基于HBS協(xié)議的智能家庭控制網(wǎng)絡設計 - 全文

引 言

　　隨著計算機技術、通訊技術、網(wǎng)絡技術的發(fā)展，智能化逐步滲入人們的家庭生活。智能家庭網(wǎng)絡是指在家庭內部通過一定的傳輸介質(如雙絞線、電力線等)將各種電氣設備和電氣子系統(tǒng)連接起來，采用統(tǒng)一的通信協(xié)議，對內實現(xiàn)資源共享，對外通過網(wǎng)關與外部網(wǎng)互聯(lián)進行信息交換。該系統(tǒng)能對家庭中的各種電氣設備，進行集中或分布、本地或異地的控制和管理。家庭網(wǎng)絡系統(tǒng)因操作簡單，穩(wěn)定性好，擴展方便，控制靈活和容易維護等特點，在家庭、工業(yè)、貿易和商業(yè)樓宇等許多方面，都得到了廣泛應用。

　　1 HBS通信協(xié)議

　　家庭總線系統(tǒng)(Home Bus System，HBS)是由日系企業(yè)：日立、三菱、松下、東芝等聯(lián)合提出的概念，由日本電子工業(yè)聯(lián)合會／無線工程電子協(xié)會HBS標準委員會制定。HBS以雙絞線或同軸電纜為通訊介質，控制通道最多可以有64個節(jié)點，家用電器經HBS總線互聯(lián)，組成一個完整的家庭網(wǎng)絡。協(xié)議主要用于電器開關量以及簡單模擬量的控制，采用專用總線，具有抗干擾強，安全性高等優(yōu)點。

　　HBS協(xié)議對國際標準化組織(ISO)提出的開放系統(tǒng)互連(OSI)七層模型作了精簡，引用了其中的1，2，7層，由三層結構組成，分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。

　　物理層描述了信號模式和傳輸介質。信號線采用普通的雙絞線。HBS總線上的信號采用脈寬編碼的方式。由于選用的HBS通信芯片要求傳輸信號的頻率最大在 10 kHz左右，所以采用50μs低電平，50μs高電平表示邏輯“0”；50μs低電平，150μs高電平表示邏輯“1”，如圖1所示。采用這種方式，抗干擾能力強。接收端通過計算兩個下降沿之間的時間來判斷邏輯“0”和邏輯“1”。協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層主要是通訊幀結構的設計。通訊以幀的形式進行，所有從主機模塊發(fā)出的幀是定長的，數(shù)據(jù)幀的內容包括起始字節(jié)、地址字節(jié)、數(shù)據(jù)字節(jié)、校驗字節(jié)。

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　　校驗方式采用簡單的校驗和的方法進行幀的校驗。先將起始字節(jié)、地址字節(jié)、數(shù)據(jù)字節(jié)進行相加，然后將結果截短到所需的位長。

　　從機模塊的響應幀包括地址字節(jié)、數(shù)據(jù)字節(jié)和結束字節(jié)。

　　應用層定義所有傳送信息，使網(wǎng)絡上傳送的信息在整個系統(tǒng)中有惟一的解釋。

　　2 系統(tǒng)的總體結構設計

　　圖2為系統(tǒng)的總體結構?？梢钥闯?，這是一個分布式總線型系統(tǒng)，各節(jié)點間信息共享，采用這種結構，若不想用某設備，或者某設備損壞，可以直接去除，不會影響系統(tǒng)運行。

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　　整個系統(tǒng)只有一個主機模塊，各從機模塊都掛接在總線上。每一次通信都是由主機模塊發(fā)起的，以從機模塊的響應結束。主機模塊發(fā)送命令碼，并將命令碼進行編碼傳送到總線上。從機模塊則將命令碼進行解碼，使處理器執(zhí)行相應的操作并返回響應。驅動模塊是具體的驅動單元，驅動具體的對象，如燈的開關和亮度的調節(jié)、電源開關、警燈、警鈴等。

　　2．1 主機模塊

　　主機模塊的電路圖如圖3所示。

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　　控制芯片選用一般的AT89C51單片機。AT89C51是一種帶4 KB閃爍可編程可擦除只讀存儲器(Flash Programmable and Erasable Read OnlyMemory，F(xiàn)PEROM)的低電壓、高性能CMOS8位微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS -51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。通信芯片選用MM1192，是日本MITSUMI公司專門為HBS總線設計開發(fā)的適配器芯片，其本身自帶編解碼電路，可應用于智能家居系統(tǒng)的電信、安全監(jiān)控、影音設備、空調設備等，具有成本低，可靠性高和外圍電路簡單等優(yōu)點。通過MM1192可將單片機發(fā)出的控制信號進行編碼，并附加到HBS總線上進行傳輸，在接收端，同樣利用MM1192將信號進行還原，其控制時序及傳輸延時如圖4所示。

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　　采用MM1192收發(fā)模塊，可直接與單片機連接，但是，考慮到一些干擾和失真，在單片機和收發(fā)模塊之間加入了整形電路74HC00，有效降低了誤碼率。液晶用于顯示設備的運行狀態(tài)和執(zhí)行按鍵操作命令。

　　2．2 從機模塊

　　從機模塊中的地址即該從機模塊的編號使用撥碼開關進行設定，其電路如圖5所示。

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　　當主機模塊出現(xiàn)故障時，從機模塊也可以依靠自己的控制系統(tǒng)使設備正常運行，避免了當主機模塊出現(xiàn)故障時，致使整個系統(tǒng)癱瘓。

　　2．3 燈光調節(jié)模塊

　　驅動模塊以燈光調節(jié)為例，如圖6所示。由于可控硅具有導通和關斷兩種工作狀態(tài)，所以燈光調節(jié)可采用可控硅移相觸發(fā)方式?？煽毓枋且环N新型的半導體器件，它具有體積小，質量輕，效率高，壽命長，動作快等優(yōu)點，可廣泛應用于工業(yè)、交通、家用電器等領域，實現(xiàn)交流調壓、電機調速、交流開關、燈光調節(jié)等功能。

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　　4 結 語

　　隨著人們生活水平的提高和計算機技術、通訊技術、網(wǎng)絡技術的普及化，人們對于自身的居住環(huán)境，以及生活的舒適性、安全性，也有了更高的要求。智能家居系統(tǒng)是一個開放的、使用了多項高新技術的智能化、人本化的集成型家居系統(tǒng)，智能化和網(wǎng)絡化將是未來家居發(fā)展的必然趨勢。