對(duì)于數(shù)字設(shè)備與Internet的互聯(lián)及相互之間的局域網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)已經(jīng)成熟，本文不再多述。
針對(duì)家用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分散且數(shù)量隨機(jī)的特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線以雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信等技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)成的開(kāi)放式、數(shù)字化、分散化及智能化底層控制網(wǎng)絡(luò)FCS（Fieldbus Control System），完全滿足分布式和漸增式的控制要求[2]。總線通信協(xié)議的公開(kāi)化，不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備之間可以進(jìn)行互聯(lián)以實(shí)現(xiàn)信息交換�？刂迫蝿�(wù)下載分開(kāi)到現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和裝置設(shè)備中，并通過(guò)微處理器完成控制監(jiān)測(cè)等算法，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量控制一體化，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。
基于上述分析，筆者設(shè)計(jì)了基于Internet的智能家庭網(wǎng)絡(luò)控制器，總體方案如圖1所示。以Internet/Ethernet直接入戶為例，經(jīng)雙絞非屏蔽線接入用戶家庭控制器HCU（Home Control Uint），現(xiàn)場(chǎng)電路設(shè)備經(jīng)過(guò)自身控制單元通過(guò)CAN總線與控制器連接。這樣HAS作為一個(gè)信息處理系統(tǒng)，為住宅內(nèi)部各平等設(shè)備嵌入式統(tǒng)一控制平臺(tái)，一方面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息化，提供信息智能處理和通信能力；另一方面又提供統(tǒng)一的信息交換接口及控制規(guī)則，通過(guò)信息集成管理不同功能的子系統(tǒng)以及子系統(tǒng)相互間的信息交換，使住宅成為一個(gè)有機(jī)整體。
2 HCU硬件實(shí)現(xiàn)
HCU的硬件結(jié)構(gòu)原理如圖2所示�？刂破鬟x用Intel高性能16位單片機(jī)80C196KC，在最小系統(tǒng)基礎(chǔ)上，分別擴(kuò)展了32KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器。X25045集看門(mén)狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控和E2PROM（512×8bit）于一體，用來(lái)存儲(chǔ)記憶系統(tǒng)的一些基本參數(shù)，如節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、每個(gè)節(jié)點(diǎn)的特征參數(shù)、節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符及一些與節(jié)點(diǎn)相關(guān)的聯(lián)系。串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1302提供秒、分、小時(shí)、日、月、年實(shí)時(shí)信息，且能根據(jù)月份和閏年情況自動(dòng)調(diào)整月份和結(jié)束日期。并行芯片8255擴(kuò)展了4×5鍵盤(pán)接口，為用戶設(shè)置、查詢提供輸入接口。點(diǎn)陣圖形液晶顯示器選用MGL（S）12864，字庫(kù)由字模提取軟件生成，存在EPROM中。
HCU與下位機(jī)節(jié)點(diǎn)之間選用了規(guī)模較小、可靠性高、易于擴(kuò)展的CAN總線，采用雙絞線作為通信介質(zhì)。CAN總線接口選用了Philips公司生產(chǎn)的獨(dú)立控制器82C200，其支持CANBUS物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，多主鴇，有成組和廣播報(bào)文功能，總線訪問(wèn)優(yōu)先權(quán)取決于報(bào)文標(biāo)識(shí)符，有極強(qiáng)的錯(cuò)誤處理能力，且配置靈活允許局域網(wǎng)擴(kuò)展。選用總線驅(qū)動(dòng)接口82C250結(jié)合光電隔離，提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離，以增大通信距離，提高總線瞬間抗干擾能力[3]。
與Ethernet網(wǎng)的連接選用了基于Rabbit 2000微處理器及Ethernet芯片開(kāi)發(fā)的Rabbit2000
TCP/IP開(kāi)發(fā)工具箱，它是含TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式開(kāi)發(fā)系統(tǒng)[4]，提供了一個(gè)帶有8位高性能的微處理器工作平臺(tái)和動(dòng)態(tài)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)包。開(kāi)發(fā)板提供1個(gè)與RS-232接口、1個(gè)與廠商配制的端口（既可用于RS-485，又可用于RS-232）、4個(gè)高速電流輸出設(shè)備、4個(gè)數(shù)據(jù)輸入設(shè)備、7個(gè)定時(shí)器、1個(gè)實(shí)時(shí)電池支持時(shí)鐘和1個(gè)10Base-T以太網(wǎng)接口，并提供了TCP/IP協(xié)議的全部源代碼，實(shí)現(xiàn)TCP/IP和RS-232之間相互轉(zhuǎn)換，為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的上網(wǎng)提供了軟/硬件平臺(tái)。
對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的基于CAN總線的控制單元，這里不作介紹。在底層控制網(wǎng)絡(luò)中，HCU和現(xiàn)場(chǎng)控制單元分別有自己的ID標(biāo)志，由于采用CAN標(biāo)準(zhǔn)作為通信協(xié)議，與節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)的地位相同，于是將HCU虛擬為主機(jī)，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備虛擬為從機(jī)，響應(yīng)主機(jī)的要求，執(zhí)行相應(yīng)流程，各節(jié)點(diǎn)之間也可以進(jìn)行信息交換。
3 軟件模塊與協(xié)議
系統(tǒng)軟件主由監(jiān)控、配置、網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議四部分組成，其中監(jiān)控部分完成對(duì)家庭設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的控制和檢測(cè)，及時(shí)顯示且做相關(guān)處理，如故障報(bào)警、事件提示等。配置部分為用戶提供更改系統(tǒng)和設(shè)備配置的人機(jī)接口，及時(shí)提示用戶配置步驟及配置過(guò)程中的錯(cuò)誤，用戶可以查詢某一子系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)信息。網(wǎng)絡(luò)管理幫助用戶分析、管理和擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行故障診斷和故障恢復(fù)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)TCP/IP到HASP（HAS Protocol）相互間的轉(zhuǎn)換，主要是數(shù)據(jù)流關(guān)系為T(mén)CP/IP到RS-232到CAN三者之間的相互轉(zhuǎn)換。
系統(tǒng)程序首先完成初始化定義，包括最小系統(tǒng)、X25045、DS1302、鍵盤(pán)定義及處理、LCD、CAN總線、Rabbit2000，然后進(jìn)入循環(huán)監(jiān)控狀態(tài)。以水表計(jì)費(fèi)簡(jiǎn)要說(shuō)明，水表計(jì)費(fèi)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)完成計(jì)費(fèi)功能，當(dāng)用戶按下水費(fèi)鍵→鍵盤(pán)處理程序檢測(cè)該鍵按下→向水費(fèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)出費(fèi)用指令→水費(fèi)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)命令返回當(dāng)前費(fèi)用→控制器顯示水費(fèi)費(fèi)用；用戶使用密碼通過(guò)Ethernet訪問(wèn)家中HCU→發(fā)指令訪問(wèn)水費(fèi)→控制器響應(yīng)且向水費(fèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)費(fèi)用指令→水費(fèi)節(jié)點(diǎn)返回費(fèi)用→HCU通過(guò)Ethernet向用戶返回當(dāng)前水費(fèi)情況。
Internet的接入和智能化實(shí)現(xiàn)必然是HAS的發(fā)展方向，本方案的硬件平臺(tái)及底層現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)壳耙呀?jīng)完成，正著手進(jìn)行與上層網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試。該方案的優(yōu)越性在于充分利用Internet的互聯(lián)性及現(xiàn)場(chǎng)總線的雙向、串行、數(shù)字等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的優(yōu)化管理。
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