基于單片機與Lonworks的可視對講系統(tǒng)設(shè)計

　　摘? 要：? 介紹了智能小區(qū)的門禁系統(tǒng)，即可視對講系統(tǒng)的設(shè)計原理以及軟、硬件的實現(xiàn)方式；提出了針對智能小區(qū)可視對講系統(tǒng)的解決方案。使用單片機與Lonworks結(jié)合的可視對講系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)485總線通信速率低、通信距離短的缺陷，提高了系統(tǒng)對總線以及監(jiān)控設(shè)備的兼容性。

　　隨著智能化住宅小區(qū)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的門鈴已經(jīng)遠不能適應(yīng)現(xiàn)代的家庭。人們希望通過一種新的方式來了解來客情況，同時確保自身的安全性，減少不必要的麻煩。因此各式各樣的門鈴悄然走進千家萬戶。

　　從簡單的叫門工具，到多功能、綜合型電器，使用者的標準越來越高，對講系統(tǒng)已成為現(xiàn)代多功能、高效率現(xiàn)代化住宅的重要保障。隨之而生的樓宇對講系統(tǒng)，也隨著城市住宅小區(qū)的建設(shè)和發(fā)展，不斷地推陳出新。從最初的普通單元門對講，到可視單元門對講，發(fā)展到聯(lián)網(wǎng)管理，智能樓 宇對講系統(tǒng)已成為一種兼容性強大的綜合系統(tǒng)。可以說，智能樓宇對講系統(tǒng)不僅僅是方便住戶和訪客的電控門系統(tǒng)，也是小區(qū)物業(yè)管理和安防管理必不可少的有效手段，是現(xiàn)代化住宅小區(qū)必不可少的設(shè)施 。

　　1 Lonworks總線技術(shù)

　　一般的可視對講系統(tǒng)大多由單片機與RS-485總線構(gòu)成，雖然成本低，但受到RS-485總線的限制，在無中繼的情況下，通信距離不能太遠，通信速率也不能太高，而采用中繼則會提高成本， 增大設(shè)計開發(fā)和施工維護的難度。如果采用單純的Lonworks總線，又會降低網(wǎng)絡(luò)對其他總線設(shè)備的兼容性，增加開發(fā)成本和設(shè)計困難。筆者采用基于單片機與Lonworks的可視對講技術(shù)，不僅可以克服以上缺點，而且能更好地發(fā)揮二者的優(yōu)勢。整個系統(tǒng)由門口單元主機和戶內(nèi)可視分機組成，在網(wǎng)絡(luò)上視其為不同的通信節(jié)點。在普通的通信網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點對節(jié)點的訪問所采用的協(xié)議是不同的，而對于Lonworks網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的通信，則只需要采用一種稱為LonTalk的網(wǎng)絡(luò)標準語言實現(xiàn)。LonTalk協(xié)議由各種允許網(wǎng)絡(luò)上不同設(shè)備彼此間智能通信的底層協(xié)議組成。

　　LonTalk協(xié)議又稱為ANSI／EIA709．1控制網(wǎng)絡(luò)標準，它提供了一系列通信服務(wù)，使得設(shè)備中的應(yīng)用程序能夠在網(wǎng)絡(luò)上同其他設(shè)備發(fā)送和接收報文，而無需知道網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)或者網(wǎng)絡(luò)的名稱、地址，或其他設(shè)備的功能。LonTalk協(xié)議能夠有選擇地提供端到端的報文確認、報文證實和優(yōu)先級發(fā)送，以提供規(guī)定受限制的事務(wù)處理次數(shù)。對網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)的支持使得遠程網(wǎng)絡(luò)管理工具能夠通過網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備相互作用，這包括網(wǎng)絡(luò)地址和參數(shù)的重新配置、下載應(yīng)用程序、報告網(wǎng)絡(luò)問題和啟動／停止／復位設(shè)備的應(yīng)用程序。Lonworks系統(tǒng)可以在任何物理媒介上通信，這包括電力線、雙絞線、無線(RF)、紅外(IR)、同軸電纜和光纖 。

　　同時，LonTalk支持在通信介質(zhì)上的硬件碰撞檢測，LonTalk可以自動地將正在發(fā)生碰撞的報文取消，重新再發(fā)。如果沒有碰撞檢測，當碰撞發(fā)生時，只有得到響應(yīng)或應(yīng)答時才會重發(fā)報文。Lonworks采用的是優(yōu)先級帶預測的p一堅持CSMA算法來實現(xiàn)碰撞檢測。實驗表明，36個節(jié)點互聯(lián)，采用普通p一堅持算法，當每秒要傳輸?shù)膱笪倪_500～1 000包時，碰撞率由10％上升到54％；而采用預測p-堅持CSMA算法在500包以下時碰撞率很低，在500～1 000包時，碰撞率穩(wěn)定在10％。在網(wǎng)絡(luò)的MAC層中，為提高緊急事件的響應(yīng)時間，必須提供一個可選擇的優(yōu)先級機制，允許用戶為每個需要優(yōu)先級的節(jié)點分配一個特定的優(yōu)先級時間片(priority slot)。在發(fā)送過程中，優(yōu)先級數(shù)據(jù)報文將在該時間片內(nèi)被發(fā)送，優(yōu)先級時間片可分為0～127之間的任意登記，低優(yōu)先級的節(jié)點需要等待的時間較長。這個時間片加在p一概率時間片之前(即節(jié)點的隨機等待時間 之前)，非優(yōu)先級節(jié)點必須等優(yōu)先級時間片完成后，再等待P-概率時間片后發(fā)送，這樣，加入優(yōu)先級的節(jié)點具有更快的相應(yīng)時間，從而也更能提高網(wǎng)絡(luò)的利用率。

　　在智能小區(qū)的設(shè)計中，采用Lonworks總線可以將眾多的控制線路和通信線路集成到廉價的雙絞線之上，既節(jié)約了開發(fā)和施工成本，也方便了網(wǎng) 絡(luò)的規(guī)劃和管理。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　對于整個園區(qū)，采用星型分級網(wǎng)絡(luò)；對于較大型的小區(qū)通信系統(tǒng)，可以采用域的管理方式。園區(qū)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 園區(qū)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

　　所有節(jié)點由AT89S52單片機系統(tǒng)和神經(jīng)元芯片TMPN3150B1AF構(gòu)成核心模塊，加上FTT一10A收發(fā)器和相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成。神經(jīng)元芯片? 有11個I／O口，可由軟件靈活配置34種不同接口，單片機較強的實時控制能力保證了數(shù)據(jù)間傳輸?shù)膶崟r性。整個系統(tǒng)由多個子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，子網(wǎng)? 絡(luò)與子網(wǎng)絡(luò)通過Lonworks路由器進行擴張。各節(jié)點通過Lonworks總線進行網(wǎng)絡(luò)通信，相互之間以雙絞線相連，通信速率為78 kb／s，可視對講系統(tǒng)的視音頻模擬信號通過視音頻總線傳輸。該方案采用2級總線設(shè)計，實現(xiàn)在同一系統(tǒng)中同時進行多個通話的功能。同時，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理機和數(shù)據(jù)服務(wù)器，實現(xiàn)實時控制網(wǎng)絡(luò)與計算機網(wǎng)絡(luò)的信息共享 。

　　3 節(jié)點硬件設(shè)計

　　節(jié)點硬件設(shè)計是通過單片機和Lonworks聯(lián)合控制來實現(xiàn)的。節(jié)點硬件原理圖如圖2所示。

　　圖2 節(jié)點硬件原理圖

　　(1)CPU。節(jié)點的CPU采用工業(yè)級AT89S52和Neuron Chip家族的TMPN3150B1AF，3150芯片不帶程序存儲空間，因而需要外接外部RAM，存放包括LonTalk協(xié)議、Neuron C庫函數(shù)和任務(wù)調(diào)度程序的系統(tǒng)映象，存放包括Neuron C編譯器產(chǎn)生的用戶應(yīng)用程序代碼和其他特定應(yīng)用參數(shù)的應(yīng)用映象。3150芯片有11個應(yīng)用I／O引腳，這些引腳可以各種方式配置并提供具有最小外擴電路的靈活I(lǐng)／O功能，可通過軟件設(shè)置成34種可選的工作方式。在本系統(tǒng)中，將其設(shè)置成方式2，即位輸出(bit output)，用以控制繼電器構(gòu)成的視音頻切換器 。

　　(2)收發(fā)器。選用Echelon公司的FTT-10A，通信速率為78 kb／s，帶有變壓器隔離耦合和一個曼切斯特編碼器，支持多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

　　(3)程序存儲器。選用Winbond公司的W27C512—45，可以很方便地利用LonMaker來直接下載應(yīng)用映象，其大容量也為將來的功能擴展提供了便利。

　　由于采用了單片機與Lonworks技術(shù)相結(jié)合的辦法，不僅兼容了戶內(nèi)傳統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備，同時也提高了網(wǎng)絡(luò)的通信效率和傳輸速率，簡化了整個系統(tǒng)，減少了硬件出錯的可能性，提高了系統(tǒng)的可靠性，大大減輕了硬件設(shè)計的工作量。

　　在工作流程上，一方面當戶內(nèi)發(fā)生異常情況，如產(chǎn)生超過正常濃度的煙霧以及門窗被非正常開啟等，經(jīng)監(jiān)控設(shè)備所采集的相應(yīng)監(jiān)控信號將送入戶內(nèi)可視分機，經(jīng)51芯片判斷處理后送交神經(jīng)元芯片，經(jīng)過收發(fā)器送上Lonworks網(wǎng)絡(luò)，并傳輸?shù)焦芾?a target="_blank">中心進行相應(yīng)的顯示和報警，從而方便小區(qū)管理人員及時采取應(yīng)對措施；另一方面有訪客通過單元主機向戶內(nèi)發(fā)送請求，則啟動主機上CCD攝像頭，并使相應(yīng)的視頻切換繼電器吸合，將訪客影像實時傳送到戶內(nèi)可視分機的顯示器上，方便戶主辨別。當戶主開啟與門口主機相連的電磁鎖時，切斷視頻連接，釋放線路資源以便于其他訪客使用。

　　4 節(jié)點軟件設(shè)計

　　4．1 Lonworks部分

　　Neuron芯片的編程語言為Neuron C，它是從ANSI C派生出來的，并對ANSI C進行了刪減和增補。例如，Neuron C由事件的發(fā)生來驅(qū)動任務(wù)的執(zhí)行；Neuron的芯片提供了毫秒和秒這2種類型的軟件計時器。

　　主程序流程如圖3所示。它主要完成的任務(wù)如下：首先對I／O對象和軟件計時器的定義以及設(shè)置變量初始值，判斷是否有“*”信號，并啟動計時器開始計時，計時器終止時，Neuron芯片接受新的定時任務(wù) 。

　　圖3 主程序流程圖

　　神經(jīng)元芯片(neuron chip)是Lonworks技術(shù)的核心所在，它是一個帶有多個處理器、讀寫／只讀存儲器(RAM／ROM)以及通信和I／O接口的單芯片系統(tǒng)。只讀存儲器包含一個操作系統(tǒng)、LonTalk協(xié)議和I／O功能庫。Neuron C是一種基于ANSI C并為神經(jīng)元芯片設(shè)計的一種編程語言，它對ANSI C進行了擴展以直接支持Neuron芯片的固件例程。Neuron C語言包括一個內(nèi)部多任務(wù)調(diào)度程序、一個Run—Time函數(shù)庫，采用的是事件驅(qū)動編程結(jié)構(gòu)。整個接點的軟件功能都是由若干個事件驅(qū)動完成。

　　對于單個節(jié)點，軟件設(shè)計包括初始化，讀取輸入數(shù)據(jù)，更新網(wǎng)絡(luò)變量，定時控制和執(zhí)行輸出控制操作等任務(wù)。

　　而對于園區(qū)網(wǎng)絡(luò)，則將總線控制權(quán)交由管理中心掌握，其他節(jié)點如有總線占用需求，需要向管理中心發(fā)出請求，等待管理中心發(fā)出請求響應(yīng)命令；而當節(jié)點總線訪問程序結(jié)束后，管理中心會發(fā)出釋放總線命令，終止節(jié)點對總線占用，以方便其他節(jié)點對總線的訪問。

　　4．2 單片機部分

　　單片機部分CPU采用ATMEL公司生產(chǎn)的工業(yè)級AT89S52芯片，這種芯片是AT89C51的工業(yè)版本，具有抗干擾能力強和價格低廉的特點。單片機系統(tǒng)軟件需要實現(xiàn)的基本功能如下：

　　(1)待機功能。平時(無控制操作時)，戶內(nèi)可視分機和單元主機均處于待機狀態(tài)，射頻模塊、單元主機攝像頭以及戶內(nèi)可視分機顯示屏電源均處于關(guān)閉狀態(tài)。

　　(2)監(jiān)控信號采集功能。戶內(nèi)可視分機不僅是連接單元主機的節(jié)點，更是戶內(nèi)各監(jiān)控點信號采集的中心，當門磁、窗磁、戶內(nèi)紅外、煙感以及緊急信號被發(fā)出時，都將首先送到戶內(nèi)可視分機，由AT89S52進行判斷和初步處理，然后轉(zhuǎn)交TMPN3150B1AF芯片送上Lonworks通信網(wǎng)絡(luò)，傳送到管理中心進行顯示和處理。

　　(3)*功能。通過戶內(nèi)可視分機，可以控制打開安裝于單元門上并與單元主機相連的電磁鎖。控制軟件由匯編語言編寫，分戶內(nèi)可視分機和單元主機兩部分，由系統(tǒng)不同狀態(tài)的處理和切換組成。

　　5 結(jié)論

　　采用基于單片機與Lonworks技術(shù)的可視監(jiān)控系統(tǒng)，不僅不用單獨為Lonworks網(wǎng)絡(luò)設(shè)計專用的監(jiān)控設(shè)備，而且提高了通信網(wǎng)絡(luò)的使用率，簡化了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，減少了開發(fā)和生產(chǎn)成本，使可視化監(jiān)控更加人性化。

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