1-Wire在家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

摘    要：本文就家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的特點和要求，提出了一種基于Dallas半導(dǎo)體的1-Wire單總線技術(shù)的低成本家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)解決方案。文中主要介紹了1-Wire技術(shù)、1-Wire主要產(chǎn)品特性、基本的1-Wire家庭監(jiān)控單元以及在家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的優(yōu)點。并且結(jié)合實際要求，給出了一個完整的家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用示意圖。
關(guān)鍵詞： 1-Wire；單總線；家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)；Web服務(wù)器；TINI

概述
隨著人們生活水平和住房條件的提高，對居住環(huán)境和安全性也隨之提高。歸納這些方面的要求，統(tǒng)稱為家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。一個完整的家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該包括安全監(jiān)測；環(huán)境監(jiān)測；家電智能化；遠(yuǎn)程控制和Web服務(wù)器幾個主要方面。
針對家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，目前已經(jīng)有一些解決方案，主要有以下三種方式：
1) 無線解決方案，即家庭內(nèi)所有的監(jiān)控單元采用無線連接至主機(jī)。其顯著的優(yōu)點是無須為網(wǎng)絡(luò)連接鋪設(shè)電纜。但也存在明顯的缺點：每個監(jiān)測單元由于采用電池供電，因而需要定期更換電池，容易受到外界強(qiáng)電磁干擾影響，且成本較高等；
2) 電力載波方案，即家庭內(nèi)所有的監(jiān)控單元通過電力線連接至主機(jī)。這種方式由于借助于現(xiàn)有的電纜，無須重新布線。但是目前國內(nèi)使用一些低成本電力載波通訊方式的應(yīng)用中存在較多問題，如可靠性差等。而且在市電停電后，家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)將失效；
3) 傳統(tǒng)的有線通訊方案，即采用目前普遍使用的串行通訊方式，如RS-485/RS-422、CAN等。其中RS-485/RS-422應(yīng)用最為廣泛，相對成本較低。但由于需要微處理器控制，因此相對于家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來說，其成本依然較高，尤其是在監(jiān)測單個I/O時更為突出；而CAN在提供了更高的可靠性同時，成本也高過RS-485/RS-422通訊方案。
此外，上述這些方案還存在一個共同的缺點，即缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，從而使得不同功能的監(jiān)控單元之間的互操作性差。為了解決上述方案中的諸多不足，本文提出了一種采用Dallas半導(dǎo)體的1-WireTM單總線作為家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的解決方案，以解決家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的成本、標(biāo)準(zhǔn)和開放性的制約。
1-wire技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
1-wire單總線與目前多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)據(jù)通信方式，如SPI/I2C/Micro-wire不同，它采用單根信號線，既傳輸數(shù)據(jù)位又傳輸數(shù)據(jù)位的定時同步時鐘，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。大多數(shù)1-wire器件不需要額外的供電電源，可直接從單總線上獲得足夠的電源電流(即寄生供電方式)，1-Wire單總線的硬件接口如圖1所示。
每個1-Wire器件都有全球唯一的、工廠激光刻度的64位ROM ID碼(含8位CRC校驗碼)，即256種不同組合的全球唯一標(biāo)識碼。既可以作為產(chǎn)品身份標(biāo)識，又可以作為多節(jié)點應(yīng)用中的地址標(biāo)識。因此，所有采用1-Wire器件的家庭監(jiān)控單元都具有唯一的標(biāo)識碼，且無須人工分配網(wǎng)絡(luò)的物理地址。訪問1-Wire器件要求遵循標(biāo)準(zhǔn)的1-Wire協(xié)議，支持16kBit/s的正常速率及142kBit/s的高速模式。要求按照嚴(yán)格的命令順序和時序操作，詳細(xì)資料請參考1-Wire協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

1-Wire產(chǎn)品特性
雖然各個家庭監(jiān)控單元的功能不同，但它們都是由一些基本的數(shù)字I/O、模擬量的I/O、存儲單元等組成。同時還需要網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展器件，以及支持監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)接入并連接至Internet的Web服務(wù)器。 所有具有可編程I/O端口的微處理器都可以作為1-wire主機(jī)，只需嚴(yán)格執(zhí)行1-Wire協(xié)議即可。

組建1-Wire家庭監(jiān)控單元
雖然家庭監(jiān)控對象各種各樣，但它們都可以由一些基本的功能單元組成，不外乎開關(guān)量的輸入/輸出、模擬量的輸入/輸出以及一些特殊功能的監(jiān)控單元。下面將討論如何利用1-Wire器件，構(gòu)造1-Wire家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中所需的功能單元。
1-Wire數(shù)字量I/O
DS2405/DS2406/DS2408可以應(yīng)用于開關(guān)按鈕狀態(tài)檢測、門窗狀態(tài)、漏水檢測、燃?xì)庑孤﹫缶葦?shù)字量信號輸入?；谶@類器件的監(jiān)控單元，無須本地供電或電池供電，僅連接兩條線至1-wire總線，就解決了供電和數(shù)據(jù)通訊，大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計、現(xiàn)場布線及系統(tǒng)擴(kuò)展。圖2是一個典型的1-Wire數(shù)字量輸入電路(不僅僅局限于漏水檢測應(yīng)用)。另外，DS2405/DS2406/DS2408還可以應(yīng)用于漏極開路輸出(如控制N溝道MOSFET)、無觸點電子開關(guān)(如控制雙向可控硅)、保持繼電器等數(shù)字量輸出。當(dāng)控制零功耗功率器件時，如N-MOSFET、保持繼電器等，也無須本地供電，僅在需要持續(xù)功率消耗時，才需要本地供電或由遠(yuǎn)端供電。1-Wire數(shù)字量輸出電路基本上等同于1-Wire數(shù)字量輸入電路。其數(shù)字量輸出可以根據(jù)應(yīng)用要求，實現(xiàn)燈光、家用電器開關(guān)、熱水器、門鎖等直接或間接控制。
1-Wire模擬量測量
DS2438/DS2450/DS2760都可以應(yīng)用于模擬量測量。大多數(shù)模擬監(jiān)測應(yīng)用中，都可以采用寄生供電方式，除非所配套的傳感器需要很大的電流。
圖3是DS2438采用寄生供電方式的1-Wire濕度傳感器。濕度傳感器的電壓輸出比例于供電電壓和相對濕度，且與工作的環(huán)境溫度有關(guān)。這樣要求既測量傳感器元件的電源電壓，又要求測量傳感器的輸出電壓，還要測量濕敏元件的溫度。由于DS2438內(nèi)置2路ADC和1個溫度傳感器，剛好滿足上述測量要求，因此由DS2438構(gòu)建1-Wire濕度傳感器是非常合適的。
1-Wire模擬量輸出
此類應(yīng)用多數(shù)可以采用寄生供電方式設(shè)計，以達(dá)到簡化設(shè)計、降低成本。
web服務(wù)器
作為家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的web服務(wù)器，必然要求低功耗、低成本設(shè)計，因此不可能采用PC機(jī)或服務(wù)器作為家庭web服務(wù)器。DS80C400網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)包含1-Wire主機(jī)，提供Ethernet接入控制，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，支持IPv4以及未來使用的IPv6。
在具有以太網(wǎng)接口的環(huán)境，可以將基于DS80C400的家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)web服務(wù)器直接連網(wǎng)。除此以外，還可以通過連接至RS-232接口的調(diào)制解調(diào)器、CDMA/GPRS模塊、或其它相同功能的通訊設(shè)備，利用TINI的撥號PPP協(xié)議接入Internet網(wǎng)。由于TINI支持標(biāo)準(zhǔn)的因特網(wǎng)協(xié)議，如TCP/IPv4/v6、DNS、DHCP、HTTP及FTP等，所以能夠通過任何內(nèi)置瀏覽器、支持Internet接入的主機(jī)設(shè)備，如PC、筆機(jī)本電腦、PDA、手機(jī)等。在經(jīng)過必要的安全密碼認(rèn)證登錄后，建立一個家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)web服務(wù)器和主機(jī)設(shè)備的雙向TCP連接，允許用戶在熟悉的網(wǎng)頁界面上監(jiān)測家庭環(huán)境和遙控家電設(shè)備。
1-Wire家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用實例
至此，已經(jīng)具備了設(shè)計一個完整而實用的1-Wire家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的條件。通過1-Wire數(shù)字I/O、1-Wire模擬量I/O等其它監(jiān)控單元，幾乎可以檢測、管理和控制家庭內(nèi)的所有設(shè)備。而且采用TINI作為家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的web服務(wù)器，允許用戶方便地通過便攜式設(shè)備或PC終端，在圖形網(wǎng)頁界面上瀏覽室內(nèi)環(huán)境和設(shè)備，并進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)和控制。圖4為一個較為完整的1-Wire家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用示意圖。

結(jié)語
1-Wire是一種簡單、低成本、可尋址的單總線，所有1-Wire器件嚴(yán)格遵守1-Wire標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，保證了所有基于1-Wire器件的家庭監(jiān)控單元的兼容性。因此，1-Wire技術(shù)更適合于家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價值