CN1430384A - 智能家庭网络控制总线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能家庭网络控制总线，属于数字化社区智能控制装置技术领域。其主要采用网络控制器M控制总线接口J1、J2分别连到各节点N的网络接口P1和P2上。其节点数为200个，并在网络控制器M上至少连接一个键盘。本发明结构简单、紧凑，合理；性能可靠，功能灵活，价格便宜，安装简单；无极性、自由拓朴、不需终端器；采用分时协议，轮流查询每个节点；稳定可靠，不会产生冲突；系统控制非常灵活，信号线与电源线复用；网络总线完全自由拓朴，无须终端匹配。

Description

智能家庭网络控制总线

技术领域：

本发明涉及一种智能家庭网络控制总线，属于数字化社区智能控制装置技术领域。

背景技术：

近几年，各种智能化的居住小区已在全国各地蓬勃涌现，目前居住小区智能化主要体现在：住户室内安全防范、小区管理监控和自动远程抄表功能等。随着生活水平的提高，家庭自动化在我国已悄然兴起，一些国际著名的家庭自动化产品，如LonWorks、CEBus、X-10等被先后引进，此后国内也相继推出了家庭总线产品，例如ESHA、JZK-A等，各有特点，形成了百家争鸣的态势。就其结构来说有如下几种类型：

1.多线制家庭控制器

家庭控制器与室内配置的传感器、报警探头、被控家电等是直接连接的，每配置一个节点需要从控制器的I/O口引出2-3根导线，所有控制程序都必须存放在控制器的存储器中，节点不须要增加接口，可选用通用产品。目前国内现有的智能小区中所用的家庭控制器几乎都是这类产品。

这类控制器的主要缺点是：如果室内配置的节点多于20个，控制器的引出线可能会多于80根，这将会给控制器的设计安装及室内的布线带来很大的困难，如果节点数再增加，实际上是很难实现，可靠性很难保证，造成施工极端的困难。同时，由于I/O口的增加，控制器功能的扩大，将导致控制器成本的大幅度地提高。所以这类产品只适用于中低挡智能居住小区。

2.电力线载波的家庭控制总线

该控制总线是将信号载波在电力线中进行传送，节点所用的电源也由电力线提供，不言而喻，节点的安装是极为方便的，不需要另外布线，只要有电源插座的地方都可以放置节点，尤其对于旧房子改造更为有利，不会破坏原有的装修。电力线载波技术美国早在20世纪70年代就已用于家庭自动化中，当时最有代表性的产品是X-10，因为它的布线简单、安装方便、功能灵活、扩展容易，被人们广泛接受和应用，到2000年仅在美国已有400多万家庭使用了该产品。尽管如此，它还是存在着不少缺点，如信号传输速度慢，容易出现信号传输过程中的“瓶颈”问题；而且信号是调制在电力线上，工频干扰是不可忽视的，尤其在我国，电力线系统的质量将会较严重地影响抗干扰性能；同时在电源插座上插上很多节点模块，与家庭的个性化装修是很不协调的。虽然CEBus针对X-10的缺点作了很大的改进，传输速度提高到10KBPS，解决了信息传输中的“瓶颈”问题，提高抗干扰方面也采取了措施，有所改善，但这是以提高接口价格为代价的，由于价高很少被用户问津。国内的JZK-A也采用电力线载波技术，同样存在上述的缺点。

3.RS-485接口的家庭控制总线

RS-485作为一种多点、差分数据传输的电气规范已成为业界应用最为广泛的标准通讯接口之一。这种通讯接口允许在简单的一对双绞线上进行多点双向通讯。具有高的噪声抑制能力、较高的数据传输速率和高可靠性，而且简单又经济。

一般只推荐总线拓扑，节点数较少，信号线与电源线是分开的，而且总线输出是有极性的。所以在节点数不多、布线距离较近的环境中使用。

4.现场控制总线

以美国Echelon公司的LonWorks为代表，它的优点是开放性、互换性、分散性，被EIA定义为家庭网络标准。它的缺点是：电源线与信号线是分开的，不象电力线载波那样是复用的；网络拓扑有一定的限制，分支不能过长，网络的始末端要加匹配等。最主要的是价格昂贵，因为每个节点包含一个神经元(Neuron)芯片，很难进入普通家庭。

上述几种适用于家庭自动化的网络技术各有所长，但是要进入中国百姓家庭，都还有不少问题需要解决，而且真正实用化的产品更是凤毛麟角，可供选择的产品极为有限。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述不足之处，从而提供一种结构简单、性能可靠；能完全自由拓朴，无须终端匹配；信号线与电源线复用，功能灵活，价格便宜的智能家庭网络控制总线。

本发明的主要解决方案是这样实现的：

其主要采用网络控制器M、输入输出节点N组成，其特征是网络控制器M的网络总线接口J1、J2分别连到各节点N的网络接口P1和P2上。

本发明控制器M通过一对双绞线与节点N相连接，其最多节点数N为200个，最大通信距离为200米，其网络总线完全自由拓朴、无须终端匹配，网络总线是被信号数据线和电源线复用。

本发明网络控制器M上至少连接一个键盘，键盘令网络控制器M进入编程。

本发明网络总线采用分时通信协议，数据传输速率是恒定的，为20Kbps。

本发明总线上传输的信号是20千赫的正弦波，载波的正半周传输信号，载波的负半周提供电源。

节点N同时具有输入回路和输出回路，其中输入回路可有开关量输入、串联数据输入和模拟量输入；输出回路有开关量输出，串联数据输出和脉宽调制输出，节点N处于何种输入输出状态，由4位状态数字决定，状态字是可编程的。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

本发明结构简单、紧凑，合理；性能可靠，功能灵活，价格便宜，安装简单；无极性、自由拓朴、不需终端匹配器；采用分时协议，轮流查询每个节点；稳定可靠，不会产生冲突；系统控制非常灵活，信号线与电源线复用。

附图说明：

图1为本发明系统结构示意图；

图2为本发明系统工作示意图；

图3为本发明控制器结构示意图；

图4、为本发明结构逻辑图；

图5是节点N原理逻辑图：

图6为本发明编程原理逻辑图；

图7为本发明编码脉冲图；

图8为本发明总线数据包8位数据结构图；

图9为本发明总线数据包12位数据结构图；

图10为本发明总线数据包16位数据结构图；

具体实施方式：

下面本发明将结合附图中的实施例作进一步描述：

本发明家庭网络控制总线是适用于家庭内部的网络布线，采用了全分布式的智能控制网络技术，家庭网络控制总线具有双向通信能力。网络电缆采用标化5类线，各个节点可以从总线上获得供电(24VDC)。家庭网络控制总线的信号传输速率为20Kbps，配置最大的节点数为200个，允许最大的传输距离是200米。如果节点数很多(如200个节点)，保证节点到控制器的距离最短，最佳的系统结构方法如图一所示。控制器M的家庭网络控制总线接口J1和J2分别连到各节点的网络接口P1和P2(或分别为N1、Nn、Nal、Nan、Nbl、Nbn、Ncl、Ncn)上。因为是无极性，它们之间不需要J1对P1，J2对P2。

图二是本发明系统工作原理示意图，各功能节点的总线接口P1和P2通过家庭网络控制总线(IDBus)连到控制器M的网络接口J1和J2上，其中键盘节点可对控制器进行编程操作及控制操作，而所有节点是不需要编程的。因为键盘节点结构简单，又是挂在总线上，因此根据需要控制器M可连接一个以上键盘N3。挂在总线上的输入节点N₁的输入回路触点合上，发生的这个事件以数据格式存放在特定位置中，当控制器M以20Kbps的速度查询到该节点时，将此数据读取，进行分析并作出处理。当控制器M接到要某输出节点N₂点亮灯的指令时，当控制器查询到该节点时，如果该节点是空闲的，该节点就会接收命令，启动执行部件接通电源，点亮灯。

各节点所需要的电源由控制器M通过总线提供的。所以本发明家庭网络控制总线结构简单，总线接口简洁，相对其他总线结构，本发明的成本要低得多。

控制器M主要由单片机(1)、存储器(2)、家庭总线接口J1和J2(3)、网络接口(4)、电源(5)模块组成，如图三所示。存放在存储器(2)中的程序通过家庭网络总线接口(3)随时在查询各个节点的状态变化，一旦出现，单片机经过接口(3)接收信号，通过驻留在存储器(2)中的程序对该信号进行判断处理：或者通过网络接口(4)把信息传送给管理中心；或者通过家庭网络控制总线接口(3)命令相应输出节点执行操作。

控制器M是家庭控制网络的平台，数字化家庭的管理中心。其中单片处理机(CPU)完成统一协调管理功能，即用于上层的数据处理和协助各模块功能的完成。

存储器模块包括闪烁存储器(FLASH)和随机存储器(RAM)，所述的FLASH是存放协议代码、事务驱动及任务调度的程序应用函数和应用程序，所述的RAM用于存储应用和系统的数据。

家庭控制网络总线接口模块提供控制器M与各节点N之间的双向通讯，同时控制器通过该模块给各节点提供电源功率。

网络通讯接口模块，可与计算机直接连接，也可接入以太网、电话网，也能与其它信息系统连接，如LonWorks。

节点N同时具有输入回路和输出回路，当输入回路的状态发生变化时，N便会将一个事件数据发送到总线上，如果M向总线发送一个事件数据，相应的N的输出回路产生执行动作。

节点N的输入回路可有开关量输入、串联数据输入和模拟量输入；输出回路可有开关量输出、串联数据输出、脉宽调制输出。节点N处于何种输入输出状态，这由4位状态字来决定，状态字是可编程的。

节点N在组态时就自动地将网络地址和状态字写入到节点自身的EEPROM中。

在网络控制器M上至少连接一个键盘N3以上，键盘令网络控制器M进入编程。对控制器M编程或手动监控各节点模块，是通过挂在网络控制总线上的键盘节点模块来完成的，该键盘配有LED或LCD显示，同时可用键盘和显示查询各节点的状态及有关信息。

控制器M发送到总线上的数据包的编码形式是：二进制数字1用40KHz频率表示，二进制数字0用20KHz频率表示。

本网络是采用分时协议，轮流查询每个节点。

数据的传输速率是恒定的为20Kbps。如果网络配置200个节点，每秒查询每个节点80次，完全满足了实时控制应用。如果网络配置100个节点，查询次数达160次。该协议效率很高，又稳定可靠，不会产生冲突。这是本发明的一大优势，避免了总线竞争造成的信号冲突，尤其当总线上挂的节点多时，避免信号冲突的难度更大，会提高设备的成本。

本发明是采用总线查询方式，图四是本发明的系统结构逻辑图。一般来说其实时性不如总线竞争方式好，但是，本发明在200个节点条件下，每秒轮流侦测每个节点80次，如果节点数少，侦测的频率还要高，足以满足家庭的实时控制。这是本发明优秀所在。如图四所示为总线竟争的系统结构逻辑图，A为主设备，L为从设备，当几个主设备同时向总线申请占用时，就会出现优先权问题，当竟争的主设备越多，冲突可能性越大，当然可以通过用先进的软件和硬件接口技术来减小冲突，这需要较为复杂技术和高的代价。

因为挂在家庭网络控制总线上的节点不需要编程，根据不同控制对象选定节点型号(每种智能家庭总线系统都一样)，连上线就可以了，安装十分方便，只要控制对象类型不变，可以随意互换。

本发明的系统控制非常灵活。控制器在编程时把各个节点在何时执行，何时停止的指令都存放在存储器中，系统被启动后就会自动管理节点。例如使N1节点在4点半接通电热水器电源，10点关掉；又如使N2节点在19点拉上窗帘，6点拉开窗帘等。也可以用无线遥控器、红外遥控器遥控控制各节点，也可用电话、电脑来控制。

挂在家庭网络控制总线上的节点就其功能可分为如下类型：：

第一类是人机接口控制节点。主要包括键盘接口、电话模块、PC控制平台、无线遥控接口等，用户利用连接到这类节点上的设备可以对家庭网络控制器和各功能节点进行编程、数据修改及控制各节点的工作。

第二类是灯光控制节点。

主要指电子开关和调光器，直接代替了原来的灯开关，实现家庭照明控制自动化，根据各自的需要，可实现各个光源的自动开关、亮度的调节，还可以通过人机控制节点对照明进行遥控控制，总之通过对控制器M的编程，产生不同灯光组合来满足不同的照明需求。

第三类是电器控制节点。

实际上是可控的电源插座，可直接代替家庭中的电源插座，实现对家用电器电源通断控制。如果将电饭锅、热水器、洗衣机、电动窗帘、水泵等电器的电源插头插到该插座上，本系统根据已设定的操作程序对其实施自动控制，定时接通某个电器的电源，到时又断开电源，如此等等，或者利用人机接口控制节点，进行遥控操作。

第四类是安防控制节点。

这类节点包括人体红外报警、煤气泄露报警、烟雾火灾报警、紧急、按钮、门磁、窗磁报警节点等。将普通的传感器通过这类节点挂接到家庭网络控制总线上，组成家庭智能安全防范系统，经过网络系统把报警信息传送到管理中心或通过电话线路把报警信息报告给户主，实现了警情实时监控及对室内状态监视。

第五类是多表采集节点。

家庭用的水表、电表、煤气表、热水表、纯水表等的脉冲信号被该节点采集经过家庭网络控制总线送到控制器M，经加工处理传送到管理中心或管理职能部门，实现抄表出户。同时还具有防盗报警功能，而且配有备用电池，防止市电停电影响脉冲采集。

第六类是风机盘管调温节点。

根据温度传感器所测得的温度来控制风机高、中、低三种速度，实现恒温控制。

第七类是网络家电节点。

网络家电是能直接上网的家用电器，通过网络查询家电的状态，从网上下载该家电所需的软件，如微波炉就可以从网上下载食谱和烹调方法。还可对家电进行远程故障诊断等。把网络家电连接到本节点上，通过家庭网络控制器仍然连到网络上外，还增加本家庭控制网络对网络家电的管理功能。

节点N主要由处理器、八位地址寄存器、闪烁存储器、四位状态寄存器、开关量输入口、模拟量输入口、串行数据输入口、开关量输出口、串行数据输出口、脉宽调制输出口及网络接口P组成。在系统组态时控制器M通过总线给各节点分配地址及设定各节点的输入或输出状态，地址码存放在8位地址寄存器中，设定的状态字存放在4位状态寄存器中，确定该节点是执行何种输入或输出功能。开关量输入或输出口用于按钮开关、灯开关、一般电器通断的控制。模拟量输入口内部有A/D转换器，用于温度检测等。串行I/O口可与计算机连接通讯。脉宽调输出口可以实施对灯光的调节等。这些节点组成家庭网络系统，可以对家庭中各种电器实行控制和调节，真正实现家庭管理自动化、信息处理网络化。

图六是本发明的编程原理逻辑图。本系统的家庭网络控制器用户可以对其进行编程，以满足个性化的需求。由图中可以看出，对其编程可有多种方法，通常是使用挂接在家庭网络控制总线上的键盘，当在键盘上键入编程启动命令后，家庭网络控制器即处于等待编程命令和数据的输入，并把这些指令和数据存放到存储器中，如果不对它再次编程或修改，这些指令和数据将永远被保存。键盘上可以配置液晶显示屏，直接监视编程数据和指令的输入，避免操作错误。如果本系统通过电话节点连接到邮电网中，家庭网络控制器作为电话终端，所以通过固定电话或手机对控制器进行编程操作或修改数据，这就是遥控操作。

家庭网络控制器经过串行口(RS-232)可与计算机连接，进行通讯，可用计算机的编辑功能对家庭网络控制器进行编程和数据修改。

图七是编码脉冲图，本发明家庭网络控制总线的数字编码方式，是由控制器M的总线借口产生接近于音频(20KHz)的正弦波形组成数据，载波的正半周传输信息，本系统是采用时分制，而不象GSM那样采用竞争协议，本系统的信号传输延迟是固定的，不存在信号冲突的危险。数据测量是在脉冲正半周的后二分之一区来探查，大于零者为“0”，等于零者为“1”，因此高频噪音被自我抵消。而载波负半周提供电源，所以电源消耗中的变化不会干扰信息传输。这是本系统的独到之处，具有极高的可靠性。

图八是家庭网络控制总线的数据包时序图。家庭中的控制对象的数据结构绝大多数是开关量，部分属模拟量，为此本系统的数据结构分为8位、12位和16位三种。每个数据包的以5个1作为帧的开始，数据以4位为一段，段之间以0隔开，所以传输8位数据的数据包需要16位，当总线上挂接50个节点时，所需的传输时间是50毫秒；传输12位数据的数据包需要21位，所需的传输时间是65毫秒；而传输16位数据的数据包需要26位，所需的传输时间是82毫秒。

Claims (8)

1、一种智能家庭网络控制总线，包括网络控制器M，节点N，其特征是网络控制器M的总线接口J1、J2分别连到节点N的网络接口P1和P2上。

2、根据权利要求1所述的智能家庭网络控制总线，其特征在于所述的控制器M通过一对双绞线与节点N相连接，节点N数为200个，通信距离为200米。

3、根据权利要求1所述的智能家庭网络控制总线，，其特征在于所述的网络控制器M上至少连接一个键盘，键盘令网络控制器M进入编程。

4、根据权利要求1所述的智能家庭网络控制总线，，其特征在于所述的网络总线采用分时通信协议，数据传输速率是恒定的为20Kbps。

5、根据权利要求1所述的智能家庭网络控制总线，，其特征是总线上传输的信号是20千赫的正弦波，载波的正半周传输信号，载波的负半周提供电源。

6、根据权利要求1所述的智能家庭网络控制总线，，其特征在于所述的网络总线完全自由拓朴，无须终端匹配。

7、根据权利要求1所述的智能家庭网络控制总线，，其特征在于所述的网络总线是被信号数据线和电源线复用。

8、根据权利要求1所述的智能家庭网络控制总线，，其特征在于所述的节点N同时具有输入回路和输出回路，其中输入回路可有开关量输入、串联数据输入和模拟量输入；输出回路有开关量输出，串联数据输出和脉宽调制输出，节点N处于何种输入输出状态，由4位状态数字决定，状态字是可编程的。

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