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基于Internet的智能家庭網絡控制器的實現(xiàn)

時間:2023-02-21 00:04:21 電子通信論文 我要投稿
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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。

    關鍵詞:Internet 智能化 CAN總線 家庭自動化系統(tǒng)

基于Internet的智能家庭網絡控制器的實現(xiàn)

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。
(范文先生網www.panasonaic.com收集整理)
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]?偩通信協(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。

3 軟件模塊與協(xié)議

系統(tǒng)軟件主由監(jiān)控、配置、網絡管理和網絡協(xié)議四部分組成,其中監(jiān)控部分完成對家庭設備運行狀態(tài)的控制和檢測,及時顯示且做相關處理,如故障報警、事件提示等。配置部分為用戶提供更改系統(tǒng)和設備配置的人機接口,及時提示用戶配置步驟及配置過程中的錯誤,用戶可以查詢某一子系統(tǒng)的當前狀態(tài)信息。網絡管理幫助用戶分析、管理和擴展網絡,并進行故障診斷和故障恢復。網絡協(xié)議實現(xiàn)TCP/IP到HASP(HAS Protocol)相互間的轉換,主要是數(shù)據(jù)流關系為TCP/IP到RS-232到CAN三者之間的相互轉換。

系統(tǒng)程序首先完成初始化定義,包括最小系統(tǒng)、X25045、DS1302、鍵盤定義及處理、LCD、CAN總線、Rabbit2000,然后進入循環(huán)監(jiān)控狀態(tài)。以水表計費簡要說明,水表計費節(jié)點自動完成計費功能,當用戶按下水費鍵→鍵盤處理程序檢測該鍵按下→向水費節(jié)點發(fā)出費用指令→水費節(jié)點響應命令返回當前費用→控制器顯示水費費用;用戶使用密碼通過Ethernet訪問家中HCU→發(fā)指令訪問水費→控制器響應且向水費節(jié)點發(fā)費用指令→水費節(jié)點返回費用→HCU通過Ethernet向用戶返回當前水費情況。

Internet的接入和智能化實現(xiàn)必然是HAS的發(fā)展方向,本方案的硬件平臺及底層現(xiàn)場控制系統(tǒng)實驗目前已經完成,正著手進行與上層網絡的調試。該方案的優(yōu)越性在于充分利用Internet的互聯(lián)性及現(xiàn)場總線的雙向、串行、數(shù)字等特點,實現(xiàn)了對整個家庭網絡設備的優(yōu)化管理。


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