基于HBS的分布式智能照明及安防系統(tǒng)的研制

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

自從1983年第一座帶有智能化觀(guān)念的建筑物在美國(guó)落成以來(lái)，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(bào)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(bào)警、門(mén)禁系統(tǒng)）以及完善的計(jì)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(lái)監(jiān)控照明，但也只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的區(qū)域照明和定時(shí)開(kāi)關(guān)功能，無(wú)法用調(diào)光、場(chǎng)景控制等功能來(lái)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(guò)控制照明光源的發(fā)光時(shí)間，亮度來(lái)滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求，而且還要考慮到管理智能化和操作簡(jiǎn)單化以適應(yīng)未來(lái)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(mǎn)足以上要求。

1 HBS協(xié)議簡(jiǎn)介

HBS的全稱(chēng)是家庭總線(xiàn)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(huì)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(guò)雙絞線(xiàn)或同軸電纜實(shí)現(xiàn)家庭電器、電話(huà)、音頻-視頻裝置的互連，著眼于家用電器的綜合自動(dòng)化。同時(shí)，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(gòu)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(kāi)關(guān)量以及簡(jiǎn)單模擬量的控制，采用專(zhuān)用總線(xiàn)，具有抗干擾強(qiáng)、響應(yīng)速度快、開(kāi)發(fā)成本及風(fēng)險(xiǎn)較低的特點(diǎn)。

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(lái)分散獨(dú)立的照明電器及安防裝置通過(guò)直流載流總線(xiàn)技術(shù)集成為一個(gè)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(gè)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(lái)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(huì)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(shí)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(xiàn)上信號(hào)的仲裁和傳遞，同時(shí)負(fù)責(zé)總線(xiàn)的供電。它是系統(tǒng)中的核心部件，每個(gè)系統(tǒng)必須有一個(gè)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(hù)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(kāi)關(guān)（Switch）(有單鍵、雙鍵、三鍵以及四鍵幾種規(guī)格)、調(diào)光開(kāi)關(guān)（Dimmer Switch）、電機(jī)開(kāi)關(guān)（Motor Switch）無(wú)線(xiàn)接收器（Wireless Receiver）和主控開(kāi)關(guān)（Master Switch）（16～40鍵）幾種類(lèi)型。另外還有電話(huà)模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。其中無(wú)線(xiàn)接收器的功能是將無(wú)線(xiàn)遙控按鍵發(fā)出的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到總線(xiàn)。此外，傳感器單元也歸入控制器部分，不類(lèi)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(mǎn)足，傳感器單元自動(dòng)發(fā)出控制指令。

執(zhí)行器 是具體的驅(qū)動(dòng)單元，系統(tǒng)的信息輸出通道，它根據(jù)控制指令去驅(qū)動(dòng)具體的對(duì)象，如燈、電源開(kāi)關(guān)、警燈、警鈴等。目前系統(tǒng)中包括開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器（有單通道、雙通道、四通道幾種規(guī)格，負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)對(duì)象的驅(qū)動(dòng)，如燈、電源插座，電器等）、調(diào)光驅(qū)動(dòng)器、報(bào)警驅(qū)動(dòng)器等幾種類(lèi)型。

系統(tǒng)主要功能有：

·一對(duì)一控制：一處的開(kāi)關(guān)控制一處燈光

·一對(duì)多控制：一處的開(kāi)關(guān)同時(shí)控制多處燈光

·多對(duì)一控制：多處的開(kāi)關(guān)控制一處燈光

·場(chǎng)景控制：一個(gè)開(kāi)關(guān)讓多處燈光達(dá)到預(yù)設(shè)的狀態(tài)

·定時(shí)控制：提供開(kāi)啟保持和關(guān)閉延時(shí)功能

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

·紅外遙控：通過(guò)紅外遙控器操作燈光

·安全監(jiān)控：防盜、煤氣泄漏、防火報(bào)警通過(guò)電話(huà)遠(yuǎn)程監(jiān)控（語(yǔ)音提示）

系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)為：

·網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)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(diǎn)數(shù)最多256點(diǎn)

·網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可編程可記錄

·具有軟件校驗(yàn)錯(cuò)誤功能

·供電電壓：直流24V

3 主控器的設(shè)計(jì)

3.1 主控器的硬件設(shè)計(jì)

主控器的硬件主要由電源、大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、CPU、WDT、總線(xiàn)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(xiàn)收發(fā)電路要處理24V的電壓信號(hào)，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(xiàn)收發(fā)電路的工作電源。為減少干擾，采用單點(diǎn)接地技術(shù)，即兩部分電源的地線(xiàn)在線(xiàn)路板上是分開(kāi)走線(xiàn)的，最后在一點(diǎn)將兩者連接。

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

3.2 主控器的軟件設(shè)計(jì)

主控器主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的靜態(tài)掃描和動(dòng)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(gè)組地址或場(chǎng)景地址包含了哪些單獨(dú)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(jiàn)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(diǎn)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(lái)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(dòng)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(dòng)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(chǎng)景地址包含了哪些單獨(dú)或調(diào)光地址。這些內(nèi)容是用戶(hù)設(shè)定的控制關(guān)系，系統(tǒng)斷電后也能保持。動(dòng)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(yùn)行時(shí)各個(gè)地址的狀態(tài)，可以通過(guò)運(yùn)行時(shí)的查詢(xún)動(dòng)態(tài)填寫(xiě)；另一塊是靜態(tài)數(shù)據(jù)的鐿像，在主控器上電啟動(dòng)時(shí)，從EEPROM中讀出填寫(xiě)入RAM，供程序運(yùn)行時(shí)查詢(xún)控制關(guān)系。系統(tǒng)的控制關(guān)系可以在運(yùn)行中動(dòng)態(tài)修改，所有的修改先定入動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)，當(dāng)用戶(hù)修改完畢，則將動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)的這塊鏡像重新寫(xiě)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(lái)。

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(jì)思想基本相似，只是執(zhí)行器在硬件上比控制器多一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊。下面就以控制器為例來(lái)說(shuō)明。

4.1 控制器的硬件設(shè)計(jì)

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

硬件主要由電源模塊、總線(xiàn)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(kāi)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

電源模塊將從總線(xiàn)引入的交流24V經(jīng)過(guò)全波整流，變換成24V脈動(dòng)直流電，再經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路，輸出5V電壓作為工作電源。由于總線(xiàn)上信號(hào)是交流24V，遠(yuǎn)大于CMOS電路電平，因此要通過(guò)總線(xiàn)接口模塊進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，然后將信號(hào)送入CPU模塊處理?；厮托盘?hào)要求是電流信號(hào)，而經(jīng)CPU模塊運(yùn)算處理后輸出的響應(yīng)是電壓信號(hào)，因此要經(jīng)過(guò)總線(xiàn)交互模塊將其轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，再回送到總線(xiàn)上。人機(jī)接口模塊負(fù)責(zé)接收用戶(hù)輸入、地址設(shè)定以及狀態(tài)顯示，方式是通過(guò)鍵盤(pán)、LED和紅外方式。CPU模塊是整個(gè)開(kāi)關(guān)的核心，負(fù)責(zé)接收總線(xiàn)信號(hào)和用戶(hù)輸入，然后通過(guò)運(yùn)算、分析和判斷，產(chǎn)生響應(yīng)動(dòng)作和信號(hào)。

4.2 控制器的軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件可分為鍵盤(pán)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(dòng)模塊五大部分，另外還有EEPROM讀寫(xiě)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(jiǎn)單，界面直觀(guān)；采用24V直流載波總線(xiàn)技術(shù)，使得系統(tǒng)安裝方便，成本較低；采用強(qiáng)弱電隔離保護(hù)技術(shù)，確保強(qiáng)電故障不會(huì)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(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命，降低用戶(hù)的運(yùn)行費(fèi)用；而且總線(xiàn)通訊技術(shù)可靠，并可加掛各類(lèi)功能擴(kuò)展模塊，例如通過(guò)基于PSTN的電話(huà)接入模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。