基于LonWorks总线的智能家居系统设计

摘要：提出了一种基于LonWorks现场总线技术的智能家居系统的设计方案。该方案将LonWorks总线技术应用于智能家居系统，系统中的控制和采集节点由单片机和神经元芯片组成，单片机作为主控制器，神经元芯片作为通信协议处理器和上位机进行通信。
关键词：LonWorks总线；智能家居；智能节点；单片机

0 引言
智能家居以住宅作为平台，综合利用计算机、网络通信、家电控制、综合布线等技术，将家庭智能控制、信息交换、安防监控等家居生活有效结合起来，创造出高效、安全、舒适、便捷的个性化住宅空间。
LonWorks是美国Echelon公司推出的现场总线技术，该总线可为智能控制系统提供一套完整的解决方案，其核心技术是LonTalk协议和神经元芯片。其中，神经元芯片都内嵌有LonTalk协议的固件，同时神经元芯片还具有通信和控制功能，可提供34种常见的I／O控制对象。Lon Works网络采用分布式结构，实现网络上节点相互通信。LonWorks作为一种开放、互操作、全数字的现场总线技术，以实时性好、灵活性好、可靠性高等特点，赢得了相关领域的生产商、研究机构和用户的青睐，得到了极为广泛的应用。LonWorks产品中的的电力线收发器不需要另外布线，可使各种设备组成智能网络进行数据测控与通信，而且组网维护十分方便。所以，本文采用LonWorks现场总线技术来设计智能家居系统。

1 系统架构
智能家居系统的底层设备需要有数据采集、设备控制、网络数据传输和数据处理等功能。设计时可以将智能家居系统划分为感知层、网络层和应用层3个层次。
感知层包括所有搭载神经元芯片的智能节点，节点使用电力载波的通信方式组成LonWorks网络。这样组网的最大优势是不用重新布线，而使用现有电力线就能架设网络，使得组网更方便。底层终端可以大致分为安防报警类、环境监控类、家电控制类、设备管理类等。
网络层包括运行着LNS Server软件的服务器和网关，服务器通过网络接口与LonWorks网络上的设备进行通信，并能直接对现场的各种设备进行监控与管理。LNS服务器上还能建立一个Web服务器，以将数据通过Web站点发布到互联网上去。
应用层是用户和系统的接口，利用友好的界面完成用户与系统的信息交互过程。用户的终端可以是PC机、手机、平板电脑等。图1所示是其系统总体结构图。

2 设计方案
2．1 智能节点的设计
在本系统中，智能节点使用单片机作为主控控制器，神经元芯片作为通信协议处理器，图2所示是其智能节点的构架图。单片机和神经元芯片之间使用串口协议进行通信，使用单片机作为主控制器的优点在于外围电路开发方便，相应技术也比较成熟。用神经元芯片作为通信协议处理器使得增加、移动和改变设备可以快速实现，网络图和数据库的维护也比较简单。

本系统要对尽可能多的电器实现自动控制，但是目前家庭自动化产品还比较少，不能够经过系统直接控制。所以，本设计采用其他方式进行间接控制。本系统中的间接控制主要采用电源控制和红外遥控。
对于没有自动控制功能的产品(比如电扇、台灯、电暧箱等)，这些普通家电的控制可以通过对其电源开关的控制来实现自动化。这些普通家电的身份识别问题，可以使用RFID射频标签来解决。电子标签除了微型芯片IC以及一个高效率天线外，无任何其他元件，所以，可以方便地贴在电器插头上。电源控制的智能节点外围电路部分主要包括射频读写模块、与射频读写模块配合使用的天线外围电路及220 V交流电控制电路。其结构如图3所示。系统运行时，当单片机读取到数据后，可通过串口将数据发送给神经元芯片，神经元芯片再将其发送到LonWorks网络中。上位机获得LonWorks网络中的数据后，便可以根据相应规则进行系列自动控制。

一般家庭中还有一些可以通过红外遥控的电器(如电视、空调等)。这些电器不能直接与系统进行通信，但是可以通过红外遥控来控制。因为现在的红外遥控编码非常多，本设计使用带学习型红外遥控功能的智能节点，并通过将节点布置在相应位置来实现系统对这些电器的控制。其节点结构如图4所示。
2．2 通信协议处理器
本设计中，通信协议处理器选用型号为PL3150的神经元芯片。PL3150是Echelon公司推出的一款电力线智能收发器。PL3150智能收发器采用窄带BPSK调制解调技术，具有双频调制的特点，能够在主要通信频率被阻塞时启用预备频率工作，从而提高整个系统的稳定性。PL3150电力线智能收发器的12个I／O管脚可以通过编程配置成38种预定义标准输入／输出模式。本系统中，PL3150采用Serial(半双工异步串行)输入／输出对象与单片机进行通信，该I／O对象类型用于使用异步串行数据格式传输数据，波特率可设置为600 b／s，1 200 b／s，2 400 b／s或4 800 b／s。在该方式下IO8引脚为串行输入，IO10引脚为串行输出，它们分别与单片机的P1．7和P1．6引脚连接。整个电力线收发器的电路结构如图5所示。