基于HBS协议的智能家庭控制网络设计

 0 引 言
    随着计算机技术、通讯技术、网络技术的发展，智能化逐步渗入人们的家庭生活。智能家庭网络是指在家庭内部通过一定的传输介质(如双绞线、电力线等)将各种电气设备和电气子系统连接起来，采用统一的通信协议，对内实现资源共享，对外通过网关与外部网互联进行信息交换。该系统能对家庭中的各种电气设备，进行集中或分布、本地或异地的控制和管理。家庭网络系统因操作简单，稳定性好，扩展方便，控制灵活和容易维护等特点，在家庭、工业、贸易和商业楼宇等许多方面，都得到了广泛应用。

1 HBS通信协议
    家庭总线系统(Home Bus System，HBS)是由日系企业：日立、三菱、松下、东芝等联合提出的概念，由日本电子工业联合会／无线工程电子协会HBS标准委员会制定。HBS以双绞线或同轴电缆为通讯介质，控制通道最多可以有64个节点，家用电器经HBS总线互联，组成一个完整的家庭网络。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，安全性高等优点。
    HBS协议对国际标准化组织(ISO)提出的开放系统互连(OSI)七层模型作了精简，引用了其中的1，2，7层，由三层结构组成，分为物理层、数据链路层和应用层。
    物理层描述了信号模式和传输介质。信号线采用普通的双绞线。HBS总线上的信号采用脉宽编码的方式。由于选用的HBS通信芯片要求传输信号的频率最大在 10 kHz左右，所以采用50μs低电平，50μs高电平表示逻辑“0”；50μs低电平，150μs高电平表示逻辑“1”，如图1所示。采用这种方式，抗干扰能力强。接收端通过计算两个下降沿之间的时间来判断逻辑“0”和逻辑“1”。协议的数据链路层主要是通讯帧结构的设计。通讯以帧的形式进行，所有从主机模块发出的帧是定长的，数据帧的内容包括起始字节、地址字节、数据字节、校验字节。

    校验方式采用简单的校验和的方法进行帧的校验。先将起始字节、地址字节、数据字节进行相加，然后将结果截短到所需的位长。
    从机模块的响应帧包括地址字节、数据字节和结束字节。
    应用层定义所有传送信息，使网络上传送的信息在整个系统中有惟一的解释。

2 系统的总体结构设计
    图2为系统的总体结构。可以看出，这是一个分布式总线型系统，各节点间信息共享，采用这种结构，若不想用某设备，或者某设备损坏，可以直接去除，不会影响系统运行。

    整个系统只有一个主机模块，各从机模块都挂接在总线上。每一次通信都是由主机模块发起的，以从机模块的响应结束。主机模块发送命令码，并将命令码进行编码传送到总线上。从机模块则将命令码进行解码，使处理器执行相应的操作并返回响应。驱动模块是具体的驱动单元，驱动具体的对象，如灯的开关和亮度的调节、电源开关、警灯、警铃等。
2．1 主机模块
    主机模块的电路图如图3所示。

    控制芯片选用一般的AT89C51单片机。AT89C51是一种带4 KB闪烁可编程可擦除只读存储器(Flash Programmable and Erasable Read OnlyMemory，FPEROM)的低电压、高性能CMOS8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS -51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。通信芯片选用MM1192，是日本MITSUMI公司专门为HBS总线设计开发的适配器芯片，其本身自带编解码电路，可应用于智能家居系统的电信、安全监控、影音设备、空调设备等，具有成本低，可靠性高和外围电路简单等优点。通过MM1192可将单片机发出的控制信号进行编码，并附加到HBS总线上进行传输，在接收端，同样利用MM1192将信号进行还原，其控制时序及传输延时如图4所示。

    采用MM1192收发模块，可直接与单片机连接，但是，考虑到一些干扰和失真，在单片机和收发模块之间加入了整形电路74HC00，有效降低了误码率。液晶用于显示设备的运行状态和执行按键操作命令。
2．2 从机模块
    从机模块中的地址即该从机模块的编号使用拨码开关进行设定，其电路如图5所示。

    当主机模块出现故障时，从机模块也可以依靠自己的控制系统使设备正常运行，避免了当主机模块出现故障时，致使整个系统瘫痪。
2．3 灯光调节模块
    驱动模块以灯光调节为例，如图6所示。由于可控硅具有导通和关断两种工作状态，所以灯光调节可采用可控硅移相触发方式。可控硅是一种新型的半导体器件，它具有体积小，质量轻，效率高，寿命长，动作快等优点，可广泛应用于工业、交通、家用电器等领域，实现交流调压、电机调速、交流开关、灯光调节等功能。

4 结 语
    随着人们生活水平的提高和计算机技术、通讯技术、网络技术的普及化，人们对于自身的居住环境，以及生活的舒适性、安全性，也有了更高的要求。智能家居系统是一个开放的、使用了多项高新技术的智能化、人本化的集成型家居系统，智能化和网络化将是未来家居发展的必然趋势。