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隨著(zhù)計算機、控制、網(wǎng)絡(luò )、通信、微電子和建筑等技術(shù)的不斷發(fā)展完善，以及相互之間的系統集成和有機結合，智能建筑已經(jīng)成為現代建筑的發(fā)展方向。其中樓宇自動(dòng)化系統(BAS)、辦公自動(dòng)化系統(OAS)和通信自動(dòng)化系統(CAS)已有成功應用。同時(shí)人們生活水平的提高，對住宅環(huán)境在舒適、安全、高效、節能和便捷等多方面提出了更高要求，因此家庭自動(dòng)化系統(HAS)應運而生，它一方面實(shí)現對家庭設備網(wǎng)絡(luò )的管理，另一方面與整個(gè)樓宇主控管理系統互聯(lián)。對家庭網(wǎng)絡(luò )的管理主要有： (1)對電器設備進(jìn)行自動(dòng)化監控，對能源進(jìn)行優(yōu)化管理與控制，如家電開(kāi)關(guān)、空調調節、燈光控制、聲音調節、溫度控制、濕度控制、安全和保安管理及水、電、氣三表自動(dòng)計費和轉帳管理等。 (2)對數字設備實(shí)現互聯(lián)，內部家用網(wǎng)絡(luò )接入設備之間局域網(wǎng)的連接，如計算機、多媒體計算機、電視、攝/錄像機、VCD/DVD和數碼相機等娛樂(lè )設備。對外實(shí)現與互聯(lián)網(wǎng)連接，實(shí)現遠程監控、教育、醫療、存貸、購物等。 目前已有多種HAS產(chǎn)品共存，主要集中在歐洲、美國和日本，基本采用DCS控制方案，但是各系統之間網(wǎng)絡(luò )標準不一，相互兼容性差，具體可參閱文獻資料。國內現處于開(kāi)發(fā)研究起步階段，許多問(wèn)題亟待解決。 1 總體方案設計 一般來(lái)說(shuō)，用戶(hù)是逐個(gè)購置家用設備的。從信息化角度看，大多電器設備屬于現場(chǎng)設備，不具備信息化條件，為"信息孤島"，數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(guān)性、用戶(hù)使用的隨機性及使用程度的不可預知性等，要求系統具有良好的開(kāi)放性、可擴展性和較高的智能化程度，系統能夠自動(dòng)調整以適應不同用戶(hù)和多種環(huán)境的需求。用戶(hù)只需簡(jiǎn)要地操作配置，即可實(shí)現設備的"即插即用"，自動(dòng)識別設備的類(lèi)型并建立與其相關(guān)的聯(lián)系。 從智能建筑的網(wǎng)絡(luò )資源以及外設嵌入式聯(lián)網(wǎng)的趨勢看，樓宇局域網(wǎng)與Internet已經(jīng)實(shí)現互聯(lián)，有的Ethernet直接入戶(hù)，充分利用現有標準和樓內已有資源，為Internet的接入提供了條件，同時(shí)可以滿(mǎn)足用戶(hù)方便、快捷、簡(jiǎn)單地進(jìn)行異地操作，對家中設備的遠程查詢(xún)、監控和管理。對于數字設備與Internet的互聯(lián)及相互之間的局域網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)已經(jīng)成熟，本文不再多述。 針對家用現場(chǎng)設備分散且數量隨機的特點(diǎn)，現場(chǎng)總線(xiàn)以雙向、串行、多節點(diǎn)數字通信等技術(shù)為基礎構成的開(kāi)放式、數字化、分散化及智能化底層控制網(wǎng)絡(luò )FCS(Fieldbus Control System)，完全滿(mǎn)足分布式和漸增式的控制要求�？偩�(xiàn)通信協(xié)議的公開(kāi)化，不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的設備之間可以進(jìn)行互聯(lián)以實(shí)現信息交換�？刂迫蝿�(wù)下載分配到現場(chǎng)智能儀表和裝置設備中，并通過(guò)微處理器完成控制監測等算法，可以實(shí)現測量控制一體化，提高整個(gè)系統的可靠性。 基于上述分析，筆者設計了基于Internet的智能家庭網(wǎng)絡(luò )控制器，總體方案如圖1所示。以Internet/Ethernet直接入戶(hù)為例，經(jīng)雙絞非屏蔽線(xiàn)接入用戶(hù)家庭控制器HCU(Home Control Uint)，現場(chǎng)電器設備經(jīng)過(guò)自身控制單元通過(guò)CAN總線(xiàn)與控制器連接。這樣HAS作為一個(gè)信息處理系統，為住宅內部各平等設備嵌入統一控制平臺，一方面對現場(chǎng)設備實(shí)現信息化，提供信息智能處理和通信能力；另一方面又提供統一的信息交換接口及控制規則，通過(guò)信息集成管理不同功能的子系統以及子系統相互間的信息交換，使住宅成為一個(gè)有機整體。 2 HCU硬件實(shí)現 HCU的硬件結構原理如圖2所示�？刂破鬟x用Intel高性能16位單片機80C196KC，在最小系統的基礎上，分別擴展了32KB數據存儲器和程序存儲器。X25045集看門(mén)狗定時(shí)器、電壓監控和E2PROM(512×8bit)于一體，用來(lái)存儲記憶系統的一些基本參數，如節點(diǎn)個(gè)數、每個(gè)節點(diǎn)的特征參數、節點(diǎn)標識符及一些與節點(diǎn)相關(guān)的聯(lián)系。串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1302提供秒、分、小時(shí)、日、月、年實(shí)時(shí)信息，且能根據月份和閏年情況自動(dòng)調整月份和結束日期。并行芯片8255擴展了4×5鍵盤(pán)接口，為用戶(hù)設置、查詢(xún)提供輸入接口。點(diǎn)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與下位機節點(diǎn)之間選用了規模較小、可靠性高、易于擴展的CAN總線(xiàn)，采用雙絞線(xiàn)作為通信介質(zhì)。CAN總線(xiàn)接口選用了Philips公司生產(chǎn)的獨立控制器82C200，其支持CANBUS物理層與數據鏈路層的所有功能，多主結構，有成組和廣播報文功能，總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)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(wǎng)擴展。選用總線(xiàn)驅動(dòng)接口82C250結合光電隔離，提供對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送和接收功能，實(shí)現各節點(diǎn)之間的電氣隔離，以增大通信距離，提高總線(xiàn)瞬間抗干擾能力。 與Ethernet網(wǎng)的連接選用了基于Rabbit 2000微處理器及Ethernet芯片開(kāi)發(fā)的 Rabbit2000 TCP/IP開(kāi)發(fā)工具箱，它是含TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式開(kāi)發(fā)系統[4]，提供了一個(gè)帶有8位高性能的微處理器工作平臺和動(dòng)態(tài)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)包。開(kāi)發(fā)板提供1個(gè)與RS-232接口、1個(gè)與廠(chǎng)商配制的端口(既可用于RS-485，又可用于RS-232)、4個(gè)高速電流輸出設備、4個(gè)數據輸入設備、7個(gè)定時(shí)器、1個(gè)實(shí)時(shí)電池支持時(shí)鐘和1個(gè)10Base-T以太網(wǎng)接口，并提供了TCP/IP協(xié)議的全部源代碼，實(shí)現TCP/IP和RS-232之間相互轉換，為現場(chǎng)設備的上網(wǎng)提供了軟/硬件平臺。 對于現場(chǎng)設備需要開(kāi)發(fā)相應的基于CAN總線(xiàn)的控制單元，這里不作介紹。在底層控制網(wǎng)絡(luò )中，HCU和現場(chǎng)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，與節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )中的地位相同，于是將HCU虛擬為主機，將現場(chǎng)設備虛擬為從機，響應主機的要求，執行相應流程，各節點(diǎn)之間也可以進(jìn)行信息交換。 3 軟件模塊與協(xié)議 系統軟件主要由監控、配置、網(wǎng)絡(luò )管理和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議四部分組成，其中監控部分完成對家庭設備運行狀態(tài)的控制和檢測，及時(shí)顯示且做相關(guān)處理，如故障報警、事件提示等。配置部分為用戶(hù)提供更改系統和設備配置的人機接口，及時(shí)提示用戶(hù)配置步驟及配置過(guò)程中的錯誤，用戶(hù)可以查詢(xún)某一子系統的當前狀態(tài)信息。網(wǎng)絡(luò )管理幫助用戶(hù)分析、管理和擴展網(wǎng)絡(luò )，并進(jìn)行故障診斷和故障恢復。網(wǎng)絡(luò )協(xié)議實(shí)現TCP/IP到HASP(HAS Protocol)相互間的轉換，主要是數據流關(guān)系為T(mén)CP/IP到RS-232到CAN三者之間的相互轉換。 系統程序首先完成初始化定義，包括最小系統、X25045、DS1302、鍵盤(pán)定義及處理、LCD、CAN總線(xiàn)、Rabbit2000，然后進(jìn)入循環(huán)監控狀態(tài)。以水表計費簡(jiǎn)要說(shuō)明，水表計費節點(diǎn)自動(dòng)完成計費功能，當用戶(hù)按下水費鍵→鍵盤(pán)處理程序檢測該鍵按下→向水費節點(diǎn)發(fā)出費用指令→水費節點(diǎn)響應命令返回當前費用→控制器顯示水費費用；用戶(hù)使用密碼通過(guò)Ethernet訪(fǎng)問(wèn)家中HCU→發(fā)指令詢(xún)問(wèn)水費→控制器響應且向水費節點(diǎn)發(fā)費用指令→水費節點(diǎn)返回費用→HCU通過(guò)Ethernet向用戶(hù)返回當前水費情況。 Internet的接入和智能化實(shí)現必然是HAS的發(fā)展方向，本方案的硬件平臺及底層現場(chǎng)控制系統實(shí)驗目前已經(jīng)完成，正著(zhù)手進(jìn)行與上層網(wǎng)絡(luò )的調試。該方案的優(yōu)越性在于充分利用Internet的互聯(lián)性及現場(chǎng)總線(xiàn)的雙向、串行、數字等特點(diǎn)，實(shí)現了對整個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò )設備的優(yōu)化管理。 |
