基于LonWorks技术的智能小区监控系统.ppt

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基于LonWorks技术的智能小区监控系统,目标,采用先进的LonWorks技术，将小区的每个家庭智能控制器作为LonWorks网络中的一个节点，通过LON网络实现家庭节点与物业管理中心之间的信息交换，将现场控制和物业管理相结合，设计出智能小区的系统，完成预定的功能目标。

具体功能,

（1）电表、水表和煤气表的三表数据采集、计量和传输。

（2）消防报警：

通过设置在厨房的感温探测器和设置在客厅、卧室等的感烟探测器，监视各个房间内有无火灾的发生。

（3）防煤气（可燃气体）泄漏报警：

通过设置在厨房的煤气（可燃气体）探测器，监视煤气管道、灶具有无煤气泄漏。

具体功能,（4）防盗报警：

在住宅的门、窗上安装门磁、窗磁；住宅内主要通道、重要的房间内安装红外探测器。

当有非法侵入时，家庭控制器发出声光报警信号，通知家人及小区物业管理部门。

（5）门禁身份识别：

家庭安防系统中很重要的一部分就是身份识别，采用电子身份识别技术解决传统钥匙开门的繁琐和不安全。

（6）紧急呼救：

当遇到意外情况（如疾病或有人非法侵入）发生时，按动报警按钮向小区物业部管理部门进行紧急呼救报警。

网络结构图,第一层为家庭控制系统管理、维护局域网络（LAN），由网络管理主机、安防主机和抄表主机等构成，该网络将来可连入小区管理局域网。

第二层为LON网络层。

主要由各种LON网络设备及控制模块（路由器和家庭节点等）构成。

它为控制网络提供控制手段及协议支持，为控制命令及采集数据的传递提供可靠的技术基础。

第三层为家庭安防报警单元和自动抄表单元。

采用单总线（1-Wire）技术作为家庭安防监控的底层网络的解决方案，以单总线器件构建家庭安防监控中的开关量I/O单元、模拟量I/O单元以及其它一些特殊功能单元如门禁身份识别单元。

自动抄表单元则直接利用神经元芯片的可编程I/O资源进行三表脉冲信号的自动采集。

家庭智能节点,小区中每一个住户配备一个家庭智能节点，该智能节点由Neuron芯片、收发器、电源等组成，然后经LonWorks总线接入网中。

两个主要部分:

家庭安防监控系统和远程自动抄表系统。

为完成上述功能并充分利用神经元芯片特殊的预编程I/O口和网络通信功能，本文在家庭控制终端中采用双CPU设计，即使用8位微控制器AT89C52与神经元芯片共同完成各种控制功能。

神经元芯片和89C52的I/O口根据以下几点分配:

（1）充分利用神经元芯片的多种预编程I/O口功能，能有效地节省资源和增加系统的可靠性。

（2）根据神经元芯片和89C52的不同工作机制进行系统工作模块的划分。

以神经元芯片为核心的LonWorks控制模块提供LON网络通信功能，同时，利用神经元芯片特殊的预编程I/O口完成报警信号检测和抄表信号采集功能；89C52完成人机交互接口和三表数据存储功能；神经元芯片和89C52之间的数据交换通过异步串行通信来实现。

神经元芯片与收发器接口设计,收发器是连接节点和网络的关键。

在OSI七层协议中对应于物理层，是埃施朗公司的核心技术之一。

收发器有不同的类型，在组网的过程中，要根据网络的拓扑结构和通信介质的不同进行选取。

本系统采用的通信介质主要是双绞线，故使用双绞线收发器，双绞线收发器可以来自埃施朗公司或其他不同的供应商。

埃施朗公司提供以下类型的双绞线收发器:

TPT/XF-78和TPT/XF-1250双绞线收发器、FTT-10A自由拓扑收发器以及LPT-10双绞线收发器等。

FTT-10A自由拓扑收发器支持星形、环形、总线形以及它们的混合等各种拓扑结构，这就为网络的构成和安装提供了更为自由的空间。

它并对输入的5MHz，10MHz和20MHz时钟进行自动识别。

应用原理图（局部）中，C3、C4为（22F/50Vpolar）隔直电容，用来防止误接直流电源带来的损害；C1为电源去耦电容；C2为一静电释放缓冲电容（1000PF/2KV低感）；Z1、Z2为放电器件；D1、D2为瞬态箝位二极管；D3、D4、D5、D6为快速开关整流器。

FTT-10A收发器的最大通信距离为500米，因此节点与节点之间的最大距离为500米，而自由拓扑结构的双绞线控制网中，所有的线长也应限制在500米内。

智能节点可以采用Neuron3150芯片或euron3120。

3150芯片适用于要灵活对应用程序进行修改或需要较大内存的情况；如果不需要对应用程序进行修改并且所需内存较少，可以考虑成本更低的3120芯片，因为它不需要外扩存储器。

神经元芯片3150提供了外部内存总线，可以扩展外部内存空间达58K字节，远多于其内部的512字节EEPROM和2KRAM。

3150芯片需要16K非易失外部内存空间来存贮其芯片固件（Firmware:

包括LonTalk协议、NeuronC的应用函数库和任务调度程序。

余下的42K内存空间可用来存贮应用程序代码和数据。

27C256是32K容量的EPROM，用到了15根地址线，A15作为片选，低电平有效。

由于系统固件的存储地址要求从0x0000开始，所以32KBEPROM的地址应设计成0x0000H0x7FFFH。

将地址线A15直接作为存储器EPROM的片选信号线，当A15位低电平时，EPROM被激活，因此保证了EPROM的地址从0x0000H到0x7FFFH。

家庭安防子系统,家庭安防系统是智能化住宅小区中的重要部分，主要包括:

门窗破碎、火灾、煤气泄漏以及紧急求助等信号的自动检测。

门窗破碎、火灾、煤气泄漏是通过安装在门、窗、厨房、客厅、卧室等位置的传感器检测现场的情况。

由于家庭内部的监控点较多，位置比较分散，各安防报警传感器单元与监控主机之间的连接采用何种网络连接方式，决定了系统的性能。

目前，家庭安防监控网络应用已经有一些解决方案，主要有以下三种方式:

（1）无线解决方案：

其显著的优点是无须为网络连接铺设电缆。

但也存在明显的缺点每个监测单元由于采用电池供电，因而需要定期更换电池，容易受到外界强电磁干扰影响，且成本较高等。

（2）电力载波方案：

借助于现有的电缆，无须重新布线。

但目前国内使用一些低成本电力载波通讯方式的应用中存在较多问题，如可靠性差等。

而且在市电停电后，家庭安防监控网络将失效。

（3）传统的有线通讯方案，即采用目前普遍使用的串行通讯方式，如RS-485、RS-422、CAN等。

其中RS-485/RS-422应用最为广泛，相对成本较低。

但缺少统一的标准，从而使得不同功能的监控单元之间的互操作性差。

采用Dallas公司的单总线（1-Wire）技术作为家庭安防监控网络的解决方案，以解决家庭安防监控网络应用中的成本、标准和开放性等问题。

单总线技术只定义了一根信号线，线上的每个器件都能够在合适的时间驱动它，相当于将地址线、数据线、控制线、电源线合为一根信号线进行数据交换，允许在这根信号线上接数百个测控对象，组成一个自动测控系统，甚至还可以用单总线组成一个微型局域网。

单总线系统中配置的各种器件是由DALLAS等公司提供的专用芯片来实现的，包括：

A/D转换器DS2438/DS2450/DS2760数字温度传感器DS18S20可寻址控制开关DS2405/D62406/DS2408非易失存储器-信息钮扣DS1990A等。

专用芯片的种类和型号很多，可以参阅相关数据手册。

远程自动抄表子系统,远程自动抄表系统是智能小区的另一个重要标志，从我国目前的国情来看，具有重要的现实意义。

由于我国的城市住宅早期大部分为上门抄表，浪费了大量人力，又给电力、自来水、煤气公司等公用事业部门的收费造成时间上的延时，增加了物业管理部门的负担；另外，某些不法分子假借抄表的名义进入住户室内，给住户的生命财产安全产生威胁。

采用远程自动抄表系统就可以有效的破解这些问题。

为实现三表数据的现场自动采集，采用数字化脉冲式的电度表、水表、煤气表。

仪表发出的脉冲被家庭节点采集后，转换成三表数据，存储在非易失性存储器E2PROM中，当物业管理中心使用计算机进行查询时，家庭节点就通过LON网络把数据传到管理中心的监控计算机上。

由于数字化脉冲式的各种仪表在结构原理、采集转换方式等各方面都非常相似，因此，仅以上海电度表厂生产的FD95M型单相脉冲电度表为例说明设计过程。

该系列电度表符合GB/T15238标准，在传统的机械式电度表的基础上采用霍尔原理和HOLLYWELL专用电路将机械信号转换为脉冲信号输出。

机械转盘每转一圈发出两个脉冲，每度电发出1440个脉冲，因此耗电量的计算公式为:

耗电量=脉冲数量/1440。

在存储时，以0.1度电作为一个bit单位进行累加。

电表的外部特性如图所示。

其中，C为外部供电电源线（+5V，直流），D为地线，E为输出脉冲信号线，输出脉冲为方波。

家庭节点可根据采集到的脉冲个数计算出家庭用电数量。

神经元芯片的IO_0、IO_1、IO_2三个IO口分别接收从电度表、水表、煤气表、所发出的数字脉冲，其功能定义为电平检测输入（leveldetectinput），这样可以保证从三表接收到的每一个脉冲都不会漏掉。

数字脉冲式自动抄表子系统的硬件设计原理如图4-15所示。

当神经元芯片从电度表接收到的脉冲数累加到一定值时，通过串行口送到89C52中，存储在E2PROM中，用于监控计算机进行查询。

水表、煤气表的脉冲查询和保存与电度表类似。

神经元芯片和89C52之间信息交换,三表脉冲数据的自动采集是由神经元芯片来完成的，而三表数据需要永久保存，在系统掉电的情况下不能丢失，但是神经元芯片内部的E2PROM对于应用处理器来说是只读，外部的FlashMemory可以通过关键字eeprom定义掉电保存的数据，但由于FlashMemory可擦写的次数较少，并且不易替换，而三表数据又需要经常保存，因此需要把数据送到89C52，存储在E2PROM中。

另外，从监控管理计算机传来的一些命令也需要从神经元芯片传到89C52。

神经元芯片与89C52之间进行交换的数据和流向为:

三表计数检测数据：

神经元芯片89C52查三表数据信息：

神经元芯片89C52报警信息：

神经元芯片89C52三表读数：

89C52神经元芯片,神经元芯片和89C52间的通信方式为:

半双工异步串行通信。

如图所示，神经元芯片的串行口输入为IO_8，输出为IO_10；89C52的串行口输入为P3.0，输出为P3.1。

由于神经元芯片和89C52的串行输入输出电平均为TTL电平，并且电路在同一块电路板上，不存在通信距离的限制，因此可以直接连接，不需要进行电平转换。

神经元芯片的异步串行通信的每帧数据为10位，即1位起始位、8位数据位、1位停止位，与之相应89C52的异步串行通信数据格式定义为10位。

当神经元芯片进行异步串行通信时，应用处理器的程序被挂起，直到通信完成。

因此应保证通信数据尽量短，不至于出现因神经元芯片应用处理器挂起时间过长而影响其他操作的情况。

89C52的异步串行通信采用中断方式。

神经元芯片和89C52之间的通信为主从方式，即由前者向后者发送数据包，89C52串行中断收到后，判断是何种命令和数据，再做出相应的操作。

神经元芯片向89C52发送数据包的格式：

神经元芯片异步串行通信相应的IO口定义以及数据发送、接收的定义如下:

89C52接收到神经元芯片传送来的数据后，响应串行口中断，进入中断处理程序。

中断处理程序首先根据CRC校验判断接收到的数据是否正确，如果正确执行相关的功能，并且向神经元芯片发送数据包。

否则，向神经元芯片发送要求重发命令。

在神经元芯片和89C52通信的过程中，规定了重发机制，即：

如果神经元芯片在规定的时间内没有收到89C52的返回信息或者CRC校验出错，则重新发送数据，如果在三次重发后仍然发生错误，则认为现场控制节点中存在故障，通过网络变量向监控管理计算机发送故障信息。

89C52向神经元芯片发送数据包的格式如图所示。

家庭安防子程序,远程自动抄表子程序,该程序主要完成信号采集，定义网络变量与上位机通信。

抄表核心程序如下：

各I/O口的定义及功能设置如下所示:

networkinputunsignedintled_time=2；/指示灯延时2秒变量networkinputunsignedlongintmc=20；/指示采20个脉冲即代表1度电networkoutputunsignedlongintnv_o_computer；/输出给上位机监控networkoutputunsignedlonginttempcounter；/内部自加变量，方便监控IO_0inputbitio_0；/0口为脉冲采集输入端unsignedlongintp_ele；unsignedinti；stimera_timer；,when（reset）/系统初始化nv_o_computer=0；io_out（led，0）；tempcounter=0；i=led_time；p_ele=mc；,when（io_changes（io_0）/监控IO口信号变化if（nv_update_occurs（led_time）/监控各网络变量是否发生变化i=led_time；if（nv_update_occurs（mc）p_ele=mc；if（timer_expires（a_timer）a_timer=0；io_out（led，0）；/延时信号清零unsignedk；k=io_in（io_0）；/采到信号即累加if（k=0）return；elseif（tempcounter=p_ele）/判断是否为一度电nv_o_computer+；if（nv_o_computer=9999）/超过电表上限值清零nv_o_computer=0；tempcounter=0；io_out（led，1）；/有信号送入上位机，指示灯亮a_timer=i；/延时开始,室内环境监测子程序,该模块主要实现对室内环境的监测。

以温度监测程序为例:

室内温度采样运用Neurowire总线方式实现，首先启动采样温度定时器的事件，利用片选信号启动Neurowire总线工作方式，通过对采样数据进行处理转化成实际计数值，最后以网络变量的形式传送出去，程序如下:

IO_3neurowiremasterselectIO_ADC；/定义neurowire总线方式IO_3outputbitIO_ADC_select=1；NetworkoutputSNVT_tempTHERM；/定义温度输出网络变量Stimersampletimer=l；/定义采样定时器,when（timer_expires（sampletimer）/驱动定时器事件Staticunsignedlongraw_reading；Unsignedlongdigital_out；Unsignedchannel；io_out（IO_ADC_select，0）；/选通neurowire总线方式channel=0bl0001111；/选采样通道io_out（IO_ADC，&channel，3）；/测实际温度io_in（IO_ADC，&raw_reading，16）；/转换成实际温度digital_out=raw_reading3；THERM=muldiv（digital_out，50，4095）；,门禁身份识别子程序,本模块实现的功能是识别iButton中的身份信息，并将其以发送至物业监控中心进行识别比对，程序如下：

IO_3inputleveldetectio_twire_pres；IO_3touchio_twire；/定义IO对象networkoutputintData8；/定义网络变量unsignedintid_data8；msg_tagmess_out；domain_structmy_domain；/定义报文变量,when（online）when（reset）my_domain.subnet=0；my_domain.node=3；update_domain（&my_domain，0）；when（io_in（io_twire_pres）=1）,unsignedinti，crc_data；if（touch_reset（io_twire）/系统复位id_data0=51；/发送读取id数据命令io_out（io_twire，id_data，1）；io_in（in_twire，id_data，8）；/读取8位id数据，放在id_data中crc_data=0；for（i=0；i7；i+）/CRC校验crc_data=crc8（crc_data，id_datai）；if（crc_data=id_data7）for（i=0；i8；i+）/将读取得id组成报文Datai=id_datai；msg_out.datai=id_datai；watchdog_update（）；msg_out.service=UNACKD_RPT；msg_out.tag=mess_out；msg_out.dest_addr.no_address=BROADCAST；msg_send（）；/发送报文（void）io_in（io_twire_pres）；,