基于單片機與Lonworks的可視對講系統設計

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

　　隨著智能化住宅小區的出現，傳統的門鈴已經遠不能適應現代的家庭。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，對講系統已成為現代多功能、高效率現代化住宅的重要保障。隨之而生的樓宇對講系統，也隨著城市住宅小區的建設和發展，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，發展到聯網管理，智能樓 宇對講系統已成為一種兼容性強大的綜合系統。可以說，智能樓宇對講系統不僅僅是方便住戶和訪客的電控門系統，也是小區物業管理和安防管理必不可少的有效手段，是現代化住宅小區必不可少的設施 。

　　1 Lonworks總線技術

　　一般的可視對講系統大多由單片機與RS-485總線構成，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， 增大設計開發和施工維護的難度。如果采用單純的Lonworks總線，又會降低網絡對其他總線設備的兼容性，增加開發成本和設計困難。筆者采用基于單片機與Lonworks的可視對講技術，不僅可以克服以上缺點，而且能更好地發揮二者的優勢。整個系統由門口單元主機和戶內可視分機組成，在網絡上視其為不同的通信節點。在普通的通信網絡中，節點對節點的訪問所采用的協議是不同的，而對于Lonworks網絡中設備的通信，則只需要采用一種稱為LonTalk的網絡標準語言實現。LonTalk協議由各種允許網絡上不同設備彼此間智能通信的底層協議組成。

　　LonTalk協議又稱為ANSI／EIA709．1控制網絡標準，它提供了一系列通信服務，使得設備中的應用程序能夠在網絡上同其他設備發送和接收報文，而無需知道網絡的拓撲結構或者網絡的名稱、地址，或其他設備的功能。LonTalk協議能夠有選擇地提供端到端的報文確認、報文證實和優先級發送，以提供規定受限制的事務處理次數。對網絡管理服務的支持使得遠程網絡管理工具能夠通過網絡和其他設備相互作用，這包括網絡地址和參數的重新配置、下載應用程序、報告網絡問題和啟動／停止／復位設備的應用程序。Lonworks系統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支持在通信介質上的硬件碰撞檢測，LonTalk可以自動地將正在發生碰撞的報文取消，重新再發。如果沒有碰撞檢測，當碰撞發生時，只有得到響應或應答時才會重發報文。Lonworks采用的是優先級帶預測的p一堅持CSMA算法來實現碰撞檢測。實驗表明，36個節點互聯，采用普通p一堅持算法，當每秒要傳輸的報文達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，碰撞率穩定在10％。在網絡的MAC層中，為提高緊急事件的響應時間，必須提供一個可選擇的優先級機制，允許用戶為每個需要優先級的節點分配一個特定的優先級時間片(priority slot)。在發送過程中，優先級數據報文將在該時間片內被發送，優先級時間片可分為0～127之間的任意登記，低優先級的節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(即節點的隨機等待時間 之前)，非優先級節點必須等優先級時間片完成后，再等待P-概率時間片后發送，這樣，加入優先級的節點具有更快的相應時間，從而也更能提高網絡的利用率。

　　在智能小區的設計中，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，既節約了開發和施工成本，也方便了網 絡的規劃和管理。

　　2 系統結構設計

　　對于整個園區，采用星型分級網絡；對于較大型的小區通信系統，可以采用域的管理方式。園區網絡結構如圖1所示。

　　圖1 園區網絡結構圖

　　所有節點由AT89S52單片機系統和神經元芯片TMPN3150B1AF構成核心模塊，加上FTT一10A收發器和相應的外圍電路構成。神經元芯片? 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據間傳輸的實時性。整個系統由多個子網絡構成，子網? 絡與子網絡通過Lonworks路由器進行擴張。各節點通過Lonworks總線進行網絡通信，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級總線設計，實現在同一系統中同時進行多個通話的功能。同時，設置網絡數據管理機和數據服務器，實現實時控制網絡與計算機網絡的信息共享 。

　　3 節點硬件設計

　　節點硬件設計是通過單片機和Lonworks聯合控制來實現的。節點硬件原理圖如圖2所示。

　　圖2 節點硬件原理圖

　　(1)CPU。節點的CPU采用工業級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協議、Neuron C庫函數和任務調度程序的系統映象，存放包括Neuron C編譯器產生的用戶應用程序代碼和其他特定應用參數的應用映象。3150芯片有11個應用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／O功能，可通過軟件設置成34種可選的工作方式。在本系統中，將其設置成方式2，即位輸出(bit output)，用以控制繼電器構成的視音頻切換器 。

　　(2)收發器。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，支持多種網絡拓撲結構。

　　(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技術相結合的辦法，不僅兼容了戶內傳統的監控設備，同時也提高了網絡的通信效率和傳輸速率，簡化了整個系統，減少了硬件出錯的可能性，提高了系統的可靠性，大大減輕了硬件設計的工作量。

　　在工作流程上，一方面當戶內發生異常情況，如產生超過正常濃度的煙霧以及門窗被非正常開啟等，經監控設備所采集的相應監控信號將送入戶內可視分機，經51芯片判斷處理后送交神經元芯片，經過收發器送上Lonworks網絡，并傳輸到管理中心進行相應的顯示和報警，從而方便小區管理人員及時采取應對措施；另一方面有訪客通過單元主機向戶內發送請求，則啟動主機上CCD攝像頭，并使相應的視頻切換繼電器吸合，將訪客影像實時傳送到戶內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 節點軟件設計

　　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由事件的發生來驅動任務的執行；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。它主要完成的任務如下：首先對I／O對象和軟件計時器的定義以及設置變量初始值，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 。

　　圖3 主程序流程圖

　　神經元芯片(neuron chip)是Lonworks技術的核心所在，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。只讀存儲器包含一個操作系統、LonTalk協議和I／O功能庫。Neuron C是一種基于ANSI C并為神經元芯片設計的一種編程語言，它對ANSI C進行了擴展以直接支持Neuron芯片的固件例程。Neuron C語言包括一個內部多任務調度程序、一個Run—Time函數庫，采用的是事件驅動編程結構。整個接點的軟件功能都是由若干個事件驅動完成。

　　對于單個節點，軟件設計包括初始化，讀取輸入數據，更新網絡變量，定時控制和執行輸出控制操作等任務。

　　而對于園區網絡，則將總線控制權交由管理中心掌握，其他節點如有總線占用需求，需要向管理中心發出請求，等待管理中心發出請求響應命令；而當節點總線訪問程序結束后，管理中心會發出釋放總線命令，終止節點對總線占用，以方便其他節點對總線的訪問。

　　4．2 單片機部分

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

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

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

　　(3)*功能。通過戶內可視分機，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，分戶內可視分機和單元主機兩部分，由系統不同狀態的處理和切換組成。

　　5 結論

　　采用基于單片機與Lonworks技術的可視監控系統，不僅不用單獨為Lonworks網絡設計專用的監控設備，而且提高了通信網絡的使用率，簡化了網絡設計，減少了開發和生產成本，使可視化監控更加人性化。

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