摘? 要: 介紹了LonWorks現場總線控制網絡的基本結構,討論了LonWorks技術在家庭智能化應用的優勢,提出了LonWorks技術應用于智能家庭控制系統" title="控制系統">控制系統的一種解決方案,闡述了系統的軟硬件設計。
關鍵詞: 智能家庭? LonWorks技術? 控制系統
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家庭智能控制系統是智能家庭的一個重要內容,它的發展依賴于網絡技術與監控技術在家庭內部的推廣。系統的設計首先要在家庭內部以家庭總線的方式構建一個控制網絡,各種功能模塊根據住戶需要直接接入家庭網絡,完成信息采集、傳輸、控制等相關功能;其次要實現家庭網絡與外部互聯網或者小區局域網的連接,達到遠程監控的目的。本文通過分析智能家庭控制網絡的功能及對控制系統的要求,結合LonWorks技術自身的特點,提出了LonWorks技術在智能家庭控制系統的一種應用方案。
1 LonWorks技術簡介
LonWorks技術是美國Echelon公司于20世紀90年代初推出的一種現場總線技術,目前已經被廣泛地應用在工業、樓宇、家庭、能源等自動化領域,是當前最為流行的現場總線之一。LonWorks技術采用神經元芯片" title="神經元芯片">神經元芯片作為LON總線的通信處理器以及采集和控制的通用處理器,同時使用開放式的通信協議LonTalk。LonTalk協議的最大特點是對OSI七層協議的支持,是直接面向對象的網絡協議(這是以往的現場總線所不支持的)。這為設備之間交換控制狀態信息建立了一個通用的標準,使以往那些孤立的系統和產品融為一體,解決了不同廠家產品之間的互操作性問題,從而可以在家庭內部構成一個統一的網絡控制系統。基于LonWorks技術的現場總線控制系統主要包括以下幾個方面[1]。
1.1 LonWorks節點
LonWorks網絡系統主要由智能節點" title="智能節點">智能節點組成,每個智能節點可具有多種形式的I/O功能,節點之間可通過不同的傳輸媒介進行通信。一個典型的現場控制節點" title="控制節點">控制節點主要包含以下幾部分功能塊:應用CPU、I/O處理單元、通信處理器、收發器" title="收發器">收發器和電源。神經元芯片是智能節點的核心器件,片內集成媒體訪問控制(MAC)處理器、網絡處理器和應用程序處理器三個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/計數器,存儲器容量可擴展至64K。芯片中固化了七層通信協議中的六層內容,是集通信、控制、調度和I/O支持為一體的處理器。收發器對發送和接收的信息進行編碼和解碼,不同的通信介質采用不同型號的收發器,主要包括雙絞線收發器、電源線收發器、電力收發器、無線收發器、紅外收發器等。
由于一個神經元芯片包含了一個現場節點的大部分功能塊,因此一個神經元芯片加上收發器便可構成一個典型的現場控制節點。然而神經元芯片畢竟是8位總線,目前支持的最高主頻是10MHz,因此它所能完成的功能也十分有限。對于一些復雜的控制系統,可以將神經元芯片作為通信協處理器,用高級主機的資源來完成復雜的測控功能。
1.2 路由器
路由器在LonWorks技術中是一個主要的部分。它是不同信道之間連接的橋梁,不同信道之間使用不同型號的路由器,這是其它現場總線所不具備的。正是由于路由器的使用,使LON總線突破了傳統的現場總線的限制——不受通信介質、通信距離、通信速率的限制。LonWorks路由器能支持從簡單到復雜的網絡連接,所以這些網絡可以小到幾個節點,大到上萬個節點。
1.3 LonTalk協議
LonTalk協議是LonWorks技術的通信協議,支持ISO/OSI七層協議,并固化在神經元芯片內。LonTalk支持多種傳輸介質,如雙絞線、電力線、光纖、無線射頻、紅外線等。每一種介質稱為一種信道,各種傳輸介質具有不同的傳輸速率,最高為1.25Mbps。LonTalk協議支持分散的Peer to Peer的通信,節點可以組成總線型、環型、樹型等多種拓撲網絡結構,甚至還可以組成自由拓撲結構。此外,LonTalk協議支持用Neuron C語言進行編程,并通過網絡變量進行節點之間的邏輯安裝,這是一種面向對象的開發和設計方法。
1.4 LonWorks網絡管理
在LON總線中,需要一個網絡管理工具來實現網絡安裝、網絡維護以及網絡監控三項功能。網絡安裝主要用于實現各個智能節點的連接,為網絡上的節點分配邏輯地址,同時將每個節點的網絡變量和顯示報文連接起來,包括物理連接和邏輯安裝。網絡安裝只是在系統開始時進行;而在系統的運行過程中則需要進行網絡的維護和監控,以便隨時了解網絡上節點的網絡變量和顯示報文的變化情況。
2 系統組成及硬件設計
本系統所提出的控制網絡是將PC機作為家庭服務器,應用LonWorks技術在家庭內部建立兩種介質的控制子網。家庭內部各種設備直接掛接在相應的子網上,各個子網通過路由器相連,不同子網的設備可以和其它子網的設備交互通信,實現家庭的網絡化智能控制[3]。
系統拓撲結構如圖1所示,分為家庭服務器、路由器和底層智能節點三個層次。
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2.1 基于PC機的家庭服務器
上位機采用客戶/服務器(Client/Server)的信息處理模式。PC機作為家庭服務器,通過插于機內ISA總線上的PCLTA適配卡接入家庭內的LonWorks網絡,與網絡上的其它節點進行通信,從而可以在PC機節點上監視和控制網絡中的各種參數以及相應的家庭內部的各種狀態。同時,PC機可以通過ADSL技術、HFC技術或者以太網技術接入到小區局域網或互聯網,實現家庭網絡的Internet接入。PC機服務器配備了網絡環境下能提供家庭信息服務的程序系統,可以接收網絡上多臺客戶機的請求,啟動相關處理進程,以實現家庭的遠程監測與控制。
2.2 路由器
路由器的設計主要是基于RTR-10核心模塊和兩個收發器模塊(分別連接到兩個通道上)。由于系統涉及雙絞線和電力線兩種通信介質,因此相應地就有兩種路由器:雙絞線到電力線路由器和雙絞線到雙絞線路由器。
2.3 智能節點
整個網絡包含七種智能節點,分別是:
(1)燈光控制節點:該節點控制室內燈具的開關及照明度,通過使用照度探測、紅外感應等手段實現門燈、照明設備的自動控制。
(2)家電控制節點:該節點控制傳統家用電器的開關,通過使用紅外線傳感器和紅外線發生器,實現室內部分電器的紅外遙控。
(3)溫度及濕度控制節點:該節點測量當前室內溫度、濕度值,并在液晶顯示器上顯示。同時該值與設定值進行比較,將差值送至空調末端設備控制器,實現室內環境的自動控制。
(4)自動抄表節點:該節點實現家庭能耗表(水表、電表和煤氣表)的自動抄送,解決入戶抄表擾民和人為讀數誤差等問題。其工作原理是利用電子技術和傳感技術,將住宅耗能計量表的數據轉換為電脈沖信號,由節點進行采集、計數和存儲,然后將三表數據傳送到上位機進行進一步處理。
(5)安防報警節點:該節點實現家庭的安全防范,包括紅外防盜探測、煤氣泄漏、火警探測、緊急求助按鈕等。其工作原理是發生搶劫盜竊、火災、煤氣泄漏等警情時,首先觸發感應探測器或緊急按鈕部分,然后節點將報警信號傳送到上位機進行報警處理。
(6)鍵盤及顯示控制節點:該節點實現室內的鍵盤及顯示控制,設有16只按鍵和一塊液晶顯示器,用于狀態的設置和查詢,如設防/撤防、數據查詢、電器控制等。
(7)電話及語音控制節點:該節點實現電話及語音控制。電話接口電路包括振鈴測試、模擬摘機、信號音測試、雙音頻接收、雙音頻發送等電路,用于實現電話的指令控制,如電話留言、電話報警、遠程控制家電等。
七種智能節點的硬件設計根據節點功能的難易程度分為兩類:單處理器的智能節點和雙處理器的智能節點。單處理器的智能節點是以神經元芯片為核心,如圖2所示。神經元芯片不僅要實現節點與網絡的通信,而且通過將其I/O口直接連接到傳感器/執行器上,實現端口數據的實時采集、監視和控制,主要應用于功能較為簡單的節點,如自動抄表節點、安防報警節點等。雙處理器的智能節點是將神經元芯片作為通信協處理器,而復雜的測控功能則用高級處理器(如80C196KC)的資源來完成,如圖3所示,主要應用于功能較為復雜的節點,如鍵盤及顯示控制節點、電話及語音控制節點等。
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3 系統的軟件
整個控制系統的軟件由兩部分組成:一是各個智能節點的軟件,二是上位機的監控軟件。
3.1 智能節點的軟件
各個智能節點上,神經元芯片的應用程序采用NodeBuilder開發環境下的Neuron C語言進行開發,主要完成信號采集、狀態監控、定義網絡變量以及節點通信等任務。Neuron C是以ANSI C為基礎,專門為神經元芯片而設計的編程語言,同時加入通信、事件調度、分布數據對象和I/O功能。而基于雙處理器的智能節點,其主處理器的應用程序由匯編語言或C語言編寫,主要完成液晶顯示、紅外遙控、語音控制等復雜的測控任務。在節點開發和組態成功后,各個節點在現場完成數據的采集和處理,并將各類信號以網絡變量的形式實時送入LonWorks網絡中,相應節點自由交互通信,實現網絡化的智能控制。
節點程序的開發流程如圖4所示。
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3.2 上位機的監控軟件
上位機的監控軟件以Windows 98作為軟件平臺,利用Echelon公司的LonManager系列中的DDE Server軟件與插于PC機內ISA總線上的PCLTA接口卡進行通信。采用Visual Basic 6.0完成監控軟件的開發。軟件的開發是以消息的響應為核心,DDE服務器定時從LonWorks網絡上獲取最新網絡變量信息,觸發監控軟件中定義的消息,然后由監控軟件完成相應的功能。監控軟件的核心是處理各個消息之間的關系并在此基礎上完成監視和控制的功能,主要是監測需要實時顯示的重要系統參數以及相應的控制,主要由初始化模塊、網絡參數設置及監視模塊、歷史數據記錄模塊以及各個具體任務模塊組成。
現階段國內的家庭智能化建設主要集中于開發遠程抄表系統、安防報警系統和家電控制系統,與國外相比,智能化程度不高。然而隨著信息技術的發展,智能家庭是未來家庭發展的必然趨勢,家庭智能化的程度也將越來越高,因此現有系統的設計應該能夠適合未來家庭智能化的發展。本系統正是基于此而提出的,該方案通過LON總線來構建家庭控制網絡,采用LonWorks技術實現底層的控制和通信功能。系統具有以下特點:
(1)控制系統做到了多網合一,大大簡化系統布線;
(2)網絡中每個節點都能完成控制和通信功能,部分節點不會影響系統穩定;
(3)LonWorks在網絡結構上的自由拓撲特性和軟件設計上的完全面向對象,使其易擴充、易組態。
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參考文獻
1 楊育紅. LON網絡控制技術及應用. 西安:西安電子科技大學出版社,1999.4
2 曹玖新,張德運,普杰信. 家庭網絡技術與發展. 微型機與應用,2000;19(9)
3 王俊杰,謝春燕. 基于LonWorks技術的監控網絡實驗模型的研究與實現.自動化儀表,2000(7)