基于LonWorks网络的智能住宅家庭控制装置的设计

摘要：针对目前家庭智能化所存在的功能规划不详尽、设备功能单一、运用技术参差不齐等缺点，本文运用现场总线LonWorks技术开发家庭智能控制系统，来实现家庭中三表计费、三防(防火、防灾、防盗)、室内环境监测、厨房设备控制、卫生间排风控制等功能。此外，由家庭智能控制装置及各种测控器件构成的家庭智能控制系统具有扩展能力，多个这样的独立系统通过LonWorks总线连接可以构成智能小区网络管理系统。此装置能够满足人们的需要，具有广泛的应用前景。
关键词：家庭控制装置；LonWorks；神经元芯片；开放性

1 装置硬件设计
1．1 硬件功能规划
    智能化住宅家庭控制装置所实现的功能包括：对住宅居室环境(温度、湿度)进行监控；对住户三表(水表、煤气表、电表)实现远传计费；对住户实现三防(防火、防煤气泄漏、防盗)；对厨房设备实现时序控制；对卫生间实现自动排风控制。其中每个装置均可作为一个智能节点，多个节点构成了智能小区管理网络系统(即LonWorks网络)，在小区中心设置服务器可实现对整个网络的管理。此外，家用电脑可与家庭控制装置通信，实现对室内设备的管理。
1．2 硬件总体设计方案
    依据对装置功能的上述规划，可将装置分为两部分设计，即Lon控制模块设计和采集模块设计。控制装置以Lon控制模块为核心，通过对采集电路所采集的各种信号加以作用，完成装置的各种功能。其中Lon控制模块包括神经元(neuron) 芯片、存储器、晶振、收发器等；采集模块包括I／O接口电路、光电隔离保护电路、驱动电路、缓冲电路、保持电路、锁存电路以及A／D转换电路等；二部分之间通过一个18针双列直插式板边连接器和一个6针单列直插式板边连接器相连，符合模块化设计，便于安装与调试。该硬件装置原理图如图1所示。

1．3 Lon控制模块设计
    在该模块的设计中，涉及到神经元芯片的选择、存储器的分配、通信端口的配置问题，分别介绍如下。
1．3．1 神经元芯片选择
    神经元芯片包括Neuron3120xx和Neuron3150，这两种芯片在功能上大体相同，只是3120芯片内含有2k存储器，多用于功能较少而不需要扩展存储器的硬件构造中；而Neuron3150芯片内部具有0．5k EEPROM、2k RAM存储器，可外扩存储器来存储信息，可以用来开发更为复杂的应用系统。本文选用Neuron3150芯片作为开发装置的核心器件。
1．3．2 通信端口配置
    Neuron3150芯片的通信口可与多种传输媒介接口(即网络收发器)相连接，以实现较宽范围的传输速率。同时，各种不同类型的网络收发器的配置，也为选择不同通信媒介提供了条件。本设计中的家庭控制装置采用FTT-10型收发器配置，利用双绞线实现与家用电脑以及整个小区管理网络的信息传递。FTT-10型收发器采用变压器隔离，可以实现高隔离、高抗扰，其传输距离可达2700米、传输速率达78 kb／s，可满足装置与上位机信息传递的要求。Neuron3150芯片的通信端口可以配置成三种工作方式：单端工作方式、差分工作方式、专用工作方式。不同工作方式所对应的引脚定义不同，如表1所示。

    本装置中Neuron3 1 50芯片的通信端口采用单端工作方式配置，与FTT-10收发器的配置如图2所示，其中FTT-10的CLK端与3150的CLK2相连，以保证二者的时序一致。

1．3．3 存储器分配及电路设计
    由于Neuron3150芯片内部的存储器不能满足存储要求，因此在 Lon控制模块设计中，采用外接32k闪存和24kSRAM作为外存，其中16kB(寻址范围0X0000-0X3FFF)闪存用来保存 Neuron3150芯片固件，另16kB闪存(0X4000-0X7FFF)用来存储各种配置以及应用信息。24k SRAM主要用于存储应用数据以及网络数据包的缓存。存储器分配图如图3所示：

    在电路设计中，利用3150芯片的A15端口来实现对32k闪存的片选 (低电平有效)，利用3150芯片的A14、A13进行与非运算所得结果，与A15再进行与非运算来驱动SRAM的片选(低电平有效)。具体电路设计如图4所示。

1．4 采集电路设计
    依据装置要实现的功能，采集电路规划为数字输入12路、数字输出12路、模拟输入 4路：Neuron3150芯片I／07至I／0010管脚用来接收室内温湿度值，配置成4路模拟电路；I／O-O至I／O-6管脚和利用地址总线扩展出的3路I／O口共同形成24路数字信号。
1．4．1 模拟输入电路设计
    模拟输入电路为检测居室环境(温度、湿度)设计，该电路如图5所示。

    图中的Max186芯片是用于进行A／D转换的，由美国美信公司生产，Max186是12位的数据采集集成芯片，它把8通道多路开关、大带宽跟踪／保持电路和串行接口组合在一起，4线串行接口可直接接到SPI、QSPIMicrowire器件而无需外加逻辑，使用内部时钟或外部串行接口时钟以完成逐次逼近模／数转换。通过射随器进入芯片的模拟输入信号为0-5 V电压信号，它可以转换为数字信号并以Neurowire总线方式串行进入神经元芯片中，然后存放在存储器SRAM中，这些数据可传到家用电脑中用来显示和记录。
1．4．2 数字电路设计
    数字电路设计包括输入电路设计和输出电路设计。
    (1)数字输入电路
    数字输入电路为采集三表、三防信号而设计，电路如图6所示。数字输入电路以神经元芯片中的I／O-O-I／O-5管脚所扩展成的6总线为基础，通过片选信号作用形成12路，此电路中光电隔离的输入端，接各种传感器信号，以防止因传感器输入电压过大而烧毁元器件。2片74LS245芯片作为数字输入缓冲电路，以确保装置能准确地接受传感器的信号。

    (2)数字输出电路
    数字输出电路以I／O-O-I／O-5管脚所扩展成的6总线为基础，通过片选信号作用形成12路，电路如图6所示。图中2片74LS273芯片作为输出锁存电路，利用该电路保持输入状态的特点，使Lon控制模块输出的信号可靠地传到各种执行装置上。
1．5 抗扰电路设计
    在硬件设计过程中，考虑了多种抗扰设计措施。
    (1)采用高品质的电源向控制器供电，单点接电源，单点接地。
    (2)线路板上的数字电路与模拟电路尽量分开，数字地与模拟地分开，地线、电源线尽量加粗。
    (3)输入信号加光电耦合器隔离，防止外围器件动作时产生的回流冲击系统电路。
    (4)数字量输出的继电器线圈处要加放电二极管，可以用串一个电阻的办法来软化信号的跳变沿或提供一定的阻尼。

2 程序设计
    上述功能在应用程序中采用模块化设计，主要包括远程抄表模块、报警联动模块、室内环境监测模块、顺序控制模块，各功能模块采用定时器事件来驱动。程序流程图如图7所示：

3 结论
    利用此装置可以控制住宅温、湿度等参数，以满足智能住宅规定标准(温度控制在18～28℃，湿度控制在30～70％；此装置能够将各种信息准确采集，并能按照事先设定好的方式发出命令，实现三防(火、盗、气)，对厨房炊具、卫生间排风进行监控，三表计费等功能；此装置可以将三表采集信息、室内温湿度数值以及室内设备状态准确地传递给家用电脑，家用电脑能够监控控制装置的工作。