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基于Internet的智能家庭網絡控制器

发布时间:2019-11-09 03:59:46

基于Internet的智能家庭络控制器的实现 - 通信/络 - 电子工程

随着智能建筑的迅速发展,家庭自动化系统在方便、高效、节能和安全等方面逐步完善设计了一种基于Internet的智能家庭络控制器,上层实现Internet的互联,下层应用现场总线技术实现对底层设备的管理其优越性在于充分利用Internet的互联性及现场总线的双向、串行、数字等特点,对家用电器进行监控管理、能源优化使用

随着计算机、控制、络、通信、微电子和建筑等技术的不断发展完善,以及相互之间的系统集成和有机结合,智能建筑已经成为现代建筑的发展方向其中楼宇自动化系统(BAS)、办公自动化系统(OAS)和通信自动化系统(CAS)已有成功应用同时人们生活水平的提高,对住宅环境在舒适、安全、高效、节能和便捷等多方面提出了更高要求,因此家庭自动化系统(HAS)应运而生,它一方面实现对家庭设备络的管理,另一方面与整个楼宇主控管理系统互联对家庭络的管理主要有:

(1)对电器设备进行自动化监控,对能源进行优化管理与控制,如家电开关、空调调节、灯光控制、声音调节、温度控制、湿度控制、安全和保安管理及水、电、气三表自动计费和转账管理等

(2)对数字设备实现互联,内部家用络接入设备之间局域的连接,如计算机、多媒体计算机、电视、摄/录像机、VCD/DVD和数码相机等娱乐设备对外实现与互联连接,实现远程监控、教育、医疗、存贷、购物等

目前已有多种HAS产品共存,主要集中在欧洲、美国和日本,基本采用DCS控制方案,但是各系统之间络标准不一,相互兼容性差,具体可参阅文献资料国内现处于开发研究起步阶段,许多问题亟待解决

1 总体方案设计

一般来说,用户是逐个购置家用设备的从信息化角度看,大多电器设备属于现场设备,不具备信息化条件,为“信息孤岛”,数字设备则具备了信息交换的基础而设备功能的复杂性和多样性、设备间的相关性、用户使用的随机性及使用程度的不可预知性等,要求系统具有良好的开放性、可扩展性和较高的智能化程度,系统能够自动调整以适应不同用户和多种环境需求用户只需简要地操作配置,即可实现设备的“即插即用 ,自动识别设备的类型并建立与其相关的联系

从智能建筑的络资料以及外设嵌入式联的趋势持,楼宇局域与Internet已经实现互联,有的Ethernet直接入户,充分利用现有标准和楼内已有资源,Internet的接入提供了条件,同时可以满足用户方便、快捷、简单地进行异地操作,对家中设备远程查询、监控和管理对于数字设备与Internet的互联及相互之间的局域互联技术已经成熟,本文不再多述

针对家用现场设备分散且数量随机的特点,现场总线以双向、串行、多节点数字通信等技术为基础构成的开放式、数字化、分散化及智能化底层控制络FCS(Fieldbus Control System),完全满足分布式和渐增式的控制要求总线通信协议的公开化,不同厂商生产的设备之间可以进行互联以实现信息交换控制任务下载分开到现场智能仪表和装置设备中,并通过微处理器完成控制监测等算法,可实现测量控制一体化,提高整个系统的可靠性

基于上述分析,笔者设计了基于Internet的智能家庭络控制器,总体方案如图1所示以Internet/Ethernet直接入户为例,经双绞非屏蔽线接入用户家庭控制器HCU(Home Control Uint),现场电路设备经过自身控制单元通过CAN总线与控制器连接这样HAS作为一个信息处理系统,为住宅内部各平等设备嵌入式统一控制平台,一方面对现场设备实现信息化,提供信息智能处理和通信能力;另一方面又提供统一的信息交换接口及控制规则,通过信息集成管理不同功能的子系统以及子系统相互间的信息交换,使住宅成为一个有机整体

2 HCU硬件实现

HCU的硬件结构原理如图2所示控制器选用Intel高性能16位单片机80C196KC,在最小系统基础上,分别扩展了32KB数据存储器和程序存储器X25045集看门狗定时器、电压监控和E2PROM(512%26;#215;8bit)于一体,用来存储记忆系统的一些基本参数,如节点个数、每个节点的特征参数、节点标识符及一些与节点相关的联系串行实时时钟DS1302提供秒、分、小时、日、月、年实时信息,且能根据月份和闰年情况自动调整月份和结束日期并行芯片8255扩展了4%26;#215;5键盘接口,为用户设置、查询提供输入接口点阵图形液晶显示器选用MGL(S)12864,字库由字模提取软件生成,存在EPROM中

HCU与下位机节点之间选用了规模较小、可靠性高、易于扩展的CAN总线,采用双绞线作为通信介质CAN总线接口选用了Philips公司生产的独立控制器82C200,其支持CANBUS物理层与数据链路层的所有功能,多主鸨,有成组和广播报文功能,总线访问优先权取决于报文标识符,有极强的错误处理能力,且配置灵活允许局域扩展选用总线驱动接口82C250结合光电隔离,提供对总线的差动发送和接收功能,实现各节点之间的电气隔离,以增大通信距离,提高总线瞬间抗干扰能力

与Ethernet的连接选用了基于Rabbit 2000微处理器及Ethernet芯片开发的Rabbit2000 TCP/IP开发工具箱,它是含TCP/IP协议栈的嵌入式开发系统,提供了一个带有8位高性能的微处理器工作平台和动态C语言软件开发包开发板提供1个与RS-232接口、1个与厂商配制的端口(既可用于RS-485,又可用于RS-232)、4个高速电流输出设备、4个数据输入设备、7个定时器、1个实时电池支持时钟和1个10Base-T以太接口,并提供了TCP/IP协议的全部源代码,实现TCP/IP和RS-232之间相互转换,为现场设备的上提供了软/硬件平台

对于现场设备需要开发相应的基于CAN总线的控制单元,这里不作介绍在底层控制络中,HCU和现场控制单元分别有自己的ID标志,由于采用CAN标准作为通信协议,与节点在络的地位相同,于是将HCU虚拟为主机,将现场设备虚拟为从机,响应主机的要求,执行相应流程,各节点之间也可以进行信息交换

3 软件模块与协议

系统软件主由监控、配置、络管理和络协议四部分组成,其中监控部分完成对家庭设备运行状态的控制和检测,及时显示且做相关处理,如故障报警、事件提示等配置部分为用户提供更改系统和设备配置的人机接口,及时提示用户配置步骤及配置过程中的错误,用户可以查询某一子系统的当前状态信息络管理帮助用户分析、管理和扩展络,并进行故障诊断和故障恢复络协议实现TCP/IP到HASP(HAS Protocol)相互间的转换,主要是数据流关系为TCP/IP到RS-232到CAN三者之间的相互转换

系统程序首先完成初始化定义,包括最小系统、X25045、DS1302、键盘定义及处理、LCD、CAN总线、Rabbit2000,然后进入循环监控状态以水表计费简要说明,水表计费节点自动完成计费功能,当用户按下水费键→键盘处理程序检测该键按下→向水费节点发出费用指令→水费节点响应命令返回当前费用→控制器显示水费费用;用户使用密码通过Ethernet访问家中HCU→发指令访问水费→控制器响应且向水费节点发费用指令→水费节点返回费用→HCU通过Ethernet向用户返回当前水费情况

Internet的接入和智能化实现必然是HAS的发展方向,本方案的硬件平台及底层现场控制系统实验目前已经完成,正着手进行与上层络的调试该方案的优越性在于充分利用Internet的互联性及现场总线的双向、串行、数字等特点,实现了对整个家庭络设备的优化管理

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