Lonworks技术在智能家居系统中的应用30.docx

Lonworks技术在智能家居系统中的应用摘要：智能家居是近年来产生并迅速崛起的种新型住宅，它是建筑艺术、生活理念与信息技术、电子技术等现代高科技的完美结合。智能家居为住户提供了一种更加安全、舒适、方便、快捷和开放的智能化、信息化生活空间。本文首先对智能家居的概念及构成情况作了总体的阐述，介绍了智能家居在国内外的发展现状，指明了智能家居重要性以及智能家居的发展方向。 现场总线技术的发展使得Lonworks总线技术脱颖而出，本文简要介绍了常用的几种现场总线的概况以及Lonworks技术在现场总线技术中的地位和和优势，对Lonworks技术的技术核一tl,：神经元芯片、LonTalk协议、Lonworks收发器等进行了详尽的描述；重点介绍了集先进的计算机技术、通信技术、控制技术为一体的智能家居节点的开发与研制，并且对节点硬件电路的各种接口电路以及节点信号采集和信号输出部分的软件驱动进行了详尽的设计。本文设计的智能家居节点采用单片机AT89S51作为主处理器来完成用户的应用程序，主要负责对各种现场信号进行采集、处理及控制，工作在并行从A方式下的神经元芯片MC3150作为从处理器，主要完成与现场网络上的各节点及中心控制室之间的通信工作。为便于实时监控现场的数据，形象反映现场的运行情况，本文使用组态王工业组态软件，对智能家居系统实现上位机的监控设计。本文最后还将所设计的智能家居节点应用到了淮安信息职业技术学院智能实验室中进行应用和测试。本系统设计的智能家居节点运用了当今工控领域最为先进的现场总线技术，具有结构简单、可靠性高、容易产品化等优点，产品是面向中等层次以上家庭的需求，具有广泛的应用市场。目前我国对Lonworks技术的应用以及智能建筑的设计刚刚起步，随着业内人士的更多了解，相信会有更广泛的应用前景。关键字：Lonworks技术：智能家居；神经元芯片；组态 Lonworks technology in intelligent home furnishing system applicationAbstract：Intelligent Home is a newtyperesidenceproducedin recentyearswith therapidriseIt is aperfectcombinationof modem hilgh-tech such as architecturalart,philosophyoflife，information technology,andelectronicstechnologyIntelligentHomeprovidesa intellectualized and informationbased living spaceforliver,SOthat itis safer,faster,more comfortable，convenient andopeningIt expoundedtheconceptandcompositionofIntelligent Home，introduced its development status home and abroad nowadays，and pointedout theessentiality ofIntelligentHomeSystemand thedevelopmentdirection ofIntelligentHome Thedevelopmentof Fieldbustechnologymakes Lonworks bustechnologytalentshowing itselfIt introduced severalcommonlyused Fieldbustechnology, and illuminated the position and impactof Lonworl(Stechnologyin fieldbustechnologyAndcarried out a detaileddescriptionofkey technologies of LonworlcS：NeuronChip，LonTalk protocoland Lonworl(S transceiverItstronglyintroduced thedesign and developmentofintelligentHome node whichintegratedadvancedcomputer technology,communications technology,control technology,as well as various hardware interface circuit and software drive ofsingle inputandoutputfor a detaileddesign MCU AT89S51 is adopted as the mainprocessortocompletethe usersapplicationsAT89S51 is mainly responsiblefor the various signalscollecting，processingandcontrollingNeuron ChipMC3 1 50 worked in slave Aform，as theaccessory processor,takes chargethe communications between the scene nodes on the network and the central control roomAndKingview is used to monitor the PC ofIntelligent hemeFinally,the designofsecurity guard node Wasapplied tothe EIP Lab of Huaian Information and Technology CollegefordebuggingandtestingInthispaper,the designofintelligentnodes used the most advanced fieldbustechnology,andhasmany advantagessuch as asimple structure，hi曲reliabilityand easy productIts productfaces middlelevelfamily-orientedneeds and has a broadapplicationmarketAt present，theapplicationsof Lonworkstechnologyand thedesignofintelligent buildingshavejustbegunin china；Ibelieve it will be morewidely used，withagreater understandingofindustryKeywords : Lonworkstechnology；IntelligentHome；Neuron Chip；Kingview第1章 ：设计题目分析、总体设计方案选择1.1 现场总线技术概述 到目前为止，工业控制自动化技术经历了两次革命。一次是二十世纪五六十年代从电气传动控制到模拟信号为主的自动化仪表系统；第二次是二十世纪七八十年代集散控制系统(DCS)的出现。DCS将计算机引入到控制系统，用分散的IO模板代替控制室仪表，将分散的测量点通过计算机进行集中监控。然而，DCS系统本身具有以下不可克服的问题： 1一对一接线，不仅增加了安装维护费用，也降低了系统的可靠性； 2采用“操作站控制站现场仪表”三层主从结构模式，仍存在着可靠性隐患； 3各个DCS系统采用封闭的协议不利于系统的互操作： 4模拟信号传递限制了传输介质和拓扑结构的选择。现在，工业控制领域正进行着第三次革命基于现场总线的控制系统(FCS)。1.1.1 现场总线系统的特点 现场总线是应用在生产现场和微机化测量控制设备之间实现双向串行数字通信的系统。它在制造业、工业过程、交通和楼宇等自动化系统中具有广泛的应用前景。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自具有了数字计算和数字通信能力，并且采用可进行简单连接的双绞线作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系纠。现场总线系统中还采用公开一致的通信标准，使各个厂家设备可以交互信息，实现互操作，这就是真正意义的开放系统。 现场总线导致传统控制系统结构的变革，形成了新型的网络集成式全分布式控制系统现场总线系统。与传统控制技术相比，现场总线技术具有以下鲜明的特点：1开放式控制网络开放式控制网络允许许多智能设备之间相互通信，而不需加入监控设备并能负责整个系统级的控制算法。网络上的设备构成对等(peertopeer)结构，即每个设备负责直接将信息发布到网络上的其它设备，信息由设备的发送器以数据包形式发出，一个或多个接收器接收这些数据包。开放式的控制网络如图21所示。2分布式智能网络已出现许多年了，除了大型计算机系统外，通常还没有应用到网络控制设备，绝大多数通信协议仍被用来进行计算机或个人之间的数据通信。随着微处理器价格不断下降，可以将微处理器嵌入到价格低廉的控制器和控制设备。在这个意义上说，控制设备具有通信和信息处理的能力(承担传感测量、补偿计算、数据处理和控制任务)，该设备亦称为“智能设备”。3强大的网络功能在传统网络中，采用的通信协议通常服务于网络性能的优化。然而在控制网络中，通信协议主要提供智能设备间频繁、可靠、安全的通信，设备间对等的信息传输。现场总线技术采用自由拓扑结构，现场设备自治，以点对点通信方式实现分散基础上的信息融合。通过各种智能网关、桥接器和路由器不仅实现现场设备的分段成组，还可实现现场控制系统向信息系统的集成。1.1.2 现场总线技术的发展 现场总线技术是计算机技术、通信技术和控制技术的综合与集成，它的出现使传统的自动控制领域产生了革命性的变革，形成了新型的网络集成或全分布控制系统即现场总线系统(FCS)12ll。由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化和智能化发展的方向，它一经产生便成为全球工业自动化的热点，受到全世界的普遍关注。 现场总线自20世纪80年代中期问世，传统的自动化仪表、集散控制系统(DCS)、可编程控制器(PLc)的产品功能结构受到了挑战22】。自动化设备的制造厂家被迫进行产品更新换代，出现了一批集检测、运算、控制功能于一体的变送控制器，具有通信功能的智能化数字仪表，以及带有控制模块和故障信息的执行器，大大改变了现有设备的维护管理方式。现场总线是新型自动化系统，又是低带宽的底层控制网络，它可与Intemet的企业内部网相连，沟通生产过程现场级设备与更高控制管理层之间的联系，以分布式的智能和强大的网络能力增强了系统的可靠性和品质，代表了工业自动化的发展方向。由于现场总线担负测量控制的特殊任务，具有信息传输的实时性、高可靠性和短帧传送，其传输速率一般为几KBs至10MBs之间。 目前国际上有几种现场总线技术已逐渐形成其影响，并在一些特定的应用领域显示了自己的优势。它们分别为基金会现场总线(FoundationFieldbus，FF)、美国Echelon公司的Lonworks现场总线、CAN(ControlAreaNetworks)总线和HART(HighwayAddressable RemoteTransducer)总线等。其中Lonworks总线以期支持OSFRM七层模型、支持多种通信媒介及易于实现等诸多特征，受到了广泛的关注。 现场总线技术产品具有很强的开放性、兼容性、可靠性和互操作性，广泛用于工业过程、楼宇、家庭、能源等自动化领域。现场总线技术促使控制网络与信息网络的集成，极大地改变人们的生产方式和生活方式，扩大了传统控制领域的范畴。2000年3月，Echelon公司开始出售iLonl000 Intemet服务器，这是一个突破性产品，可以使用在家庭、建筑、工厂和运输系统中的数以百计的Lonworks设备，并将变成Web的一部分，这便拓宽了工业领域中的基于Intemet的市场和应用。1999年6月，SUN公司展示了Lonworks设备在Jini网络作为共享服务的一幕。Jini的Lonworks代替基于LNS(LonworksNetwork Server)网络操作系统，不需要另外的软硬件和设备驱动12引。Echelon公司的总裁兼首席执行官Ken Dshman先生这样评价Jini技术与Lonworks网络的结合：“通过结合，Lonworks成为Jini服务提供者；我们可以想象，任何一个设备都能在任何时间、任何地点参与共享其它设备的服务弘4。”国际现场总线技术的发展虽然才有十几年的时间，但国外的工业控制基础较好，而且各种总线技术的标准都是由他们提出的。我国近几年也掀起了研究和应用现场总线技术的热潮，中国计算机协会工控专委会成立了Lonworks控制网络协作网，成员已达40多个，大型建筑业过程控制系统已逐渐推广现场总线系统。1.2 Lonworks总线技术综述Lonworks是美国Echelon公司于90年代初推出的一种现场总线技术，其神经元芯片同时具备通信与控制功能，内含三个8位处理器，分别负责介质访问控制、网络处理和应用处理，这样一个神经元芯片加上收发器就可以构成一个现场控制节点，神经元芯片也可以作为通信协议处理器，用高性能的主处理器完成复杂的测控功能。Lonworks技术采用网络变量，网络变量对在同一个网络中的其他节点是透明的，标准网络变量类型定义了变量的单位、数值、范围和分辨率，使得网络通信的设计简化成为参数设置，增加了通信的可靠性。Lonworks技术改善了CSMA，对所有节点根据网络积压参数等待随机时间片来访问介质，有效地避免了网络频繁碰撞，即使网络负载很重也不会导致网络瘫痪。Lonworlcs技术所使用的LonTalk协议遵循ISOOSI模型，并提供OSI参考模型所定义的全部七层服务，Lon总线采用专门的网络收发器，使其支持不同介质组合的网络，这样用户不但可以选择任意形式的网络拓扑结构，而且在同一个网络内部可以混用双绞线、光纤、电力线、无线、红外线、同轴电缆等通信介质，网络处理能力的巨大优势使其在各个领域得到日益广泛的应用，其通信协议已被越来越多的标准化组织所采用，并被接纳为他们的标准。中国建筑行业协会已将Lonworks定为智能建筑的主要推荐技术，并成立了智能建筑技术Lonworks协作网。Lonworks技术作为新一代网络控制技术，以优良的开放性、互操作性、网络适应性、灵活的网络拓扑以及面向对象的网络通信设计等优点，成为现场总线技术和控制领域的一个最佳选择，并成为小区智能化建设的最佳方案之一。1.3 Lonworks现场控制系统的构建基于Lonworks技术的现场控制系统由Lonworks节点和路由器、Lonworks协议、Lonworks收发器和Lonworks网络管理几个部分构成。1.3.1 Lonworks节点 节点被称为智能设备，它包括一个神经元芯片，LonTalk收发器、存储器、电源和外围电路。节点是物理节点的抽象，应用设备节点、路由器、网络接口卡都是节点。1.3.2 路由器 路由器是Lonworks技术的一个主要组成部分，用来连接不同通信介质的Lonworks网络。在Lonworks技术中，路由器包括以下几种：中继器、桥接器和路由器。路由器除连接不同媒介的Lonworks网络外，还能控制网络交通，增加信息通量和网络速度。1.3.3 Lonworks协议 Lonworks协议称为LonTalk协议和ANSIEIA7091控制网络标准，是Lonworks系统的灵魂，它固化于神经元芯片中，是直接面向对象的网络协议。该协议提供一系列通信服务，使得一个设备的应用程序可以在不了解网络拓扑、名称、地址或其它设备功能的情况下发送和接收网络上其它设备的报文。LonTalk协议能提供端到报文确认，报文认证、打包业务和优先传送服务，提供网络管理服务的支持，并允许远程网络管理工具与网络设备进行交互。 1LonTalk协议特点 1)LonTalk协议采用分级编址方式，即域、子网和节点地址。 2)LonTalk协议支持多种通信介质，包括双绞线、电力线、同轴电缆、无线电和红外线、光纤传输介质等。 3)网络上任一节点可以对其它节点进行操作，传输控制信息。 4)响应时间快，通信安全可靠。 2LonTalk协议的功能LonTalk协议符合ISO制订的开放系统互联OSI标准，具有完备的七层协议，如表21所列。由表中可以看出，LonTalk提供的服务包括：物理信息管理；命名机制、数据包寻址和路由选择：通信的高可靠性；优先级管理和外部帧和数据表示等。 3LonTalk协议标准LonTalk协议是一个分层的、基于数据包的对等通信协议，是一个公认的标准并遵循OSI模型分层规则。为了确保满足控制网络的可靠和鲁棒的通信标准，LonTalk协议为控制应用提供了一个高可靠、高性能、高抗干扰性强的通信机制。 1)物理层：定义了在通信信道上位流的传输 2)数据链路层：定义介质访问方法和确保有效利用单一信道的数据编码。 3)网络层：定义了来自源设备的报文是如何选择路由到达一个或多个目的的设备。 4)传输层：确保可靠的报文传输。 5)会话层：对较低层数据交换加以控制。6)表示层：定义报文数据的编码。7)应用层：定义为一种低层交换数据的公共语义解释，使不同的应用程序中网络变量改变时，均能自动将更新的网络变量下传(发送)或上传(接收)。应用层还定义了一个文件传输协议，用来传输应用程序间的传输流。4LonTalk提供的服务1)物理信道管理：LonTalk协议支持一种或多种不同传输介质构成的网络。这些传输介质包括双绞线、电力线、无线射频、同轴电缆和光纤等。不同介质的传输距离、传输速率、网络拓扑结构以及所用的收发器均不相同。每个网络节点连接到物理信道上，一个或多个信道具有特定频率的射频，一条电力线信道是与交流电力线相连的线段。多条信道由网桥和路由器连接，收发器是神经元芯片与信道的接口，信道的传输率与传输介质和收发器有关。2)LonTalk协议的命名机制和寻址方式：(1)神经元芯片命名：神经芯片具有一个特有的48位标识(Neuron ID)，NeuronID由芯片生产厂家惟一确定，并且终生不变。由此，Neuron ID作为神经芯片的名字，可以惟一区别其他神经芯片。(2)地址：地址是一个对象或一组对象的特有标识，与名字不同，地址是可以改变的。LonTalk地址唯一地确定一个LonTalk数据包的源节点或目标节点，路由器则利用这些地址在信道之间选择数据包的传输路径。尽管Neuron ID也可以作为地址，但它不能作为寻址的唯一方式，这是因为该寻址方式只支持一对一的传输，将需要过于庞大的节点路由表以优化网络流量。仅仅当网络安装和配置时，才使用芯片的Neuron ID寻址方式。为了简化路由选择，LonTalk协议定义了分级的地址形式：域(Domain)、子网(Subnet)和节点Oqode)地址。除此之外，还有组地址。(3)寻址方式：该方式由域地址、子网地址和节点地址等方式组成。域地址(Domain)：域是一个信道或多个信道上的节点的逻辑集合。一个域就是一个实际意义上的网络，通信只能在同一域中配置的节点之间进行。域地址用域标识符ID来表示，可以分为0、1、3或6个字节。域标识是唯一的。子网地址(Subnet)：一个子网是在同一域中节点的逻辑集合。一个子网最多可有127个节点，一个域最多可有255个子网。子网中的所有节点必须在同一信道上，并且子网不能跨越智能路由器。如果一个节点属于两个域，该节点必须属于每个域中的一个子网。节点地址(Node)：一个子网内的节点被赋予该子网内的唯一节点标识码。节点的标识码为7位，所以每个子网最多可以有127个节点，一个域中最多可以有255x127=32385个节点。组地址(Group)：组是一个域内节点的逻辑集合。与子网不同，组不需要考虑节点的物理位置。组可以包括路由器，一个节点最多可以属于15个组，一个域最多可以有256个组，组地址的长度为1个字节。芯片地址(Neuron ID)除了子网席点地址之外，节点可以用NeuronID寻址。Neuron ID为48位长，这个ID码是唯一的。(4) 寻址格式：节点有五种寻址方式。寻址格式确定了地址格式的字节数。每种寻址格式的字节数见表22。注意，在计算整个地址长度时，应在表22中给出的地址长度基础上再加上域地址长度(该域地址长度范围为0"-'6个字节。) 3)网络管理与网络设备： (1)网络管理：一个Lonworks网络是否需要一个网络管理节点，取决于实际应用的需求。一个网络管理节点具有以下功能：寻找未配置的节点并下载网络地址；停止、启动和复位应用程序；访问节点通信统计；配置路由器；下载新的应用程序；提取运行网络的拓扑结构。在一个开发环境中，网络管理节点的应用相当于LonBuilder开发平台的网络管理，其任务包括定义、配置、下载和控制Lonworks网络。LonBuilder协议分析仪具有监视、采集和显示网络通信流量以及性能统计等功能。 (2)路由器：一个路由器连接两个信道并且在信道间转发数据包。路由器可以用中继器、网桥、学习路由器、配置路由器四个路由算法之一配置。 4)LonTalk提供的通信服务： (1)网络效率：网络的响应时间、安全性和可靠性是相互关联的。 (2)LonTalk报文服务：LonTalk协议提供四种报文服务：确认服务、请求应答方式、非确认重发方式和非确认方式，以定义标准网络变量类型来实现应用之间的兼容。 5)LonTalk协议中的定时器：在使用LonTalk协议服务之前，需正确设置事务定时器、重发定时器、组接收定时器、非组接收定时器、缓冲器释放定时器。 6)网络接口：LonTalk协议包含一个可选择的网络接口协议，该协议支持在任一主处理器上运行的Lonworks应用。主处理器可以是微处理器、微控制器或PC机。主处理器管理LonTalk协议的第6层和7层，并且使用LonTalk网络接口管理协议的15层。LonTalk网络接口定义网络接口和主处理器之间的数据交换格式。不同的网络接口具有不同的网络接口协议。在主处理器上执行的应用程序通过网络驱动器与网络接口通信，网络驱动器管理缓冲器分配，将来自或发往网络接口的数据送入缓冲器并且在网络接口层协议中屏蔽主机应用的任何差异。LonTalk网络驱动器定义了主机应用与网络驱动器之间的标准报文格式。 7)数据表示：LonTalk协议采用面向数据的应用协议。在这种方式下，节点间以标准工程单位或其它预定义的单位交换诸如温度、压力、状态和文字串等应用数据，而命令语句封装在接收节点的应用程序中并且不是将命令在网上传送。以这种方式，同一工程量可送到多个节点，然而每个节点对该数据有不同的应用程序。“数据表示”由基于芯片节点的芯片固件完成；在基于主机的节点中，“数据表示”由主处理器完成。 (1)网络变量：网络变量是LonTalk协议中表示层的数据项，网络变量可以是数据项或是一个结构，网络变量用关键字Network定义。每个网络变量由应用程序表明其数据类型。对于基于芯片的节点来说，当在一个应用程序中通过赋值操作引起了输出网络变量的变化，神经芯片固件自动地用LonTalk协议服务在网络上传播其更新的值。(2)显示报文：将报文的目的地址、报文服务方式、数据长度和数据组成APDU(应用层数据单元)下传并发送，将发送结果上传并激活相应的发送结果处理进程。当收到信息时，能根据上传APDU判断是否显示报文，并根据报文代码激活相应的处理进程。1.3.4 Lonworks收发器 每个网络设备包括一个收发器，收发器提供一个Lonworks设备与网络的物理通信接口。收发器简化了可互操作的网络设备的开发，这可适用于不同的通信介质和网络拓扑。在任给定的设备中，设备所使用的收发器类型是很重要的。这是因为具有相同类型收发器的设备在网络上可以直接通信，具有不同收发器类型的设备必须通过路由器才能实现互操作。 Echelon公司提供双绞线收发器和电力线收发器，而其它公司提供用于无线电、光纤和其它介质的收发器。 1双绞线收发器双绞线收发器是一种最通用的类型，许多设计方案中都会使用它。配置双绞线收发器可满足性价比要求。双绞线收发器与Neuron芯片的接口有三种基本类型：EIA-485、直接驱动和变压器耦合。 1)EIA-485：通常市售的EIA485收发器与其他的收发器相比，在成本、性能、体积等方面有更多的优势。在元器件参数不变的情况下，能支持多种数据传输速率(最高达125Mbs)以及多种通信介质。EIA485收发器通用模式的电压范围比直接驱动收发器更宽，但比变压器耦合收发器稍窄。公共电压范围为712V，但通过使用光电隔离器可提高电压范围。 2)直接驱动：直接驱动接口使用Neuron芯片的内部收发器，并配有外接电阻、限流二极管和ESD保护装置。如果网络上的节点数不超过64个，且各节点使用普通电源供电，电路板所支持的数据传输速率最高不超过125Mbs，网络配置选择直接驱动接口是较为理想的引。在这种模式下，一般的电压范围限制在O9V'-VDD175V。 3)变压器耦合：变压器耦合接口适用于需要高性能、高隔离度和高抗干扰能力的应用场合。变压器耦合收发器的通信速率最高可达125Mbs。由于有不同类型的变压器，开发者可开发适合自己的2线制或4线制的变压器耦合电路。 2. 电力线收发器强噪声环境和接线范围的限制使电力线收发器的应用更加复杂。Echelon公司提供一组符合北美和欧洲标准的收发器系列产品，其工作性能非常好。当Neuron芯片与电力线收发器接口时，Neuron芯片的通信端口应设置为专用模式，此时的最高数据传输速率为10Kbs。 3无线射频收发器符合Lonworks技术的无线射频收发器RF可用于许多场合，它有不同的频率范围可供选择。在低成本、低发射功率的场合，可使用单一频率(350MHz)的收发器。对于需要高发射功率的应用场合，Motorola公司提供有相应的无线射频收发器产品，可工作在450MHz的频率范围内130】。与无线射频收发器接口时，Neuron芯片的通信端口应设置为单端工作模式，此时能达到的最大数据传输速率为4800Bd(波特)。1.4 Lonworks网络管理Lonworks技术包括设计、使用和支持LON网络所需的全部工具，主要有：神经元芯片NeuronChip、神经元芯片编程语言Neuron C、网络通信协议LonTalk、网络接口、网络路由器Router、网络收发器Transceiver和网络开发工具LonBuilder(或NodeBuider)。这些组成Lonworl(s的基本要素为LON网络的设计提供了一个完整的开发环境。FCS系统的设计者可以利用这些平台设计LON网络中的节点并安装网络。网络中采用Neuron芯片的智能节点(可能是传感器、变送器、执行机构或其他测控设备)之间遵循LonTalk局部操作网络通信协议，这种遵循LonTaik协议的局部操作网络就称为Lonworks控制网络系统，其结构如图2-3所示。目前对Lonworks系统的网络管理有两种途径，一种是适用Visual Control进行网络管理，这种方法的优点是网络结构形象逼真，它可以将整个网络系统以树型的方式展现在用户面前，用户可以方便地增、删节点和结构分支，并可方便地查看各个节点中网络变量的数值与状态。其缺点是网络较庞大、价格也较昂贵。因为网络系统只是其中的一部分功能，故实际现场中单作为网络管理有些不经济，由于软件本身的问题，网络管理系统的故障率较高，有待进一步改进。另一种是使用LonMaker网络管理软件，它具有小巧、实用的特点。缺点是系统运行在DOS方式下，界面不太直观，但在现场管理上比较经济实用，软件所占空间小且价格便宜。LonMaker是美国Echelon公司为其现场总线Lonworks配套开发的网络管理组态软件，它可以通过对节点内和节点间网络变量的实时连接，在线完成控制系统的组态，这使人们可以在线重新调整组织控制系统，并可实时修改网络变量的数值与状态，以便技术人员进行现场调试及测试。第2章 ：系统电路设计智能家居是智能化住宅的重要组成部分，它利用家庭总线系统来进行各种信息的传送，将家庭内的各种信息通信设备连接到总线式的传输线上。在加强各设备之间相互有机联系的同时，可同社会信息网的种种功能融合起来，成为社会网络的一部分，做到在任何地方或任何时候都可以随意地查询或索取家庭内外的各种信息。2.1 智能家居系统结构 LonWorks技术的应用给家庭住宅智能化带来了全新的解决方案。采用LonWorks网络使得从封闭的依赖于单个厂商的控制系统到完全可以互操作的智能家居控制系统的转变成为现实，可以以LonWorks技术为依托开发与LonWorks兼容的通用智能控制节点，各种专用节点以及各种智能传感器执行器搭建新一代的智能家居控制网络。本智能家居是基于LonWorks技术构成的，它既可完成电表、煤气表、冷热水表等数据的采集、传输，又可通过红外、气漏等传感器进行安全报警。通过LonWorks节点的DO口，还可以实现对家电、照明等设备的控制，对室内的温度、湿度进行检测。智能家庭控制系统其拓扑结构如图31所示。从上图可以发现整个系统是由3层网络构成：1)第l层是IO设备层，包括了门磁、窗磁、紧急按钮、探测器、各种模拟家电。主要是现场的执行装置和传感器2)第2层为控制器层，即Lon节点，主要负责数据采集和控制3)第3层是计算机层，主要是PC计算机，主要是数据传送和显示图31中LonWorks控制模块(即Lon节点)集成了个神经芯片、通信收发器、存储器和晶振。Lon节点仅需添加一个电源、外围电路接口和在神经芯片上运行的应用程序就可以构成一个完整的节点。家庭Pc机插入Lon网卡才能与Lon节点进行相互通信。AD转换器和DA转换器可以分别接传感器和执行器，属于数据采集部分。Lonworks节点可以采用以神经元芯片为核心的方式，也可以采用神经元芯片加主处理器的方式。1采用以神经元芯片为核心的Lonworks节点(基于芯片的节点)神经元芯片是一组复杂的VLSI器件，一个神经元芯片包括应用CPU、IO处理单元和通信处理器。因此，一个神经元芯片加上收发器就可构成一个典型的现场节点，负责现场设备的通信和简单数据处理任务。图32a)为基于芯片的节点结构框图。2采用神经元芯片加主处理器的Lonworks节点(基于主机的节点)神经元芯片是8位总线，最高主频为lOlVlHz。对于一些复杂的控制，如带有PID算法的单网路、多回路，其控制就力不从心。而采用Host Base结构是解决这一矛盾的好方法：将神经元芯片作为通信处理器，用高级主机的资源完成复杂的测控功能。图3-2b)为一个典型的基于主机的节点结构图。其中主处理器可以是微控制器或PC机等。如图所示，基于芯片的节点结构简单，成本低，但完成的功能有限：基于主机的节点，结构复杂，成本较高，能实现强大功能。智能家居网络系统中，对于电灯，仪表，开关等仅需简单输入输出功能的设备主要使用基于Neuron芯片的节点设计方法。而对于电饭煲、空调、冰箱，洗衣机等复杂家电的控制，主要使用基于主机的节点设计方案。本课题旨在研究对于复杂的智能家居节点的控制，因此采用了基于主机的节点设计方法。此处的主处理器本文将采用ATMEL公司生产的AT89S51单片机。2.2 智能家居节点的硬件设计本设计在节点设计过程中，恰逢淮安信息职业技术学院智能实验室动工，按照实验室对智能家居系统的要求，论文设计的节点相对于智能家居节点所实现的功能略微简单，但设计原理及方案相同，根据LonWorks总线技术具有开放性这一显著特点，可在设计的智能家居节点上扩展不同的外部设备，以实现更多的功能。2.2.1 智能家居节点的总体结构图智能家居的节点结构框图如图3-3所示，神经元芯片MC3150是智能家居节点的通信控制部分，通过它可以与住宅小区其它的节点进行通信联络，物业管理中心也是通过它向各个家庭安防节点传达控制命令的。图中单片机AT89S51是家居节点的中心控制部分，整个单片机及其它与其相连的设备均一起作为神经元芯片的输入输出设备，其实这一部分也具有相对立的功能：如果神经元芯片与LonWorks总线断开时，那么整个安防节点仍具有防盗报警等功能，这时的控制完全由AT89S51来完成。所以该系统的可扩展升级性很强，能满足不同用户的需求。图中的开关量输A输出及模拟量输入输出用来采集各种报警信号和完成AT89S51下达的控制命令。2.2.2 神经元芯片与AT89S51的接口 LonWorks技术的核心是神经元芯片，神经元芯片使用CMOs VLSI技术，允许运行价格低廉的控制网纠36J。神经元芯片主要包括MCl43150和MCl43120两大系列，3150芯片支持外部存储器，可进行软件的扩展，适用于大型复杂系统；3120本身为一完整的最小系统，它支持小型应用程序，适用于简单的低成本系统。 两种神经元芯片的存储器配置是不同的，3120不可外接E2PROM，而3150则可以，因此它有外部数据线和地址线及少量控制线的引脚。在两种芯片的E2PROM中存储有网络配置、编址信息以及神经元芯片的唯一48位标识符Neuron ID(由生产厂商写入)，另外还有用户应用程序代码和只读数据。在两种芯片的静态RAM中(2K和1K)，设有数据堆栈，存储有应用程序和系统数据，并开辟有LonTalk协议中的网络缓冲区和应用缓冲区p7|。 3150系列可以扩展外部内存空间(有地址线A0-A15)，而3120系列则只有片内固定的内存空间(无地址线)。由于3150系列为用户留下了更为广阔的创造空间，能够满足用户写入更周全和复杂的控制逻辑，具有更广泛的用户群。 在本论文所设计的家居节点中，我们所选的芯片也是3150芯片。家居节点采用单片机AT89S51作为主处理器，与Neuron芯片接成并行IO对象的操作模式。Neuron芯片的并行IO对象允许以最高为33Mbps的速率双向传输数据。并行m对象的物理接12通过Neuron芯片的11个IO引脚完成。应用在并行IO状态下的Neuron芯片不再能有其它的IO对象来处理物理接El，Neuron芯片固件还可实现令牌传递和握手协议来实现同步和防止总线竞争【381。为增加设计的灵活性，Neuron芯片提供几种并行IO对象的操作模式：主模式，从A模式和从B模式。每种模式的不同属性用于不同的功能：(1)主模式是并行IO对象