自從1983年第一座帶有智能化觀念的建筑物在美國落成以來,智能化已經成為當今建筑物發(fā)展的主流技術,涵蓋了從空調系統(tǒng)、消防報警系統(tǒng)到綜合保安管理系統(tǒng)(包括閉路監(jiān)控、保安巡更、防盜報警、門禁系統(tǒng))以及完善的計算機網絡和通信系統(tǒng)。目前,絕大多數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)來監(jiān)控照明,但也只能實現簡單的區(qū)域照明和定時開關功能,無法用調光、場景控制等功能來靈活自如地管理照明設備。

就照明系統(tǒng)而言,它不僅要通過控制照明光源的發(fā)光時間,亮度來滿足不同應用場合的需求,而且還要考慮到管理智能化和操作簡單化以適應未來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)等聯合提出的,并得到了日本政府和商會的支持。HBS的網絡拓撲如圖1所示。

HBS協(xié)議規(guī)定了如何通過雙絞線或同軸電纜實現家庭電器、電話、音頻-視頻裝置的互連,著眼于家用電器的綜合自動化。同時,HBS協(xié)議也考慮了如何在家庭內獲得遠程服務,如在家購物、遠程醫(yī)療和遠程教學等。協(xié)議主要用于電器開關量以及簡單模擬量的控制,采用專用總線,具有抗干擾強、響應速度快、開發(fā)成本及風險較低的特點。

2 智能照明及安防系統(tǒng)的工作原理和性能指標

智能照明及安防系統(tǒng)主要的目標是將原來分散獨立的照明電器及安防裝置通過直流載流總線技術集成為一個智能化系統(tǒng),進行集中或分布的、本地或異地的監(jiān)視、控制事務管理。

在這個系統(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)響應等。系統(tǒng)中的任何一控制器都能接受來自本地或異地的控制指令,從而改變本身的狀態(tài)。控制器狀態(tài)改變以后,會發(fā)出狀態(tài)響應,從而改變本地或異地的狀態(tài)顯示。根據控制指令、目標的不同,以及指令發(fā)出的方式和時間的不同,完成集中或分布的、本地或異地的監(jiān)視、控制和事務管理。

分布式智能照明及安防系統(tǒng)的總體結構如圖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,負責總線上信號的仲裁和傳遞,同時負責總線的供電。它是系統(tǒng)中的核心部件,每個系統(tǒng)必須有一個主控單元。

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它發(fā)出,控制指令執(zhí)行的結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,包括普通開關(Switch)(有單鍵、雙鍵、三鍵以及四鍵幾種規(guī)格)、調光開關(Dimmer Switch)、電機開關(Motor Switch)無線接收器(Wireless Receiver)和主控開關(Master Switch)(16～40鍵)幾種類型。另外還有電話模塊,實現遠程監(jiān)控。其中無線接收器的功能是將無線遙控按鍵發(fā)出的信號轉發(fā)到總線。此外,傳感器單元也歸入控制器部分,不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,傳感器單元自動發(fā)出控制指令。

執(zhí)行器 是具體的驅動單元,系統(tǒng)的信息輸出通道,它根據控制指令去驅動具體的對象,如燈、電源開關、警燈、警鈴等。目前系統(tǒng)中包括開關驅動器(有單通道、雙通道、四通道幾種規(guī)格,負責開關對象的驅動,如燈、電源插座,電器等)、調光驅動器、報警驅動器等幾種類型。

系統(tǒng)主要功能有：

一對一控制：一處的開關控制一處燈光

一對多控制：一處的開關同時控制多處燈光

多對一控制：多處的開關控制一處燈光

場景控制：一個開關讓多處燈光達到預設的狀態(tài)

定時控制：提供開啟保持和關閉延時功能

狀態(tài)顯示：開關面板上可以觀察到所控燈光的狀態(tài)

紅外遙控：通過紅外遙控器操作燈光

安全監(jiān)控：防盜、煤氣泄漏、防火報警通過電話遠程監(jiān)控(語音提示)

系統(tǒng)主要技術指標為：

網絡結點間通訊距離最大600米

通訊速度4800比特/秒

網絡通訊節(jié)點數最多256點

網絡節(jié)點可編程可記錄

具有軟件校驗錯誤功能

供電電壓：直流24V

3 主控器的設計

3.1 主控器的硬件設計

主控器的硬件主要由電源、大容量的數據存儲器、CPU、WDT、總線收發(fā)電路等模塊組成,主控器的硬件結構圖如圖3所示。

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,因此電源部分分兩塊,分別提供5V和30V的電壓作CPU等模塊和總線收發(fā)電路的工作電源。為減少干擾,采用單點接地技術,即兩部分電源的地線在線路板上是分開走線的,最后在一點將兩者連接。

總線收發(fā)模塊負責向總線供電與信號電平轉換。它能將CPU發(fā)出的信號(0～5V)轉換成總線電壓信號(0～24V),并能將控制器、執(zhí)行器發(fā)回的電流響應信號轉換成CMOS電壓信號,供CPU處理。

3.2 主控器的軟件設計

主控器主要負責系統(tǒng)的靜態(tài)掃描和動態(tài)掃描,維護、記錄相關地址的狀態(tài),以及控制器和執(zhí)行器之間的綁定和包含關系。所謂包含關系就是指某個組地址或場景地址包含了哪些單獨地址或調光地址。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。其總體結構見圖4。

程序總體上分命令層處理、鏈路層收發(fā)、數據處理等幾點模塊。其中鏈路層收發(fā)模塊負責將主控器發(fā)出的命令組成數據幀后發(fā)出,以及接收來自執(zhí)行器和控制器的響應和命令,并將其送給命令層處理。命令層負責系統(tǒng)靜態(tài)掃描和動態(tài)掃描的處理,以及系統(tǒng)狀態(tài)的維護。

程序中的數據分兩塊：動態(tài)數據和靜態(tài)數據。其中靜態(tài)數據是放在EEPROM中的,內容是地址包含關系,如組地址和場景地址包含了哪些單獨或調光地址。這些內容是用戶設定的控制關系,系統(tǒng)斷電后也能保持。動態(tài)數據放在RAM中,它又劃分成兩塊,一塊記錄系統(tǒng)運行時各個地址的狀態(tài),可以通過運行時的查詢動態(tài)填寫;另一塊是靜態(tài)數據的鐿像,在主控器上電啟動時,從EEPROM中讀出填寫入RAM,供程序運行時查詢控制關系。系統(tǒng)的控制關系可以在運行中動態(tài)修改,所有的修改先定入動態(tài)數據區(qū),當用戶修改完畢,則將動態(tài)數據區(qū)的這塊鏡像重新寫回靜態(tài)數據區(qū),從而新的控制關系被保存了下來。

4 控制器和執(zhí)行器

控制器和執(zhí)行器的硬件結構和軟件設計思想基本相似,只是執(zhí)行器在硬件上比控制器多一個驅動模塊。下面就以控制器為例來說明。

4.1 控制器的硬件設計

目前系統(tǒng)中已定義的控制器包括普通開關(1～4通道)、調光開關、電機開關、無線接收器和主控開關(16～40通道)。它們的硬件結構基本相同,如主控開關是由多個普通開關附加一個設置開關組成。下面以普通開為例介紹一下其硬件設計。

硬件主要由電源模塊、總線接口模塊、人機接口模塊和CPU模塊等四大部分組成。普通開關硬件結構圖如圖5所示。

電源模塊將從總線引入的交流24V經過全波整流,變換成24V脈動直流電,再經過穩(wěn)壓電路,輸出5V電壓作為工作電源。由于總線上信號是交流24V,遠大于CMOS電路電平,因此要通過總線接口模塊進行電平轉換,然后將信號送入CPU模塊處理。回送信號要求是電流信號,而經CPU模塊運算處理后輸出的響應是電壓信號,因此要經過總線交互模塊將其轉換成電流信號,再回送到總線上。人機接口模塊負責接收用戶輸入、地址設定以及狀態(tài)顯示,方式是通過鍵盤、LED和紅外方式。CPU模塊是整個開關的核心,負責接收總線信號和用戶輸入,然后通過運算、分析和判斷,產生響應動作和信號。

4.2 控制器的軟件設計

整個軟件可分為鍵盤處理模塊、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動模塊五大部分,另外還有EEPROM讀寫模塊、串口接收等功能單一的支持模塊。軟件的總體結構如圖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,能任意組合控制功能,操作簡單,界面直觀;采用24V直流載波總線技術,使得系統(tǒng)安裝方便,成本較低;采用強弱電隔離保護技術,確保強電故障不會波及控制系統(tǒng),提高了系統(tǒng)的可靠性;采用低功耗的控制技術,有利于延長系統(tǒng)的使用壽命,降低用戶的運行費用;而且總線通訊技術可靠,并可加掛各類功能擴展模塊,例如通過基于PSTN的電話接入模塊實現遠程監(jiān)控。