基于Internet的智能家庭網(wǎng)絡控制器的實現(xiàn)

摘要：隨著智能建筑的迅速發(fā)展，家庭自動化系統(tǒng)在方便、高效、節(jié)能和安全等方面逐步完善。設計了一種基于Internet的智能家庭網(wǎng)絡控制器，上層實現(xiàn)Internet的互聯(lián)，下層應用現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)對底層設備的管理。其優(yōu)越性在于充分利用Internet的互聯(lián)性及現(xiàn)場總線的雙向、串行、數(shù)字等特點，對家用電器進行監(jiān)控管理、能源優(yōu)化使用。 關(guān)鍵詞：Internet 智能化 CAN總線 家庭自動化系統(tǒng) 隨著計算機、控制、網(wǎng)絡、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(tǒng)集成和有機結(jié)合，智能建筑已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑的發(fā)展方向。其中樓宇自動化系統(tǒng)（BAS）、辦公自動化系統(tǒng)（OAS）和通信自動化系統(tǒng)（CAS）已有成功應用。同時人們生活水平的提高，對住宅環(huán)境在舒適、安全、高效、節(jié)能和便捷等多方面提出了更高要求，因此家庭自動化系統(tǒng)（HAS）應運而生，它一方面實現(xiàn)對家庭設備網(wǎng)絡的管理，另一方面與整個樓宇主控管理系統(tǒng)互聯(lián)[1]。對家庭網(wǎng)絡的管理主要有： （1）對電器設備進行自動化監(jiān)控，對能源進行優(yōu)化管理與控制，如家電開關(guān)、空調(diào)調(diào)節(jié)、燈光控制、聲音調(diào)節(jié)、溫度控制、濕度控制、安全和保安管理及水、電、氣三表自動計費和轉(zhuǎn)賬管理等。 （2）對數(shù)字設備實現(xiàn)互聯(lián)，內(nèi)部家用網(wǎng)絡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(shù)碼相機等娛樂設備。對外實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)連接，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、教育、醫(yī)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(tǒng)之間網(wǎng)絡標準不一，相互兼容性差，具體可參閱文獻資料。國內(nèi)現(xiàn)處于開發(fā)研究起步階段，許多問題亟待解決。 1 總體方案設計 一般來說，用戶是逐個購置家用設備的。從信息化角度看，大多電器設備屬于現(xiàn)場設備，不具備信息化條件，為“信息孤島”，數(shù)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、用戶使用的隨機性及使用程度的不可預知性等，要求系統(tǒng)具有良好的開放性、可擴展性和較高的智能化程度，系統(tǒng)能夠自動調(diào)整以適應不同用戶和多種環(huán)境需求。用戶只需簡要地操作配置，即可實現(xiàn)設備的“即插即用"，自動識別設備的類型并建立與其相關(guān)的聯(lián)系。 從智能建筑的網(wǎng)絡資料以及外設嵌入式聯(lián)網(wǎng)的趨勢持，樓宇局域網(wǎng)與Internet已經(jīng)實現(xiàn)互聯(lián)，有的Ethernet直接入戶，充分利用現(xiàn)有標準和樓內(nèi)已有資源，Internet的接入提供了條件，同時可以滿足用戶方便、快捷、簡單地進行異地操作，對家中設備遠程查詢、監(jiān)控和管理。對于數(shù)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(xiàn)場設備分散且數(shù)量隨機的特點，現(xiàn)場總線以雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信等技術(shù)為基礎構(gòu)成的開放式、數(shù)字化、分散化及智能化底層控制網(wǎng)絡FCS（Fieldbus Control System），完全滿足分布式和漸增式的控制要求[2]?？偩€通信協(xié)議的公開化，不同廠商生產(chǎn)的設備之間可以進行互聯(lián)以實現(xiàn)信息交換。控制任務下載分開到現(xiàn)場智能儀表和裝置設備中，并通過微處理器完成控制監(jiān)測等算法，可實現(xiàn)測量控制一體化，提高整個系統(tǒng)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)絡控制器，總體方案如圖1所示。以Internet/Ethernet直接入戶為例，經(jīng)雙絞非屏蔽線接入用戶家庭控制器HCU（Home Control Uint），現(xiàn)場電路設備經(jīng)過自身控制單元通過CAN總線與控制器連接。這樣HAS作為一個信息處理系統(tǒng)，為住宅內(nèi)部各平等設備嵌入式統(tǒng)一控制平臺，一方面對現(xiàn)場設備實現(xiàn)信息化，提供信息智能處理和通信能力；另一方面又提供統(tǒng)一的信息交換接口及控制規(guī)則，通過信息集成管理不同功能的子系統(tǒng)以及子系統(tǒng)相互間的信息交換，使住宅成為一個有機整體。 2 HCU硬件實現(xiàn) HCU的硬件結(jié)構(gòu)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(tǒng)基礎上，分別擴展了32KB數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器。X25045集看門狗定時器、電壓監(jiān)控和E2PROM（512%26;#215;8bit）于一體，用來存儲記憶系統(tǒng)的一些基本參數(shù)，如節(jié)點個數(shù)、每個節(jié)點的特征參數(shù)、節(jié)點標識符及一些與節(jié)點相關(guān)的聯(lián)系。串行實時時鐘DS1302提供秒、分、小時、日、月、年實時信息，且能根據(jù)月份和閏年情況自動調(diào)整月份和結(jié)束日期。并行芯片8255擴展了4%26;#215;5鍵盤接口，為用戶設置、查詢提供輸入接口。點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(jié)點之間選用了規(guī)模較小、可靠性高、易于擴展的CAN總線，采用雙絞線作為通信介質(zhì)。CAN總線接口選用了Philips公司生產(chǎn)的獨立控制器82C200，其支持CANBUS物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，多主鴇，有成組和廣播報文功能，總線訪問優(yōu)先權(quán)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。選用總線驅(qū)動接口82C250結(jié)合光電隔離，提供對總線的差動發(fā)送和接收功能，實現(xiàn)各節(jié)點之間的電氣隔離，以增大通信距離，提高總線瞬間抗干擾能力[3]。 與Ethernet網(wǎng)的連接選用了基于Rabbit 2000微處理器及Ethernet芯片開發(fā)的Rabbit2000 TCP/IP開發(fā)工具箱，它是含TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)[4]，提供了一個帶有8位高性能的微處理器工作平臺和動態(tài)C語言軟件開發(fā)包。開發(fā)板提供1個與RS-232接口、1個與廠商配制的端口（既可用于RS-485，又可用于RS-232）、4個高速電流輸出設備、4個數(shù)據(jù)輸入設備、7個定時器、1個實時電池支持時鐘和1個10Base-T以太網(wǎng)接口，并提供了TCP/IP協(xié)議的全部源代碼，實現(xiàn)TCP/IP和RS-232之間相互轉(zhuǎn)換，為現(xiàn)場設備的上網(wǎng)提供了軟/硬件平臺。 對于現(xiàn)場設備需要開發(fā)相應的基于CAN總線的控制單元，這里不作介紹。在底層控制網(wǎng)絡中，HCU和現(xiàn)場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(jié)點在網(wǎng)絡的地位相同，于是將HCU虛擬為主機，將現(xiàn)場設備虛擬為從機，響應主機的要求，執(zhí)行相應流程，各節(jié)點之間也可以進行信息交換。 3 軟件模塊與協(xié)議 系統(tǒng)軟件主由監(jiān)控、配置、網(wǎng)絡管理和網(wǎng)絡協(xié)議四部分組成，其中監(jiān)控部分完成對家庭設備運行狀態(tài)的控制和檢測，及時顯示且做相關(guān)處理，如故障報警、事件提示等。配置部分為用戶提供更改系統(tǒng)和設備配置的人機接口，及時提示用戶配置步驟及配置過程中的錯誤，用戶可以查詢某一子系統(tǒng)的當前狀態(tài)信息。網(wǎng)絡管理幫助用戶分析、管理和擴展網(wǎng)絡，并進行故障診斷和故障恢復。網(wǎng)絡協(xié)議實現(xiàn)TCP/IP到HASP（HAS Protocol）相互間的轉(zhuǎn)換，主要是數(shù)據(jù)流關(guān)系為TCP/IP到RS-232到CAN三者之間的相互轉(zhuǎn)換。 系統(tǒng)程序首先完成初始化定義，包括最小系統(tǒng)、X25045、DS1302、鍵盤定義及處理、LCD、CAN總線、Rabbit2000，然后進入循環(huán)監(jiān)控狀態(tài)。以水表計費簡要說明，水表計費節(jié)點自動完成計費功能，當用戶按下水費鍵→鍵盤處理程序檢測該鍵按下→向水費節(jié)點發(fā)出費用指令→水費節(jié)點響應命令返回當前費用→控制器顯示水費費用；用戶使用密碼通過Ethernet訪問家中HCU→發(fā)指令訪問水費→控制器響應且向水費節(jié)點發(fā)費用指令→水費節(jié)點返回費用→HCU通過Ethernet向用戶返回當前水費情況。 Internet的接入和智能化實現(xiàn)必然是HAS的發(fā)展方向，本方案的硬件平臺及底層現(xiàn)場控制系統(tǒng)實驗目前已經(jīng)完成，正著手進行與上層網(wǎng)絡的調(diào)試。該方案的優(yōu)越性在于充分利用Internet的互聯(lián)性及現(xiàn)場總線的雙向、串行、數(shù)字等特點，實現(xiàn)了對整個家庭網(wǎng)絡設備的優(yōu)化管理。 linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）