摘 要:簡要介紹了LonWorks技術(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了智能家居網(wǎng)絡(luò)功能分析，給出一種家庭控制節(jié)點(diǎn)的軟、硬件設(shè)計(jì)，主要完成遠(yuǎn)程抄表、安防、家居控制等功能?？刂破骱诵牟糠植捎脝纹瑱C(jī)作為主處理器，完成測控功能;FT3120智能收發(fā)器固化ShortStack固件，成為ShortStack微服務(wù)器，其作為從處理器完成通信功能。該設(shè)計(jì)控制方便，布線容易，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可擴(kuò)展性好。

關(guān)鍵詞:LonWorks技術(shù); 智能家居; 智能節(jié)點(diǎn); 家庭控制器

中圖分類號:TP3681 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)12-0134-03

Home Controller Based on LonWorks Technology

LIU Lu1， CAO Rong-mei2

(1. Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China;

2. Harbin School of Light Industries， Harbin 150040， China)

Abstract:LonWorks technology is introduced. The function analysis of intelligent home network is carried out. A hardware and software design to control the home nodes is presented. The remote reading of the meters， security， home control and other functions are achieved by the technology. A SCM is adopted in the core part of the home controller as a master processor to perform the monitoring and control. FT3120 smart transceiver solidified ShortStack firmware becomes ShortStack micro-processor taken as a slave processor to complete the communication function.

Keywords: LonWorks technology; smart home; smart node; home controller

0 引 言

隨著社會信息化的加快，人們的工作、生活和通信信息的關(guān)系日益緊密。信息化社會在改變?nèi)藗兩罘绞脚c工作習(xí)慣的同時，也對傳統(tǒng)的住宅提出了挑戰(zhàn)，社會、技術(shù)以及經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步更使人們的觀念隨之巨變。人們對家居的要求早已不只是物理空間，更為關(guān)注的是一個安全、方便、舒適的居家環(huán)境。因此，開發(fā)智能家居意義重大。本文采用LonWorks技術(shù)作為開發(fā)平臺，提出了LonWorks技術(shù)在智能家居控制系統(tǒng)中的一種設(shè)計(jì)方案。

1 LonWorks技術(shù)簡介[1]

LON現(xiàn)場總線是美國Echelon公司于1991年推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)(loeal operation network)，LonWorks是一個開放的控制網(wǎng)絡(luò)平臺技術(shù)，該技術(shù)提供一個控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，給各種控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供端到端的解決方案，該技術(shù)應(yīng)用于樓宇、工廠、家庭、火車和飛機(jī)等領(lǐng)域。Lon Works采用分布式的智能設(shè)備組建控制網(wǎng)絡(luò)，同時也支持主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。它支持各種通信介質(zhì)，包括雙絞線、電力線、光纜等。該控制網(wǎng)絡(luò)的核心部分——LonTalk通信協(xié)議，已經(jīng)固化在神經(jīng)元芯片之中。該技術(shù)包括一個稱之為LNS網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的管理平臺，該平臺對LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)提供全面的管理和服務(wù)，LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)又可通過各種連接設(shè)備接入IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)，與信息技術(shù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)無縫結(jié)合。構(gòu)成Lon Works控制網(wǎng)絡(luò)的3大基本要素如下:

1.1 LonWorks現(xiàn)場控制節(jié)點(diǎn)

一個典型的現(xiàn)場控制節(jié)點(diǎn)主要包含應(yīng)用CPU、I/O處理單元、通信處理器、收發(fā)器和電源。這些節(jié)點(diǎn)可以直接采用神經(jīng)元芯片作為通信處理器和測控處理器，稱為以神經(jīng)元芯片為核心的控制節(jié)點(diǎn);神經(jīng)元芯片也可以只作為通信處理器，以主機(jī)或其他微處理器作為測控處理器的被稱為基于主機(jī)(host base)的節(jié)點(diǎn)。神經(jīng)元芯片是控制節(jié)點(diǎn)的核心器件，片內(nèi)集成媒體訪問控制(MAC)處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器和應(yīng)用程序處理器3個CPU，同時具有11位可編程I/O口、5位可編程通信口、2個可編程16位定時器/計(jì)數(shù)器，存儲器容量可擴(kuò)展至64 KB。芯片中固化了7層通信協(xié)議中的6層內(nèi)容，是集通信、控制、調(diào)度和I/O支持為一體的處理器。

1.2 通信介質(zhì)

LonWorks技術(shù)支持多種通信介質(zhì)(雙絞線、電力線、光纖、無線、紅外等)和它們的互聯(lián)。由于突破了通信介質(zhì)的限制，LonWorks網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)不同的現(xiàn)場環(huán)境選擇不同的介質(zhì)和收發(fā)器。

1.3 通信協(xié)議

LonWorks技術(shù)提供了一個公開的并遵循國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)通信參考模型的LonTalk協(xié)議。LonTalk通信協(xié)議是LonWorks技術(shù)的核心。該協(xié)議提供一套通信服務(wù)，使裝置中的應(yīng)用程序能在網(wǎng)上對其他裝置發(fā)送和接收報文而無需知道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、名稱、地址或其他裝置的功能。LonTalk協(xié)議是一個分層的、以數(shù)據(jù)包為基礎(chǔ)的對等的通信協(xié)議。LonTalk協(xié)議設(shè)計(jì)是用于控制系統(tǒng)而不是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的特定要求。為了處理網(wǎng)上的報文沖突，LonTalk協(xié)議使用類似以太網(wǎng)所用的載波監(jiān)聽多路訪問(CSMA)算法。LonTalk協(xié)議建立在CSMA基礎(chǔ)上，提供介質(zhì)訪問協(xié)議，因而可以根據(jù)預(yù)測網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量發(fā)送優(yōu)先級報文和動態(tài)調(diào)整時間片的數(shù)目。通過動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)帶寬，采用P-堅(jiān)持CSMA協(xié)議的算法使網(wǎng)絡(luò)能在極高網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量出現(xiàn)時繼續(xù)運(yùn)行;而在業(yè)務(wù)量較小時不降低網(wǎng)絡(luò)速度。LonTalk是ISO組織制定的OSI開放系統(tǒng)互連參考模型七層協(xié)議的一個子集。它包容了LonWorks的所有網(wǎng)絡(luò)通信功能，包含一個功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，通過所提供的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具生成固件，可使通信數(shù)據(jù)在各種介質(zhì)中可靠的傳輸。LonTalk協(xié)議采用網(wǎng)絡(luò)變量直接面向?qū)ο笸ㄐ牛W(wǎng)絡(luò)變量使節(jié)點(diǎn)之間的通信只通過網(wǎng)絡(luò)變量互相連接便可完成。

2 家庭控制器設(shè)計(jì)

2.1 家庭控制器功能

智能家居控制系統(tǒng)如圖1所示。家庭控制器是智能家居控制系統(tǒng)的核心，是各種家居智能化子系統(tǒng)的集成平臺。它對外通過總線與小區(qū)的區(qū)域控制器連接，形成小區(qū)控制網(wǎng)絡(luò);對內(nèi)通過家庭總線與各種家居智能化子系統(tǒng)(遠(yuǎn)程抄表子系統(tǒng)、安防子系統(tǒng)、家居子系統(tǒng)等)連接，形成智能家居控制系統(tǒng)[2]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

家庭控制器采用超大屏幕液晶顯示屏和鍵盤進(jìn)行人機(jī)交互，住戶不但可以利用它監(jiān)控和管理家居網(wǎng)絡(luò)，而且還可以通過它與小區(qū)管理中心進(jìn)行信息交換，既可查閱接收小區(qū)管理中心發(fā)來的天氣預(yù)報、各種通知等短信息，又可向中心發(fā)送短信息，請求或咨詢各種服務(wù)。另外，還可進(jìn)行室內(nèi)或遠(yuǎn)程家庭留言[3]。

2.2 家庭控制器硬件設(shè)計(jì)

家庭控制器是作為LonWorks總線上一個獨(dú)立的智能節(jié)點(diǎn)。一個典型的現(xiàn)場控制節(jié)點(diǎn)主要包括應(yīng)用CPU，I/O處理單元、通信處理器、收發(fā)器和電源。LonWorks節(jié)點(diǎn)主要有2種:一種是以神經(jīng)元芯片為核心的控制節(jié)點(diǎn)，一個神經(jīng)元芯片加上收發(fā)器便可構(gòu)成一個典型的現(xiàn)場控制節(jié)點(diǎn)。另一種采用基于主機(jī)結(jié)構(gòu)的控制節(jié)點(diǎn)，將神經(jīng)元芯片作為通信協(xié)處理器，用高性能主機(jī)的資源來完成復(fù)雜的測控功能[4-5]。本文采用基于主機(jī)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的主處理器采用C8051F330單片機(jī)，選用智能收發(fā)器FT3120作為LonWorks網(wǎng)絡(luò)接口。FT3120智能收發(fā)器將神經(jīng)元芯片3120的網(wǎng)絡(luò)處理核心和自由拓?fù)涞氖瞻l(fā)器合成在一起，生成一個低成本的智能收發(fā)器芯片。該收發(fā)器符合ANSI/EIA 709.3標(biāo)準(zhǔn)，速率為78 Kb/s，支持雙絞線自由拓?fù)浜涂偩€型拓?fù)洹Ｔ撔酒哂猩窠?jīng)元3120相同的控制功能以及內(nèi)嵌的2 KB RAM用于緩沖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)變量，帶有34個可編程標(biāo)準(zhǔn)I/O模式的11個I/O管腳;每個芯片中有獨(dú)一無二的48位ID號。它支持40 MHz高速運(yùn)作，同時內(nèi)置E2PROM可達(dá)4 KB，給應(yīng)用提供了更多的空間。FT3120智能收發(fā)器加載ShortStack固件后，便成為ShortStack微服務(wù)器。硬件設(shè)計(jì)主要包括主處理器C8051F330和ShortStack微服務(wù)器兩個CPU 的人機(jī)交互外圍接口設(shè)計(jì)，以及主處理器C8051F330和ShortStack微服務(wù)器兩個CPU的通信電路。通信電路如圖2所示[6]。

圖2 主處理器和ShortStack微服務(wù)器通信電路

2.3 家庭控制器軟件設(shè)計(jì)

軟件部分完成人機(jī)交互以及節(jié)點(diǎn)的通信功能。人機(jī)交互主要是鍵盤和終端顯示，鍵盤是矩陣形式的一系列按鍵，用戶通過鍵盤向CPU輸入數(shù)據(jù)、地址和命令。顯示終端采用中文型點(diǎn)陣LCD，控制器的標(biāo)準(zhǔn)時間使用HOLTEK公司的串行時鐘保持芯片HT1380。節(jié)點(diǎn)的通信主要是主機(jī)和ShortStack微服務(wù)器之間的通信。

主機(jī)C8051F330單片機(jī)和ShortStack微服務(wù)器之間的通信接口有SCI(Serial Communications Interface)和SPI(Serial Peripheral Interface)兩種方式[7-8]。SCI是主處理器C8051F330單片機(jī)和ShortStack Micro Server微服務(wù)器之間的半雙工異步串行通信方式。SPI是一種半雙工同步串行通信方式，在SPI模式中，ShortStack MicroServer被配置為SPI主處理器(master)，C8051F330單片機(jī)被配置為SPI從處理器(slave)。主機(jī)和微服務(wù)器之間采用SCI串行通信方式，其接口程序分兩部分:上層驅(qū)動程序，為ShortStack API提供一個接口;低層驅(qū)動程序，完成硬件接口功能[9-10]。

3 結(jié) 語

使用LonWorks技術(shù)可以方便地實(shí)現(xiàn)家居的智能化控制，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以采用自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，布線容易。對于不同子系統(tǒng)的要求，只需對LonWorks智能節(jié)點(diǎn)編寫相應(yīng)的程序，而對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無需做任何修改，增強(qiáng)了家居智能節(jié)點(diǎn)的可擴(kuò)展性。

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