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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。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帳管理等。 (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的需求。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源以及外設嵌入式聯網的趨勢看，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，為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，對家中設備的遠程查詢、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。總線通信協議的公開化，不同廠商生產的設備之間可以進行互聯以實現信息交換。控制任務下載分配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，可以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)，現場電器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，在最小系統的基礎上，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，多主結構，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。 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，與節點在網絡中的地位相同，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。 3 軟件模塊與協議 系統軟件主要由監控、配置、網絡管理和網絡協議四部分組成，其中監控部分完成對家庭設備運行狀態的控制和檢測，及時顯示且做相關處理，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的當前狀態信息。網絡管理幫助用戶分析、管理和擴展網絡，并進行故障診斷和故障恢復。網絡協議實現TCP/IP到HASP(HAS Protocol)相互間的轉換，主要是數據流關系為TCP/IP到RS-232到CAN三者之間的相互轉換。 系統程序首先完成初始化定義，包括最小系統、X25045、DS1302、鍵盤定義及處理、LCD、CAN總線、Rabbit2000，然后進入循環監控狀態。以水表計費簡要說明，水表計費節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→向水費節點發出費用指令→水費節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→發指令詢問水費→控制器響應且向水費節點發費用指令→水費節點返回費用→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必然是HAS的發展方向，本方案的硬件平臺及底層現場控制系統實驗目前已經完成，正著手進行與上層網絡的調試。該方案的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，實現了對整個家庭網絡設備的優化管理。 |
