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智能化住宅家庭控制装置所实现的功能包括：对住宅居室环境(温度、湿度)进行监控；对住户三表(水表、煤气表、电表)实现远传计费；对住户实现三防(防火、防煤气泄漏、防盗)；对厨房设备实现时序控制；对卫生间实现自动排风控制。
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1 装置硬件设计
1．1 硬件功能规划 智能化住宅家庭控制装置所实现的功能包括：对住宅居室环境(温度、湿度)进行监控；对住户三表(水表、煤气表、电表)实现远传计费；对住户实现三防(防火、防煤气泄漏、防盗)；对厨房设备实现时序控制；对卫生间实现自动排风控制。其中每个装置均可作为一个智能节点，多个节点构成了智能小区管理网络系统 (即LonWorks网络)，在小区中心设置服务器可实现对整个网络的管理。此外，家用电脑可与家庭控制装置通信，实现对室内设备的管理。 1．2 硬件总体设计方案 依据对装置功能的上述规划，可将装置分为两部分设计，即Lon控制模块设计和采集模块设计。控制装置以Lon控制模块为核心，通过对采集电路所采集的各种信号加以作用，完成装置的各种功能。其中Lon控制模块包括神经元(neuron) 芯片、存储器、晶振、收发器等；采集模块包括I／O接口电路、光电隔离保护电路、驱动电路、缓冲电路、保持电路、锁存电路以及A／D转换电路等；二部分之间通过一个18针双列直插式板边连接器和一个6针单列直插式板边连接器相连，符合模块化设计，便于安装与调试。该硬件装置原理图如图1所示。 |
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1．3 Lon控制模块设计
在该模块的设计中，涉及到神经元芯片的选择、存储器的分配、通信端口的配置问题，分别介绍如下。 1．3．1 神经元芯片选择 神经元芯片包括Neuron3120xx和Neuron3150，这两种芯片在功能上大体相同，只是3120芯片内含有2k存储器，多用于功能较少而不需要扩展存储器的硬件构造中；而Neuron3150芯片内部具有0．5k EEPROM、2k RAM存储器，可外扩存储器来存储信息，可以用来开发更为复杂的应用系统。本文选用Neuron3150芯片作为开发装置的核心器件。 1．3．2 通信端口配置 Neuron3150芯片的通信口可与多种传输媒介接口(即网络收发器)相连接，以实现较宽范围的传输速率。同时，各种不同类型的网络收发器的配置，也为选择不同通信媒介提供了条件。本设计中的家庭控制装置采用FTT-10型收发器配置，利用双绞线实现与家用电脑以及整个小区管理网络的信息传递。FTT- 10型收发器采用变压器隔离，可以实现高隔离、高抗扰，其传输距离可达2700米、传输速率达78 kb／s，可满足装置与上位机信息传递的要求。Neuron3150芯片的通信端口可以配置成三种工作方式：单端工作方式、差分工作方式、专用工作方式。不同工作方式所对应的引脚定义不同，如表1所示。 本装置中Neuron3 1 50芯片的通信端口采用单端工作方式配置，与FTT-10收发器的配置如图2所示，其中FTT-10的CLK端与3150的CLK2相连，以保证二者的时序一致。 1．3．3 存储器分配及电路设计 由于Neuron3150芯片内部的存储器不能满足存储要求，因此在 Lon控制模块设计中，采用外接32k闪存和24kSRAM作为外存，其中16kB(寻址范围0X0000-0X3FFF)闪存用来保存 Neuron3150芯片固件，另16kB闪存(0X4000-0X7FFF)用来存储各种配置以及应用信息。24k SRAM主要用于存储应用数据以及网络数据包的缓存。存储器分配图如图3所示： 在电路设计中，利用3150芯片的A15端口来实现对32k闪存的片选 (低电平有效)，利用3150芯片的A14、A13进行与非运算所得结果，与A15再进行与非运算来驱动SRAM的片选(低电平有效)。具体电路设计如图4所示。 1．4 采集电路设计 依据装置要实现的功能，采集电路规划为数字输入12路、数字输出12路、模拟输入 4路：Neuron3150芯片I／07至I／0010管脚用来接收室内温湿度值，配置成4路模拟电路；I／O-O至I／O-6管脚和利用地址总线扩展出的3路I／O口共同形成24路数字信号。 1．4．1 模拟输入电路设计 模拟输入电路为检测居室环境(温度、湿度)设计，该电路如图5所示。 图中的Max186芯片是用于进行A／D转换的，由美国美信公司生产，Max186是12位的数据采集集成芯片，它把8通道多路开关、大带宽跟踪／保持电路和串行接口组合在一起，4线串行接口可直接接到SPI、QSPIMicrowire器件而无需外加逻辑，使用内部时钟或外部串行接口时钟以完成逐次逼近模／数转换。通过射随器进入芯片的模拟输入信号为0-5 V电压信号，它可以转换为数字信号并以Neurowire总线方式串行进入神经元芯片中，然后存放在存储器SRAM中，这些数据可传到家用电脑中用来显示和记录。 1．4．2 数字电路设计 数字电路设计包括输入电路设计和输出电路设计。 (1)数字输入电路 数字输入电路为采集三表、三防信号而设计，电路如图6所示。数字输入电路以神经元芯片中的I／O-O-I／O-5管脚所扩展成的6总线为基础，通过片选信号作用形成12路，此电路中光电隔离的输入端，接各种传感器信号，以防止因传感器输入电压过大而烧毁元器件。2片74LS245芯片作为数字输入缓冲电路，以确保装置能准确地接受传感器的信号。 (2)数字输出电路 数字输出电路以I／O-O-I／O-5管脚所扩展成的6总线为基础，通过片选信号作用形成12路，电路如图6所示。图中2片74LS273芯片作为输出锁存电路，利用该电路保持输入状态的特点，使Lon控制模块输出的信号可靠地传到各种执行装置上。 |
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1．5 抗扰电路设计
在硬件设计过程中，考虑了多种抗扰设计措施。 (1)采用高品质的电源向控制器供电，单点接电源，单点接地。 (2)线路板上的数字电路与模拟电路尽量分开，数字地与模拟地分开，地线、电源线尽量加粗。 (3)输入信号加光电耦合器隔离，防止外围器件动作时产生的回流冲击系统电路。 (4)数字量输出的继电器线圈处要加放电二极管，可以用串一个电阻的办法来软化信号的跳变沿或提供一定的阻尼。 2 程序设计 上述功能在应用程序中采用模块化设计，主要包括远程抄表模块、报警联动模块、室内环境监测模块、顺序控制模块，各功能模块采用定时器事件来驱动。程序流程图如图7所示： 3 结论 利用此装置可以控制住宅温、湿度等参数，以满足智能住宅规定标准(温度控制在18～28℃，湿度控制在30～70％；此装置能够将各种信息准确采集，并能按照事先设定好的方式发出命令，实现三防(火、盗、气)，对厨房炊具、卫生间排风进行监控，三表计费等功能；此装置可以将三表采集信息、室内温湿度数值以及室内设备状态准确地传递给家用电脑，家用电脑能够监控控制装置的工作。 |
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