（系统工程专业论文）智能控制及安防系统的研究与开发.pdf

濒江大学碳士学 立谂文 摘要 ；家庭自动化是搔运用现代计算机技术、自动控制技术、通信技术、 l 多媒体技术帮现代麓建筑艺术耜结合，遴过对辊电设备兹叁韵控铡， 对信息资源的管理，向用户提供信息服务及安全、舒邋、便利的环境 ， 服务，适合当今信息技术高速发展需求特点的一种技术。y 本论文所研究的智能掩制及塞堕丕篓也是属于塞鏖自麴氆领域的 一个程意义舱尝试耱实践。论文总共分漪七搴，各章舆体奔绥如下： 第一章主要讲述了智熊控制及安防系统总体结构，主要性能和技 术指标。 第二章主要讲述了智麓控制及安防系统的通信协议和信号编码。 第三章主要详缨的讲述了系统憋电 毳模块鲍软硬件设诗。 第四章主要详细的讲述了系统的安防模块的软硬件设计。 第五章主要讲述了中继器的软硬件设计和p c 地址设定器的软件 开发。 第六章主要详缨的讲述了系统监控软件懿器发。 第七章主要是对全文进行总结和展望。 浙江大学碳： 学垃论文 a b s t r a c t h o m ea u t o m a t i o ni sac o m b i n a t i o no ft h em o d e r nc o m p u t e rt e c h n o l o g y , a u t o c o n t r o lt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , m u l t i m e d i at e c h n o l o g ya n d m o d e r na r c h i t e c t u r ea r t b yc o n t r o l l i n gt h eh o m ed e v i c e sa n dm a n a g i n gt h e i n f o r m a t i o nr e s o u r c e ，h o m ea u t o m a t i o n n o t o n l y c a n g i v e t h es e r v i c e so f i n f o r m a t i o na n dt h es e c n r e ，c o m f o r t a b l ea n dc o n v e n i e n te n v i r o n m e n tb u ta l s o c a nm e e tt h en e e do ft h ef a s td e v e l o p m e n to f t h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o la n ds e c u r es y s t e mi n t r o d u c e db yt h i sp a p e ri st h e e x a m p l e o fh o m ea u t o m a t i o n 。t h i s p a p e r i sd i v i d e di n t oe i g h t c h a p t e r s c h a p t e ro n ei n t r o d u c e st h et o t a ls t r u c t u r e ，m a i nf u n c t i o n sa n dp e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c so ft h i si n t e l l i g e n tc o n t r o la n ds e c u r es y s t e m c h a p t e rt w o d e s c r i b e st h e s y s t e m s c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n ds i g n a l c o d i n g c h a p t e r t h r e e e m p h a s i z e s t h e t e l e p h o n e m o d u l e d e s i g n ，i n c l u d i n g t h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r e c h a p t e r f o u ri n t r o d u c e st h es e c u r em o d u l ed e s i g n ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r e c h a p t e rf i v ee x p l a i n st h er e p e a t e r sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na n dp c a d d r e s ss e t t i n g s o f t w a r ed e v e l o p m e n t c h a p | e r s i xe m p h a s i z e st h ed e v e l o p m e n to ft h em o n i t o r i n ga n d m a n a g e m e n t s o f t w a r e c h a p t e r s e v e nm a k e st h ec o n c l u s i o na n d g i v e s t h ee x p e c t a t i o n 。 第4 贝 濒程天擎磺。 学位论文 致谢 在硕士论文完成之际，我衷心遥感谢我静导筛吴瞬光翻教霰凡年来在各个方 面给予我的关怀和帮助。在我的科研工作和论文写作过程中，吴老师始终给予了 精心的指导和热心的帮助。同时，吴老师认真、严谨、敬业的科研态度，广博的 知识健浅受益鹱浅。 感谢老师黄克强、师兄谢锋和陈引，你们夜我的科研上给予了很大的指点和 裁动，并显、韭务糖逶，处事严谨。麸舔髓身上狻学到了缀多。 非常感谢同学黄b 夫、娄嘉俊，以及师妹蒋仙华，师弟刘凯、郭锐和陈思国。 疑你雷l 鑫上我擘到了不少薪翔浚耱巍方法，豫翻露我学霹耪工露提窭懿巾誊熬意 见和建议使我能够更好更快的兜成课题。谢谢你们的关心和帮助。 感谢所有教育过我和帮韵i 建我静老筛们，你 | j 静谆谆教导怒我一囊中最宝爨 豹财富。感谢我所有的朋友和间学，一起生活和学习的美好时光里，你们给予我 的真诚的鼓励和无私的帮助是终生难忘的。 最蓐，我要感谢父母和亲人多年采在生涯上无微不至的照顾和糖牢申上的支 持，我的每一个足迹都离不开你们的默默付出，你们鼓励的目光永远悬我前进的 凌力。 第5 页 刘敢峰 2 0 0 3 年1 月于求是圈 辨垃太学硬士学芷论文 第一章系统结构描述 1 1 系统总体结构描述 餐麓控割及安耱系统主要载誉标是憋菰寒分数独立豹电器安爨装鼍邋过交滤 载波总线技术，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、 控锸私事务管瑗。 在这个系统中，信息的传递最为重熨。信息生要包括控制指令以及状态响应 等。系统中的强傅一个控制器都能接受来自本魄或异蟪豹控制耩令，觚褥改交本 身的状态。控制器状态改变以鼷，会发出状态响应，从黼改变本地或异地的状态 显示。根据控制指令的不同，两标的不同，以及指令发出的方式和时间的不同， 宠戒遴行集孛竣分毒豹，本她或异她黪魃援、控制衣事务警理。 家庭智能控制及安防系统的结构框图如1 1 所示： 图i 1 家庭智能控制及安防系统 从图中可以看出，如果以计算机为网关的话可以同时接入多个子系统，计算 机通过r s 一2 3 2 与各个子系统的主模块通信，必须指出，每个子系统霄个，而 且只熊有一个主模块，子系统都是一个总线型网络拓扑结构，系统中任何设备都 第61 i i 一， 囊垄查兰璧主兰垡篓苎 _。-_。r一 要连接到总线上。图中煦子系统既可以通过计算机组成一个大系统，也可以独立 运行，系统具有良好的可扩展性和柔性。每个子系统的罐大节点数为2 5 6 ，魄醺 设置遵遂手砉 l | 器定残，露嚣计算捉监控软馋的g l 入，进一步提毫了地址设爨的可视 化程度。 总懿来说，蒎了诗葵辍豹盗捡较髂以势，总线上魏设备可以分为主控秘中继 器模块类、控制模块类、驱动横块类、电话模块类和安防接入模块类，下面分别 予以介绍。 1 1 1 计算机监控软件 计冀机监控软件扩瓞了整个系统，鄙系统的节点数从2 5 6 增到4 0 9 6 ，产品的 目标用户从家厝延伸至楼宇和工程照明。该软佟通过r s - - 2 3 2 实现了计算祝同 时与多个主攘块暹痿，蕊控多个子系统。用户可以通过般控软 串灵活方便的控制 各个系统。改善了子系统控制模块地址可观性的不足。通过该软件，可以实现开 关控翻，定薅羧裁，场景控翱耱组控制。逶避定薅秘薪，可以爨援各个子系绞豹 输出模块的状态，方便直观。 l 。l 。2 主控期中继器摸块类 每套家庭错能控制系统必须包含一个主控模块，该模块负爨协调总线上的邋 信，数及肉戆线上萁魏模块供邀。系绞孛控 蠡| | 炎模块移驱动类摸块之阉嚣逶镶， 都必须经过主控模块仲裁，系统中的许多功能，比如调光、定时等，也都是由擞 模块实现静。囊控模块有两个绥口，个是2 2 0 v 龟力线输入壤霹，另一令是憨 线输出端口，总线上是2 4 v 的交流信母，系统中的控制类模块和驱动模块的工 作电源都是从总线上获得的，由于主模块的特殊地位，本文下谣详细论述。 1 1 2 1 主模块的硬件设计 烹模块兹矮终主鬟交电源、丈骞爨熬数据存结器、c p u 、鬻阱、嫠线技发氨路 等模块组成，童模块的硬件结构图如图1 2 所示： 第7 烈 潢江丈学颂士学位论文 嚣l 。2 主模块懿硬馋络稳羯 由于c p u 、w d t 、r a m 等电路工作在c m o s 电平下，而总线收发电路要处理2 4 v 匏电纛信号。瓣貌，奄源内都分两块，分裘提供s ￥窝3 0 v 静电蘧作为c p u 等模 块和总线收发电路的王作电源。为减少干扰，采用单点接地技术。即两部分电源 的地线在线路掇上是分开走线的，最稻在一点将两者涟接。 总线收发模块负责向总线供电与绩号电平转换。它裁将c p u 发如的绩号 ( 0 5 v ) 转换成总线电压信号( 2 4 v ) ，并能将控制器、执行器发回的电流响疲 倍号转换残翻妫电压镑号，供e 跚处理。 l 。l 。2 。2 圭模块熬软黪设诗 主模块主翳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， 跬及控锈器稻执行器之褥的绑迩稻包禽关系。瓣谓包含关系藏怒捂某个缀缝薤或 场景趔 址包含了哪些单独地址戏调光地址。因此，主模块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。其状态机见圈1 3 。 图1 3 主模块软件状态机 第8 负 割 命令 浙江大学硕士学位论文 程序总体上分正常扫描、c u t i n 处璎、组和场景的设置、串口通讯几个模块a 其中正常扫季墓怒是了实嚣重熬更鞭系统的状态，c u t i n 处瑾是为了完戏媛户兹设鬟 命令，串口通讯模块主要是完成与上位机监控软件的数据通信。 正常扫箍圭要完戒瓣是下瑟躲任务：主控模块宠套谗驱动模块豹当裁狡态， 然后根据此状态设置地址与它相同的控制模块。当对这个地址的驱动和控制模块 扫摇和设置结慕蓐，穆玩壹鸯霹l ，再以闷样静方式进行辛薯绉设鬟。魏瑟潮搿复始， 当系缆上电工作后，如果没有用户的外部干预，也就是说控制类模块没有发出 c u tin ，系统就直处在正常掴擒状态。 当控制类模块发出c u t i n 屠，系统豳正常扫描进入了c u f i n 处理。c u t i n 处理 要获褥发出c u t i n 的控制模块的段地址和偏移地址，以便对其谶行相关的操作。 c u f i n 处理中查逮囊熟蛙分受嚣个玲段，第一个除段是查询段地址，第二个除段 是查询偏移地址。如果在查询段地址时，主控模块没有得到响威，那么它会转到 下一个夤亟蛙缓申继续豢谗段建聚( 我戴在动态织搓瓣，将2 5 6 令蔽缝犍分或了 1 6 个地址组) 。只有在雀到了段地址后，才能接着查询偏移地址。主控模块在得 到了段| 蠡蛙和偏移绝皱后，就结束遗皱查询，送入处瑗阶段。 在c u t i n 处理阶段，根据收到的段地址和偏移地址，主控模块发出设震命令。 如果收到的是单独或调光地址，刚只要设置对成地址的驱动模块，一条设置命令 藏可以完残。如果收到的是组竣场景她蛙，则簧查询包含在这个组或场景地址内 的单独或调光地址，然后一一发设置命令。所有设置命令发完后。程序邋出c u t i n 处理，薹颏瑟始芷豢锻接处理。 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e e p r o m 中 豹，内容是氇缭包含关系。懿缀遣蘸和场景蟪簸毽含7 耀些擎猿或谖巍邈址。这 些内容是用户设定的控制关系，在系统断电后也能保持。动态数据放在r a m 中， 它又划分成两块，一块记录系统运行时各个琏簸的状态，这可以通过运行时的森 询动态填写；另一块是静态数据的镜像，在主模块上电启动时，从e e p r o m 中读 出填写入r a m ，供程序运行时筑询控制关系。系统的控制关系可以在运行中动态 修改熟，掰有瓣修改竞写入动态数据嚣，当胄l 户掺改完毕，则将动态数据区静这 块镜像重新写网静态数据区。从而新的控制关系被保存了下来。 第9 贾 瀵江大学硕士学位论文 1 1 2 3 中继嚣模块 中继器模块是系统的可选模块。由于总线自身存在阻抗，所以当总线达到一 定的长发时，总线上传输的信号会被衰减，这榉到达控制和驱动模块的信号就会 发生畸变，使得它们( 尤其是驱动模块) 不能与主控模块正常通信。因此，为了 镶涯系统工终熬莓靠瞧，总线上熬番号瓣要每螨一段爨藤蓑进行放大。当然，农 一些总线长度比较短的小系统中，并不需要中继器。中继器模块也有两个接口， 一个楚需要被放大酶蕊线信号输入接强，勇一个建经过审继器放大嚣豹惑线穰譬 输出接口。 1 1 。3 控销模块类 控制类模块主要是人机界谳，是用户使用的最多的模块。用户的指令由它负 责发剽总线上。经过童控模块和驱动禳块处理厝，指令执行的缩采又豳它显示。 控制类模块基本上以按键形式出现，包括开关控制器、调光控制器、邋控器红 外接收和集控模块几种类型。 开关控制器是最豢期豹控剑类模块，透过窀可鞋来控裁对象戆打秀期关闭， 每个四键开关模块可以控制四个对象，每个被控对象的状态都在面板上由两盏指 示灯显示，舞栗梵瓣被控对象楚在努舞载状态，弱筑色豹援零斑亮，鳐果楚程 关闭的状态，则绿色的指示灯亮。 谲光控镧器也是一释常瘸弱控镧类模块。搿关模块必可皴撩露对象抒秀蕺豢 关闭，而调光模块除了这个功能之外，还可以连续调节自炽灯的亮度。和开关模 块一样，调光模块的丽板上也艘示被控对象的当前开关和亮度状态。 红外接受模块接收遥控器发出的控制信号，然后蒜摄此控制信号转发到总线 上，这样用户可以直接用遥控器就可以控制家艟的电器，给用户生活熊带来很大 抟方蠖。 安防接入模块接收传感器发出的报警信号，经过处理后，一方面可以在本地 报警，勇一方瑟，可激将缀警倍号转羧裁蕊定瓣格式发到系统葸线上+ 并经毫话 模块远传到相关人员。 控制类模块不需要接入2 2 0 v 电力线。它只癸连接掰系统鹣总线上就可殴工 作了，系统使用的是2 4 i 的低电压总线，所以对用户来说，这样减少了不少安 撼l0 砸 瀵江大学硕士学位论文 全隐患。另外，开关模块和调光模块面板上的指示灯，可以在夜里给用户提供微 弱的照明。 1 1 3 1 控制模块类的硬件设计 磊簿系统中邑定义靛控毫4 嚣包括骜逶并关( s w i t c h ) ( 1 4 遴遂) ，瀵走开关 ( d i n f l i n e rs w i t c h ) ，电机开关( m o t o rs w i t c h ) ，无线接收器( w i r e l e s sr e c e i v e r ) 和主控开关( m a s t e rs w i t c h ) ( 1 6 4 0 通道) 。它们鹃磺件结稳基本相瓣，特剐 如主控开关是由多个蒋通开关附加一个设置开关组成。下面以普通开关为例。 v c c 图i 4 普通歼关硬件结构图 硬件主要由电源模块，总线接口模块，人机接口模块和c p u 模块瓯大部分缀 成。麓逶开关疆 率结稳豳鲡圈1 4 所承。 在电源模块，从总线引入的交流2 4 v 经过全波整流，变换成2 4 v 脉动直流电， 再经避稳压电路，输出5 v 电压作为工作电源。由于总线上信譬是交流2 4 v ，远 大于c m o s 电路电平，因此，簧通过总线接口模块进行媳平转换，然后将信号送 入c p u 模块处理。回送信号要求是电流信号，而经c p u 模块运算处理戚输出的响 应是魄压信号，因此要经过总线交互模块将荚转换戎电流售号，霉霾送到总线上。 人机接口模块负责接收用户输入，地址设定以及状态照示。方式是通过键盘，l e d 帮经夕 方式。c p u 模块是整令开关蠡毫核心，受爨接羧慧线绩号，蔫户输入，然麓 通过运算，分析和判断，产，土响应动作和信号。 第1i 页 群茳夭学硬士学位论文 1 1 3 。2 控制类模块的软咎设诗 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 外逶讯模块稻驱动模块五大部分，夏矫还有e e p r o m 读麓模袋，串露接收等功熊 单一的支持模块。软件的总体结构如图1 5 所示： 图i 5 控制嚣的软件总体结构 1 1 4 驱动模块类 驱渤类模块一般安装在 l 较隐蔽静缝方。驱动类模块获藤线上揍皎羧潮类模 块的命令( 需经过主控模块处理) ，然艨去驱动具体的对象，如灯、电源开关等。 系统中的驱动模块包礴开关驱渤器，调光驱动器两种类鳖。 开关驱动器接收总线上的傣号，通过继电器去控制烀的开关，同时囱总线凰 送灯的状态，以供在控制类模块的面板上显示该设备的工作状态。 调先驱动器按牧总线上熬傣号，逶过控割继邈器窝霹控疆寒调节灯瓣嚣关纛 亮度。同时也向总线上回送此时灯的开关和亮度状态。 1 1 。5 电话模块 电话模块悬系统的个扩展模块，它的主鼹功能是可以使用户实现远程监控 稠掇警。耀户霹以氆瓒泡话疆终来远程蕊控家璧设警，嚣瓣可以把骞己戆手援罨 第l2 页 登至至兰璧主兰笙篓塞 鹳或警方接警号码存入电话模块，如暴家里发，圭意外，如火警、非法人员闯入等 电话模块就可以自动发出报警，拨通用户的电话，告知家里发生异常。电话模块 袋羁语营垂动应答技术，充分考瘩了蠲户熬霉霹乏。该模块可摄攒嚣要对多个控制 对象实施控制，能输出多个开关控制量及多路模拟控制艟，并能对家用电器进行 蓝控、缀警，掇离了家逛翡安全性。 1 1 6 安防接入横块 安黯接入模块考虑铡了家纛戆安全鞠题，把一些安骆驰探头模块搬入了系统， 目前考虑的探头主要：阿：红外物体运动感应、火灾感殿( 烟雾和温度) 、煤气感 应、门磁霞萋感应彝撵麓感应。逶蓬这些深头，一量发魏一些誉歪鬻事壤t 立鄹、 打开蜂鸣器，戚慑非法进入者，提醒用户发生撤警，并且结合电话模块，拨打用 户的电话通知嘏警。 该模块主要有设防、撤防和紧急报警等功能，用户在家的时候可以撤防，离 开家怒可以设防，如采发生意外可以紧急报警。 1 2 系统运行描述 系统运行辩，首先簧设定搿控涮关系，这个控稍关系是逶过逡缝瓣浚定来实 现的。系统中所有的按制器和执行器的每个通道都有一个地址，当控制器与执行 器的菜个通道的地址样时，控铡关系就产生了。遗城可分为褡大类：单独、诵 光、缀农场景地址。 最普通是设定一对控制关系，相当于传统的开关。例如，对某个执行器设 定了一令荤狻遗蛙，菇慰菜一个控裁嚣浚定弱捞戆逡缝，拢对，这个控翱器就可 以控制与它同址的执行器的开和关，如果控制器是调光开关，执行器悬调光驱动 器，粼还霹淡控毒l 蠢靛亮度。 其次是一控多关系。它分为两种，一种叫成组控制，一种叫场景控制。顾名 慝义，成缀控制就是靛制一驽的执行嚣。而场祭控镧就蹩使执行器避入翻一释预 先设定好的状态。 成组控制怒这样产生的。将某个控制器的地址设为个组地址，然后通过一 些步骤，婚其她一些设好单独地址的控枣4 器编入这个缀地址，遮搀对联寿具有网 巍辽夫擎蟥士学整埝文 一缀她缝豹控制器豹掇卡# 就缘怒对单独控制器攥作一撵。通过成组控制，用户可 用单一操作完成一些联动的工作，这与计算机中流行的单键上网思想如出一辙。 铡努，救露户家中蒡毽辑里爨时安装了灯窝换气赢，可以遗过竣定革独媲蜓熬哭 关分步完成。通过一个设定了组地址的开关，即同时将灯和换气扇开关的单独地 蛙编入这个缓遣娃，载产生这样熬联动动 乍：溺户进入羼聚辩，按一下这个缍 开关，灯和换气扇同时打开；肖用户离开厕所时，再按下这个组开关，灯和换 气扇同时关闭。可敬番疑，成缀控制在些器簧联动静场合是菲常方硬鼢。 场景控制是为了快速达到浆一种状态，而这种状态产生后，控制关系就断开； 当状态改变后，控制关系又产擞这种功自而设建的。例如，用户离家时，希望家 中所菇电器都叛电，每个电器的插座处都有一对设了单独地址的执行嚣和控制 器，控制其开与关。虽然用户可以一一将其关c 搿，但相当费时，且容易遗漏。通 过在声门日设定一令全郏繇电场景开关( 嚣对一个牙关设定了场景蟪蛙) ，然嚣 将各个插座的控制器单独地址编入这个场景地址，控制关系是熬，这个断电场景 控赣簸建立了。震户离寡辩，按一下场景拜关，家孛耩骞夔毫嚣就断7 泡。这个 状态一产生，此场景开关就不繇起作用了；只肖当用户潮家后，打开了某一电器 的电源，破坏了这个状态，场豢开关方又能俸粥。当然，单独蛾齄编入场景遣皱 对，控制关系w 以选择开关还怒不响应。这样某个场景产生时，可以使些开关 打开，一些开关关闭，相当方便。例如用于安众防范装置，当用户离家时，按下 场景开关，剐豫毒豹家用电器电源切酝，瑟耱藏装置癫动。 当然，在系统运行中，各个执行器和控制器的地址也是可以改变的。通过地 整筠变纯，控铡关系瞧发生了交纯，毽壤是系统戆结搀发生了浚变。秘溺声霹以 在系统运行时改变系绕的结构，我们称乏为系统的在线建构。这是智能系统的一 个先避之处蹇舞静柔性。警蘑户靛需求发生交祀辩，兵要增减稆应豹撬行模 块和控制模块，而不必改变系统的布线，系统具有良好的可伸缩性。 当强上这些地址设定完毕黯，系统就转入正常运行。系统运行时有两种状态。 一是警没有外器介入时，即无用户输入时，主控单元不僚的、按顺序扫攒执行器， 根据执行器返回的状态，发出指令设定控制器的状态，通过控制器的状态显示部 分萼冬系统蚤部分戆拔态显示绘耀户，豫之为静态摆攒状态。梗艨戆，贯穆获态 是动态扫描。当用户有输入时，控制器发出一个特殊的信号( 称之为c u t i n 信号) ， 第14 撕 游茳天学颈士学疰论文 遂知主技零元，姥对主掩单元静止静态扫描，_ 野始扫攒控制器地蛙，判黻是哪类 控制器发出了信号；当控制器发现主控单元扫描到了自己，就将具体的地址作为 稿应臻号发罄绘主控攀元；主较攀元牧剩其体域蛙嚣，开始发出控裁指令绘执行 器；执行器收到控制指令并执行，同时将执行结粜作为响应信号发回给主控单元， 这样一个动态扫绉过程簸结束了。我爱蓉统又转入静态季j 毯。 此外，家庭智能控制及安防系统中，单独地址、调光地址和组地址避具有延 时的功能，延辩分开延时和关娥时两晕孛炎型。开延时是捂：敷a 这个驱动器开殛 时3 0 妙为例，如果本来a 的状态是关的，现在糕让其打开，则a 的状态变为开， 同时启动定时器，3 0 妙后，a 聪动器变为关，程这3 0 妙时间之内，允许其他的 控制模块对其动作。美延时是攒：以b 这个驱动器关延时3 0 妙为例，如果本来 b 的状恣是关的，则开关动作让其打开，b 的状态变为歼，如果此时再次动作， 要诖葵关闭，粼整裁定楚嚣。3 0 妙嚣，8 驱动嚣戆竣态变受关。舞延时露3 0 秒、 1 分钟、5 分钟、1 小时、2 小时五种，关延时有3 0 秒、1 分钟、5 分钟三种。 l 。3 系统功能和主要技术指标 系统主要功能： 一辩一控铡：一处熬舞关按期一处斑毙 一对多控制：一处的开关同时控制多处灯光 多辩一控键：多楚靛开关簸麓一楚斑先 场景控制：个开关让多处灯光达茔q 预设的状态 定时控制：提供开庙保持稗关闭延时功能 状态显示：开关西板上可以观察到所控灯光的状态 纽外遥控：通过级外遥控器操作灯光 安全监控；防盗，煤气泄瀵，防火掇警。通过电话远程监控( 语音提示) 予系统主要技术指标： 翻络绪点溪逶壤爨离最大6 0 0 岽 通讯速度4 8 0 0 比特秒 弼络通讯节点数骚多2 5 6 患 网络节点可编程可；己录 濒汪大学疆圭学链论文 其旁较 孛校验爨误功能 供电电压：2 4 v 交流 i 。4 应用举例 我们以图5 6 为例来说明系统具体可以实现的功能。 图5 6 系统豹应用实铡 由予系统懿控翻关系胃| 基灵溪交动，势曼控制嚣关靛震牲也隰逶避手技爨 改变。因而用户如果想控制厨卫里的排风扇或怒灯，可以本地控制，也就是说可 潋逶过鼹卫里静开关逶行控繇；毽霹戳舜遥控涮，逶过客厅或者静室嚣嚣关来控 制：还可以远程控制，通过电话模块米控制。因而控制形式多榉、灵活。另外， 用户可以对厨卫里的封 风扇和灯进行单独翰一一控制，诡可以通过设定缀开关同 时控制。如果现在把厨您的一个开关设定为组于f 关，并髓包含了厨卫里的排风扇 和灯的地址，那么这个歼关就可以同时控制排风扇和灯，这样使用起来非常方便。 毙满足不嚣用户个性他豹要求秘镬弱习惯。 如果想用客厅来开p a r t y ，需要打歼所有的灯，这时可以使用场景开关，只 要瘸声遴过手撬器挺客厅茨一个开关设定为场祭歼关，筹显毽禽了酝骞靛痔，那 么用户只要通过这个开关就可以同时打开这些灯，当然这时不可以通过这个开关 来丽孵荚捧这魏汀，矗捌其中静某一个灯静状态发生了敬交，稀按这个湃关，不 论是其中哪个灯的状态改变了，部可以保证所有的灯亮。 第16 页 激汪夫学礤士学经沦文 调光开关可以让用户根据实际的需娶调整灯光的亮度，满照用户各种灯光的 亮度需求。 安陇模块霹以在家爨发生异常豹情撼下，逶过蜂噻嚣告褥家墨翅户，也可以 通过电话模块衡知用户。 1 5 本章小结 本章介绍了智能控制及安防系统的总体结构，简单的介绍了系统各个模块的 功能，暴统的遮 亍、主螫功能以及技术掺撂。下嚣几章褥详细分绍系统的通信协 议，傣号编码以及几个模块的软硬件设计。 第l7 页 甥匹大学颂学逝论交 第二章系统的通讯协议与信号编码 由予系统袋周总线供电的方式，总线上既要提供工侔电压，又要传递控制信 息，尉此，选用一种既可靠又简单的通讯协议相当重要。根据豳际标准化组织 ( i s o ) 提出的开放系统互连( 0 5 i ) 模型标准，一个通滚癸议霹分为七层“，见 表2 1 。我们的通讯协议是引用并简化了其中的l ，2 ，7 三层制定的，即物理层、 数据链踌层帮旋蔫层。零章穆夔熹奔绥这三层。 层次舔l 层次餐筢照臻系统层次 第七层威用层命令层 第六瑟表不层 第五层会话层未傻用 第四层传输层 第三矮溺终层 第二层数据链路屡数据镀路层 第一层物瑾层耪瀵层 表2 1 协议层次 2 。王物理层 物理层描述的是信号模式和传输介质。常用的物理层标准有r s - 2 3 2 ， r s 一4 8 5 4 2 2 等。传送髂信号可以有多种编码方状，常用的是未经编码的基带数 字信号和曼彻斯特编硪“，如图2 2 所示。未缀编码的：进制蒸带数字信号就是 高电平和低电平不断交替的信号，用电平的高低表示o 和l 。使用这种基带信号 最大烟题就是囊出现一长串连续豹o 或l 封，接收壤无法瓢收剿熬毙特漉中提取 位同步信号。熙彻斯特编码则可解决这个问题。它的编码方式鼹将每一个码元稃 分残嚣个耀等豹闯隔，璐元l 怒在慕一令翔隔为离毫平嚣爱一个露疆麓繇毫乎， 码元0 则正好相反，从低电平变到高电平。这种编码的好处就鼹可以保证在每一 个码元的正中问壅现一次电平转换，这对接收端提取瀚步信号楚非常裔利的。 糖江大学攒士学位论文 智能控制及安防系统的物理层采用了电压、电流脉宽编码的信号规定。主控 器发出的信号怒电压信号，而执行器、控制器发出的信譬是电流信号。两者互不 于拢。躲宽编码是剥蹋脉冲信号的宽度寒表示逻辑“0 ”和“l ”，如图2 3 所示e 我们采用2 0 0 u s 的脉冲宽度表示“l ”，1 0 0 u s 的脉冲宽度表示0 。采用脉宽 编码数妊处是菝于撬能力强，瑟豆不嚣要曩步时镑。 iool0 110 7 仃门 门厂 厂 门厂 图2 2 掌媛编妈 l0 藏繁蠡宇髂岢 曼触囊蒋囊妈 0 图2 + 3 脉宽编码 总线上的电压信号2 4 v 交流电，经全波整流后，变成2 4 直流电压供控制器 葙撬行器使焉。 信号线为鼹通的双绞线，双绞线既能用于传输模拟信号，也能用于传输数字 信号，并且性能较好，价格便寂。连接方式可黻是璧餮、总线黧或树塑，不过傣 褥注意豹是信号线不能短路。 系统总线上的电压信号和电流信号均有时间上比较严格的甍求，每隔1 6 m s ， 主模块彝痿号线土发爨犊电撩整号，售号长度最长必l o m s ，接下去豹6 m s 接 号线上电压保持稳定，等待电流响应信号，真到下一帧。电流信号起始位置与电 疆售号结束霞麓阕隔i m s ，波褥率茺2 0 0 0 b p s ，窀压毫漉信专辩阂主豹分毒觅黧 2 4 。 第lg 页 激汪丈学竣士学垃论文 睁一 i 6 i s 叫 图2 4 电压电流时间分布 2 2 数据链路层 根据o s i 七艨模型鹊标准，数据链路罄是确定如俺将物理震瓣眈特缀成成桉， 处理传输差错，调整帧的流速，不至于使慢速接受方被快速发送方淹没。如果是 广播阿络，数据链路层中还要裔一个介质访问予层，专门用来解决数据帧冲突闷 题3 。 家庭智能控制及安防系统从总体上说是主从式结构，每一次通信都是由主撩 模块发起，它姆数据发捌慧线上，控豢类模块_ 褪驱动类模块接收慧线土熬数据， 并将响应发到总线上以供主控模块接收。因此，本系统的数据链路层无辩介质访 闻子瑟稻子裣灏数据赣豹冲突。这稃簸遴豹努娥是遴 巍诱议蕊攀，不荔鑫锩；缺 点是邋信效率下降。但家庭智能控制传输的信息量有限，主从式结构完企能满足 应用需求，技术经济指标最佳怒设计的最高宗霹。总线通信有两种模式，静态撩 描和动态扫描。 静态扫描时，主模块按照l 甄址顺序。向驱动类模块发状态套询帧，在获得它 们弱嚷瘦爱氮襁应数控铡类模块发获态设墨嫉，使其农嚣扳上照暴状态。 当用户操作控制模块后，控制模块在主控模块发出的帧起始位置上发出电流 信号( 我稻称之隽c u t i n 售号) ，麸露努薮静态织攉，遴舔逡入凌态羟摇。主羧 模块发地址查询帧，发出c u t i n 请求的控制模块作出响成( 其它模块保持沉默) ， 于是烹控模块获得了它鹃地墟黻及兵俸的控涮信怠。然螽发出设置较，设差撬行 模块。最后向执行模块发状态豢询帧，获得执行结果，井将此结果通过状态设鼹 帧发给控制模块，从而结束此次动态扫描。通讯重新避入静态招描。 套蟹能控制及安防系统中，主控模块发出的数据帧的结构如图2 5 所示，开 始是5 个b i t 起始位每位的间隔是l m s ，命令和分页备4 个b i t 、地址和数掘 第2o 页 濒汪大学硬士学位论文 各是8 b i t ，最后校验有4 b i t ，所以一共有3 3 个b i t 。校验方式来用累加鄹校验 方法是对命令、地址和数据共2 4 b i t ，每个四位相加，避位抛弃，最后所得的四 匿2 5 主控模块发送的数据蔽格式 位结果求反后，郎为校验码。 数据链路层通讯帧的接收和发送在铷议中使用状态机来描述。主控器发送帧 的状态机如图2 6 所示。当命令层将数攒包送到数据链路层的发送缓冲区后，进 入“等戆发送”状态，藏裂1 6 m s 熬定辩剿。一艇姨定懿发送对鼹裂，裂遴入“发 送起始位”状惑，开始发送起始位。同时监听熙否有c u t i n 信号，一凰监听到 c u t i n 篙号，剩遽翔命令层，凌愈令篡决定是孬骖凌发送缓净嚣内容。怒建莅发 完后，进入“发送数据”状态，将发送缓冲区内的内容邂一发遴。最后进入“发 送结束”状态。 a 图中 图2 6 主控器发送状态机 第2i 页 激江大学硕士学拄论文 a 表示：请求发送，并进入“等待发送”状态。 b 表示：发送时间到，进入“发送起始位”状态，开始发送起始位。 c 表示起始蹙发送完毕，进入“发送数据”状态。 d 表示数据发送完毕，进入“发送结荣”状态。 e 表示检测裂“c u t i n ”信号，霆振志键通知余令层。 f 表示发送出一个起始位，已发送数加1 ，继续发送。 g 表示发送疆一个数攥经，己发送数鸯羁l ，继续发送。 执行器与控制器接l l 定顿的状态梳弱鞠2 7 所示。蓄毙，获态税经手“等待接 收”状态，判断是否接到有效的起始位。如果出错，清除所有的标志位尊口接收缓 冲区，进入到“结束接收”状态，等待下一次接收。如莱收到了有效的起始位， 进入“接毁数攒”状态，接收数据。接收完毕斌，进行数据校验，然后鬣标志位， 通知命令层，并进入到“结束接收”状态。 图2 7 执行器控制器接收状态机 图巾： a 表示检测弼接收端信号变化，进入“等待接收”状态，接收起始往。 8 表示接牧到一个起始证，起始位接收计数器加t ，继续接收。 港疰大学碛士学堕沦室 c 表示所有的起始位准确接收到，进入“接收数据”状态，开始接收 数据。 d 表示起始锻接收错误，滇除凝有标志往和接收缓冲医，进入“结束 接收”状态。 e 表示接收至8 一个数撵整，数据接收谤数器翔l ，继续接农。 f 表示数据接收完毕，但数据校验错谍，清除标志位和接收缓冲区，进 入“结束接浚”状态。 g 表示数据接收完毕，校验正确，帧数据接收成功标志位，通知命令 层楚壤，进入“结柬接收”袄态。 2 3 命令层 由予管毙控潮及安黪系统采蔫主献誊：逶禳方鼓，因魏掰毒敬螽令桉帮是由主 控模块发出的，控制类模块和驱动类模块只返网电流响应和c u t i n 申请。由图2 5 可以看出，每桉数据除去趋始能帮校验往后，还剩下命令、分燹、遗址和数据瑟 项，共三个字节，下面分别予以说明。 2 。3 。l 翕令嚣分页 命令表示此帧数据要执行什么任务，目前有查询、设置和等待三类命令。态 谲螽令又分为正常扫擒命令0 1 0 0 ，移当其纯模块发送c u t i n 傣弩时的查询命令： 1 0 0 0 、0 1 1 0 、0 0 1 0 。设餐命令为1 1 0 0 ，等待命令为0 0 0 0 。 分礞供系统扩展时使用，目前只使用了1 0 0 0 ，因而，如果进行t - 次开发， 充分剥躅了分焚，则系统的整个容量霹扩聂1 6 绩。 2 3 。2 遗址 、 智能控制及安防系统除了主模块和电话模块以外，篡他的任何模块娶想进行 讵常的工作必须要通过手执器对其进行她址设定，整个系统分为六种地址： 1 + 单独类型越址( 1 ) ：分为6 4 组，每组4 个。控利类貘块单独类型她 址范围为o 6 3 ，驱动类模块单独类型地址范围为1 2 8 1 9 1 。 第23 页 漤注大学联士学位论文 2 。调光类型地蛙( d ) ：分为 6 组，每组1 个。控制类模块调光类型 地址范围为6 4 7 9 ，驱动类模块调光类型地址范围为1 9 2 2 0 7 。 3 + 缓类鳖遗缝( g ) ：分为3 2 鳃，每鳃4 个。缎的地址蕊豳是8 0 l l l 。 4 场激类型地址( p ) ：分为1 6 组，每组4 个。场景的地址范围烧1 1 2 1 2 7 。 5 报蛰模块地址( a ) ：分为1 5 组，每组4 个。地址范围是2 0 8 2 2 2 。 6 电话模块遗琏：2 2 3 。这是个专用静德垃。 我们将以上所说的六种类型地址再细分为两部分：段地址和偏移地址。段地 址就是矮组号，偏移地趣亡是指该组所包含盼元素的编号，编号肖l ，2 ，3 ，4 疆 静。对蓥独类型地址，段地址就是组号，范围为o 6 3 ，每组中包含四个元素， 偏移地址范围为1 ，2 ，3 ，4 ，可以用1 1 ，1 2 ，l - 3 ，l - 4 来表示。对调光类型遗 垃，鞲襻段建蜓是箕缝譬，范溪为6 4 7 9 ，但是调光类型豹组媳址只镶含一个 元素，所以其偏移地址固定为1 ，可以以6 4 1 ，6 5 1 来袭示。组、场景类型和报 警模袋豹琏疆与单独类型遮薤炎锾，数邈缓霹为其壤号，稼移撼蛙蓬曩为l ，2 ， 3 ，4 。 2 。3 。3 数据 数据是变动的，不同的时假有不同的含义。如果是难常扫描阶段则数据位怒 0 ，魏黎设耋狳浚粼衰零各个设备嚣 ；萋麓状态。 如果是单独、场景绒者是缎的时候，八位数据表示了4 个邋道的状态，每两 位表示一个通道，1 0 袭示开，0 l 表示关，o o 表示不存在。 如果是调光模块，则八位数据表示了一个模块的状态，高两位1 0 袭示开，0 l 表示荧，低六位表示箕亮度，由于调光模块总共分为六裆，因筒用l l l l l l 表示 第六拿亮度揆，o n ll j 表示第五个亮度档，0 0 0 0 0 1 表示第一个亮度挡。 如柴是报警模块，则八位数据表示了四个通道状态，也是用两位数据来表示 一个遴遒的状态。l o 必建蛙存在莠曼爱鬻，l l 表示投繁，表示不存在。 2 4 举例说明系统具体工作时的总线信号 矛掌翘攒时惑线妁信号： 渐汪大学礞圭学往论文 扫撼骥：0 1 0 0 1 0 0 0 母$ 卓车$ $ 0 0 0 0 0 0 0 0 链篙( 其中料 $ $ $ 料表示扫描的 地址，表示校验码) 设l 蔽：1 1 0 0 1 0 0 0 $ $ $ $ $ $ $ 0 瓣辐( 其中$ $ $ 宰$ 宰$ $ 表示设置照 址，表示要设嚣的状态，表示校验码) 筱设现在鸯个苹独类型静驱动器a 瓣缝琏蹙l ，酲个通道懿蟊蘸状态分嗣为 开、关、开、关，即1 0 0 1 1 0 0 1 ，控制器b 控制驱动器a 的第一通道。如果现在 用户按了b 这个按钮，刚系统进入了信号交互的动态字j 搔状态。 当主模块扫描到单独类型的地址时也就是总线信号为：1 0 0 0 1 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01 i l l 时，控制器b 发送电流响应返尉具体的组号，网前由于该组号魑 l ，嚣蕊返强戆售号为0 0 0 0 0 0 0 1 ；然鼷主模块发送第二帧数掇：o l1 00 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 时，控制器b 发送电流响应返回具体的通道，目前鼹第一通道，所以 主模袋浚翻具体懿逶邋惹发设燮装，瑗在要鬟刭数据这令字节? ，麦子先藜熬状 态是1 0 0 1 1 0 0 1 ，而现在主模块要改变一下第一通道的状态，是数据变为 1 0 0 1 1 0 1 0 ，设鬻赖为：1 1 0 0 1 0 0 00 0 0 0 0 0 0 11 0 0 1 1 0 1 0 蔼褊( 秣黼表示校验羁) 。 这样整个动作就完成r 。 2 。5 本章小结 本擎详细的介绍了智能控制及安防系统的通讯协议和信号编码，并凰具体举 镪说霹了系统懿信号交置过程。下一章将讲述电话模块瓣设诗。 湃江大学矮士学盘论文 第三章电话模块的设计 电谗模块是系绞数令扩展模块，浚诗豹衰警班人为本，在充分考虑耀户习 惯的基础上，重点解决降低日常运行费用的问题，方便了用户对家庭设备的监控， 鬻户可以根据毫话豹谣酱提示实臻远程控裁。魏外，该攘块结会报警模块，全森 的考虑到了家殿安全，如果发生意外，比如出现火警、有人非法闯入等，会自动 拨打丽户和相关部门的电话，通知用户箴稆关部门处理突发事俸。 电话模块具有以下几个特性； 语音提示时，用户可中途输入，甚至可在语音开始前输入，语音挺承自动停 止，进孝亍下一步操终，这楼可最大凝度的减少通话射阕，从褥降低邋话费用。 具有信号优先权功能：若用户电话操作时，恰好有设备要报警，则接通后兔 提示报警设备，礁缳报警熬实眩性。 可以存放l o 个报警的电话号码，以便与i i 0 ，1 1 9 ，1 2 0 等联网。 安全蓝控：耱盗，煤气灌灞，院火羧警，还霄瑷鑫定义掭鬻设备，懿：一黧 特殊的灯。 可以通过镳盘自定义被视为有效呼孵的振铃次数，最多为1 4 次。 可以通过键盘自定义用户密码的位数，最多为1 8 饿。 若用户开扇消警，则原先裔效的消警设备信息被视为无效信息，不能再恢复。 蓑耀户关溺报警，则郅捷发生异鬻馕况瞧不会再拨号报警，但这些信息会被 保存下来，旦用户重新开启报警，这些信息还是会通过电话告知用户。 蠲户无论巍楚侮蟪，涟露翰霹远狂盔谗，控制家孛设备。 3 1 电话模块的硬件设计 电涎摸块数控到电鼹毒孛夹处理爨、振铃检波电路、游鞭译码电路、送话魄 路、存储单元、模拟摘机电路、h b s 接阴电路、键盘以及显示电路九大部分组成。 餮3 。l 楚电话模块系绕结构框黼。 电话模块搭接在程控电话线上，当用户呼叫电话模块或同址电话时，外线的 振铃信号由振铃捡密惫路裣出，转换成矩形波脉冲信号使c p u 产生中断，砖每一 次中断进行计数，同时启动定时器。若为有效呼叫，则模拟摘机进入联机通信状 第26 贞 淤江大学硬士学经论文 态，否潮凌继续处予待嘏状态。控制电路模掇攒巍爱，囊用户发出一个提示毒， 。| e e p li。一 匕型 一耄凳p c p u 啦 至 8 9 c 5 2 j 圈一 互 再l 末箍l 匡 1 一 圈3 1 电话模块的系统结构框图 提示用户输入密玛，控制电路将接收到的数据蚂用户事先设置的密码进行核对， 以便确认呼叫用户的身份，若密码正确，贝用户可按照系统语音提示继续往下进 霉亍套耪攥终：淡警、擐警、设鍪查询及操痒、邋爨等。其孛设备攥终是攘翔户输 入设备号，则系统会语音告诉用户该设备日前的状态，用户可以根据实际情况对 相应设备送孬羟裁，热篷器豹开关等，妇采豫俸邑完姣，系绞语音壹涎操穆成 功，否则告诉操作失败。 控制装置中盼骧盘藕显示毫路有戬下两个功能：查诲和输入。查询功能是臻 通过键盘输入设备号，w 以通过液晶显精器了解该设各熄否存在。输入功能包括： 密码输入、报警设备的输入以及发生报警所要遴知用户的电话嚼