摘? 要: 介紹了基于HBS(Home Bus System)協(xié)議的分布式智能照明" title="智能照明">智能照明及安防系統(tǒng)" title="安防系統(tǒng)">安防系統(tǒng),并詳細(xì)描述了系統(tǒng)各部分的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)思想,簡(jiǎn)單地介紹了HBS協(xié)議。

　　關(guān)鍵詞: 智能? 照明? 載波? 調(diào)光

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　　自從1983年第一座帶有智能化觀念的建筑物在美國(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" title="調(diào)光">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)可以滿足以上要求。

1 HBS協(xié)議簡(jiǎn)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(huì)的支持。HBS的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

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　　HBS協(xié)議規(guī)定了如何通過(guò)雙絞線或同軸電纜實(shí)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(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,采用專用總線,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)直流載波總線技術(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、控制和事務(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)中的任何一個(gè)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" title="執(zhí)行器">執(zhí)行器。

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　　主控器是系統(tǒng)的控制者,負(fù)責(zé)總線上信號(hào)的仲裁和傳遞,同時(shí)負(fù)責(zé)總線的供電。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,控制指令由用戶或傳感器經(jīng)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)線接收器(Wireless Receiver)和主控開(kāi)關(guān)(Master Switch)(16～40鍵)幾種類型。另外還有電話模塊,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。其中無(wú)線接收器的功能是將無(wú)線遙控按鍵發(fā)出的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到總線上。此外,傳感器單元也歸入控制器部分,不同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(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)類對(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。

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　　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(hào),因此電源部分分兩塊,分別提供5V和30V的電壓作為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(diǎn)接地技術(shù),即兩部分電源的地線在線路板上是分開(kāi)走線的,最后在一點(diǎn)將兩者連接。

　　總線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)向總線供電與信號(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。

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　　程序總體上分命令層處理、鏈路層收發(fā)、數(shù)據(jù)處理等幾個(gè)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)容是用戶設(shè)定的控制關(guān)系,在系統(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)的查詢動(dòng)態(tài)填寫(xiě);另一塊是靜態(tài)數(shù)據(jù)的鏡像,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,所有的修改先寫(xiě)入動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)區(qū),當(dāng)用戶修改完畢,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)關(guān)為例介紹一下其硬件設(shè)計(jì)。

硬件主要由電源模塊、總線接口模塊" title="接口模塊">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。

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　　電源模塊將從總線引入的交流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)總線交互模塊將其轉(zhuǎn)換成電流信號(hào),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(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)接收總線信號(hào)和用戶輸入,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。

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????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;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(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,降低用戶的運(yùn)行費(fèi)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(guò)基于PSTN的電話接入模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

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