基于HBS的分布式智能照明及安防系统的研制

 自从1983年第一座带有智能化观念的建筑物在美国落成以来,智能化已经成为当今建筑物发展的主流技术,涵盖了从空调系统、消防报警系统到综合保安管理系统(包括闭路监控、保安巡更、防盗报警、门禁系统)以及完善的计算机网络和通信系统。目前,绝大多数建筑物仍然沿用传统的照明控制方式。部分智能大厦采用楼宇自控(BA)系统来监控照明,但也只能实现简单的区域照明和定时开关功能,无法用调光、场景控制等功能来灵活自如地管理照明设备。

就照明系统而言,它不仅要通过控制照明光源的发光时间,亮度来满足不同应用场合的需求,而且还要考虑到管理智能化和操作简单化以适应未来照明布局和控制方式变更的要求。笔者研制的基于HBS协议的分布式智能照明系统可以满足以上要求。

1 HBS协议简介

HBS的全称是家庭总线系统(Home Bus System),它是由日本一些知名企业,包括日立(Hitachi)、松下(Matsushita)、三菱(Mitsubishi)、东芝(Toshiba)等联合提出的,并得到了日本政府和商会的支持。HBS的网络拓扑如图1所示。

 

 

HBS协议规定了如何通过双绞线或同轴电缆实现家庭电器、电话、音频-视频装置的互连,着眼于家用电器的综合自动化。同时,HBS协议也考虑了如何在家庭内获得远程服务,如在家购物、远程医疗和远程教学等。协议主要用于电器开关量以及简单模拟量的控制,采用专用总线,具有抗干扰强、响应速度快、开发成本及风险较低的特点。

2 智能照明及安防系统的工作原理和性能指标

智能照明及安防系统主要的目标是将原来分散独立的照明电器及安防装置通过直流载流总线技术集成为一个智能化系统,进行集中或分布的、本地或异地的监视、控制事务管理。

在这个系统中,信息的传递最为重要。信息主要包括控制指令以及状态响应等。系统中的任何一控制器都能接受来自本地或异地的控制指令,从而改变本身的状态。控制器状态改变以后,会发出状态响应,从而改变本地或异地的状态显示。根据控制指令、目标的不同,以及指令发出的方式和时间的不同,完成集中或分布的、本地或异地的监视、控制和事务管理。

分布式智能照明及安防系统的总体结构如图2所示。从图2可以看出,分布式智能照明系统由三大部分组成：主控器、控制器和执行器。

 

 

主控器 是系统的控制者,负责总线上信号的仲裁和传递,同时负责总线的供电。它是系统中的核心部件,每个系统必须有一个主控单元。

控制器 是系统信息的输入通道,控制指令由用户或传感器它发出,控制指令执行的结果也在控制器上显示。目前控制器基本上以按键的形式出现,包括普通开关(Switch)(有单键、双键、三键以及四键几种规格)、调光开关(Dimmer Switch)、电机开关(Motor Switch)无线接收器(Wireless Receiver)和主控开关(Master Switch)(16～40键)几种类型。另外还有电话模块,实现远程监控。其中无线接收器的功能是将无线遥控按键发出的信号转发到总线。此外,传感器单元也归入控制器部分,不类型的传感器单元有着不同的触发条件,一旦触发条件满足,传感器单元自动发出控制指令。

执行器 是具体的驱动单元,系统的信息输出通道,它根据控制指令去驱动具体的对象,如灯、电源开关、警灯、警铃等。目前系统中包括开关驱动器(有单通道、双通道、四通道几种规格,负责开关对象的驱动,如灯、电源插座,电器等)、调光驱动器、报警驱动器等几种类型。

系统主要功能有：

一对一控制：一处的开关控制一处灯光

一对多控制：一处的开关同时控制多处灯光

多对一控制：多处的开关控制一处灯光

场景控制：一个开关让多处灯光达到预设的状态

定时控制：提供开启保持和关闭延时功能

状态显示：开关面板上可以观察到所控灯光的状态

红外遥控：通过红外遥控器操作灯光

安全监控：防盗、煤气泄漏、防火报警通过电话远程监控(语音提示)

系统主要技术指标为：

网络结点间通讯距离最大600米

通讯速度4800比特/秒

网络通讯节点数最多256点

网络节点可编程可记录

具有软件校验错误功能

供电电压：直流24V

3 主控器的设计

3.1 主控器的硬件设计

主控器的硬件主要由电源、大容量的数据存储器、CPU、WDT、总线收发电路等模块组成,主控器的硬件结构图如图3所示。

 

 

由于CPU、WDT、RAM等电路工作在CMOS电平下,而总线收发电路要处理24V的电压信号,因此电源部分分两块,分别提供5V和30V的电压作CPU等模块和总线收发电路的工作电源。为减少干扰,采用单点接地技术,即两部分电源的地线在线路板上是分开走线的,最后在一点将两者连接。

总线收发模块负责向总线供电与信号电平转换。它能将CPU发出的信号(0～5V)转换成总线电压信号(0～24V),并能将控制器、执行器发回的电流响应信号转换成CMOS电压信号,供CPU处理。

3.2 主控器的软件设计

主控器主要负责系统的静态扫描和动态扫描,维护、记录相关地址的状态,以及控制器和执行器之间的绑定和包含关系。所谓包含关系就是指某个组地址或场景地址包含了哪些单独地址或调光地址。因此,主控器软件主要部分就是通讯的处理,命令的生成和地址状态的维护。其总体结构见图4。

 

 

程序总体上分命令层处理、链路层收发、数据处理等几点模块。其中链路层收发模块负责将主控器发出的命令组成数据帧后发出,以及接收来自执行器和控制器的响应和命令,并将其送给命令层处理。命令层负责系统静态扫描和动态扫描的处理,以及系统状态的维护。

程序中的数据分两块：动态数据和静态数据。其中静态数据是放在EEPROM中的,内容是地址包含关系,如组地址和场景地址包含了哪些单独或调光地址。这些内容是用户设定的控制关系,系统断电后也能保持。动态数据放在RAM中,它又划分成两块,一块记录系统运行时各个地址的状态,可以通过运行时的查询动态填写;另一块是静态数据的镱像,在主控器上电启动时,从EEPROM中读出填写入RAM,供程序运行时查询控制关系。系统的控制关系可以在运行中动态修改,所有的修改先定入动态数据区,当用户修改完毕,则将动态数据区的这块镜像重新写回静态数据区,从而新的控制关系被保存了下来。

4 控制器和执行器

控制器和执行器的硬件结构和软件设计思想基本相似,只是执行器在硬件上比控制器多一个驱动模块。下面就以控制器为例来说明。

4.1 控制器的硬件设计

目前系统中已定义的控制器包括普通开关(1～4通道)、调光开关、电机开关、无线接收器和主控开关(16～40通道)。它们的硬件结构基本相同,如主控开关是由多个普通开关附加一个设置开关组成。下面以普通开为例介绍一下其硬件设计。

硬件主要由电源模块、总线接口模块、人机接口模块和CPU模块等四大部分组成。普通开关硬件结构图如图5所示。

 

 

电源模块将从总线引入的交流24V经过全波整流,变换成24V脉动直流电,再经过稳压电路,输出5V电压作为工作电源。由于总线上信号是交流24V,远大于CMOS电路电平,因此要通过总线接口模块进行电平转换,然后将信号送入CPU模块处理。回送信号要求是电流信号,而经CPU模块运算处理后输出的响应是电压信号,因此要经过总线交互模块将其转换成电流信号,再回送到总线上。人机接口模块负责接收用户输入、地址设定以及状态显示,方式是通过键盘、LED和红外方式。CPU模块是整个开关的核心,负责接收总线信号和用户输入,然后通过运算、分析和判断,产生响应动作和信号。

4.2 控制器的软件设计

整个软件可分为键盘处理模块、命令层处理模块、链路层收发模块、串行红外通讯模块和驱动模块五大部分,另外还有EEPROM读写模块、串口接收等功能单一的支持模块。软件的总体结构如图6所示。

 

 

基于HBS协议的分布式智能照明及安防系统采用红外编址技术,能任意组合控制功能,操作简单,界面直观;采用24V直流载波总线技术,使得系统安装方便,成本较低;采用强弱电隔离保护技术,确保强电故障不会波及控制系统,提高了系统的可靠性;采用低功耗的控制技术,有利于延长系统的使用寿命,降低用户的运行费用;而且总线通讯技术可靠,并可加挂各类功能扩展模块,例如通过基于PSTN的电话接入模块实现远程监控。