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基于Internet的智能家庭網絡控制器的實現(xiàn)
摘要：隨著智能建筑的迅速發(fā)展，家庭自動化系統(tǒng)在方便、高效、節(jié)能和安全等方面逐步完善。設計了一種基于Internet的智能家庭網絡控制器，上層實現(xiàn)Internet的互聯(lián)，下層應用現(xiàn)場總線技術實現(xiàn)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(xiàn)場總線的雙向、串行、數(shù)字等特點，對家用電器進行監(jiān)控管理、能源優(yōu)化使用。隨著計算機、控制、網絡、通信、微電子和建筑等技術的不斷發(fā)展完善，以及相互之間的系統(tǒng)集成和有機結合，智能建筑已經成為現(xiàn)代建筑的發(fā)展方向。其中樓宇自動化系統(tǒng)（BAS）、辦公自動化系統(tǒng)（OAS）和通信自動化系統(tǒng)（CAS）已有成功應用。同時人們生活水平的提高，對住宅環(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，因此家庭自動化系統(tǒng)（HAS）應運而生，它一方面實現(xiàn)對家庭設備網絡的管理，另一方面與整個樓宇主控管理系統(tǒng)互聯(lián)[1]。對家庭網絡的管理主要有：
（1）對電器設備進行自動化監(jiān)控，對能源進行優(yōu)化管理與控制，如家電開關、空調調節(jié)、燈光控制、聲音調節(jié)、溫度控制、濕度控制、安全和保安管理及水、電、氣三表自動計費和轉賬管理等。
（2）對數(shù)字設備實現(xiàn)互聯(lián)，內部家用網絡接入設備之間局域網的連接，如計算機、多媒體計算機、電視、攝/錄像機、VCD/DVD和數(shù)碼相機等娛樂設備。對外實現(xiàn)與互聯(lián)網連接，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、教育、醫(yī)療、存貸、購物等。
目前已有多種HAS產品共存，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(tǒng)之間網絡標準不一，相互兼容性差，具體可參閱文獻資料。國內現(xiàn)處于開發(fā)研究起步階段，許多問題亟待解決。
1 總體方案設計
一般來說，用戶是逐個購置家用設備的。從信息化角度看，大多電器設備屬于現(xiàn)場設備，不具備信息化條件，為“信息孤島”，數(shù)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、設備間的相關性、用戶使用的隨機性及使用程度的不可預知性等，要求系統(tǒng)具有良好的開放性、可擴展性和較高的智能化程度，系統(tǒng)能夠自動調整以適應不同用戶和多種環(huán)境需求。用戶只需簡要地操作配置，即可實現(xiàn)設備的“即插即用"，自動識別設備的類型并建立與其相關的聯(lián)系。
從智能建筑的網絡資料以及外設嵌入式聯(lián)網的趨勢持，樓宇局域網與Internet已經實現(xiàn)互聯(lián)，有的Ethernet直接入戶，充分利用現(xiàn)有標準和樓內已有資源，Internet的接入提供了條件，同時可以滿足用戶方便、快捷、簡單地進行異地操作，對家中設備遠程查詢、監(jiān)控和管理。對于數(shù)字設備與Internet的互聯(lián)及相互之間的局域網互聯(lián)技術已經成熟，本文不再多述。
針對家用現(xiàn)場設備分散且數(shù)量隨機的特點，現(xiàn)場總線以雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信等技術為基礎構成的開放式、數(shù)字化、分散化及智能化底層控制網絡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)議的公開化，不同廠商生產的設備之間可以進行互聯(lián)以實現(xiàn)信息交換。控制任務下載分開到現(xiàn)場智能儀表和裝置設備中，并通過微處理器完成控制監(jiān)測等算法，可實現(xiàn)測量控制一體化，提高整個系統(tǒng)的可靠性。
基于上述分析，筆者設計了基于Internet的智能家庭網絡控制器，總體方案如圖1所示。以Internet/Ethernet直接入戶為例，經雙絞非屏蔽線接入用戶家庭控制器HCU（Home Control Uint），現(xiàn)場電路設備經過自身控制單元通過CAN總線與控制器連接。這樣HAS作為一個信息處理系統(tǒng)，為住宅內部各平等設備嵌入式統(tǒng)一控制平臺，一方面對現(xiàn)場設備實現(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，使住宅成為一個有機整體。
2 HCU硬件實現(xiàn)
HCU的硬件結構原理如圖2所示。控制器選用Intel高性能16位單片機80C196KC，在最小系統(tǒng)基礎上，分別擴展了32KB數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器。X25045集看門狗定時器、電壓監(jiān)控和E2PROM（512×8bit）于一體，用來存儲記憶系統(tǒng)的一些基本參數(shù)，如節(jié)點個數(shù)、每個節(jié)點的特征參數(shù)、節(jié)點標識符及一些與節(jié)點相關的聯(lián)系。串行實時時鐘DS1302提供秒、分、小時、日、月、年實時信息，且能根據(jù)月份和閏年情況自動調整月份和結束日期。并行芯片8255擴展了4×5鍵盤接口，為用戶設置、查詢提供輸入接口。點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(jié)點之間選用了規(guī)模較小、可靠性高、易于擴展的CAN總線，采用雙絞線作為通信介質。CAN總線接口選用了Philips公司生產的獨立控制器82C200，其支持CANBUS物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，多主鴇，有成組和廣播報文功能，總線訪問優(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擴展。選用總線驅動接口82C250結合光電隔離，提供對總線的差動發(fā)送和接收功能，實現(xiàn)各節(jié)點之間的電氣隔離，以增大通信距離，提高總線瞬間抗干擾能力[3]。
與Ethernet網的連接選用了基于Rabbit 2000微處理器及Ethernet芯片開發(fā)的Rabbit2000 TCP/IP開發(fā)工具箱，它是含TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)[4]，提供了一個帶有8位高性能的微處理器工作平臺和動態(tài)C語言軟件開發(fā)包。開發(fā)板提供1個與RS-232接口、1個與廠商配制的端口（既可用于RS-485，又可用于RS-232）、4個高速電流輸出設備、4個數(shù)據(jù)輸入設備、7個定時器、1個實時電池支持時鐘和1個10Base-T以太網接口，并提供了TCP/IP協(xié)議的全部源代碼，實現(xiàn)TCP/IP和RS-232之間相互轉換，為現(xiàn)場設備的上網提供了軟/硬件平臺。
對于現(xiàn)場設備需要開發(fā)相應的基于CAN總線的控制單元，這里不作介紹。在底層控制網絡中，HCU和現(xiàn)場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(jié)點在網絡的地位相同，于是將HCU虛擬為主機，將現(xiàn)場設備虛擬為從機，響應主機的要求，執(zhí)行相應流程，各節(jié)點之間也可以進行信息交換。
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