基于Internet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，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帐管理等。
(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。

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，多主结构，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，与节点在网络中的地位相同，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
系统软件主要由监控、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→发指令询问水费→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。