基于HBS的分布式智能照明及安防系統(tǒng)的研制

http://m.butianyuan.cn/article/201612/332866.htm

自從1983年第一座帶有智能化觀念的建筑物在美國落成以來，智能化已經(jīng)成為當(dāng)今建筑物發(fā)展的主流技術(shù)，涵蓋了從空調(diào)系統(tǒng)、消防報警系統(tǒng)到綜合保安管理系統(tǒng)（包括閉路監(jiān)控、保安巡更、防盜報警、門禁系統(tǒng)）以及完善的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信系統(tǒng)。目前，絕大多數(shù)建筑物仍然沿用傳統(tǒng)的照明控制方式。部分智能大廈采用樓宇自控（BA）系統(tǒng)來監(jiān)控照明，但也只能實現(xiàn)簡單的區(qū)域照明和定時開關(guān)功能，無法用調(diào)光、場景控制等功能來靈活自如地管理照明設(shè)備。

就照明系統(tǒng)而言，它不僅要通過控制照明光源的發(fā)光時間，亮度來滿足不同應(yīng)用場合的需求，而且還要考慮到管理智能化和操作簡單化以適應(yīng)未來照明布局和控制方式變更的要求。筆者研制的基于HBS協(xié)議的分布式智能照明系統(tǒng)可以滿足以上要求。

1 HBS協(xié)議簡介

HBS的全稱是家庭總線系統(tǒng)（Home Bus System），它是由日本一些知名企業(yè)，包括日立（Hitachi）、松下（Matsushita）、三菱（Mitsubishi）、東芝（Toshiba）等聯(lián)合提出的，并得到了日本政府和商會的支持。HBS的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>如圖1所示。

HBS協(xié)議規(guī)定了如何通過雙絞線或同軸電纜實現(xiàn)家庭電器、電話、音頻-視頻裝置的互連，著眼于家用電器的綜合自動化。同時，HBS協(xié)議也考慮了如何在家庭內(nèi)獲得遠(yuǎn)程服務(wù)，如在家購物、遠(yuǎn)程醫(yī)療和遠(yuǎn)程教學(xué)等。協(xié)議主要用于電器開關(guān)量以及簡單模擬量的控制，采用專用總線，具有抗干擾強、響應(yīng)速度快、開發(fā)成本及風(fēng)險較低的特點。

2 智能照明及安防系統(tǒng)的工作原理和性能指標(biāo)

智能照明及安防系統(tǒng)主要的目標(biāo)是將原來分散獨立的照明電器及安防裝置通過直流載流總線技術(shù)集成為一個智能化系統(tǒng)，進(jìn)行集中或分布的、本地或異地的監(jiān)視、控制事務(wù)管理。

在這個系統(tǒng)中，信息的傳遞最為重要。信息主要包括控制指令以及狀態(tài)響應(yīng)等。系統(tǒng)中的任何一控制器都能接受來自本地或異地的控制指令，從而改變本身的狀態(tài)?？刂破鳡顟B(tài)改變以后，會發(fā)出狀態(tài)響應(yīng)，從而改變本地或異地的狀態(tài)顯示。根據(jù)控制指令、目標(biāo)的不同，以及指令發(fā)出的方式和時間的不同，完成集中或分布的、本地或異地的監(jiān)視、控制和事務(wù)管理。

分布式智能照明及安防系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2可以看出，分布式智能照明系統(tǒng)由三大部分組成：主控器、控制器和執(zhí)行器。

主控器 是系統(tǒng)的控制者，負(fù)責(zé)總線上信號的仲裁和傳遞，同時負(fù)責(zé)總線的供電。它是系統(tǒng)中的核心部件，每個系統(tǒng)必須有一個主控單元。

控制器 是系統(tǒng)信息的輸入通道，控制指令由用戶或傳感器它發(fā)出，控制指令執(zhí)行的結(jié)果也在控制器上顯示。目前控制器基本上以按鍵的形式出現(xiàn)，包括普通開關(guān)（Switch）(有單鍵、雙鍵、三鍵以及四鍵幾種規(guī)格)、調(diào)光開關(guān)（Dimmer Switch）、電機(jī)開關(guān)（Motor Switch）無線接收器（Wireless Receiver）和主控開關(guān)（Master Switch）（16～40鍵）幾種類型。另外還有電話模塊，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。其中無線接收器的功能是將無線遙控按鍵發(fā)出的信號轉(zhuǎn)發(fā)到總線。此外，傳感器單元也歸入控制器部分，不類型的傳感器單元有著不同的觸發(fā)條件，一旦觸發(fā)條件滿足，傳感器單元自動發(fā)出控制指令。

執(zhí)行器 是具體的驅(qū)動單元，系統(tǒng)的信息輸出通道，它根據(jù)控制指令去驅(qū)動具體的對象，如燈、電源開關(guān)、警燈、警鈴等。目前系統(tǒng)中包括開關(guān)驅(qū)動器（有單通道、雙通道、四通道幾種規(guī)格，負(fù)責(zé)開關(guān)對象的驅(qū)動，如燈、電源插座，電器等）、調(diào)光驅(qū)動器、報警驅(qū)動器等幾種類型。

系統(tǒng)主要功能有：

·一對一控制：一處的開關(guān)控制一處燈光

·一對多控制：一處的開關(guān)同時控制多處燈光

·多對一控制：多處的開關(guān)控制一處燈光

·場景控制：一個開關(guān)讓多處燈光達(dá)到預(yù)設(shè)的狀態(tài)

·定時控制：提供開啟保持和關(guān)閉延時功能

·狀態(tài)顯示：開關(guān)面板上可以觀察到所控?zé)艄獾臓顟B(tài)

·紅外遙控：通過紅外遙控器操作燈光

·安全監(jiān)控：防盜、煤氣泄漏、防火報警通過電話遠(yuǎn)程監(jiān)控（語音提示）

系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)為：

·網(wǎng)絡(luò)結(jié)點間通訊距離最大600米

·通訊速度4800比特/秒

·網(wǎng)絡(luò)通訊節(jié)點數(shù)最多256點

·網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可編程可記錄

·具有軟件校驗錯誤功能

·供電電壓：直流24V

3 主控器的設(shè)計

3.1 主控器的硬件設(shè)計

主控器的硬件主要由電源、大容量的數(shù)據(jù)存儲器、CPU、WDT、總線收發(fā)電路等模塊組成，主控器的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

由于CPU、WDT、RAM等電路工作在CMOS電平下，而總線收發(fā)電路要處理24V的電壓信號，因此電源部分分兩塊，分別提供5V和30V的電壓作CPU等模塊和總線收發(fā)電路的工作電源。為減少干擾，采用單點接地技術(shù)，即兩部分電源的地線在線路板上是分開走線的，最后在一點將兩者連接。

總線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)向總線供電與信號電平轉(zhuǎn)換。它能將CPU發(fā)出的信號（0～5V）轉(zhuǎn)換成總線電壓信號（0～24V），并能將控制器、執(zhí)行器發(fā)回的電流響應(yīng)信號轉(zhuǎn)換成CMOS電壓信號，供CPU處理。

3.2 主控器的軟件設(shè)計

主控器主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的靜態(tài)掃描和動態(tài)掃描，維護(hù)、記錄相關(guān)地址的狀態(tài)，以及控制器和執(zhí)行器之間的綁定和包含關(guān)系。所謂包含關(guān)系就是指某個組地址或場景地址包含了哪些單獨地址或調(diào)光地址。因此，主控器軟件主要部分就是通訊的處理，命令的生成和地址狀態(tài)的維護(hù)。其總體結(jié)構(gòu)見圖4。

程序總體上分命令層處理、鏈路層收發(fā)、數(shù)據(jù)處理等幾點模塊。其中鏈路層收發(fā)模塊負(fù)責(zé)將主控器發(fā)出的命令組成數(shù)據(jù)幀后發(fā)出，以及接收來自執(zhí)行器和控制器的響應(yīng)和命令，并將其送給命令層處理。命令層負(fù)責(zé)系統(tǒng)靜態(tài)掃描和動態(tài)掃描的處理，以及系統(tǒng)狀態(tài)的維護(hù)。

程序中的數(shù)據(jù)分兩塊：動態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)。其中靜態(tài)數(shù)據(jù)是放在EEPROM中的，內(nèi)容是地址包含關(guān)系，如組地址和場景地址包含了哪些單獨或調(diào)光地址。這些內(nèi)容是用戶設(shè)定的控制關(guān)系，系統(tǒng)斷電后也能保持。動態(tài)數(shù)據(jù)放在RAM中，它又劃分成兩塊，一塊記錄系統(tǒng)運行時各個地址的狀態(tài)，可以通過運行時的查詢動態(tài)填寫；另一塊是靜態(tài)數(shù)據(jù)的鐿像，在主控器上電啟動時，從EEPROM中讀出填寫入RAM，供程序運行時查詢控制關(guān)系。系統(tǒng)的控制關(guān)系可以在運行中動態(tài)修改，所有的修改先定入動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)，當(dāng)用戶修改完畢，則將動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)的這塊鏡像重新寫回靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)，從而新的控制關(guān)系被保存了下來。

4 控制器和執(zhí)行器

控制器和執(zhí)行器的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計思想基本相似，只是執(zhí)行器在硬件上比控制器多一個驅(qū)動模塊。下面就以控制器為例來說明。

4.1 控制器的硬件設(shè)計

目前系統(tǒng)中已定義的控制器包括普通開關(guān)（1～4通道）、調(diào)光開關(guān)、電機(jī)開關(guān)、無線接收器和主控開關(guān)（16～40通道）。它們的硬件結(jié)構(gòu)基本相同，如主控開關(guān)是由多個普通開關(guān)附加一個設(shè)置開關(guān)組成。下面以普通開為例介紹一下其硬件設(shè)計。

硬件主要由電源模塊、總線接口模塊、人機(jī)接口模塊和CPU模塊等四大部分組成。普通開關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

電源模塊將從總線引入的交流24V經(jīng)過全波整流，變換成24V脈動直流電，再經(jīng)過穩(wěn)壓電路，輸出5V電壓作為工作電源。由于總線上信號是交流24V，遠(yuǎn)大于CMOS電路電平，因此要通過總線接口模塊進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，然后將信號送入CPU模塊處理。回送信號要求是電流信號，而經(jīng)CPU模塊運算處理后輸出的響應(yīng)是電壓信號，因此要經(jīng)過總線交互模塊將其轉(zhuǎn)換成電流信號，再回送到總線上。人機(jī)接口模塊負(fù)責(zé)接收用戶輸入、地址設(shè)定以及狀態(tài)顯示，方式是通過鍵盤、LED和紅外方式。CPU模塊是整個開關(guān)的核心，負(fù)責(zé)接收總線信號和用戶輸入，然后通過運算、分析和判斷，產(chǎn)生響應(yīng)動作和信號。

4.2 控制器的軟件設(shè)計

整個軟件可分為鍵盤處理模塊、命令層處理模塊、鏈路層收發(fā)模塊、串行紅外通訊模塊和驅(qū)動模塊五大部分，另外還有EEPROM讀寫模塊、串口接收等功能單一的支持模塊。軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

基于HBS協(xié)議的分布式智能照明及安防系統(tǒng)采用紅外編址技術(shù)，能任意組合控制功能，操作簡單，界面直觀；采用24V直流載波總線技術(shù)，使得系統(tǒng)安裝方便，成本較低；采用強弱電隔離保護(hù)技術(shù)，確保強電故障不會波及控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性；采用低功耗的控制技術(shù)，有利于延長系統(tǒng)的使用壽命，降低用戶的運行費用；而且總線通訊技術(shù)可靠，并可加掛各類功能擴(kuò)展模塊，例如通過基于PSTN的電話接入模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。