智能家居以住宅作為平臺，綜合利用計算機、網絡通信、家電控制、綜合布線等技術，將家庭智能控制、信息交換、安防監控等家居生活有效結合起來，創造出高效、安全、舒適、便捷的個性化住宅空間。
LonWorks是美國Echelon公司推出的現場總線技術，該總線可為智能控制系統提供一套完整的解決方案，其核心技術是LonTalk協議和神經元芯片。其中，神經元芯片都內嵌有LonTalk協議的固件，同時神經元芯片還具有通信和控制功能，可提供34種常見的I/O控制對象。LonWorks網絡采用分布式結構，實現網絡上節點相互通信[2]。LonWorks作為一種開放、互操作、全數字的現場總線技術，以實時性好、靈活性好、可靠性高等特點，贏得了相關領域的生產商、研究機構和用戶的青睞.得到了極為廣泛的應用[3]。LonWorks產品中的的電力線收發器不需要另外布線，可使各種設備組成智能網絡進行數據測控與通信，而且組網維護十分方便。所以，本文采用LonWorks現場總線技術來設計智能家居系統。
1 系統架構
智能家居系統的底層設備需要有數據采集、設備控制、網絡數據傳輸和數據處理等功能。設計時可以將智能家居系統劃分為感知層、網絡層和應用層3個層次[4]。
感知層包括所有搭載神經元芯片的智能節點，節點使用電力載波的通信方式組成LonWorks網絡。這樣組網的最大優勢是不用重新布線，而使用現有電力線就能架設網絡，使得組網更方便。底層終端可以大致分為安防報警類、環境監控類、家電控制類、設備管理類等。
網絡層包括運行著LNS Server軟件的服務器和網關，服務器通過網絡接口與LonWorks網絡上的設備進行通信，并能直接對現場的各種設備進行監控與管理[5]。LNS服務器上還能建立一個Web服務器，以將數據通過Web站點發布到互聯網上去。
應用層是用戶和系統的接口，利用友好的界面完成用戶與系統的信息交互過程。用戶的終端可以是PC機、手機、平板電腦等。圖1所示是其系統總體結構圖。
2 設計方案
2.1 智能節點的設計
在本系統中，智能節點使用單片機作為主控控制器，神經元芯片作為通信協議處理器，圖2所示是其智能節點的構架圖。單片機和神經元芯片之間使用串口協議進行通信，使用單片機作為主控制器的優點在于外圍電路開發方便，相應技術也比較成熟。用神經元芯片作為通信協議處理器使得增加、移動和改變設備可以快速實現，網絡圖和數據庫的維護也比較簡單[6]。
本系統要對盡可能多的電器實現自動控制，但是目前家庭自動化產品還比較少，不能夠經過系統直接控制。所以，本設計采用其他方式進行間接控制。本系統中的間接控制主要采用電源控制和紅外遙控。
對于沒有自動控制功能的產品（比如電扇、臺燈、電暖箱等），這些普通家電的控制可以通過對其電源開關的控制來實現自動化。這些普通家電的身份識別問題，可以使用RFID射頻標簽來解決。電子標簽除了微型芯片IC以及一個高效率天線外，無任何其他元件，所以，可以方便地貼在電器插頭上。電源控制的智能節點外圍電路部分主要包括射頻讀寫模塊、與射頻讀寫模塊配合使用的天線外圍電路及220 V交流電控制電路。其結構如圖3所示。系統運行時，當單片機讀取到數據后，可通過串口將數據發送給神經元芯片，神經元芯片再將其發送到LonWorks網絡中。上位機獲得LonWorks網絡中的數據后，便可以根據相應規則進行系列自動控制。 南康實木床 南康布藝沙發 南康家具
一般家庭中還有一些可以通過紅外遙控的電器（如電視、空調等）。這些電器不能直接與系統進行通信，但是可以通過紅外遙控來控制。因為現在的紅外遙控編碼非常多，本設計使用帶學習型紅外遙控[7]功能的智能節點，并通過將節點布置在相應位置來實現系統對這些電器的控制。其節點結構如圖4所示。
2.2 通信協議處理器
本設計中，通信協議處理器選用型號為PL3150的神經元芯片。PL3150是Echelon公司推出的一款電力線智能收發器。PL3150智能收發器采用窄帶BPSK調制解調技術，具有雙頻調制的特點，能夠在主要通信頻率被阻塞時啟用預備頻率工作，從而提高整個系統的穩定性。PL3150電力線智能收發器的12個I/O管腳可以通過編程配置成38種預定義標準輸入/輸出模式。本系統中，PL3150采用Serial（半雙工異步串行）輸入/輸出對象與單片機進行通信，該I/O對象類型用于使用異步串行數據格式傳輸數據，波特率可設置為600 b/s，1 200 b/s，2 400 b/s或4 800 b/s。在該方式下IO8引腳為串行輸入，IO10引腳為串行輸出，它們分別與單片機的P1.7和P1.6引腳連接。整個電力線收發器的電路結構如圖5所示。
3 軟件設計
3.1 智能節點軟件設計
智能節點的軟件設計主要分為兩部分：一部分是單片機的監控程序，另一部分是神經元芯片的通信程序。
單片機的電源控制智能節點程序可采用模塊化設計。主程序主要完成系統的初始化、接收數據的處理、數據的發送和控制功能。電子標簽的信息采集通過中斷完成，中斷服務程序負責對采集到的數據進行處理，并通過串口將數據發送至神經元芯片。串口中斷服務程序則負責接收上位機的控制命令。
神經元芯片的通信程序采用Neuron C語言編寫。作為通信處理芯片的神經元芯片用于完成與上位機系統和單片機的通信任務。神經元芯片與上位機系統的通信協議是在固件的控制下完成的，具體的實現方式有網絡變量和顯式報文兩種方法。本設計在程序中定義了輸入、輸出網絡變量，可將待接收、發送的數據賦給相應的網絡變量，這樣，只要網絡變量的值有更新，新的值就會傳送到相應的位置。神經元芯片與單片機的通信程序由初始化程序和預定義事件處理程序構成。初始化程序主要完成I/O端口的功能配置、網絡變量的定義、緩沖器大小的定義等。預定義事件處理程序是通過事件觸發的，當定義的事件發生時，神經元芯片會執行相應的處理程序，其程序流程如圖6所示。
3.2 上位機軟件設計
圖7所示是遠程監控系統的結構圖。圖7中的LonWorks網絡底層為智能節點，中間層有數據庫、VB應用程序和LNSDDE服務器。Web層有Web服務器、Internet網絡和遠程用戶終端。LNSDDE服務器負責將底層智能節點的數據傳輸到VB應用程序中，并通過ADO數據庫訪問技術實現信息與數據庫的交換。當遠程終端向Web服務器發出請求時，Web服務器會檢索信息數據庫，并返回相應信息給遠程終端的瀏覽器。
4 結 語
為了驗證系統硬件設計及軟件設計的可靠性，筆者對系統的通信、組網、互操作性能等進行了一些必要的測試。測試表明，該控制器節點的硬件設計、軟件設計均能夠滿足系統設計的要求。本智能家居系統不僅大大縮短了組網時間，還能提高系統的可靠性和靈活性。
基于LonWorks總線的智能家居系統設計簡單、可靠、實用，而且在進行系統設計時還采用了分布于生產現場的電力線作為通信線路，更使得整個數據采集系統具有了安裝簡單、傳輸線路廣泛的特點。本系統可以向居住者提供一個安全、舒適、便利、高效的居住生活環境。
LonWorks是美國Echelon公司推出的現場總線技術，該總線可為智能控制系統提供一套完整的解決方案，其核心技術是LonTalk協議和神經元芯片。其中，神經元芯片都內嵌有LonTalk協議的固件，同時神經元芯片還具有通信和控制功能，可提供34種常見的I/O控制對象。LonWorks網絡采用分布式結構，實現網絡上節點相互通信[2]。LonWorks作為一種開放、互操作、全數字的現場總線技術，以實時性好、靈活性好、可靠性高等特點，贏得了相關領域的生產商、研究機構和用戶的青睞.得到了極為廣泛的應用[3]。LonWorks產品中的的電力線收發器不需要另外布線，可使各種設備組成智能網絡進行數據測控與通信，而且組網維護十分方便。所以，本文采用LonWorks現場總線技術來設計智能家居系統。
1 系統架構
智能家居系統的底層設備需要有數據采集、設備控制、網絡數據傳輸和數據處理等功能。設計時可以將智能家居系統劃分為感知層、網絡層和應用層3個層次[4]。
感知層包括所有搭載神經元芯片的智能節點，節點使用電力載波的通信方式組成LonWorks網絡。這樣組網的最大優勢是不用重新布線，而使用現有電力線就能架設網絡，使得組網更方便。底層終端可以大致分為安防報警類、環境監控類、家電控制類、設備管理類等。
網絡層包括運行著LNS Server軟件的服務器和網關，服務器通過網絡接口與LonWorks網絡上的設備進行通信，并能直接對現場的各種設備進行監控與管理[5]。LNS服務器上還能建立一個Web服務器，以將數據通過Web站點發布到互聯網上去。
應用層是用戶和系統的接口，利用友好的界面完成用戶與系統的信息交互過程。用戶的終端可以是PC機、手機、平板電腦等。圖1所示是其系統總體結構圖。
2 設計方案
2.1 智能節點的設計
在本系統中，智能節點使用單片機作為主控控制器，神經元芯片作為通信協議處理器，圖2所示是其智能節點的構架圖。單片機和神經元芯片之間使用串口協議進行通信，使用單片機作為主控制器的優點在于外圍電路開發方便，相應技術也比較成熟。用神經元芯片作為通信協議處理器使得增加、移動和改變設備可以快速實現，網絡圖和數據庫的維護也比較簡單[6]。
本系統要對盡可能多的電器實現自動控制，但是目前家庭自動化產品還比較少，不能夠經過系統直接控制。所以，本設計采用其他方式進行間接控制。本系統中的間接控制主要采用電源控制和紅外遙控。
對于沒有自動控制功能的產品（比如電扇、臺燈、電暖箱等），這些普通家電的控制可以通過對其電源開關的控制來實現自動化。這些普通家電的身份識別問題，可以使用RFID射頻標簽來解決。電子標簽除了微型芯片IC以及一個高效率天線外，無任何其他元件，所以，可以方便地貼在電器插頭上。電源控制的智能節點外圍電路部分主要包括射頻讀寫模塊、與射頻讀寫模塊配合使用的天線外圍電路及220 V交流電控制電路。其結構如圖3所示。系統運行時，當單片機讀取到數據后，可通過串口將數據發送給神經元芯片，神經元芯片再將其發送到LonWorks網絡中。上位機獲得LonWorks網絡中的數據后，便可以根據相應規則進行系列自動控制。 南康實木床 南康布藝沙發 南康家具
一般家庭中還有一些可以通過紅外遙控的電器（如電視、空調等）。這些電器不能直接與系統進行通信，但是可以通過紅外遙控來控制。因為現在的紅外遙控編碼非常多，本設計使用帶學習型紅外遙控[7]功能的智能節點，并通過將節點布置在相應位置來實現系統對這些電器的控制。其節點結構如圖4所示。
2.2 通信協議處理器
本設計中，通信協議處理器選用型號為PL3150的神經元芯片。PL3150是Echelon公司推出的一款電力線智能收發器。PL3150智能收發器采用窄帶BPSK調制解調技術，具有雙頻調制的特點，能夠在主要通信頻率被阻塞時啟用預備頻率工作，從而提高整個系統的穩定性。PL3150電力線智能收發器的12個I/O管腳可以通過編程配置成38種預定義標準輸入/輸出模式。本系統中，PL3150采用Serial（半雙工異步串行）輸入/輸出對象與單片機進行通信，該I/O對象類型用于使用異步串行數據格式傳輸數據，波特率可設置為600 b/s，1 200 b/s，2 400 b/s或4 800 b/s。在該方式下IO8引腳為串行輸入，IO10引腳為串行輸出，它們分別與單片機的P1.7和P1.6引腳連接。整個電力線收發器的電路結構如圖5所示。
3 軟件設計
3.1 智能節點軟件設計
智能節點的軟件設計主要分為兩部分：一部分是單片機的監控程序，另一部分是神經元芯片的通信程序。
單片機的電源控制智能節點程序可采用模塊化設計。主程序主要完成系統的初始化、接收數據的處理、數據的發送和控制功能。電子標簽的信息采集通過中斷完成，中斷服務程序負責對采集到的數據進行處理，并通過串口將數據發送至神經元芯片。串口中斷服務程序則負責接收上位機的控制命令。
神經元芯片的通信程序采用Neuron C語言編寫。作為通信處理芯片的神經元芯片用于完成與上位機系統和單片機的通信任務。神經元芯片與上位機系統的通信協議是在固件的控制下完成的，具體的實現方式有網絡變量和顯式報文兩種方法。本設計在程序中定義了輸入、輸出網絡變量，可將待接收、發送的數據賦給相應的網絡變量，這樣，只要網絡變量的值有更新，新的值就會傳送到相應的位置。神經元芯片與單片機的通信程序由初始化程序和預定義事件處理程序構成。初始化程序主要完成I/O端口的功能配置、網絡變量的定義、緩沖器大小的定義等。預定義事件處理程序是通過事件觸發的，當定義的事件發生時，神經元芯片會執行相應的處理程序，其程序流程如圖6所示。
3.2 上位機軟件設計
圖7所示是遠程監控系統的結構圖。圖7中的LonWorks網絡底層為智能節點，中間層有數據庫、VB應用程序和LNSDDE服務器。Web層有Web服務器、Internet網絡和遠程用戶終端。LNSDDE服務器負責將底層智能節點的數據傳輸到VB應用程序中，并通過ADO數據庫訪問技術實現信息與數據庫的交換。當遠程終端向Web服務器發出請求時，Web服務器會檢索信息數據庫，并返回相應信息給遠程終端的瀏覽器。
4 結 語
為了驗證系統硬件設計及軟件設計的可靠性，筆者對系統的通信、組網、互操作性能等進行了一些必要的測試。測試表明，該控制器節點的硬件設計、軟件設計均能夠滿足系統設計的要求。本智能家居系統不僅大大縮短了組網時間，還能提高系統的可靠性和靈活性。
基于LonWorks總線的智能家居系統設計簡單、可靠、實用，而且在進行系統設計時還采用了分布于生產現場的電力線作為通信線路，更使得整個數據采集系統具有了安裝簡單、傳輸線路廣泛的特點。本系統可以向居住者提供一個安全、舒適、便利、高效的居住生活環境。
