基于LonWorks技術實現(xiàn)家庭智能控制系統(tǒng)的應用設計

針對目前家庭智能化所存在的功能規(guī)劃不詳盡、設備功能單一、運用技術參差不齊等缺點，本文運用現(xiàn)場總線LonWorks技術開發(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、防盜）、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測、廚房設備控制、衛(wèi)生間排風控制等功能。此外，由家庭智能控制裝置及各種測控器件構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總線連接可以構成智能小區(qū)網(wǎng)絡管理系統(tǒng)。此裝置能夠滿足人們的需要，具有廣泛的應用前景。

1 裝置硬件設計

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)遠傳計費；對住戶實現(xiàn)三防（防火、防煤氣泄漏、防盜）；對廚房設備實現(xiàn)時序控制；對衛(wèi)生間實現(xiàn)自動排風控制。其中每個裝置均可作為一個智能節(jié)點，多個節(jié)點構成了智能小區(qū)管理網(wǎng)絡系統(tǒng)（即LonWorks網(wǎng)絡），在小區(qū)中心設置服務器可實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡的管理。此外，家用電腦可與家庭控制裝置通信，實現(xiàn)對室內(nèi)設備的管理。

1．2 硬件總體設計方案

依據(jù)對裝置功能的上述規(guī)劃，可將裝置分為兩部分設計，即Lon控制模塊設計和采集模塊設計?？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控制模塊設計

在該模塊的設計中，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)更為復雜的應用系統(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)絡收發(fā)器的配置，也為選擇不同通信媒介提供了條件。本設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用信息。24k SRAM主要用于存儲應用數(shù)據(jù)以及網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的緩存。存儲器分配圖如圖3所示：

在電路設計中，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）。具體電路設計如圖4所示。

1．4 采集電路設計

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 模擬輸入電路設計

模擬輸入電路為檢測居室環(huán)境（溫度、濕度）設計，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、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)字電路設計

數(shù)字電路設計包括輸入電路設計和輸出電路設計。

（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，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，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 抗擾電路設計

在硬件設計過程中，考慮了多種抗擾設計措施。

（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 程序設計

上述功能在應用程序中采用模塊化設計，主要包括遠程抄表模塊、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)定標準（溫度控制在18～28℃，濕度控制在30～70％；此裝置能夠?qū)⒏鞣N信息準確采集，并能按照事先設定好的方式發(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)設備狀態(tài)準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。

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