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基于Internet的智能家庭網絡控制器的實現
摘要：隨著智能建筑的迅速發展，家庭自動化系統在方便、高效、節能和安全等方面逐步完善。設計了一種基于Internet的智能家庭網絡控制器，上層實現Internet的互聯，下層應用現場總線技術實現對底層設備的管理。其優越性在于充分利用Internet的互聯性及現場總線的雙向、串行、數字等特點，對家用電器進行監控管理、能源優化使用。隨著計算機、控制、網絡、通信、微電子和建筑等技術的不斷發展完善，以及相互之間的系統集成和有機結合，智能建筑已經成為現代建筑的發展方向。其中樓宇自動化系統（BAS）、辦公自動化系統（OAS）和通信自動化系統（CAS）已有成功應用。同時人們生活水平的提高，對住宅環境在舒適、安全、高效、節能和便捷等多方面提出了更高要求，因此家庭自動化系統（HAS）應運而生，它一方面實現對家庭設備網絡的管理，另一方面與整個樓宇主控管理系統互聯[1]。對家庭網絡的管理主要有：
（1）對電器設備進行自動化監控，對能源進行優化管理與控制，如家電開關、空調調節、燈光控制、聲音調節、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賬管理等。
（2）對數字設備實現互聯，內部家用網絡接入設備之間局域網的連接，如計算機、多媒體計算機、電視、攝/錄像機、VCD/DVD和數碼相機等娛樂設備。對外實現與互聯網連接，實現遠程監控、教育、醫療、存貸、購物等。
目前已有多種HAS產品共存，主要集中在歐洲、美國和日本，基本采用DCS控制方案，但是各系統之間網絡標準不一，相互兼容性差，具體可參閱文獻資料。國內現處于開發研究起步階段，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場設備，不具備信息化條件，為“信息孤島”，數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，要求系統具有良好的開放性、可擴展性和較高的智能化程度，系統能夠自動調整以適應不同用戶和多種環境需求。用戶只需簡要地操作配置，即可實現設備的“即插即用"，自動識別設備的類型并建立與其相關的聯系。
從智能建筑的網絡資料以及外設嵌入式聯網的趨勢持，樓宇局域網與Internet已經實現互聯，有的Ethernet直接入戶，充分利用現有標準和樓內已有資源，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、監控和管理。對于數字設備與Internet的互聯及相互之間的局域網互聯技術已經成熟，本文不再多述。
針對家用現場設備分散且數量隨機的特點，現場總線以雙向、串行、多節點數字通信等技術為基礎構成的開放式、數字化、分散化及智能化底層控制網絡FCS（Fieldbus Control System），完全滿足分布式和漸增式的控制要求[2]�？偩�通信協議的公開化，不同廠商生產的設備之間可以進行互聯以實現信息交換�？刂迫蝿障螺d分開到現場智能儀表和裝置設備中，并通過微處理器完成控制監測等算法，可實現測量控制一體化，提高整個系統的可靠性。
基于上述分析，筆者設計了基于Internet的智能家庭網絡控制器，總體方案如圖1所示。以Internet/Ethernet直接入戶為例，經雙絞非屏蔽線接入用戶家庭控制器HCU（Home Control Uint），現場電路設備經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，為住宅內部各平等設備嵌入式統一控制平臺，一方面對現場設備實現信息化，提供信息智能處理和通信能力；另一方面又提供統一的信息交換接口及控制規則，通過信息集成管理不同功能的子系統以及子系統相互間的信息交換，使住宅成為一個有機整體。
2 HCU硬件實現
HCU的硬件結構原理如圖2所示。控制器選用Intel高性能16位單片機80C196KC，在最小系統基礎上，分別擴展了32KB數據存儲器和程序存儲器。X25045集看門狗定時器、電壓監控和E2PROM（512×8bit）于一體，用來存儲記憶系統的一些基本參數，如節點個數、每個節點的特征參數、節點標識符及一些與節點相關的聯系。串行實時時鐘DS1302提供秒、分、小時、日、月、年實時信息，且能根據月份和閏年情況自動調整月份和結束日期。并行芯片8255擴展了4×5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與下位機節點之間選用了規模較小、可靠性高、易于擴展的CAN總線，采用雙絞線作為通信介質。CAN總線接口選用了Philips公司生產的獨立控制器82C200，其支持CANBUS物理層與數據鏈路層的所有功能，多主鴇，有成組和廣播報文功能，總線訪問優先權取決于報文標識符，有極強的錯誤處理能力，且配置靈活允許局域網擴展。選用總線驅動接口82C250結合光電隔離，提供對總線的差動發送和接收功能，實現各節點之間的電氣隔離，以增大通信距離，提高總線瞬間抗干擾能力[3]。
與Ethernet網的連接選用了基于Rabbit 2000微處理器及Ethernet芯片開發的Rabbit2000 TCP/IP開發工具箱，它是含TCP/IP協議棧的嵌入式開發系統[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C語言軟件開發包。開發板提供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個數據輸入設備、7個定時器、1個實時電池支持時鐘和1個10Base-T以太網接口，并提供了TCP/IP協議的全部源代碼，實現TCP/IP和RS-232之間相互轉換，為現場設備的上網提供了軟/硬件平臺。
對于現場設備需要開發相應的基于CAN總線的控制單元，這里不作介紹。在底層控制網絡中，HCU和現場控制單元分別有自己的ID標志，由于采用CAN標準作為通信協議，與節點在網絡的地位相同，于是將HCU虛擬為主機，將現場設備虛擬為從機，響應主機的要求，執行相應流程，各節點之間也可以進行信息交換。
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