基于RS_485总线的智能家居系统

图 3 通信硬件接口连接图 Fig. 3 Connection of communication hardware interface
2 通信协议
图 2 电流 /电压隔离转换电路 Fig. 2 Conversion circuits of current/ voltage isolation
图 2中输入部分和输出部分的放大器两端均形成 负反馈 ,正相和反相输入端相当于“虚短路 ”,电压为 0。在输入端流过 PD1 的电流为 R1 和 R3 分流后的效 果 : IPD1 = ILoop ×R3 / ( R1 + R3 ) , IPD1 ≤50 μA。隔离电路
的输出电压为 : VOUT = IPD2 ×R5。VOUT / ILoop = ( IPD2 / IPD1 ) × R3 ×R5 / ( R1 + R3 ) ; IPD2 / IPD1 ≈ 1。调 解 R3 的 阻 值 为 30Ω左右时 ,可以使得 4 ～20 mA 的电流值转化为我 们要求的 1 ～5 V 的电压输出 , 且满足严格的线性关 系 。同时应注意输入端和输出端的 LM158 是两个独 立的模块而非同一模块中的不同通道 ,这样才能保证 环路端和输出端的隔离效果 。 1. 3 通信硬件接口
1 方案设计
成电器可以执行的电平信号以及将电器的状态信息转 换成信息处理模块可以识别的信息 。
④ 外界信息接口模块 。家庭通向外界的网关 。 本设计中的传感器接入模块实现了信息处理和功能 驱动两种功能。作为接入模块核心器件的单片机采用了 微芯公司生产的 PIC16F877A 芯片。它自带看门狗定时 器 ,允许 8个通道的模拟信号同时输入。通信模块采用 了有线的 RS2485总线通信方式 ,具有结构简单、价格低 廉 、通信距离和数据传输速率适当的特点 。接口可负载 32～128个设备 ,满足了家居系统的要求。外界信息接
RS2232 /RS2485单串口转换器实现和嵌入式开发板的 串口通信 。系统结构如图 1所示 。
图 1 系统结构图 Fig. 1 Structure of system 1. 2 信号调理电路 系统采用型号为 HTW 2I的温湿度传感器 ,输出为 4～20 mA 的环路电流 ,测温范围为 0 ～50 ℃,湿度范 围为 0～100% RH。信号调理电路实现的功能是将不 同范围的电流值转化为同一范围的电压值 ,应满足信 号隔离 、电流 /电压线性转化 、信号滤波和小信号放大 四个方面的要求 。综上考虑采用 Angilent的高精度线 性光耦 HCNR200来实现调理电路 ,它适合于各种模拟 信号隔离 。转换电路如图 2所示 。 [2 ]
关键词 : RS2485总线 传感器 单片机 嵌入式系统 串行通信 数据帧 总线冲突 中图分类号 :lligent home system s have been dramatically developed in recent years, but most of the functions are incomp lete and the system s
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ID 号 ,每个接入设备接入时都有自己初始的 ID 号以 标志自己 ,通过对比 ID 号码来决定是否回应数据 。这 样在保证了数据传输正确的同时又大大提高了速率 。 对于接入设备回应的上行帧 ,基本命令字包括 :设备发 现 ( 0x10) 、设备移除 ( 0x20) 、设备数据报告 ( 0x80)等 。 设备发现和设备移除是接入检测电路的功能 。设备发 现帧中包含了设备初始化的一系列信息 ,如设备所属 的子系统 、最大精度 、采样模式 (周期或者突发 ) 等 。 设备移除是在传感器被人为退出时而引发的数据流 , 用来通知嵌入式中继设备传感器生命的完结 。设备数 据报告是在中继器要求查询子网内设备状态时回应的 数据 ,该命令字会触发单片机中断 ,进行 A /D 转换 ,返 回采样数据 。校验位是将从帧头开始到帧数据段结束 的所有字节进行异或运算得出的 16 进制数据 。上行 和下行帧采用相同的校验方法 。 2. 2 介质访问控制方法
嵌入式开发板的串口采用的是 RS2232标准 ,要实 现 RS2485总线通信方式必须进行电平转换 ,本设计使 用 RS2232 /RS2485转换器实现相互间的转换 。 P IC单 片机发送和接收的数据为 TTL 电平 ,通过 SN75176 来 实现 RS2485的电平转换 。由于 RS2485总线是异步半 双工的通信总线 ,在某一个时刻 ,只能呈现一种状态用 于主机对 从 机 的 查 询 方 式 通 信 。硬 件 的 实 现 是 将 SN75176控制端和 DE端短接后连接到单片机的一个 引脚上 ,用一个信号控制接收和发送 。为了可靠地工 作 ,在总线状态切换时需要做适当延时再进行数据的 收发 。具体的实现方法是在数据发送状态下 ,先将控 制端置“1”,延时 1 m s左右的时间 ,再发送有效的数 据 ,一包数据发送结束后再延时 1 m s,然后将控制端置 “0 ”。这样的处理会使总线在状态切换时有一个稳定 的工作过程 。硬件接口的连线如图 3所示 [3 ] 。
① 信息处理模块 。收集底层传感器的信息 ,对信 PC机相连。而 PC机则充当了控制中继器和提供人机
息进行简单处理后送入功能驱动模块 。
友好界面的作用。基于篇幅考虑 ,本文着重介绍了家居
② 通信模块 。实现信息传输的神经 ,根据实际需 系统中家庭网关以下部分的硬件设计及软件实现。
求可选择有线或无线两种方式 。 ③ 功能驱动模块 。将信息处理模块的指令翻译
采用总线通信方式必须解决总线冲突的问题 ,即 几个节点可能同时开始发送数据 ,通常为了避免由于 冲突而使帧被破坏 ,一个节点在发送数据前应先检查 每一位 ,看线路是否忙或是否有冲突出现 。传统做法 是采用 CSMA /CD 机制侦听信道和检测冲突 。
系统采用了 RS2485 总线通信方式 , 通信中采用 “轮询制 ”,中继器作为主设备不断向下发送设备请求 应答帧 ,而接入从设备不能主动发送数据 。任何时刻 , 总线只处于一种方式 ,收数据或发数据 。系统初始化 一旦完成 ,总线即被置为接收状态 ,当从设备接收完主 设备发来的消息后立即通过软件将总线置为发送状 态 ,待从设备发送完一帧数据又立即转为接收状态 ,等 待主设备的请求帧 。如果中继器发来的请求帧中的设 备 ID 地址和自身 ID 地址一致 ,接收设备就检查这个 帧是否正确 。这些检查包括 :
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基于 RS2485总线的智能家居系统
Intelligent Home System Based on RS2485 Bus
陶 莉 黄佩伟 温细金
(上海交通大学电子信息与电气工程学院 ,上海 200240)
摘 要 : 近年来智能家居系统飞速发展 ,但是大多数功能欠完善 ,同时成本高昂 。针对这种情况 ,介绍了基于 RS2485总线网络 ,以嵌 入式系统作为主设备 ,传感器接入模块作为从设备的智能家居子网系统 ,并给出了总体结构图和硬件设计电路图 。提出了避免多个 接入模块和嵌入式中继系统的串口通信协议和节点通信冲突的方法 。最终实现了以 PC机为家庭网关的基于 RS2485 总线的智能家 居系统 。
2. 1 数据结构 帧数据分为上行帧 (由接入模块回送给中继器 )
和下行帧 (中继器发送给接入模块的命令帧 ) 两种 。
格式为 :帧头 +中继器 ID +帧长度 +基本命令字 +帧 数据段 +校验 +帧尾 [4 ] 。
帧头和帧尾规定了一帧的开始和结束 ,设计中用 0xFF来表示 ,该标志符在帧的其它位置出现的可能性 很小 。中继器 ID 用来区分是哪个中继设备发出的命 令 。对中继器发出的下行帧而言 ,基本命令字包括 :设 备请 求 应 答 ( 0x01 ) 、设 备 设 定 ( 0x02 ) 、设 备 查 询 (0x03)等 。当中继仅仅对其中特定的接入模块进行 操作时通常要在此帧的数据段中包含需要访问的设备
1. 1 系统构成 本系统 采 用 RS2485 总 线 的 主 从 网 络 。嵌 入 式
ARM 开发板为总线主设备 ,以轮询方式检查各接入模 块的传感器状态信息 ,任何时候仅存在一对主从之间 的通信 。传感器接入模块为总线的从设备 ,包括单片 机控制器 、接入检测电路和信号调理电路 。其中接入 检测电路负责完成传感器接入和移除的检测 。它的输 出和单片机的一个引脚相连 ,通过引脚高低电压跳变 指示传感器状态的改变 ,展示了传感器从接入子网系 统正常工作到被用户移除的一个完整生命周期 。信号
design of hardware circuits are also given. The serial port communication p rotocol for several access modules and embedded relay system , and
the method to avoid collision during node communication are p roposed. Thus, the intelligent home system based on RS2485 bus and with PC as
口模块由 ARM 嵌入式系统和 PC机共同实现。其中的 嵌入式系统在整个家居系统中担任了中继器的作用 ,它
智能家居系统包括信息处理模块 、通信模块 、功能 负责本区域终端接入模块的管理 ,通过串口与 RS2485总
驱动模块和外界信息接口模块四部分 [1 ] :
线相连 ,并且采用以太网接口与其他各个中继器以及
the home gateway is accomp lished.
Keywords: RS2485 bus Sensor Single chip computer Embedded system Serial communication Data frame Bus collision