智能家居系统与商用空调系统的互联概述

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摘要:总线（Field bus）技术是一种应用于使用现场，在现场设备与现场设备之间、现场设备与总控之间，实现双向、串行、多节点的数字通信技术。目前，现场总线技术在工业生产的控制系统设计中已经得到了广泛的应用，智能终端和网络相结合的控制方式逐渐在取代传统的集散控制方式和计算机分层控制方式。但现场总线技术在协议标准上存在的差异也给实际使用带来了复杂性，同时也影响了现场总线之间的开放性和兼容性。所以，需要协议转换装置对不同的总线形式进行互联。

在实际应用中，该协议转换模块能够及时的将商用空调系统的开停、运行模式、设定风量、设定风向、设定温度、回风温度和报警代码等常用信息传送到智能家居系统中，使用户及时了解商用空调系统的运行状况，并且能够从智能家居系统中直接对商用空调系统进行开停、模式设定、风量设定、风向设定和温度设定等常用操作，成功实现了智能家居系统与商用空调系统的互联。

关键词：现场总线；RS-232/485；HBS；协议转换

中图分类号：TB657.2 文献标识码：A 文章编号：

一、绪 论

1课题的背景和意义

现场总线作为一种开放的、全数字化、双向、多节点的串行通信系统，它具有开放性、可互操作性与互用性、现场设备的智能化与功能自治性、系统结构的高度分散性和对现场环境的适应性等技术特点，使它能够节省硬件数量与投资、节省安装费用、节省维护费用。因此，现场总线近年来得到了迅猛的发展和应用，给自动控制领域带来了空前的变化[1]。

智能家居利用先进的网络通讯技术、电力自动化技术、计算机技术、无线电技术，将与家居生活相关的各种设备有机的结合在一起，通过网络化的管理，让家居生活更优质、高效、舒适、安全[2]。现场总线技术在智能家居行业当中，目前可以算是应用最为广泛的一种技术手段。在现场总线技术下生成的智能家居系统，最大的特点是具有可扩展性，工程安装也不是很复杂。RS-485总线采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线。因为RS-485总线技术的远距离、多节点、接收高灵敏度以及传输线成本低的特性，使得RS-485总线成为智能家居系统中数据传输的首选标准。考虑到传输速率、通讯数据量、成本等各种因素，欧美和国内的大多数智能家居企业首选RS-485总线。

在以往的商用空调多联机领域里，大多数的空调系统的室外机控制和室内末端控制是相互独立的，室外机部分不能了解室内末端的工作状态，室内末端部分也无法对室外机进行操控。随着商用空调的发展，商用空调系统的集中分散控制的要求越来越高，例如很多场合需要建立商用空调的管理和计费系统，这样就必须建立网络型的控制和检测系统，所以商用空调的网络控制和智能管理目前得到越来越多空调厂家的重视，对此的研究也投入了更多的人力和物力。HBS（Home Bus System）总线，家庭总线系统是由日系企业：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总线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[7]。该总线由物理层、数据链路层和网络层组成，其协议内容包含了如何通过传输介质将家庭设备、电话、音频／视频装置连接达到控制[4]。

因此，设计RS-485总线与HBS总线的协议转换模块，用来实现智能家居系统与商用空调系统的互联，是很有意义的。

二、现场总线概述

1、现场总线的概念

根据国际电工委员会IEC 61158标准的定义：现场总线是一种互联现场自动化设备及其控制系统的双向数字通讯协议[6]。

现场总线技术是在20世纪80年代中期在国际上发展起来的。它的出现是为了实现整个企业的信息集成和综合自动化，以达到在工业现场运行可靠、廉价、互操作的目的[7]。当前现场总线以及由此产生的现场总线智能仪表和监控系统已经成为全世界范围自动化技术的发展热点，大有全面替代集散控制系统的趋势[8]。现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）是集当今计算机技术、网络技术和控制技术为一体的当代最先进的计算机控制技术，它适用于工业过程控制、制造业及楼宇自动化等领域，将成为现代计算机控制系统的主流。具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全、造价低廉、维护成本低等特点[9]。现场总线技术使现场级设备的信息作为整个企业信息网的基础，提高了控制系统的信息处理能力和运行可靠性，节省了系统的硬件和布线费用，方便了用户对系统的组态、管理和维护。

2协议转换模块的实现分析与软、硬件构思

2.1协议转换模块的实现分析

基于上述内容，若要实现协议转换模块的功能，即在RS-232/485总线和HBS总线之间实现通信的互联，必须要解决以下两个问题：

（1）两种不同规格现场总线形式的物理层兼容；

（2）两种不同通信协议的数据链路层兼容。

如果解决了以上两个问题，那么从理论上，实现协议转换模块就已经成为可能。

2.2问题（1）的解决

RS-232/485总线规格与HBS总线物理层差异性比较大，若想直接实现总线间的硬件互联，比较困难。考虑到两者都是需要标准串行接口既可实现通信的这一特点，若选用带有两个UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）口的MCU，分别搭建适合的通信驱动电路，控制RS-232/485总线和HBS总线的通信，那么可以实现RS-232/485总线和HBS总线物理层的兼容。

2.3问题（2）的解决

在解决了问题（1）的基础上，使用上述的MCU对分别来自两个UART口的数据帧进行处理、转换，那么RS-232/485总线和HBS总线数据链路层的兼容也可以成为现实。

3、协议转换模块的软、硬件构思

3.1软件构思

协议转换模块的主要工作就是实现上位侧（RS-232/485总线）K-Link通信协议和下位侧（HBS总线）H-Link通信协议的数据帧处理，基于此，对软件处理

在主处理程序下，主要包含三个处理过程：

（1）K-Link通信控制

接收到上位侧的指令或者下位侧的变更数据时，对上位侧的发送数据进行处理，然后发送数据给上位侧。

（2）数据分析/转换处理

接收到上位侧的指令或者下位侧的变更数据时，进行数据分析转换，转换为下位侧指令或者上位侧变更数据。

（3）H-Link通信控制

接收到上位侧的指令或者下位侧的变更数据时，对下位侧的发送数据进行处理，然后发送数据给下位侧。

3.2硬件构思

HBS总线的通信实现需要专用驱动芯片，所以本文选用了常用的MM1192；同样的RS-232/485总线也选用了常用的MAX232/MAX485；选用的MCU必须要有至少两个UART口，由于MM1192收发都是采用AMI编码方式，为了实现AMI编码方式，MCU最好自带Duty=50%的波形输出，目前国内常见的微处理器厂家只有Renesas和富士通有此类MCU，在此选用了Renesas公司的H8/3687微处理器。上述IC，再搭建适当的电路，即可实现协议转换模块的硬件。

三、论文总结

随着控制技术、计算机技术和通信技术的飞速发展，数字化作为一种趋势正在从工业生产过程的决策层、管理层和控制层一直渗透到现场设备。现场总线的出现，使数字通信技术迅速占领工业过程控制中模拟量信号的最后一块领地。一种全数字化的、全开放的、可互操作的新型控制系统一一现场总线控制系统正在向我们走来。现场总线控制系统的出现代表了工业自动化领域中一个新纪元的开始，并将对该领域的发展产生深远的影响。

参考文献

[1] 杜尚丰，曹晓钟，徐津.CAN总线测控技术及其应用.北京：电子工业出版社，2007．

[2] 马艳峥，王盟，徐晓辉，宋涛，王治学.基于HBS协议的智能家庭控制网络设计.现代电子技术，2009，32（13）.

[3] 阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京：清华大学出版社，1999