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基于LonWorks总线的智能家居系统设计

发布时间:2018-11-20 01:06:10 文章来源:未来智讯    
    基于LonWorks总线的智能家居系统设计作者: 王晓亮 李水明 张银君   摘要:提出了一种基于LonWorks现场总线技能的智能家居系统的设计方案。该方案将LonWorks总线技能应用于智能家居系统,系统中的抑制和采集节点由单片机和神经元芯片组成,单片机作为主抑制器,神经元芯片作为通讯协议处理器和上位机进行通讯。
  关键词:LonWorks总线;智能家居;智能节点;单片机
  中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:2095-1302(2013)02-0041-03
  0 引 言
  智能家居以住宅作为平台,综合利用计算机、网络通讯、家电抑制、综合布线等技能,将家庭智能抑制、信息交换、安防监控等家居生活有效联合起来,创造出高效、平安、舒适、便捷的个性化住宅空间[1]。
  LonWorks是美国Echelon公司推出的现场总线技能,该总线可为智能抑制系统提供一套完整的解决方案,其核心技能是LonTalk协议和神经元芯片。其中,神经元芯片都内嵌有LonTalk协议的固件,同时神经元芯片还具有通讯和抑制功能,可提供34种常见的I/O抑制对象。LonWorks网络选取分布式结构,实现网络上节点相互通讯[2]。LonWorks作为一种开放、互操作、全数字的现场总线技能,以实时性好、灵活性好、可靠性高等特点,赢得了相关领域的生产商、研讨机构和用户的青睐.得到了极为广泛的应用[3]。LonWorks产品中的的电力线收发器不需要另外布线,可使各种设备组成智能网络进行数据测控与通讯,而且组网维护十分方便。所以,本文选取LonWorks现场总线技能来设计智能家居系统。
  1 系统架构
  智能家居系统的底层设备需要有数据采集、设备抑制、网络数据传输和数据处理等功能。设计时能够将智能家居系统划分为感知层、网络层和应用层3个层次[4]。
  感知层包括所有搭载神经元芯片的智能节点,节点使用电力载波的通讯方式组成LonWorks网络。这样组网的最大优势是不用重新布线,而使用现有电力线就能架设网络,使得组网更方便。底层终端能够大致分为安防报警类、环境监控类、家电抑制类、设备管理类等。
  网络层包括运行着LNS Server软件的服务器和网关,服务器通过网络接口与LonWorks网络上的设备进行通讯,并能直接对现场的各种设备进行监控与管理[5]。LNS服务器上还能建立一个Web服务器,以将数据通过Web站点发布到互联网上去。
  应用层是用户和系统的接口,利用友好的界面完成用户与系统的信息交互过程。用户的终端能够是PC机、手机、平板电脑等。图1所示是其系统整体结构图。
  2 设计方案
  2.1 智能节点的设计
  在本系统中,智能节点使用单片机作为主控抑制器,神经元芯片作为通讯协议处理器,图2所示是其智能节点的构架图。单片机和神经元芯片之间使用串口协议进行通讯,使用单片机作为主抑制器的优点在于外围电路开发方便,相应技能也对照成熟。用神经元芯片作为通讯协议处理器使得增加、移动和改变设备能够快速实现,网络图和数据库的维护也对照大略[6]。
  本系统要对尽可能多的电器实现自动抑制,然而目前家庭自动化产品还对照少,不可以经过系统直接抑制。所以,本设计选取其他方式进行间接抑制。本系统中的间接抑制主要选取电源抑制和红外遥控。
  对于没有自动抑制功能的产品(比如电扇、台灯、电暖箱等),这些普通家电的抑制能够通过对其电源开关的抑制来实现自动化。这些普通家电的身份识别问题,能够使用RFID射频标签来解决。电子标签除了微型芯片IC以及一个高效率天线外,无任何其他元件,所以,能够方便地贴在电器插头上。电源抑制的智能节点外围电路局部主要包括射频读写模块、与射频读写模块配合使用的天线外围电路及220 V交流电抑制电路。其结构如图3所示。系统运行时,当单片机读取到数据后,可通过串口将数据发送给神经元芯片,神经元芯片再将其发送到LonWorks网络中。上位机获得LonWorks网络中的数据后,便能够根据相应准则进行系列自动抑制。
  一般家庭中还有一些能够通过红外遥控的电器(如电视、空调等)。这些电器不能直接与系统进行通讯,然而能够通过红外遥控来抑制。因为如今的红外遥控编码相当多,本设计使用带学习型红外遥控[7]功能的智能节点,并通过将节点交代在相应位置来实现系统对这些电器的抑制。其节点结构如图4所示。
  2.2 通讯协议处理器
  本设计中,通讯协议处理器选用型号为PL3150的神经元芯片。PL3150是Echelon公司推出的一款电力线智能收发器。PL3150智能收发器选取窄带BPSK调制解调技能,具有双频调制的特点,可以在主要通讯频率被阻塞时启用预备频率事务,从而提高整个系统的稳定性。PL3150电力线智能收发器的12个I/O管脚能够通过编程配置成38种预定义标准输入/输出模式。本系统中,PL3150选取Serial(半双工异步串行)输入/输出对象与单片机进行通讯,该I/O对象类型用于使用异步串行数据格式传输数据,波特率可设置为600 b/s,1 200 b/s,2 400 b/s或4 800 b/s。在该方式下IO8引脚为串行输入,IO10引脚为串行输出,它们分辨与单片机的P1.7和P1.6引脚连接。整个电力线收发器的电路结构如图5所示。
  3 软件设计
  3.1 智能节点软件设计
  智能节点的软件设计主要分为两局部:一局部是单片机的监控程序,另一局部是神经元芯片的通讯程序。
  单片机的电源抑制智能节点程序可选取模块化设计。主程序主要完成系统的初始化、接收数据的处理、数据的发送和抑制功能。电子标签的信息采集通过停止完成,停止服务程序负责对采集到的数据进行处理,并通过串口将数据发送至神经元芯片。串口停止服务程序则负责接收上位机的抑制下令。   神经元芯片的通讯程序选取Neuron C语言编写。作为通讯处理芯片的神经元芯片用于完成与上位机系统和单片机的通讯任务。神经元芯片与上位机系统的通讯协议是在固件的抑制下完成的,具体的实现方式有网络变量和显式报文两种方法。本设计在程序中定义了输入、输出网络变量,可将待接收、发送的数据赋给相应的网络变量,这样,只要网络变量的值有更新,新的值就会传送到相应的位置。神经元芯片与单片机的通讯程序由初始化程序和预定义事件处理程序构成。初始化程序主要完成I/O端口的功能配置、网络变量的定义、缓冲器大小的定义等。预定义事件处理程序是通过事件触发的,当定义的事件发生时,神经元芯片会执行相应的处理程序,其程序流程如图6所示。
  3.2 上位机软件设计
  图7所示是远程监控系统的结构图。图7中的LonWorks网络底层为智能节点,中间层有数据库、VB应用程序和LNSDDE服务器。Web层有Web服务器、Internet网络和远程用户终端。LNSDDE服务器负责将底层智能节点的数据传输到VB应用程序中,并通过ADO数据库访问技能实现信息与数据库的交换。当远程终端向Web服务器发出请求时,Web服务器会检索信息数据库,并返回相应信息给远程终端的浏览器。
  4 结 语
  为了验证系统硬件设计及软件设计的可靠性,笔者对系统的通讯、组网、互操作本能等进行了一些必要的测试。测试证明,该抑制器节点的硬件设计、软件设计均可以满足系统设计的要求。本智能家居系统不但大大缩短了组网时间,还能提高系统的可靠性和灵活性。
  基于LonWorks总线的智能家居系统设计大略、可靠、实用,而且在进行系统设计时还选取了分布于生产现场的电力线作为通讯线路,更使得整个数据采集系统具有了安装大略、传输线路广泛的特点。本系统能够向居住者提供一个平安、舒适、便利、高效的居住生活环境。
  参 考 文 献
  [1] 姜莹.一种基于RS-485总线的智能家居系统[J].一同仪表学报,2007,28(4):789-792.
  [2] 高安帮.LonWorks技能开发和应用[M].北京:机械工业出版社,2009.
  [3] 徐建俊,杨帅,薛岚,等.基于神经元芯片MCl43150和单片机AT89S51的LON节点研讨与设计[J].电测与仪表,2007,44(7):57-60.
  [4] 罗达,付蔚,蔡林沁,等.一种智能家居系统的集群识别调度的研讨[J].电视技能,2012,36(19): 8-10.
  [5] 侯叶,郭宝龙.LonWorks监控系统的结构研讨[J].自动化仪表,2007,28(3):43-45.
  [6] Echelon Corporation. Getting Started with the LONWORKS System[EB/OL]. [2005-04-16]. http://www.echelon.com.
  [7] 李晋,王玲,韩英.基于AT89C52的学习型遥控器的设计[J].微计算机信息,2006,22(26):69-71.
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