一、概述
信息技術的快速發展給智能家居的建設提供了強大的現場控制網絡的技術支撐。智能家居的核心是家居控制系統的構建，而控制系統網絡技術的可靠性、穩定性、可擴展性和先進性是系統建設成敗的關鍵。美國埃施朗公司開發的LonWorks網絡技術平臺，其卓越的性能使其自投入市場以來贏得了世界各國的贊譽，不僅在交通、電力、能源、工業自動化取得了豐碩成果，在智能建筑、智能家居領域更是出類拔萃。以LonWorks技術構建智能家居現場控制網絡，其系統性能上的優勢和施工便捷性將會得到充分的展示。
二、LON智能節點硬件設計
1、LON節點功能分析
智慧小區住宅家庭控制裝置所實現的功能包括：
① 對住宅居室環境(溫度、濕度)進行監控；
② 對住戶三表(水表、煤氣表、電表)實現遠傳計費；
③ 對住戶實現三防(防火、防煤氣泄漏、防盜)；
④ 對廚房設備實現時序控制；
⑤ 對衛生間實現自動排風控制。
其中每個裝置均可作為一個智能節點，多個節點構成了智慧小區管理現場網絡。在小區管理中心設置數據庫服務器及工作站可實現對整個小區網絡的管理。此外，住宅內部家用電腦可與家庭控制裝置通信，實現對室內設備自動化監控管理。
2、LON節點總體設計方案
依據對家居控制裝置功能的上述分析，可將裝置分為控制模塊和采集模塊。控制裝置以Lon控制模塊為核心，通過對采集電路所采集的各種數據加以響應，完成各種功能。
Lon控制模塊包括神經元(neuron) 芯片、存儲器、晶振、收發器等。采集模塊包括I／O接口電路、光電隔離保護電路、驅動電路、緩沖電路、保持電路、鎖存電路以及A／D轉換電路等?？刂颇K和采集模塊之間通過一個18針雙列直插式板邊連接器和一個6針單列直插式板邊連接器相連，符合模塊化設計，便于安裝與調試。
該硬件裝置原理圖如圖1所示。
3、控制模塊設計
在該模塊的設計中，涉及到神經元芯片的選擇、存儲器的分配、通信端口的配置問題，分別介紹如下。
1) Neuron神經元芯片選擇
傳統的神經元芯片包括Neuron3120和、Neuron3150，新一代的有FT5000、FT6000等。這里僅分析前兩種芯片的差異，并作出選用。兩者在功能上大體相同，只是3120芯片內含有2k存儲器，多用于功能較少而不需要擴展存儲器的硬件構造中；而Neuron3150芯片內部具有0．5k EEPROM、2kRAM存儲器，可外擴存儲器來存儲信息，可以用來開發更為復雜的應用系統。因此，選用Neuron3150芯片作為開發裝置的核心器件。FT5000、FT6000兩種芯片功能更加強大，性能更佳，也可選用，這里不作討論。
2）控制裝置通信端口配置
Neuron3150芯片的通信口可與多種傳輸媒介接口相連接，以實現較寬范圍的傳輸速率。同時，各種不同類型的網絡收發器的配置，也為選擇不同通信媒介提供了條件。本方案中家庭控制裝置采用FTT-10型收發器配置，利用雙絞線實現與家用電腦以及整個小區管理網絡的信息傳遞。FTT- 10型收發器采用變壓器隔離，可以實現高隔離、高抗擾，其傳輸距離可達2700米、傳輸速率達78kbps／s，可滿足裝置與上位機信息傳遞的要求。
Neuron3150芯片的通信端口可以配置成三種工作方式：單端工作方式、差分工作方式、專用工作方式。不同工作方式所對應的引腳定義不同。
本裝置中Neuron3150芯片的通信端口采用單端工作方式配置，與FTT-10收發器的配置如圖2所示，其中FTT-10的CLK端與3150的CLK2相連，以保證二者的時序一致。
3)存儲器分配及電路設計
由于Neuron3150芯片內部的存儲器不能滿足存儲要求，因此在 Lon控制模塊設計中，采用外接32k閃存和24kSRAM作為外存，其中16kB(尋址范圍0X0000-0X3FFF)閃存用來保存 Neuron3150芯片固件，另16kB閃存(0X4000-0X7FFF)用來存儲各種配置以及應用信息。24k SRAM主要用于存儲應用數據以及網絡數據包的緩存。存儲器分配圖如圖3所示：
在電路設計中，利用3150芯片的A15端口來實現對32k閃存的片選 (低電平有效)，利用3150芯片的A14、A13進行與非運算所得結果，與A15再進行與非運算來驅動SRAM的片選(低電平有效)。
4)采集電路設計
依據裝置要實現的功能，采集電路規劃為數字輸入12路、數字輸出12路、模擬輸入 4路：Neuron3150芯片I／07至I／0010管腳用來接收室內溫濕度值，配置成4路模擬電路；I／O-O至I／O-6管腳和利用地址總線擴展出的3路I／O口共同形成24路數字信號。
a.模擬輸入電路設計
模擬輸入電路為檢測居室環境(溫度、濕度)設計，該電路如圖5所示。
圖中的Max186芯片是用于進行A／D轉換的，由美國美信公司生產，Max186是12位的數據采集集成芯片，它把8通道多路開關、大帶寬跟蹤／保持電路和串行接口組合在一起，4線串行接口可直接接到SPI、QSPIMicrowire器件而無需外加邏輯，使用內部時鐘或外部串行接口時鐘以完成逐次逼近模／數轉換。通過射隨器進入芯片的模擬輸入信號為0-5V電壓信號，它可以轉換為數字信號并以Neurowire總線方式串行進入神經元芯片中，然后存放在存儲器SRAM中，這些數據可傳到家用電腦中用來顯示和記錄。
b.數字電路設計
數字電路設計包括輸入電路設計和輸出電路設計。
(1)數字輸入電路
數字輸入電路為采集三表、三防信號而設計，電路如圖6所示。數字輸入電路以神經元芯片中的I／O-O-I／O-5管腳所擴展成的6總線為基礎，通過片選信號作用形成12路，此電路中光電隔離的輸入端，接各種傳感器信號，以防止因傳感器輸入電壓過大而燒毀元器件。2片74LS245芯片作為數字輸入緩沖電路，以確保裝置能準確地接受傳感器的信號。
(2)數字輸出電路
數字輸出電路以I／O-O-I／O-5管腳所擴展成的6總線為基礎，通過片選信號作用形成12路，電路如圖6所示。圖中2片74LS273芯片作為輸出鎖存電路，利用該電路保持輸入狀態的特點，使Lon控制模塊輸出的信號可靠地傳到各種執行裝置上。
5、抗擾電路設計
在硬件設計過程中，考慮了多種抗擾設計措施。
(1)采用高品質的電源向控制器供電，單點接電源，單點接地。
(2)線路板上的數字電路與模擬電路盡量分開，數字地與模擬地分開，地線、電源線盡量加粗。
(3)輸入信號加光電耦合器隔離，防止外圍器件動作時產生的回流沖擊系統電路。
(4)數字量輸出的繼電器線圈處要加放電二極管，可以用串一個電阻的辦法來軟化信號的跳變沿或提供一定的阻尼。
三、程序設計
上述功能在應用程序中采用模塊化設計，主要包括遠程抄表模塊、報警聯動模塊、室內環境監測模塊、順序控制模塊，各功能模塊采用定時器事件來驅動。程序流程圖如圖7所示：
四、結束語
利用此裝置可以控制住宅溫、濕度等參數，以滿足智能住宅規定標準(溫度控制在18～28℃，濕度控制在30～70％；此裝置能夠將各種信息準確采集，并能按照事先設定好的方式發出命令，實現三防(火、盜、氣)，對廚房炊具、衛生間排風進行監控，三表計費等功能；此裝置可以將三表采集信息、室內溫濕度數值以及室內設備狀態準確地傳遞給家用電腦，家用電腦能夠監控控制裝置的工作。
海思產品中心
