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基于Internet的智能家庭網(wǎng)絡(luò )控制器的實(shí)現
摘要：隨著(zhù)智能建筑的迅速發(fā)展，家庭自動(dòng)化系統在方便、高效、節能和安全等方面逐步完善。設計了一種基于Internet的智能家庭網(wǎng)絡(luò )控制器，上層實(shí)現Internet的互聯(lián)，下層應用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現對底層設備的管理。其優(yōu)越性在于充分利用Internet的互聯(lián)性及現場(chǎng)總線(xiàn)的雙向、串行、數字等特點(diǎn)，對家用電器進(jìn)行監控管理、能源優(yōu)化使用。隨著(zhù)計算機、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集成和有機結合，智能建筑已經(jīng)成為現代建筑的發(fā)展方向。其中樓宇自動(dòng)化系統（BAS）、辦公自動(dòng)化系統（OAS）和通信自動(dòng)化系統（CAS）已有成功應用。同時(shí)人們生活水平的提高，對住宅環(huán)境在舒適、安全、高效、節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（HAS）應運而生，它一方面實(shí)現對家庭設備網(wǎng)絡(luò )的管理，另一方面與整個(gè)樓宇主控管理系統互聯(lián)[1]。對家庭網(wǎng)絡(luò )的管理主要有：
（1）對電器設備進(jìn)行自動(dòng)化監控，對能源進(jìn)行優(yōu)化管理與控制，如家電開(kāi)關(guān)、空調調節、燈光控制、聲音調節、溫度控制、濕度控制、安全和保安管理及水、電、氣三表自動(dòng)計費和轉賬管理等。
（2）對數字設備實(shí)現互聯(lián)，內部家用網(wǎng)絡(luò )接入設備之間局域網(wǎng)的連接，如計算機、多媒體計算機、電視、攝/錄像機、VCD/DVD和數碼相機等娛樂(lè )設備。對外實(shí)現與互聯(lián)網(wǎng)連接，實(shí)現遠程監控、教育、醫療、存貸、購物等。
目前已有多種HAS產(chǎn)品共存，主要集中在歐洲、美國和日本，基本采用DCS控制方案，但是各系統之間網(wǎng)絡(luò )標準不一，相互兼容性差，具體可參閱文獻資料。國內現處于開(kāi)發(fā)研究起步階段，許多問(wèn)題亟待解決。
1 總體方案設計
一般來(lái)說(shuō)，用戶(hù)是逐個(gè)購置家用設備的。從信息化角度看，大多電器設備屬于現場(chǎng)設備，不具備信息化條件，為“信息孤島”，數字設備則具備了信息交換的基礎。而設備功能的復雜性和多樣性、設備間的相關(guān)性、用戶(hù)使用的隨機性及使用程度的不可預知性等，要求系統具有良好的開(kāi)放性、可擴展性和較高的智能化程度，系統能夠自動(dòng)調整以適應不同用戶(hù)和多種環(huán)境需求。用戶(hù)只需簡(jiǎn)要地操作配置，即可實(shí)現設備的“即插即用"，自動(dòng)識別設備的類(lèi)型并建立與其相關(guān)的聯(lián)系。
從智能建筑的網(wǎng)絡(luò )資料以及外設嵌入式聯(lián)網(wǎng)的趨勢持，樓宇局域網(wǎng)與Internet已經(jīng)實(shí)現互聯(lián)，有的Ethernet直接入戶(hù)，充分利用現有標準和樓內已有資源，Internet的接入提供了條件，同時(shí)可以滿(mǎn)足用戶(hù)方便、快捷、簡(jiǎn)單地進(jìn)行異地操作，對家中設備遠程查詢(xún)、監控和管理。對于數字設備與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。
針對家用現場(chǎng)設備分散且數量隨機的特點(diǎn)，現場(chǎng)總線(xiàn)以雙向、串行、多節點(diǎn)數字通信等技術(shù)為基礎構成的開(kāi)放式、數字化、分散化及智能化底層控制網(wǎng)絡(luò )FCS（Fieldbus Control System），完全滿(mǎn)足分布式和漸增式的控制要求[2]�？偩�(xiàn)通信協(xié)議的公開(kāi)化，不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的設備之間可以進(jìn)行互聯(lián)以實(shí)現信息交換�？刂迫蝿�(wù)下載分開(kāi)到現場(chǎng)智能儀表和裝置設備中，并通過(guò)微處理器完成控制監測等算法，可實(shí)現測量控制一體化，提高整個(gè)系統的可靠性。
基于上述分析，筆者設計了基于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(hù)為例，經(jīng)雙絞非屏蔽線(xiàn)接入用戶(hù)家庭控制器HCU（Home Control Uint），現場(chǎng)電路設備經(jīng)過(guò)自身控制單元通過(guò)CAN總線(xiàn)與控制器連接。這樣HAS作為一個(gè)信息處理系統，為住宅內部各平等設備嵌入式統一控制平臺，一方面對現場(chǎng)設備實(shí)現信息化，提供信息智能處理和通信能力；另一方面又提供統一的信息交換接口及控制規則，通過(guò)信息集成管理不同功能的子系統以及子系統相互間的信息交換，使住宅成為一個(gè)有機整體。
2 HCU硬件實(shí)現
HCU的硬件結構原理如圖2所示�？刂破鬟x用Intel高性能16位單片機80C196KC，在最小系統基礎上，分別擴展了32KB數據存儲器和程序存儲器。X25045集看門(mén)狗定時(shí)器、電壓監控和E2PROM（512×8bit）于一體，用來(lái)存儲記憶系統的一些基本參數，如節點(diǎn)個(gè)數、每個(gè)節點(diǎn)的特征參數、節點(diǎn)標識符及一些與節點(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，且能根據月份和閏年情況自動(dòng)調整月份和結束日期。并行芯片8255擴展了4×5鍵盤(pán)接口，為用戶(hù)設置、查詢(xún)提供輸入接口。點(diǎn)陣圖形液晶顯示器選用MGL（S）12864，字庫由字模提取軟件生成，存在EPROM中。
HCU與下位機節點(diǎn)之間選用了規模較小、可靠性高、易于擴展的CAN總線(xiàn)，采用雙絞線(xiàn)作為通信介質(zhì)。CAN總線(xiàn)接口選用了Philips公司生產(chǎn)的獨立控制器82C200，其支持CANBUS物理層與數據鏈路層的所有功能，多主鴇，有成組和廣播報文功能，總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)優(yōu)先權取決于報文標識符，有極強的錯誤處理能力，且配置靈活允許局域網(wǎng)擴展。選用總線(xiàn)驅動(dòng)接口82C250結合光電隔離，提供對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送和接收功能，實(shí)現各節點(diǎn)之間的電氣隔離，以增大通信距離，提高總線(xiàn)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[4]，提供了一個(gè)帶有8位高性能的微處理器工作平臺和動(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(chǎng)商配制的端口（既可用于RS-485，又可用于RS-232）、4個(gè)高速電流輸出設備、4個(gè)數據輸入設備、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TCP/IP和RS-232之間相互轉換，為現場(chǎng)設備的上網(wǎng)提供了軟/硬件平臺。
對于現場(chǎng)設備需要開(kāi)發(fā)相應的基于CAN總線(xiàn)的控制單元，這里不作介紹。在底層控制網(wǎng)絡(luò )中，HCU和現場(chǎng)控制單元分別有自己的ID標志，由于采用CAN標準作為通信協(xié)議，與節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )的地位相同，于是將HCU虛擬為主機，將現場(chǎng)設備虛擬為從機，響應主機的要求，執行相應流程，各節點(diǎn)之間也可以進(jìn)行信息交換。
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