一、概述
信息技術(shù)的快速發(fā)展給智能家居的建設(shè)提供了強(qiáng)大的現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)支撐。智能家居的核心是家居控制系統(tǒng)的構(gòu)建，而控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的可靠性、穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性和先進(jìn)性是系統(tǒng)建設(shè)成敗的關(guān)鍵。美國(guó)埃施朗公司開(kāi)發(fā)的LonWorks網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺(tái)，其卓越的性能使其自投入市場(chǎng)以來(lái)贏得了世界各國(guó)的贊譽(yù)，不僅在交通、電力、能源、工業(yè)自動(dòng)化取得了豐碩成果，在智能建筑、智能家居領(lǐng)域更是出類(lèi)拔萃。以L(fǎng)onWorks技術(shù)構(gòu)建智能家居現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，其系統(tǒng)性能上的優(yōu)勢(shì)和施工便捷性將會(huì)得到充分的展示。
二、LON智能節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
1、LON節(jié)點(diǎn)功能分析
智慧小區(qū)住宅家庭控制裝置所實(shí)現(xiàn)的功能包括：
① 對(duì)住宅居室環(huán)境(溫度、濕度)進(jìn)行監(jiān)控；
② 對(duì)住戶(hù)三表(水表、煤氣表、電表)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳計(jì)費(fèi)；
③ 對(duì)住戶(hù)實(shí)現(xiàn)三防(防火、防煤氣泄漏、防盜)；
④ 對(duì)廚房設(shè)備實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制；
⑤ 對(duì)衛(wèi)生間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排風(fēng)控制。
其中每個(gè)裝置均可作為一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了智慧小區(qū)管理現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。在小區(qū)管理中心設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器及工作站可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的管理。此外，住宅內(nèi)部家用電腦可與家庭控制裝置通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)設(shè)備自動(dòng)化監(jiān)控管理。
2、LON節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計(jì)方案
依據(jù)對(duì)家居控制裝置功能的上述分析，可將裝置分為控制模塊和采集模塊?？刂蒲b置以L(fǎng)on控制模塊為核心，通過(guò)對(duì)采集電路所采集的各種數(shù)據(jù)加以響應(yīng)，完成各種功能。
Lon控制模塊包括神經(jīng)元(neuron) 芯片、存儲(chǔ)器、晶振、收發(fā)器等。采集模塊包括I／O接口電路、光電隔離保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路、保持電路、鎖存電路以及A／D轉(zhuǎn)換電路等?？刂颇K和采集模塊之間通過(guò)一個(gè)18針雙列直插式板邊連接器和一個(gè)6針單列直插式板邊連接器相連，符合模塊化設(shè)計(jì)，便于安裝與調(diào)試。
該硬件裝置原理圖如圖1所示。
3、控制模塊設(shè)計(jì)
在該模塊的設(shè)計(jì)中，涉及到神經(jīng)元芯片的選擇、存儲(chǔ)器的分配、通信端口的配置問(wèn)題，分別介紹如下。
1) Neuron神經(jīng)元芯片選擇
傳統(tǒng)的神經(jīng)元芯片包括Neuron3120和、Neuron3150，新一代的有FT5000、FT6000等。這里僅分析前兩種芯片的差異，并作出選用。兩者在功能上大體相同，只是3120芯片內(nèi)含有2k存儲(chǔ)器，多用于功能較少而不需要擴(kuò)展存儲(chǔ)器的硬件構(gòu)造中；而Neuron3150芯片內(nèi)部具有0．5k EEPROM、2kRAM存儲(chǔ)器，可外擴(kuò)存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)信息，可以用來(lái)開(kāi)發(fā)更為復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)。因此，選用Neuron3150芯片作為開(kāi)發(fā)裝置的核心器件。FT5000、FT6000兩種芯片功能更加強(qiáng)大，性能更佳，也可選用，這里不作討論。
2）控制裝置通信端口配置
Neuron3150芯片的通信口可與多種傳輸媒介接口相連接，以實(shí)現(xiàn)較寬范圍的傳輸速率。同時(shí)，各種不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器的配置，也為選擇不同通信媒介提供了條件。本方案中家庭控制裝置采用FTT-10型收發(fā)器配置，利用雙絞線(xiàn)實(shí)現(xiàn)與家用電腦以及整個(gè)小區(qū)管理網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞。FTT- 10型收發(fā)器采用變壓器隔離，可以實(shí)現(xiàn)高隔離、高抗擾，其傳輸距離可達(dá)2700米、傳輸速率達(dá)78kbps／s，可滿(mǎn)足裝置與上位機(jī)信息傳遞的要求。
Neuron3150芯片的通信端口可以配置成三種工作方式：?jiǎn)味斯ぷ鞣绞?、差分工作方式、?zhuān)用工作方式。不同工作方式所對(duì)應(yīng)的引腳定義不同。
本裝置中Neuron3150芯片的通信端口采用單端工作方式配置，與FTT-10收發(fā)器的配置如圖2所示，其中FTT-10的CLK端與3150的CLK2相連，以保證二者的時(shí)序一致。
3)存儲(chǔ)器分配及電路設(shè)計(jì)
由于Neuron3150芯片內(nèi)部的存儲(chǔ)器不能滿(mǎn)足存儲(chǔ)要求，因此在 Lon控制模塊設(shè)計(jì)中，采用外接32k閃存和24kSRAM作為外存，其中16kB(尋址范圍0X0000-0X3FFF)閃存用來(lái)保存 Neuron3150芯片固件，另16kB閃存(0X4000-0X7FFF)用來(lái)存儲(chǔ)各種配置以及應(yīng)用信息。24k SRAM主要用于存儲(chǔ)應(yīng)用數(shù)據(jù)以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的緩存。存儲(chǔ)器分配圖如圖3所示：
在電路設(shè)計(jì)中，利用3150芯片的A15端口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)32k閃存的片選 (低電平有效)，利用3150芯片的A14、A13進(jìn)行與非運(yùn)算所得結(jié)果，與A15再進(jìn)行與非運(yùn)算來(lái)驅(qū)動(dòng)SRAM的片選(低電平有效)。
4)采集電路設(shè)計(jì)
依據(jù)裝置要實(shí)現(xiàn)的功能，采集電路規(guī)劃為數(shù)字輸入12路、數(shù)字輸出12路、模擬輸入 4路：Neuron3150芯片I／07至I／0010管腳用來(lái)接收室內(nèi)溫濕度值，配置成4路模擬電路；I／O-O至I／O-6管腳和利用地址總線(xiàn)擴(kuò)展出的3路I／O口共同形成24路數(shù)字信號(hào)。
a.模擬輸入電路設(shè)計(jì)
模擬輸入電路為檢測(cè)居室環(huán)境(溫度、濕度)設(shè)計(jì)，該電路如圖5所示。
圖中的Max186芯片是用于進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換的，由美國(guó)美信公司生產(chǎn)，Max186是12位的數(shù)據(jù)采集集成芯片，它把8通道多路開(kāi)關(guān)、大帶寬跟蹤／保持電路和串行接口組合在一起，4線(xiàn)串行接口可直接接到SPI、QSPIMicrowire器件而無(wú)需外加邏輯，使用內(nèi)部時(shí)鐘或外部串行接口時(shí)鐘以完成逐次逼近模／數(shù)轉(zhuǎn)換。通過(guò)射隨器進(jìn)入芯片的模擬輸入信號(hào)為0-5V電壓信號(hào)，它可以轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并以Neurowire總線(xiàn)方式串行進(jìn)入神經(jīng)元芯片中，然后存放在存儲(chǔ)器SRAM中，這些數(shù)據(jù)可傳到家用電腦中用來(lái)顯示和記錄。
b.數(shù)字電路設(shè)計(jì)
數(shù)字電路設(shè)計(jì)包括輸入電路設(shè)計(jì)和輸出電路設(shè)計(jì)。
(1)數(shù)字輸入電路
數(shù)字輸入電路為采集三表、三防信號(hào)而設(shè)計(jì)，電路如圖6所示。數(shù)字輸入電路以神經(jīng)元芯片中的I／O-O-I／O-5管腳所擴(kuò)展成的6總線(xiàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)片選信號(hào)作用形成12路，此電路中光電隔離的輸入端，接各種傳感器信號(hào)，以防止因傳感器輸入電壓過(guò)大而燒毀元器件。2片74LS245芯片作為數(shù)字輸入緩沖電路，以確保裝置能準(zhǔn)確地接受傳感器的信號(hào)。
(2)數(shù)字輸出電路
數(shù)字輸出電路以I／O-O-I／O-5管腳所擴(kuò)展成的6總線(xiàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)片選信號(hào)作用形成12路，電路如圖6所示。圖中2片74LS273芯片作為輸出鎖存電路，利用該電路保持輸入狀態(tài)的特點(diǎn)，使Lon控制模塊輸出的信號(hào)可靠地傳到各種執(zhí)行裝置上。
5、抗擾電路設(shè)計(jì)
在硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮了多種抗擾設(shè)計(jì)措施。
(1)采用高品質(zhì)的電源向控制器供電，單點(diǎn)接電源，單點(diǎn)接地。
(2)線(xiàn)路板上的數(shù)字電路與模擬電路盡量分開(kāi)，數(shù)字地與模擬地分開(kāi)，地線(xiàn)、電源線(xiàn)盡量加粗。
(3)輸入信號(hào)加光電耦合器隔離，防止外圍器件動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的回流沖擊系統(tǒng)電路。
(4)數(shù)字量輸出的繼電器線(xiàn)圈處要加放電二極管，可以用串一個(gè)電阻的辦法來(lái)軟化信號(hào)的跳變沿或提供一定的阻尼。
三、程序設(shè)計(jì)
上述功能在應(yīng)用程序中采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括遠(yuǎn)程抄表模塊、報(bào)警聯(lián)動(dòng)模塊、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、順序控制模塊，各功能模塊采用定時(shí)器事件來(lái)驅(qū)動(dòng)。程序流程圖如圖7所示：
四、結(jié)束語(yǔ)
利用此裝置可以控制住宅溫、濕度等參數(shù)，以滿(mǎn)足智能住宅規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)(溫度控制在18～28℃，濕度控制在30～70％；此裝置能夠?qū)⒏鞣N信息準(zhǔn)確采集，并能按照事先設(shè)定好的方式發(fā)出命令，實(shí)現(xiàn)三防(火、盜、氣)，對(duì)廚房炊具、衛(wèi)生間排風(fēng)進(jìn)行監(jiān)控，三表計(jì)費(fèi)等功能；此裝置可以將三表采集信息、室內(nèi)溫濕度數(shù)值以及室內(nèi)設(shè)備狀態(tài)準(zhǔn)確地傳遞給家用電腦，家用電腦能夠監(jiān)控控制裝置的工作。
