基於LonWorks總線的智能家居係統設計
可靠傳輸
作者：王曉亮 李水明 張銀君
摘要：提出了一種基於LonWorks現場總線技術的智能家居係統的設計方案。該方案將LonWorks總線技術應用於智能家居係統，係統中的控製和采集節點由單片機和神經元芯片組成，單片機作為主控製器，神經元芯片作為通信協議處理器和上位機進行通信。
關鍵詞：LonWorks總線；智能家居；智能節點；單片機
中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2013）02-0041-03
0 引 言
智能家居以住宅作為平台，綜合利用計算機、網絡通信、家電控製、綜合布線等技術，將家庭智能控製、信息交換、安防監控等家居生活有效結合起來，創造出高效、安全、舒適、便捷的個性化住宅空間[1]。
LonWorks是美國Echelon公司推出的現場總線技術，該總線可為智能控製係統提供一套完整的解決方案，其核心技術是LonTalk協議和神經元芯片。其中，神經元芯片都內嵌有LonTalk協議的固件，同時神經元芯片還具有通信和控製功能，可提供34種常見的I/O控製對象。LonWorks網絡采用分布式結構，實現網絡上節點相互通信[2]。LonWorks作為一種開放、互操作、全數字的現場總線技術，以實時性好、靈活性好、可靠性高等特點，贏得了相關領域的生產商、研究機構和用戶的青睞.得到了極為廣泛的應用[3]。LonWorks產品中的的電力線收發器不需要另外布線，可使各種設備組成智能網絡進行數據測控與通信，而且組網維護十分方便。所以，本文采用LonWorks現場總線技術來設計智能家居係統。
1 係統架構
智能家居係統的底層設備需要有數據采集、設備控製、網絡數據傳輸和數據處理等功能。設計時可以將智能家居係統劃分為感知層、網絡層和應用層3個層次[4]。
感知層包括所有搭載神經元芯片的智能節點，節點使用電力載波的通信方式組成LonWorks網絡。這樣組網的最大優勢是不用重新布線，而使用現有電力線就能架設網絡，使得組網更方便。底層終端可以大致分為安防報警類、環境監控類、家電控製類、設備管理類等。
網絡層包括運行著LNS Server軟件的服務器和網關，服務器通過網絡接口與LonWorks網絡上的設備進行通信，並能直接對現場的各種設備進行監控與管理[5]。LNS服務器上還能建立一個Web服務器，以將數據通過Web站點發布到互聯網上去。
應用層是用戶和係統的接口，利用友好的界麵完成用戶與係統的信息交互過程。用戶的終端可以是PC機、手機、平板電腦等。
2 設計方案
2.1 智能節點的設計
在本係統中，智能節點使用單片機作為主控控製器，神經元芯片作為通信協議處理器，其智能節點的構架圖。單片機和神經元芯片之間使用串口協議進行通信，使用單片機作為主控製器的優點在於外圍電路開發方便，相應技術也比較成熟。用神經元芯片作為通信協議處理器使得增加、移動和改變設備可以快速實現，網絡圖和數據庫的維護也比較簡單[6]。
本係統要對盡可能多的電器實現自動控製，但是目前家庭自動化產品還比較少，不能夠經過係統直接控製。所以，本設計采用其他方式進行間接控製。本係統中的間接控製主要采用電源控製和紅外遙控。
對於沒有自動控製功能的產品（比如電扇、台燈、電暖箱等），這些普通家電的控製可以通過對其電源開關的控製來實現自動化。這些普通家電的身份識別問題，可以使用RFID射頻標簽來解決。電子標簽除了微型芯片IC以及一個高效率天線外，無任何其他元件，所以，可以方便地貼在電器插頭上。電源控製的智能節點外圍電路部分主要包括射頻讀寫模塊、與射頻讀寫模塊配合使用的天線外圍電路及220 V交流電控製電路。係統運行時，當單片機讀取到數據後，可通過串口將數據發送給神經元芯片，神經元芯片再將其發送到LonWorks網絡中。上位機獲得LonWorks網絡中的數據後，便可以根據相應規則進行係列自動控製。
一般家庭中還有一些可以通過紅外遙控的電器（如電視、空調等）。這些電器不能直接與係統進行通信，但是可以通過紅外遙控來控製。因為現在的紅外遙控編碼非常多，本設計使用帶學習型紅外遙控[7]功能的智能節點，並通過將節點布置在相應位置來實現係統對這些電器的控製。
2.2 通信協議處理器