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自從1983年第一座帶有智能化觀(guān)念的建筑物在美國落成以來(lái)，智能化已經(jīng)成為當今建筑物發(fā)展的主流技術(shù)，涵蓋了從空調系統、消防報警系統到綜合保安管理系統(包括閉路監控、保安巡更、防盜報警、門(mén)禁系統)以及完善的計算機網(wǎng)絡(luò )和通信系統。目前，絕大多數建筑物仍然沿用傳統的照明控制方式。部分智能大廈采用樓宇自控(BA)系統來(lái)監控照明，但也只能實(shí)現簡(jiǎn)單的區域照明和定時(shí)開(kāi)關(guān)功能，無(wú)法用調光、場(chǎng)景控制等功能來(lái)靈活自如地管理照明設備。 就照明系統而言，它不僅要通過(guò)控制照明光源的發(fā)光時(shí)間、亮度來(lái)滿(mǎn)足不同應用場(chǎng)合的需求，而且還要考慮到管理智能化和操作簡(jiǎn)單化以適應未來(lái)照明布局和控制方式變更的要求。筆者研制的基于HBS協(xié)議的分布式智能照明系統可以滿(mǎn)足以上要求。 1 HBS協(xié)議簡(jiǎn)介 HBS的全稱(chēng)是家庭總線(xiàn)系統?Home Bus System?，它是由日本一些知名企業(yè)，包括日立?Hitachi?、松下?Matsushita?、三菱?Mitsubishi?、東芝?Toshiba?等聯(lián)合提出的，并得到了日本政府和商會(huì )的支持。HBS的網(wǎng)絡(luò )拓撲如圖1所示。 HBS協(xié)議規定了如何通過(guò)雙絞線(xiàn)或同軸電纜實(shí)現家庭電器、電話(huà)、音頻－視頻裝置的互連，著(zhù)眼于家用電器的綜合自動(dòng)化。同時(shí)，HBS協(xié)議也考慮了如何在家庭內獲得遠程服務(wù)，如在家購物、遠程醫療和遠程教學(xué)等。協(xié)議主要用于電器開(kāi)關(guān)量以及簡(jiǎn)單模擬量的控制，采用專(zhuān)用總線(xiàn)，具有抗干擾強、響應速度快、開(kāi)發(fā)成本及風(fēng)險較低的特點(diǎn)。 2 智能照明及安防系統的工作原理和性能指標 智能照明及安防系統主要的目標是將原來(lái)分散獨立的照明電器及安防裝置通過(guò)直流載波總線(xiàn)技術(shù)集成為一個(gè)智能化系統，進(jìn)行集中或分布的、本地或異地的監視、控制和事務(wù)管理。 在這個(gè)系統中，信息的傳遞最為重要。信息主要包括控制指令以及狀態(tài)響應等。系統中的任何一個(gè)控制器都能接受來(lái)自本地或異地的控制指令，從而改變本身的狀態(tài)�？刂破鳡顟B(tài)改變以后，會(huì )發(fā)出狀態(tài)響應，從而改變本地或異地的狀態(tài)顯示。根據控制指令、目標的不同，以及指令發(fā)出的方式和時(shí)間的不同，完成集中或分布的、本地或異地的監視、控制和事務(wù)管理。 分布式智能照明及安防系統的總體結構如圖2所示。從圖2可以看出，分布式智能照明系統由三大部分組成：主控器、控制器和執行器。 主控器 是系統的控制者，負責總線(xiàn)上信號的仲裁和傳遞，同時(shí)負責總線(xiàn)的供電。它是系統中的核心部件，每個(gè)系統必須有一個(gè)主控單元。 控制器 是系統信息的輸入通道，控制指令由用戶(hù)或傳感器經(jīng)它發(fā)出，控制指令執行的結果也在控制器上顯示。目前控制器基本上以按鍵的形式出現，包括普通開(kāi)關(guān)(Switch)(有單鍵、雙鍵、三鍵以及四鍵幾種規格)、調光開(kāi)關(guān)(Dimmer Switch)、電機開(kāi)關(guān)(Motor Switch)、無(wú)線(xiàn)接收器(Wireless Receiver)和主控開(kāi)關(guān)(Master Switch)(16~40鍵)幾種類(lèi)型。另外還有電話(huà)模塊，實(shí)現遠程監控。其中無(wú)線(xiàn)接收器的功能是將無(wú)線(xiàn)遙控按鍵發(fā)出的信號轉發(fā)到總線(xiàn)上。此外，傳感器單元也歸入控制器部分，不同類(lèi)型的傳感器單元有著(zhù)不同的觸發(fā)條件，一旦觸發(fā)條件滿(mǎn)足，傳感器單元自動(dòng)發(fā)出控制指令。 執行器 是具體的驅動(dòng)單元，系統的信息輸出通道，它根據控制指令去驅動(dòng)具體的對象，如燈、電源開(kāi)關(guān)、警燈、警鈴等。目前系統中包括開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器(有單通道、雙通道、四通道幾種規格，負責開(kāi)關(guān)類(lèi)對象的驅動(dòng)，如燈、電源插座、電器等)、調光驅動(dòng)器、報警驅動(dòng)器等幾種類(lèi)型。 系統主要功能有： ·一對一控制：一處的開(kāi)關(guān)控制一處燈光 ·一對多控制：一處的開(kāi)關(guān)同時(shí)控制多處燈光 ·多對一控制：多處的開(kāi)關(guān)控制一處燈光 ·場(chǎng)景控制：一個(gè)開(kāi)關(guān)讓多處燈光達到預設的狀態(tài) ·定時(shí)控制：提供開(kāi)啟保持和關(guān)閉延時(shí)功能 ·狀態(tài)顯示：開(kāi)關(guān)面板上可以觀(guān)察到所控燈光的狀態(tài) ·紅外遙控：通過(guò)紅外遙控器操作燈光 ·安全監控：防盜、煤氣泄漏、防火報警通過(guò)電話(huà)遠程監控(語(yǔ)音提示) 系統主要技術(shù)指標為： ·網(wǎng)絡(luò )結點(diǎn)間通訊距離最大600米 ·通訊速度4800比特／秒 ·網(wǎng)絡(luò )通訊節點(diǎn)數最多256點(diǎn) ·網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)可編程可記錄 ·具有軟件校驗錯誤功能 ·供電電壓：直流24V 3 主控器的設計 3.1 主控器的硬件設計 主控器的硬件主要由電源、大容量的數據存儲器、CPU、WDT、總線(xiàn)收發(fā)電路等模塊組成?主控器的硬件結構圖如圖3所示。 由于CPU、WDT、RAM等電路工作在CMOS電平下，而總線(xiàn)收發(fā)電路要處理24V的電壓信號，因此電源部分分兩塊，分別提供5V和30V的電壓作為CPU等模塊和總線(xiàn)收發(fā)電路的工作電源。為減少干擾，采用單點(diǎn)接地技術(shù)，即兩部分電源的地線(xiàn)在線(xiàn)路板上是分開(kāi)走線(xiàn)的，最后在一點(diǎn)將兩者連接。 總線(xiàn)收發(fā)模塊負責向總線(xiàn)供電與信號電平轉換。它能將CPU發(fā)出的信號(0～5V)轉換成總線(xiàn)電壓信號(0～24V)，并能將控制器、執行器發(fā)回的電流響應信號轉換成CMOS電壓信號，供CPU處理。 3.2 主控器的軟件設計 主控器主要負責系統的靜態(tài)掃描和動(dòng)態(tài)掃描，維護、記錄相關(guān)地址的狀態(tài)，以及控制器和執行器之間的綁定和包含關(guān)系。所謂包含關(guān)系就是指某個(gè)組地址或場(chǎng)景地址包含了哪些單獨地址或調光地址。因此，主控器軟件主要部分就是通訊的處理，命令的生成和地址狀態(tài)的維護。其總體結構見(jiàn)圖4。 程序總體上分命令層處理、鏈路層收發(fā)、數據處理等幾個(gè)模塊。其中鏈路層收發(fā)模塊負責將主控器發(fā)出的命令組成數據幀后發(fā)出，以及接收來(lái)自執行器和控制器的響應和命令，并將其送給命令層處理。命令層負責系統靜態(tài)掃描和動(dòng)態(tài)掃描的處理，以及系統狀態(tài)的維護。 程序中的數據分兩塊：動(dòng)態(tài)數據和靜態(tài)數據。其中靜態(tài)數據是放在EEPROM中的，內容是地址包含關(guān)系，如組地址和場(chǎng)景地址包含了哪些單獨或調光地址。這些內容是用戶(hù)設定的控制關(guān)系，在系統斷電后也能保持。動(dòng)態(tài)數據放在RAM中，它又劃分成兩塊，一塊記錄系統運行時(shí)各個(gè)地址的狀態(tài)，可以通過(guò)運行時(shí)的查詢(xún)動(dòng)態(tài)填寫(xiě)；另一塊是靜態(tài)數據的鏡像，在主控器上電啟動(dòng)時(shí)，從EEPROM中讀出填寫(xiě)入RAM，供程序運行時(shí)查詢(xún)控制關(guān)系。系統的控制關(guān)系可以在運行中動(dòng)態(tài)修改，所有的修改先寫(xiě)入動(dòng)態(tài)數據區，當用戶(hù)修改完畢，則將動(dòng)態(tài)數據區的這塊鏡像重新寫(xiě)回靜態(tài)數據區，從而新的控制關(guān)系被保存了下來(lái)。 4 控制器和執行器 控制器和執行器的硬件結構和軟件設計思想基本相似，只是執行器在硬件上比控制器多一個(gè)驅動(dòng)模塊。下面就以控制器為例來(lái)說(shuō)明。 4.1 控制器的硬件設計 目前系統中已定義的控制器包括普通開(kāi)關(guān)(1～4通道)、調光開(kāi)關(guān)、電機開(kāi)關(guān)、無(wú)線(xiàn)接收器和主控開(kāi)關(guān)(16～40通道)。它們的硬件結構基本相同，如主控開(kāi)關(guān)是由多個(gè)普通開(kāi)關(guān)附加一個(gè)設置開(kāi)關(guān)組成。下面以普通開(kāi)關(guān)為例介紹一下其硬件設計。 硬件主要由電源模塊、總線(xiàn)接口模塊、人機接口模塊和CPU模塊等四大部分組成。普通開(kāi)關(guān)硬件結構圖如圖5所示。 電源模塊將從總線(xiàn)引入的交流24V經(jīng)過(guò)全波整流，變換成24V脈動(dòng)直流電，再經(jīng)過(guò)穩壓電路，輸出5V電壓作為工作電源。由于總線(xiàn)上信號是交流24V，遠大于CMOS電路電平，因此要通過(guò)總線(xiàn)接口模塊進(jìn)行電平轉換，然后將信號送入CPU模塊處理�；厮托盘栆笫请娏餍盘�，而經(jīng)CPU模塊運算處理后輸出的響應是電壓信號，因此要經(jīng)過(guò)總線(xiàn)交互模塊將其轉換成電流信號，再回送到總線(xiàn)上。人機接口模塊負責接收用戶(hù)輸入、地址設定以及狀態(tài)顯示，方式是通過(guò)鍵盤(pán)、LED和紅外方式。CPU模塊是整個(gè)開(kāi)關(guān)的核心，負責接收總線(xiàn)信號和用戶(hù)輸入，然后通過(guò)運算、分析和判斷，產(chǎn)生響應動(dòng)作和信號。 4.2 控制器的軟件設計 整個(gè)軟件可分為鍵盤(pán)處理模塊、命令層處理模塊、鏈路層收發(fā)模塊、串行紅外通訊模塊和驅動(dòng)模塊五大部分，另外還有EEPROM讀寫(xiě)模塊、串口接收等功能單一的支持模塊。軟件的總體結構如圖6所示。 基于HBS協(xié)議的分布式智能照明及安防系統采用紅外編址技術(shù)，能任意組合控制功能，操作簡(jiǎn)單，界面直觀(guān)；采用24V直流載波總線(xiàn)技術(shù)，使得系統安裝方便，成本較低；采用強弱電隔離保護技術(shù)，確保強電故障不會(huì )波及控制系統，提高了系統的可靠性；采用低功耗的控制技術(shù)，有利于延長(cháng)系統的使用壽命，降低用戶(hù)的運行費用；而且總線(xiàn)通訊技術(shù)可靠，并可加掛各類(lèi)功能擴展模塊，例如通過(guò)基于PSTN的電話(huà)接入模塊實(shí)現遠程監控。 |
