基于HBS協(xié)議的智能家庭控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

 0 引 言
    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(luò)是指在家庭內(nèi)部通過一定的傳輸介質(zhì)(如雙絞線、電力線等)將各種電氣設(shè)備和電氣子系統(tǒng)連接起來，采用統(tǒng)一的通信協(xié)議，對(duì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)資源共享，對(duì)外通過網(wǎng)關(guān)與外部網(wǎng)互聯(lián)進(jìn)行信息交換。該系統(tǒng)能對(duì)家庭中的各種電氣設(shè)備，進(jìn)行集中或分布、本地或異地的控制和管理。家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)因操作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，擴(kuò)展方便，控制靈活和容易維護(hù)等特點(diǎn)，在家庭、工業(yè)、貿(mào)易和商業(yè)樓宇等許多方面，都得到了廣泛應(yīng)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(huì)／無線工程電子協(xié)會(huì)HBS標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定。HBS以雙絞線或同軸電纜為通訊介質(zhì)，控制通道最多可以有64個(gè)節(jié)點(diǎn)，家用電器經(jīng)HBS總線互聯(lián)，組成一個(gè)完整的家庭網(wǎng)絡(luò)。協(xié)議主要用于電器開關(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)，安全性高等優(yōu)點(diǎn)。
    HBS協(xié)議對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)提出的開放系統(tǒng)互連(OSI)七層模型作了精簡(jiǎn)，引用了其中的1，2，7層，由三層結(jié)構(gòu)組成，分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。
    物理層描述了信號(hào)模式和傳輸介質(zhì)。信號(hào)線采用普通的雙絞線。HBS總線上的信號(hào)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(hào)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(qiáng)。接收端通過計(jì)算兩個(gè)下降沿之間的時(shí)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。通訊以幀的形式進(jìn)行，所有從主機(jī)模塊發(fā)出的幀是定長(zhǎng)的，數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容包括起始字節(jié)、地址字節(jié)、數(shù)據(jù)字節(jié)、校驗(yàn)字節(jié)。

    校驗(yàn)方式采用簡(jiǎn)單的校驗(yàn)和的方法進(jìn)行幀的校驗(yàn)。先將起始字節(jié)、地址字節(jié)、數(shù)據(jù)字節(jié)進(jìn)行相加，然后將結(jié)果截短到所需的位長(zhǎng)。
    從機(jī)模塊的響應(yīng)幀包括地址字節(jié)、數(shù)據(jù)字節(jié)和結(jié)束字節(jié)。
    應(yīng)用層定義所有傳送信息，使網(wǎng)絡(luò)上傳送的信息在整個(gè)系統(tǒng)中有惟一的解釋。

2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    圖2為系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，這是一個(gè)分布式總線型系統(tǒng)，各節(jié)點(diǎn)間信息共享，采用這種結(jié)構(gòu)，若不想用某設(shè)備，或者某設(shè)備損壞，可以直接去除，不會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行。

    整個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)主機(jī)模塊，各從機(jī)模塊都掛接在總線上。每一次通信都是由主機(jī)模塊發(fā)起的，以從機(jī)模塊的響應(yīng)結(jié)束。主機(jī)模塊發(fā)送命令碼，并將命令碼進(jìn)行編碼傳送到總線上。從機(jī)模塊則將命令碼進(jìn)行解碼，使處理器執(zhí)行相應(yīng)的操作并返回響應(yīng)。驅(qū)動(dòng)模塊是具體的驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)具體的對(duì)象，如燈的開關(guān)和亮度的調(diào)節(jié)、電源開關(guān)、警燈、警鈴等。
2．1 主機(jī)模塊
    主機(jī)模塊的電路圖如圖3所示。

    控制芯片選用一般的AT89C51單片機(jī)。AT89C51是一種帶4 KB閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)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(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在單個(gè)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(jià)廉的方案。通信芯片選用MM1192，是日本MITSUMI公司專門為HBS總線設(shè)計(jì)開發(fā)的適配器芯片，其本身自帶編解碼電路，可應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)的電信、安全監(jiān)控、影音設(shè)備、空調(diào)設(shè)備等，具有成本低，可靠性高和外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。通過MM1192可將單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)進(jìn)行編碼，并附加到HBS總線上進(jìn)行傳輸，在接收端，同樣利用MM1192將信號(hào)進(jìn)行還原，其控制時(shí)序及傳輸延時(shí)如圖4所示。

    采用MM1192收發(fā)模塊，可直接與單片機(jī)連接，但是，考慮到一些干擾和失真，在單片機(jī)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(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和執(zhí)行按鍵操作命令。
2．2 從機(jī)模塊
    從機(jī)模塊中的地址即該從機(jī)模塊的編號(hào)使用撥碼開關(guān)進(jìn)行設(shè)定，其電路如圖5所示。

    當(dāng)主機(jī)模塊出現(xiàn)故障時(shí)，從機(jī)模塊也可以依靠自己的控制系統(tǒng)使設(shè)備正常運(yùn)行，避免了當(dāng)主機(jī)模塊出現(xiàn)故障時(shí)，致使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。
2．3 燈光調(diào)節(jié)模塊
    驅(qū)動(dòng)模塊以燈光調(diào)節(jié)為例，如圖6所示。由于可控硅具有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以燈光調(diào)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(dǎo)體器件，它具有體積小，質(zhì)量輕，效率高，壽命長(zhǎng)，動(dòng)作快等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、家用電器等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓、電機(jī)調(diào)速、交流開關(guān)、燈光調(diào)節(jié)等功能。

4 結(jié) 語
    隨著人們生活水平的提高和計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及化，人們對(duì)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(gè)開放的、使用了多項(xiàng)高新技術(shù)的智能化、人本化的集成型家居系統(tǒng)，智能化和網(wǎng)絡(luò)化將是未來家居發(fā)展的必然趨勢(shì)。