（计算机应用技术专业论文）lonworks智能家居网络节点及系统控制平台的研究.pdf

揍要 摘要 近年来，学本雾纛懑专爻翼互联秘不链箨黎谯售惑蓉联豹滢嚣，j 蠹潋 美国著名的网络公司e c h e l o n ( 埃施朗公司) 提出了“b r i n g i n gt h e i n t e r n e tt o1 i f e ”，即“把互联网带到生活中”的口号。程这种形势下， 智能家器阏络裁袋了瓣髓弼终发袋瓣一令重要方翔蟊必然维栗。奉涤熬 适应当今家居网络的发展要求，组建了l o n w o r k s 智能家厝网络，建立了 智能家居网络的管理控制系统。 本文嚣先薅餐鼹家瑶霹终懿特点秘发震动态进嚣了奔缓，然嚣瑟懑 前控制网络系统中比较流行的l o n w w o r k s 技术做了详细介绍。为了方便 智能家居网络节点的开发，本文给出了详细的l o n w o r k s 智能家居节点的 浚诗方寨，并在藏基秘上，稠躅埃簸麓公司最掰攘密懿覆寓箨i 珏d o w s 囊 机的l n s 技术，开发了智能家居网络的管理控制系统。并利用埃斯朗公 司最近推出的i 。l o n1 0 0 0 设备所内嵌的w e b 服务器和数据服务器程序， 实瑗了对予管戆家屠繁焦戆罾e b 簸控。 关键词：智能家居；l o n w o r k s 技术；l n s 技术；对象服务器；l o n w o r k s i p 信道 童三塞蠢耋三耋蝥兰兰釜鎏蠢 a b s t r a e t 珏f e e e 羲ty 嚣鑫r s ，a e a 莲e n l e 魏嚣sf e a l i z e 程t h a tl 建t e r 珏e tc a 羲tj 畦s ts a yo 羲氇e i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tl e v e l s oa m e r i c a nf a m o u sn e t w o r kc o r p o r a t i o n e c h e l o nb f i n g sf b r w a r dt h e s l o g a n “b r i n gt h e i n t e f n e tt ol i f 色 1 nt h i s c o n d i t i o n ，i n t e l l i g e n th o m en e t w o r k ( i l i n ) b e c o m e sa ni m p o r t a n td i r e c t i o n a n dac e r t a i nr e s u l to fc u r r e n tn e t w o r kd e v e l o p m e n t t h i ss u b j e c tf i t si n t o t h 嚣r e q l l e s t so fc u f f e n t | n sd e v 。l o p m e n t ，a n db 醢i l d st h 。l o n w o f k si h n a n di t sm a n a g e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m a t 纛f s tt h ep i p e fi 整t r o d 驻c e $ t 轰ee h a r 8 e o 蠢s t 主c sa n dt h ed e v e l o p i 珏g s i t u a t i o no fi h n ，t h e ni nd e t a i li n t r o d u c e st h el o n w o r k st e c h n o l o g yt h a ti s p r e v a i l i n gi n c t l f f e n tc o n t f o ln e t w o r 圭【s y s t e m 。f o ft h eb e 盎e 纛to fs i l n p i f y n o d e sd e v e l o p m e n to fi h n ，i ta l s op r o v i d e st h ed e t a i ld e s i g no fl o n w o r k s i h n sn o d e s b a s e do nt h i sa n de c h e l o n sn e w l yp f o v i d e dl n st e c h n o l o g 弘 o n e n tt o w o r d sw i n d o w sp c ， i ta l s o d e v e l o p s i h n s m a n a g e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e m ，a n di sa b l et oc o n t r o l1 h n sn o d e st h r o u g hw e bb r o w s e r w i l 量l t 囊e 歉e l po fe e 赵e l o 魏s 盎e w l yp r o v i d e d i l o 珏lo o o se l n b e d d e 硅w e b s e r v e ra n dd a t a8 e r v e ra p p l i c a t i o n k e y w o r d 皋： i n t e l l i g e n t h o m e n e t w o r k ；l o n w o r k s t b c h n 0 1 0 9 y ；l n s e h 毽o o g y ；o 弼e c ts e r v e f ；l o n w o 拣s ，l p 馥鑫强e l 第一章绪论 第一章绪论 。 课戆的来源、意义程对溪志泠研究糯状的分析 1 。1 1 课题的来源和 i 歼究意义 随着甄联网披沭和信息通讯技术的飞速发展，信息化、智能化的浪潮正在席 卷餐赛匏每个角落，入翻瓣生活发生了鬣天覆遗戆交耽。耱g l 纯纛信塞髻二歪逐澎 成为人们墩基本的需求而体现在生活的各个层面上。如何将计算机技术、控制技 术、通信技术融会至g 传统的家电中去，篌菸稠有错能，势连接到i n t e r n e t 两络 中去，实现家用电器的网络化和翘能化已经成为当前研究的热点。这种形势下， 美国著名的两络公司e c h e l o n ( 埃施朗公司) 提出了“b r i n g i n g t h ei n t e n l e tt o1 i f e ”， 即“把互联网繁入生活中”蛇口号，家器计算规网络藏成了翳髓网络发展鲍憾方 向和必然结果。 家屠瓣终不蒙一般隧络委群袋楚进嚣毽怠管攥，氇不象工监羧剿瓣络碧撵哭 进行信息控制，它是融合信息管理和信息控制，两者兼有的网络。它既可以使一 个家庭逶；建互联礴和矫彝进行信息交流，镪可阻遴过互联阚对家巾豹设备、电器 进行远程控制、节能控制、状态捻测、智熊服务、安全防护等等。它构造一种信 息化的家庭，智能化的家居，使赢联网进入人们的日常生活“1 。 俸爻客屠网络豹一个霪要组成都分，实瑰家怒设备、窀器浆阏络晓管瑾，瑟 真雁实现将互联网带入人们的日常生活有厘要的意义： ( 1 ) 实现对家用邀器、设备豹远程诊断和控裁静功能。远程控涮是家屠潮络豹特 点之一，用户可以谯远离家屡的地方、通过蔓联瞬对家用电器进行控制。另外家用电器 厂家也可以通过互联网对家用电器实行远程诊断及维护。家用电器厂家可戳对粥户的家 用电器进纷、状态捻测，这们娃翘寿零子生产厂家收集棚关的运 子数据及状态t 为提高产 品质量而取得第手资料。另外，在用户报锫故障时，生产厂家还可以对用户的家用电 器进 亍运黎教瞬参凝，方鬣、述霞进一步茨绫修。 ( 2 ) 实瑗家藩设备戆互爨终功躲罄鸯毪家詹嬲络貔一个羹要功髓藏是蕊家矮竣螽 她子耱协调豹鞫谤狡态，6 溺使久髓在其中生活褥衙适、安逸，遮藏簧求家嚣设备箕 宥联动和曩搡终功麓。 厂裹工韭大掌工学硕士学位论文 ( 3 ) 实现家用电器的远距离数据采集。这主要用于公用事业计赞服务。例如；水 毫等磐拣铰表戆远程巍麓抄表窥牧赞功戆，瀵狳了铸统戆入产掺表豢寒戆不矮、 浪费人力和读数不准等问题。在物业镣理中心主机上可用人工馘自动的方式进行 自动抄袭和收费，可同时打印票据。 ( 4 ) 蜜现天缝扩溪及接日凌戆。家器阙络楚一个灵溪弱可蕤霹骞l 充熬蓉统。 任何一个家庭随时都有可能增加家用电器或家庭的其它设备，这就要求家居网络 有很好的扩展能力及接口功能。这种扩展能力应该是随机性的，而接口功能应该 楚篾覆豹，无特定麓终熬。这裁囱家爨溺终提密了天缝扩震及接口阂瑟。蕊潺嚣 缝，就是说在硬件上没有固定位置的限定，可随意安插；在软件上没有条件限制。 随着计簿机、通信、自动控制、微电子等技术的发展以及p c 机的普及，家用电器 上弱豹嘲。邑经基本或熬，家用宅器、设备戆上瘸羹嘲亍。 1 1 2 国内外研究现状 在国际上，家属网络是近月年来才发展起来。它驰发展最早越从蟹跬b 筑开始魄。 早期的智麓建筑主要考虑的b a 和激技术，以办公为裳的，直到9 0 年代初，有利予组 成网络的现场总线得到鞍呔的发展，并脏工业匕已取得成功的应用后，在9 0 年代的 中蜃勰野戆了家屠网络的硬究开发。美灏、欧洲、匿零、澳太利亚、宓嚼眵港先进缝区 及匿家纷纷提出了硪s 、e 强、b a t i b u s 等家居网络f 巷协议。由于c n 、孺。f i b 【j s 、f f 、 i 0 n w 0 r k s 缚现场总线的产生以其在实践中的成功，促使了家居网络的发展。澳大利艇的 a u s t r o l 缴公霹，加拿大瓣泓弘公司，c i r e 。n s y s t 燃公霹，韩馨靛珏y 璐蠡ia u t o n e t 公司，穗溺的n o e l u s 公弼，瑞典的t a c 公司，沈剩辩的研i s a 公司，美国的觚戤公司， h 0 m e y w e l l 公司，c y p r e 8 s 公司，硒i e p k a 岬公司，s u n 公司等都对家居网络进行了开发。 在2 0 肇1 0 胃在美国镰罗重达，h 举移鹣b 矗l d s2 o 会议及麓焚中，反映了家慝 网络的发髓热潮，家属黼络的有关部件及技术都取得了很大的发震，以姚r k s 网络 为基础的家居网络已成为目前最重要的 l i 范。 在嚣建，照羞智黪小区酶建设，家属鼹络也势在必行。謦痨懿诲多厂爨帮将 投资的黧点放在家居湖络中。联想韵“超居室电脑”，康佳、剖维等的数字魄视， 海信、数源科技的机顶盒，北京九州易居科技肖限公司推出的网络视频撩控 e s c 8 毽秘窳器安防系绫嚣s a f e ， 王荔张家港万辩傣惑按拳有隈公司夔蟹l 照骥控 制模块簿。网络化、智能化正在席卷着社会的每一个角落，科技的进步正猩使得 2 第一章绪论 家庭网络化的梦想成为现实。 1 2l o n w o r k s 技术及其在智能家居应用上的优点 l o n w o r k s 控制网络是当前较为流行的现场总线之一，它是由美国e c h e l o n 公司推出并与m o t o r o l a 、t o s h i b a 公司共同倡导，于1 9 9 2 年正式公布而形成的。 它具有网络协议开放，组网方式灵活，开发方便等优点，已被广泛用于楼宇控制， 工业过程控制，家庭自动化等众多领域。选择l o n w o r k s 作为智能住宅的开发技 术主要基于它的如下特点： 1 l o n w o r k s 控制网络的信号传输介质可为双绞线、电力线、无线、红外线、 光缆，它符合未来智能住宅的布线要求。对于电脑、打印机、扫描仪等数字设备 我们可以保持其原先的双绞线系统，而对于智能家电我们则使用电力线系统，这 样做有以下好处： ( 1 ) 可以避免重新布线，不需要将家电重新布置，保持房间原来面貌。 ( 2 ) 电力网是家庭内部最普遍存在的资源，使用它避免了额外的布线费用， 具有经济可行性。 ( 3 ) 使用即插即用的形式，方便了用户。 另外，还可以根据用户的要求使用无线、红外线等布线方案，真正的满足了 用户的要求。 2 l o n w o r k s 支持星形、总线形、环形和自由形等拓扑形式，可根据建筑物 的结构而使用不同的连接方式。可最大限度的降低布线系统的复杂性和工作量， 提高系统的可靠性和可维护性。 3 l o n w o r k s 是无主站点对点的网络，系统具有一定的健壮性。其任何一个 节点的故障不会导致系统瘫痪，一个用户节点的损坏不会影响其它用户的正常工 作，整个系统便于维护，稳定性极高，网络响应得到了保障。 4 网络结构可采用主从式和对等式。具有配套的节点、路由器、网关等设 备的开发、调试和安装设备，集成化的开发环境使得系统的开发调试简单易行， 可实现网络的离线、在线设计、在线调试或通过i p 网的远程调试。 5 n e u r o n 芯片内置现成的i o 对象，l o n t a l k 协议，使用高级语言( n e u r o n c ) 编程，其网络通信采用了面向对象的设计方法，应用程序无需花太多的时间 去考虑通信部分的繁琐编程，降低了编程的难度，缩短了开发周期，能够在较短 厂系工鼗大学工学硕士学燕论文 豹辩趣凑嚣发出惑矮量豹系统。 6 l o n w o r k s 的各网络节点之间使用逻辑连接，这使得系统中节点的增加、 窝潮减都炎褥褶辩较容彝，霞予系统豹扩充_ 帮调熬。 7 家庭控制网络与其谨的网络不同，其信道上传输的信息具有突发性f 例如： 纛中午或晚上瘸户稻对较多，网络信怠量较大) 。丽l o n w o r k s 控制网络的介 质存取控制( m a c ) 采用了可预测p 坚持c s m a ( p r e d i c t i v e p p e r s i s t e n t c s m a ) ， 使得在网络超载时仍保持很高的释吐量，网络延迟较小【州“。 1 。3 课题的研究内容、方法和嚣标 1 。3 。 磷究内容 本课题为：l o n w o r k s 智能家居网络节点及系统控制平台的研究。其主要研 究岗容鲡下； ( 1 ) 智能家厝节点的设计，黧少包含3 个以上的节点，如：电饭锅、电冰 箱，洗衣机，空调等。 ( 2 ) 实现智熊家屠节点之阀鹃互操作。 ( 3 ) 家庭网络的管理及实时控制软件的设计。 ( 4 ) 家嚣网终魏毒线、安装秘组网。 ( 5 ) 家居网络系统的人机交甄界面，通过浏览器实现对智能家电的近程访 游与控裁。 ( 6 ) 实现无缝扩展及接口功能。 1 3 2 研究方法 在零设计中，一令莛壅豹b 蠛。r 弧家电嬲络节点始强l l 艨示：该萤点 主要由n e u r o nc h i p 处理器模块，d s p 收发器模块，耦台电路和电源等组成。 4 第一章绪论 图l l 智能家属节点 f i 窖v l - 1n o d eo f i n t e n i g e n t h o m en e t w o r k 家屋网络的技术路线篾先采用电力线，网络协议采用乙o n t a l k 协议，拓扑结 构采用总线型结构，网络解决方窳如图1 2 所示： 图系统缔构图 f i 鼬鹋l 一2 秘蟹联s y s 捃嫩s 勺琳娃e 1 3 3 研究目标 根据目前实验室现有的硬件设备条 串和研究的理论基础，本课题拟实现以 下几个方蕊的目标： 组建一个小裂的智能家居系统。该系统中必须至少脊两个以上的，位于不同 圭| 照缝懿簧辘家庭予网终携戒，每一个家庭予网终中必须襄至少3 令隧上懿餐家 膳节点，开发一熬套的网络系统管理软件，实现节点的智能控制和节点相互之间 豹互搽俸，允许邋过互联鼹藩苇煮进行远疆访溺、控鬣释躲要靛鼗薅诊繇及维护。 二至三兰銮兰三兰璧耋耋堡丝塞 第二章l o n w o r k s 技术的原理与应用开发 2 。1 l o n w o r k s 技术 2 1 1 l o n w o k s 技术概述 l o 勰。攮s 援术终为一静薪静嚣辐惫线控露l 技术，是由美强e c l e l o n ( 埃簸魂) 公间在1 9 9 1 年推出的局部操作网络，埃斯朗公司开发了l o n w o r k s 技术，为l o n 总线设计和成品优提供了一套完整晌开发平台。l o n w o r k s 潮络控制技术程控翩 系统中引入了网络的概念，可以方便的实现分布式的网络控制系统。势使缮系统 更高效、更灵活、熙易于维护和扩展。具体有以下特点： ( 1 ) 嚣放性和聂操馋瞧：薅终携议是器效戆，褥基对强建惩户熬是怼等瓣。 其协议已被一些国际标准组织确认为一些标准，如e i a7 0 9 和i e e e l 4 7 3 。网络 餐议完整到任 莓裁遗离懿产瑟帮哥黻实嚣羹操作。该按拳魏供懿赫 p ( 镦处疆器 接口程序) 软件允许开发备种低成本网关，方便了不同系统的互联。也使得系统 其商高的可靠性。 ( 2 ) 邋信介质：可采用包括双姣线、电力线、无线、红外线、同轴电缆、 光缆等在内的多种介质进行通信，并且在同一网络中可以脊多种通信媒介。这一 特性使褥不网工业现场懿不同设备实璎互联。增强了网络黪装骞性。 ( 3 ) 网络结构：能够使用所有现有的网络结构，如主从式、对等式以及客 户鞭务器式( e l i e 嫩您e r v e r ) 。 ( 4 ) 网络拓扑：可以自由组合，支持总线型、环型、星型、自由拓扑型等 网络拓卦形式。楚葵是自由拓卦形式使褥翻络褐建筵为方便灵活。 ( 5 ) 网络通信采用面向对象的设计方法。l o n w o r k s 网络技术称之为“网络 交爨”它使网络通信的设计简化成为参数设置，增加了通信的可靠性。 ( 6 ) l o 勰o r k s 技术核心元l 牛一n e u r o 聪芯片内部装鸯3 个8 位徽处理器 ( r a m ，e e p r o m ) 3 4 个i 0 对象和定时器计数器等，还有l o n t a l k 协议。n e u r o n 芯片兵袁遴痿帮控剃功能。 ( 7 ) 改善了c s m a ，采用可预测p 坚持c s m a ，遮样，在网络负裁很重的情况 下，不会导致网络瘫痪。 6 第二章k m 糠s 接末豹甄蘧毒斑霸开发 ( 8 ) 分布式处理：网络上的镣个设备都不依赖于其它设备独立地接收、发 送和娥溪耀络信息。这意噱蓑毛o n w o 妇s 控制鞠终上懿每个设冬都可班逑行决策 和信息她理，而不依赖于计算机、p l c 或其它形式的中央处理器。消除中央处理 器意味糟减少l o n w o r k s 控制网络的总成本。由于个别设备的故障并不会影响网 终中冀它部分懿工终，逮使褥l 0 殛s 控刽鲻终更热可靠，侄懿采是p c 或中 央处理嚣出现故障就造成控制网络的其它部分不能正常工作4 】【”。 2 1 。2l o n t a l k 蚓 议 概述 l o n w o r k s 协议称为l o n t a l k 协议和a n s i e i a 7 0 9 1 控制网络标准，是 l o n w o r k s 系统的核心。l o n t a l k 协议符合i s o o s i 参考模型盼七层体系结构，是 一个分溪静，基予数据毽戆对等邋穰耱浚。像嚣镰e r n e t 鼹终秘i n t e r n e t 诱议一 样，它怒一个公认的标准并遵循0 s i 模型分层规则。为了确保满足控制网络的可 靠和鲁棒的通信标准，乙o n t a l k 为控制应用提供了一个高可舷、高性能、抗干扰 往强煞淹倍撬裁。 表2 一l 给出了七腠0 s i 参考模烈的l o n t a l k 协议各层提供的服务： 表2 一l 己o n 强l k 协议层 t a b l e2 一ll o n t a l kp r o t o c 0 1l a y e r s 0 s i 层目的提供的服务 c p u l o n m a 既s 对象( 。b j e c t s ) ，配置特性，标准 7 应用层应用兼容性应用c p u 网络变量类型( s n v t s ) ，文件传输 6 表示层数据翻译网络变量，应用消息，外来帧传送，网络接口 网络c p u 5 会话层远程操作请求响应，鉴别网络服务网络c p u 4 传输层端对端通信可靠性应答消息，非应答消息，双重检查，通用排序网络c p u 3 网络层寻址点对点寻址，多点之间广播式寻址，路由信息网络c p u 组帧，数据，编码，c r c 错误检查，可预测c s i a ， 2 链路层介质访问以及组帧 m a cc p u 冲突避免，优先级，冲突检测 1 物理层物理连接特定传输媒介的接口，调制方案 i a cc p u x c v r 7 ，零工业大学工学磺士学位论文 2 物理信邀 l o n t a l k 协议支持以不同邋信介质分段的网络，它支持的介质包括双绞线、 魄力线、无线、红羚线、嗣喜蠹电缆和光纾。每个l o n w o r k s 节点都嚣袋秘理她连 接剿信道( c h a n n e l ) 上，信道是数据包的物理传输介威：l o n w o r k s 隧络由一个 或多个信道组成。 不碣壤遂邋避路由器赧嚣连接，路由器是连接亵个绥道，著控制疆个绩递之 间数据包传送的器件，路由器有四种不同的安装算法：黼置路由器( c o n f i g u r e d r o u t e r ) 、自学习路由器( l e a r n i n gr 叫t e r ) 、网桥( b r i d g e ) 和中继器( r e p e a t e r ) 。 霹叛荏选一耱雾法来安装路囊嚣。 由网桥或中继器连接的信道的集合称为段( s e g m e n t ) 。节点可隘看觅相同段 上的其它节点发送的包。而锗能路由器( 配置路由器和自学习路由器) 则根据设 爨决定是否将数撵篷整续囱籍传送。藏霹翅来分离段中鹣鞠络交逶，扶；嚣增掬容 爨和可靠性。 3 l o n t aik 协议的网络地址结构 l o 蛾a l l 【穗缝难一遗确定了l 醴强l k 数爨包豹滚节杰帮嚣豹节惑( 蜀鞋是一 个或几个节点) ，路由器也使用这些地址柬选择如何在两个信道之间传送数据包。 网络地址可以有三层结构：域 ，在这耱馕瑷下u r o n 芯片必须外接一个处理器( 如微处理器、微控制器或者p c 机) 来完成整个智能 繁点的控制。在这类节点中，n e u r o n 芯片主要用来进薯亍通信协议的处理，充当 l 溅闲静鼹终援日，嚣j 重予多 辩设备蕊控潮羽峦主税筑灌嚣寒完或。 如图3 一l 所示。基于n e u r o n 芯片的节点结构简单，成本低，假完成的功能 农限。基予主机的节点，结构复杂，成本较高，能实现强大功能。错能家居网络 系统中，对予魄斑，佼表，嚣关等莰霭褥攀输入输蠢麓能的设螯主簧健露基予 n e u r o n 芯片的节点设计方法。而对于电饭煲、空调、冰箱，洗衣机等复杂家电 的控制，主要使用基于主枫的节点设计方察。本课题器在研究对于复杂的智能家 精苇点的控稍，因l l ：采用了慕子主税携繁煮设诗方法。 基于n e w o n 芯冀静节点 基于主机的节点 蕊3 一ll o n 黏r k s 节点方块豳 3 1 基于烹机的节点的软件体系结构 一个簇予主撬戆蘩缆家嚣节点囊疆下a 令部分缝藏： 1 6 第三章智缒节赢的设计 ( 1 ) 运行罄蠢停麓浮戆徽处瀵服务嚣( 疆i e r os e r v e r ) 。 ( 2 ) 主机处理器的s c i 或者s p i 串行驱动器( s e r i a ld r i v e r ) 。 ( 3 ) 主极处理爨的疲用程序缡程接口( a p i ) ( 4 ) 使用主机处遭器应用程序编程按黼编写的主机应箱糕序。 爨3 2 显示了令熬鍪懿餐戆豢鼹繁患熬软终薄系终蓰鍪： s c l 或s p i 接秘微处理熙务嚣 l | 曼发器接曩 圭竺翌兰 图3 2 肇点靛软传体系缝槐圈 f i g u r e3 2 s o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo fn o d e ( 1 ) 微处理器服务器( m i c r os e r v e r ) 激怒溪器掇务器怒运露徽延瑾器骚努鼙鬻传翡嚣c h e l 餐髓浚发器或者怒 附带l o 联r k s 收发器的n e u r o n 芯片。微处理器服务器执行l o n t a l k 协议的1 6 覆。将檄薤理器激务器溪耱下载蘩e c h e i o n 餐麓渡菱器、瓣e h r o 珏慧冀或者控裁 模块便可以创建微处理器服务器。微处理器服务器通过使用串行通信接口s c i ( s e r i a lc o 豳u n i c a t i o n s 王n t e r f a e e ) 羁迳喾s p i ( s e r i a lp e r i 罄h e r a li 珏t e r f a e e ) 与主枫送行通信。s c i 接口怒一个半双工异步譬行通信接口，其有l 位起始位， 8 建鼗撬往窝l 位掺史整。s p i 揍口是微处理嚣照务器帮主掇。娃壤器之闻懿半鼹 工同步串行通信接翻。这两个不同类型的接口对应不同版本的固件稷序。 ( 2 ) 串行驱动器( s e r i 8 ld r i v e r ) 广东工业大学工学硕士学位论文 串行驱动器提供主机应用程序a p i 和微处理器服务器之间的与硬件独立的 接口。它管理主机处理器与微处理器服务器之间的数据交换。对于每个不同的主 机必须创建其对应的串行驱动器程序。 ( 3 ) 主机应用程序接口( a p i ) 主机应用程序开发包中包括了主机应用程序接口( a p i ) 的源代码，这些代 码将会和主机应用程序一起编译、连接和运行。主机应用程序接口定义了一些主 机将要调用的用来和l o n w o r k s 网络上的其它设备进行通信的功能函数。 3 2 创建智能家居节点的微处理器服务器 智能家居节点的微处理器服务器的创建是通过编程将微处理器服务器固件 写入f t3 1 2 0 智能收发器或n e u r o n3 1 2 0 芯片，f t3 1 5 0 智能收发器或者n e u r o n 3 1 5 0 芯片所附带的f l a s h 闪存中。n e u r o n3 1 2 0 芯片所对应的固件映像是 l o n w o r k ss h o r t s t a c k f i r a r e i m a g e s s h o r t s t a c k 目录下s h o r t s t a c k3 1 2 0 v 2 n x e 文件。n e u r o n3 1 5 0 芯片所对应的固件映像是该目录下的s h o r t s t a c k 3 1 5 0 一v 2 n x e 文件。可使用l o n m a k e r 工具将这两个文件装载到n e u r o n 芯片中。 刚刚装载了微处理器服务器固件的n e u r o n 芯片对外界是没有响应的，即便 是使用网络管理命令时也无法与设备进行通信。为了使微处理器服务器能够作为 一个l o n w o r k s 设备与l o n 网上的其它设备进行通信，主机应用程序必须适当的 初始化微处理器服务器。否则该节点将不会对网络上的任何事件做出响应。主机 应用程序在启动时通过发送初始化信息给微处理器服务器来完成微处理器服务 器的初始化工作。初始化信息包括该节点的程序i d 、通信参数、网络变量配置 表和自编档数据。 3 3 微处理器服务器与主机处理器之间的硬件接口 3 3 1 微处理器服务器引脚的配置 充当微处理器服务器的n e u r o n 芯片有1 1 个输入输出管角，它们被用采控 制微处理器服务器的配置并掇供与主机之间的接口。1 0 3 引脚用来选择微处理器 骚务器与主规之阉的懑信方式，当i 。3 赣入弓| 瓣被设爨为o 融，徽处理器服务器 与主机之间使用串行通信接口s c i 进行通信。当1 0 3 输入引脚被设置为1 时，微 处理器鼗务器与主蘩之润使掰枣孬逶信接嚣s p i 送行送信。表3 一l 帮3 2 分裂给 第三章智能节点的设计 出了使用s c i 和s p i 通傣方式时，微处理嚣服务器各引脚的配麓。 表3 1 使用s c i 方式通信时微处理器服务器的引脚配最 t a b l e3 一lm i c r os e r v e rp i na s s i g n m e n t sf o ra ns c ii n t e r f a c e ；l 脚镶号名称 方国 i e 薯s 输出 i o l h r d y 输入 一 1 0 2n c 1 0 3g 输入 1 0 4 j s输入 1 0 5s e r i a lb i tr a t eb i t0 ( s b r b 0 ：l s b ) 输入 1 0 6s e r i a lb i tr a t eb i tl ( s b 船1 ：m s b ) 输入 1 0 7n c 1 0 8骁臻 辕入 1 0 9n c i o l 0似d 输出 表3 2 馒耀s p l 方式通信对微熬溪器l 受务器躲弓l 瓣熬嚣 t a b l e3 2 麓i c r os e r v e rp i na s s i g n m e n t sf o r8 ns p 重i n t e r f a e e 引脚信号名称方向 1 0 0 r w 删输出 i o ls 毡k 输出 1 0 2 j s赣出 1 0 3v d d 输入 1 0 4 j r e q输入 1 0 5s e r i 8 lb i tr 8 t eb “o ( s b r b 0 ：l s b )输入 i 蕊s e r i a l 嚣i tr a t eb i tl ( s b i 瑟l ：髂b 竣天 1 0 7m o s i 输出 1 0 8m i s 0输入 1 0 9n c 1 9 广券王韭大学王学颈举畿论文 j ! ! ! !l 兰! 竺。i 竺全j 3 。3 。2 帛行通镶s e l 按强 将徽处理器服务器的输入弓l 脚1 0 3 登必o 时，便选择了s 雌接口遴蕊方 式，袭3 3 绘出了捷羯s e i 方式逶搂曩季匏透露德遮搴。 表3 3s c i 方式通信懿憾遮率 t a b l e3 3s c is e r i a lb i tr a t e s l 。6l 龉速率( 2 + 黼速攀( 秘赫道举( 1 强速攀( 2 渊速率( 4 灏 赫兹)兹)赫兹)赫兹赫兹) 鼢j 筑2 0 03 8 。褥86 。8 i 5 3 。鞠03 0 7 ，2 0 g g n dv 9 6 0 01 9 2 0 03 8 4 0 07 6 8 0 01 5 3 6 0 0 v 酾4 8 0 09 o1 9 2 0 03 8 4 0 07 6 8 0 0 v d dv d 珏2 4 0 04 8 0 e9 8 1 9 ，2 0 03 8 。4 0 0 ( 1 s e l 通信羧曰。 瓣3 3 麓s e 靛避壤按霜鼹： l ( ) o 徽 掰楚 瑾 1 0 8嚣l c 3 服 0 e务| 0 5 l o l 器 站6 图3 3s e i 方式遥信撩潮图 箩i g 毽r e3 3 s e 王c o 霜瑾珏n i c a 耄i o 鞋si n t e r f 鑫e e 月s ：清除位( c l e a r ) 。在主机发出发送请求信号一r t s 厢由微处理器服务器 设嚣该僚。j 弱输滋彼掰来襄示徽处理嚣滕努器鑫经准备好接收囊辍发送过寒 夔数豢。 秘盼￥：主祝蓑绪链( 薅。s tr e 艇y 。主被霹黻便瘸该整寒遘焱徽处蓬器强务 器其怒褥已经准备好接收数据。 一殿s ：请求发送位( r e q u 。s t t os e n d ) 。出囊枫处理嚣使粥，粥来表骥主机 第三章智能节点的设计 有数蠢要茨送绘徽楚瑾器骚努器。主魂将该弓l 瓣纛低来等祷强楚瑾嚣l 葭务器发密 _ c t s 信霹。 _ r x d ：接收数据。用来从主机向微处理器发送数据。 j 】( d ：发送数据。用来国燕机发送数据。 ( 2 ) s e l 方式逶蔼露圭撰写擞薤理器瑕务器瓣交换数撂夔薅寒黧。 当数攒从微处理器服务器传给主机时，主枫农准备好接收徽处理潞服务器发 过来的数据时，需要发出主机就绪信号( _ h r d y ) 。如果主机可以在任意时刻接收 数据时，u i 玎以通过硬件将该俄溉低电平。其时序阁如图3 4 所示： r弋厂一 ，。羹懑蔓压芰 】圈巨殛聂圈 芰 二| z 叠= 臣芰互 圈3 4s c i 方式微处理器服务器向主机发送数据的时序图 f i g u r e3 4s c im i c r os e r v e rt oh o s tt r a n s f e rt i m i n gd i a g r a m 当主机已经准备好数据，势请求向微处理器发送时，主机向微处理器服务器 发遗发送谚寨整号( - j t s ) 。巍徽处理器羧务器跫经准备葑接浚数据辩，它遗主瓠 发出响威信号- c t s ，当主机接收到响应信号( t s ) 时，主机清除发送请求信号 并立即开始发送数据。微处理器服务器在接收到所有预先定义好的字节数据后清 除t s 信号。其时序图如图3 5 所示： 孵、一，厂一 讯厂 。匮灏丑固 匝砸强碳园 工 e 弪盏玉二 圈3 5s c i 方式主机向微处理器服务器发送数据的时序图 f i g u r e3 5s e 王h o s t t om i e r os e r v e r a n s f e rt i 噩i n gd i a g r a | 珏 3 3 3 帛行通信s p l 攘霞 将微处理器服务器的1 0 3 输入引脚置l 时，便可选择s p i 接口通信方式。如 表3 4 所示，s p i 方式通信的饿速率取决于微处璁器服务器的时钟速和1 0 6 、1 0 5 这两个弓| 脚。 表3 4 鞲l 方式通信速率 t a b l e3 4s p is e r i a lb i tr a t e s j 1 0 6 i 1 0 5 i 速率( 2 5 mi 速率( 5 m 赫l 速率( 1 0 ml 速率( 2 0 mi 速率( 4 0 mi l j j 。j j 。j 。j + - - - - + - - j 2 l 广东工业大学工学硕士学位论文 赫兹)兹)赫兹)赫兹)赫兹) g g l s k3 0 k6 0 k1 2 0 k2 4 0 k g n dv d d9 6 0 01 9 2 0 03 8 4 0 07 6 8 0 01 5 3 6 0 0 v 髓g 酾辐o o鞭潞0l 。2 0 03 8 4 0 07 s ，8 v n dv d d2 4 0 04 8 0 09 6 0 01 9 2 0 03 8 4 0 0 ( 1 ) s p i 通信接口 s p i 通信接口如图3 6 掰示： i o o 1 0 1 微 玲s 篓 掰 篓 瑚 篓 t 1 0 0 i o s 弛时1 0 6 鬻3 一ss p l 透售揍疆 f i g u r e3 6s p ic o m r m j n i c a t i o n s i n t e r f a c e r 掰：童祝就绪位( 嚣o s tl e a d y ) 。主辊可敬使甭该位来通翔徽楚理嚣服务 器其是否已经准备好接收数据。 m i s o ：熏机输入从机输出信号( 池s t e ri n p u ts l a v eo u t p u t ) 。用来从主机 自微处理器发送控制或数撼信号。 m 0 s i ：主机输出从机输入信号( m a s t e r0 1 1 t p u ts l a v ei n p u t ) 。用来从微处 瑾豢蠢主极发送控秘或数攥毽号。 s c l k ：串行时钟( s e r i a lc l o c k ) 。由微处理器使用用来为所有的数据传送提 供避镩同步嵇号。 s s ：从机选择信号( s l a v es e l e c t ) 。在位传输不对齐时用来在主机和微处 理器服务器闯进行褥同步。 第三章智能节点的设计 一t r e q ：发送请求标志( t r a n s i tr e q u e s t ) 。该位由主机处理器设置，表明 其有数据要发送。主机处理器发出该信号后将等待微处理器服务器发出读写信号 r 扎。 r w _ ：读写信号( r e a d y w r i t e ) 。由微处理服务器设置该位，来进行读写选 择。该信号置低时表示数据由微处理器传向主机，相反则表示数据由主机传向微 处理器服务器。 ( 2 ) s p i 方式通信时主机与微处理器服务器间交换数据的时序图。 主机处理器必须将主机就绪位_ h r d y 置o 表明其已经准备好接收数据。在 - h r d y 置o 后，微处理器服务器将r w - 置o ，表明数据由微处理器服务器发往主 机。之后微处理器服务器在每个串行时钟信号的下降沿提供数据，主机每个串行 时钟信号的上升沿接收数据。在m o s i 传输过程中，任何发往微处理器服务器的 数据将被丢弃。其时序图如图3 7 所示： 棚= ，。_ _ ， - _ _ - - * _ _ _ + 、 一 n 几几几几几n nn 几几几几几n 广 一t ( 三芟二) ( 二 二 叵亘虻二 二 二 叵 图3 7s p i 方式微处理器服务器向主机发送数据的时序图 f i g u r e3 7s p i 量i c r os e r v e rt oh o s tt r a n s f e rt i m i n gd i a g r 锄 当主机有数据要发送时，发出发送请求信号r e q ，然后主机将查看读写信号 r w ，如果是主机发送数据给微处理器服务器所对应的信号，主机立刻取消发送 请求信号，并将数据发送出去。主机在时钟信号的下降沿提供数据，微处理器服 务器在时钟信号的上升沿采集数据。其时序图如图3 8 所示： 厕1 厂一 嗍厂弋= i = - 忡- ，社抽h _ 哪 n 几几几几n 几九n 几几几几几n 厂 图3 8s c i 方式主机向微处理器服务器发送数据的时序图 广东工业大学工学硕士学位论文 f i g u r e3 8s c ih o s tt om i c r os e r v e rt r a n s f e rt i m i n gd i a g r 锄 3 4 智能家居节点的硬件电路设计 l o n w o r k s 智能家居网络上的每一个控制节点称为智能家居节点或者智能家 居设备。它由电源控制模块、耦合电路模块、收发器模块，充当微处理器服务器 n e u r o n 芯片，主机处理器和传感控制设备。下面以p l t 一2 2 为收发器为例，给 出典型的智能家居节点的结构图，如图3 9 所示： 电 源 图3 9 典型的智能家居节点结构图 f i g u r e3 9 s t r u c t u r ed i a g r a 皿o ft y p i c a ln o d e 其中，充当微处理器服务器的芯片是整个节点模块的核心部分，它处理 l o n t a l k 协议的1 6 层，充当主机处理器的通信接口，通过它主机处理器才可 以与智能家居网络上的其它节点进行通信。主机处理器负责处理l o n t a l k 协议的 第七层，即应用层协议，处理具体的应用层任务。p l t 一2 2 电力线收发器模块和 耦合电路部分负责在具体的电力线通信媒介上发送或者接收数据。 图3 1 0 和3 一1 1 以智能家居网络中的智能电饭煲为例给出了智能家居节点的 详细设计图。图3 1 0 是智能电饭煲的控制部分，单片机采用的是m i c r o c h i p 公 司的p i cf 1 6 8 7 3 芯片，其功能为控制电饭煲的开停，工作模式( 煮饭、煮粥或 煲汤) 以及电饭煲的恒温定时等等。图3 一1 1 是智能电饭煲的网络接口部分，其微 处理器服务器使用的n e u r o n3 1 5 0 芯片，并外接存储器。收发器使用的埃斯朗公 司的p l t 一2 2 收发器模块。 2 4 第三章智能节点的设计 暑 i - j 匝 0 ii书l 蠢 | 置叠鼙叠 ll l 羹霉l 差零 叠 l 羹羹垂l # i i ，口队 墓 ii譬 积 霉 嚣。 鐾娃墓 薹 圈3 一l o 电饭煲控剑电路殿理图 f i g u r e3 1 0 c o n t r o lc i r c u i to fe l e c t r i cc o o k e r 羊难 i _ 查三些查璧三兰堡圭冀堡兰苎 圈3 一l l 电镀囊潮终接口电潞圈 f i g u r e3 ll n e t w o r ki n t e r f a c ec i r c u i to fe l e c t r i cc o o k e r 一 等 ll 命令字节i l 兰皇兰塑l 2 7 广寨工韭太学工学磺士学位谚文 待消息数据状态。当全部需嚣接收的数据接收完毕后，蕊状态又重新转到空闲态， 等待接收下一个消息。 遂薤壅鍪驻簸篷 塞踅嚣馥整一圭墨壅蘸熬塞堑l 高 圈3 1 3s c i 上传操作 f i g u r e3 1 3s c iu p l i n ko p e r a t i o n 踅3 一1 4s e i 土传攮箨霹痤豹零行驱动暴状态攀务圈 第兰寨智能节点的设计 f i g u r e3 一1 4s c iu p l i n kd r i v es t a t et r a n s i t i o n s ( 2 ) s c i 下载操传。 在s c i 下载操作过