基于Internet的智能家庭网络控制器的实现

摘要：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的智能家庭网络控制器，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。 关键词：Internet 智能化 CAN总线 家庭自动化系统 随着计算机、控制、网络、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网络的管理，另一方面与整个楼宇主控管理系统互联[1]。对家庭网络的管理主要有： （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，内部家用网络接入设备之间局域网的连接，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。对外实现与互联网连接，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，但是各系统之间网络标准不一，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。 从智能建筑的网络资料以及外设嵌入式联网的趋势持，楼宇局域网与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网互联技术已经成熟，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网络FCS（Fieldbus Control System），完全满足分布式和渐增式的控制要求[2]。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的智能家庭网络控制器，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网扩展。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[3]。 与Ethernet网的连接选用了基于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[4]，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以太网接口，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，为现场设备的上网提供了软/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。在底层控制网络中，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，与节点在网络的地位相同，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、网络管理和网络协议四部分组成，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。网络管理帮助用户分析、管理和扩展网络，并进行故障诊断和故障恢复。网络协议实现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，正着手进行与上层网络的调试。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，实现了对整个家庭网络设备的优化管理。