基于LonWorks技術的家庭控制器的研究

摘 要:簡要介紹了LonWorks技術，在此基礎上進行了智能家居網絡功能分析，給出一種家庭控制節點的軟、硬件設計，主要完成遠程抄表、安防、家居控制等功能。控制器核心部分采用單片機作為主處理器，完成測控功能;FT3120智能收發器固化ShortStack固件，成為ShortStack微服務器，其作為從處理器完成通信功能。該設計控制方便，布線容易，網絡架構采用自由拓撲結構，可擴展性好。

關鍵詞:LonWorks技術; 智能家居; 智能節點; 家庭控制器

中圖分類號:TP3681 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)12-0134-03

Home Controller Based on LonWorks Technology

LIU Lu1， CAO Rong-mei2

(1. Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China;

2. Harbin School of Light Industries， Harbin 150040， China)

Abstract:LonWorks technology is introduced. The function analysis of intelligent home network is carried out. A hardware and software design to control the home nodes is presented. The remote reading of the meters， security， home control and other functions are achieved by the technology. A SCM is adopted in the core part of the home controller as a master processor to perform the monitoring and control. FT3120 smart transceiver solidified ShortStack firmware becomes ShortStack micro-processor taken as a slave processor to complete the communication function.

Keywords: LonWorks technology; smart home; smart node; home controller

0 引 言

隨著社會信息化的加快，人們的工作、生活和通信信息的關系日益緊密。信息化社會在改變人們生活方式與工作習慣的同時，也對傳統的住宅提出了挑戰，社會、技術以及經濟的進步更使人們的觀念隨之巨變。人們對家居的要求早已不只是物理空間，更為關注的是一個安全、方便、舒適的居家環境。因此，開發智能家居意義重大。本文采用LonWorks技術作為開發平臺，提出了LonWorks技術在智能家居控制系統中的一種設計方案。

1 LonWorks技術簡介[1]

LON現場總線是美國Echelon公司于1991年推出的局部操作網絡(loeal operation network)，LonWorks是一個開放的控制網絡平臺技術，該技術提供一個控制網絡架構，給各種控制網絡應用提供端到端的解決方案，該技術應用于樓宇、工廠、家庭、火車和飛機等領域。Lon Works采用分布式的智能設備組建控制網絡，同時也支持主從式網絡結構。它支持各種通信介質，包括雙絞線、電力線、光纜等。該控制網絡的核心部分——LonTalk通信協議，已經固化在神經元芯片之中。該技術包括一個稱之為LNS網絡操作系統的管理平臺，該平臺對LonWorks控制網絡提供全面的管理和服務，LonWorks控制網絡又可通過各種連接設備接入IP數據網絡和互聯網，與信息技術應用實現無縫結合。構成Lon Works控制網絡的3大基本要素如下:

1.1 LonWorks現場控制節點

一個典型的現場控制節點主要包含應用CPU、I/O處理單元、通信處理器、收發器和電源。這些節點可以直接采用神經元芯片作為通信處理器和測控處理器，稱為以神經元芯片為核心的控制節點;神經元芯片也可以只作為通信處理器，以主機或其他微處理器作為測控處理器的被稱為基于主機(host base)的節點。神經元芯片是控制節點的核心器件，片內集成媒體訪問控制(MAC)處理器、網絡處理器和應用程序處理器3個CPU，同時具有11位可編程I/O口、5位可編程通信口、2個可編程16位定時器/計數器，存儲器容量可擴展至64 KB。芯片中固化了7層通信協議中的6層內容，是集通信、控制、調度和I/O支持為一體的處理器。

1.2 通信介質

LonWorks技術支持多種通信介質(雙絞線、電力線、光纖、無線、紅外等)和它們的互聯。由于突破了通信介質的限制，LonWorks網絡可以根據不同的現場環境選擇不同的介質和收發器。

1.3 通信協議

LonWorks技術提供了一個公開的并遵循國際標準化組織(ISO)通信參考模型的LonTalk協議。LonTalk通信協議是LonWorks技術的核心。該協議提供一套通信服務，使裝置中的應用程序能在網上對其他裝置發送和接收報文而無需知道網絡拓撲、名稱、地址或其他裝置的功能。LonTalk協議是一個分層的、以數據包為基礎的對等的通信協議。LonTalk協議設計是用于控制系統而不是數據處理系統的特定要求。為了處理網上的報文沖突，LonTalk協議使用類似以太網所用的載波監聽多路訪問(CSMA)算法。LonTalk協議建立在CSMA基礎上，提供介質訪問協議，因而可以根據預測網絡業務量發送優先級報文和動態調整時間片的數目。通過動態調整網絡帶寬，采用P-堅持CSMA協議的算法使網絡能在極高網絡業務量出現時繼續運行;而在業務量較小時不降低網絡速度。LonTalk是ISO組織制定的OSI開放系統互連參考模型七層協議的一個子集。它包容了LonWorks的所有網絡通信功能，包含一個功能強大的網絡操作系統，通過所提供的網絡開發工具生成固件，可使通信數據在各種介質中可靠的傳輸。LonTalk協議采用網絡變量直接面向對象通信，網絡變量使節點之間的通信只通過網絡變量互相連接便可完成。

2 家庭控制器設計

2.1 家庭控制器功能

智能家居控制系統如圖1所示。家庭控制器是智能家居控制系統的核心，是各種家居智能化子系統的集成平臺。它對外通過總線與小區的區域控制器連接，形成小區控制網絡;對內通過家庭總線與各種家居智能化子系統(遠程抄表子系統、安防子系統、家居子系統等)連接，形成智能家居控制系統[2]。

圖1 系統總體結構圖

家庭控制器采用超大屏幕液晶顯示屏和鍵盤進行人機交互，住戶不但可以利用它監控和管理家居網絡，而且還可以通過它與小區管理中心進行信息交換，既可查閱接收小區管理中心發來的天氣預報、各種通知等短信息，又可向中心發送短信息，請求或咨詢各種服務。另外，還可進行室內或遠程家庭留言[3]。

2.2 家庭控制器硬件設計

家庭控制器是作為LonWorks總線上一個獨立的智能節點。一個典型的現場控制節點主要包括應用CPU，I/O處理單元、通信處理器、收發器和電源。LonWorks節點主要有2種:一種是以神經元芯片為核心的控制節點，一個神經元芯片加上收發器便可構成一個典型的現場控制節點。另一種采用基于主機結構的控制節點，將神經元芯片作為通信協處理器，用高性能主機的資源來完成復雜的測控功能[4-5]。本文采用基于主機結構的節點，節點的主處理器采用C8051F330單片機，選用智能收發器FT3120作為LonWorks網絡接口。FT3120智能收發器將神經元芯片3120的網絡處理核心和自由拓撲的收發器合成在一起，生成一個低成本的智能收發器芯片。該收發器符合ANSI/EIA 709.3標準，速率為78 Kb/s，支持雙絞線自由拓撲和總線型拓撲。該芯片具有神經元3120相同的控制功能以及內嵌的2 KB RAM用于緩沖網絡數據和網絡變量，帶有34個可編程標準I/O模式的11個I/O管腳;每個芯片中有獨一無二的48位ID號。它支持40 MHz高速運作，同時內置E2PROM可達4 KB，給應用提供了更多的空間。FT3120智能收發器加載ShortStack固件后，便成為ShortStack微服務器。硬件設計主要包括主處理器C8051F330和ShortStack微服務器兩個CPU 的人機交互外圍接口設計，以及主處理器C8051F330和ShortStack微服務器兩個CPU的通信電路。通信電路如圖2所示[6]。

圖2 主處理器和ShortStack微服務器通信電路

2.3 家庭控制器軟件設計

軟件部分完成人機交互以及節點的通信功能。人機交互主要是鍵盤和終端顯示，鍵盤是矩陣形式的一系列按鍵，用戶通過鍵盤向CPU輸入數據、地址和命令。顯示終端采用中文型點陣LCD，控制器的標準時間使用HOLTEK公司的串行時鐘保持芯片HT1380。節點的通信主要是主機和ShortStack微服務器之間的通信。

主機C8051F330單片機和ShortStack微服務器之間的通信接口有SCI(Serial Communications Interface)和SPI(Serial Peripheral Interface)兩種方式[7-8]。SCI是主處理器C8051F330單片機和ShortStack Micro Server微服務器之間的半雙工異步串行通信方式。SPI是一種半雙工同步串行通信方式，在SPI模式中，ShortStack MicroServer被配置為SPI主處理器(master)，C8051F330單片機被配置為SPI從處理器(slave)。主機和微服務器之間采用SCI串行通信方式，其接口程序分兩部分:上層驅動程序，為ShortStack API提供一個接口;低層驅動程序，完成硬件接口功能[9-10]。

3 結 語

使用LonWorks技術可以方便地實現家居的智能化控制，網絡架構可以采用自由拓撲結構，布線容易。對于不同子系統的要求，只需對LonWorks智能節點編寫相應的程序，而對網絡結構無需做任何修改，增強了家居智能節點的可擴展性。

參考文獻

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[10]凌志浩.從神經元芯片到控制網絡[M].北京:北京航空航天大學出版社，2002.