CN100449442C - 无线射频楼宇自动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线楼宇自动控制系统。EIB-ZigBee线路耦合器与N个ZigBee总线元件相接，EIB-ZigBee线路耦合器的内部模块连接关系为：EIB总线耦合单元与逻辑电路，ZigBee耦合单元，锂电池供电单元相接，逻辑电路与过滤表，地址关联表存贮单元相接。本发明的优点是：1)适合安装在不易布线的地方，弥补了EIB在无线通讯方面的不足；2)不同无线网络之间不会出现资源不足的情况，非常适合楼宇密度高的地区；3)价格便宜，能耗低，采用电池供电；4)本系统为开放系统，可扩展性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线楼宇自动控制系统，特别是指一种住宅无线自动控制系统。
背景技术
欧洲安装总线是一个在欧洲占主导地位的楼宇自动化和家庭自动化标准。该标准是由Siemens，ABB等一些全球知名企业首先提出的，目前在全球已经拥有110多家生产厂商。2006年12月7日，国家标准委员会通过TC124/SC4审查，完成国家标准《控制网络HBES》的制定工作。
EIB是一个开放标准，支持双绞线，电力线，同轴电缆，无线等通讯介质，其中应用较为广泛的是双绞线和电力线。受当时技术条件的限制，EIB的无线介质在欧洲并未得到很好的应用，究其原因有以下两个方面：
1.EIB设备目前可用通信频道只有4个，当EIB网络密集时，会出现通讯资源不够用的问题；
2.EIB无线网络没有标识号来唯一标识，可能会出现不相关网络通讯互相干扰的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种与EIB系统兼容的无线楼宇自动控制系统。
无线楼宇自动控制系统：EIB-ZigBee线路耦合器与N个ZigBee总线元件相接，EIB-ZigBee线路耦合器的内部模块连接关系为：EIB总线耦合单元与逻辑电路，ZigBee耦合单元，锂电池供电单元相接，逻辑电路与过滤表，地址关联表存贮单元相接。
所述的ZigBee总线元件内部模块的连接关系为：HCS08微处理器与AD转换电路、SPI接口、FLASH存储器、随机存贮单元、看门狗电路、低压保护电路相接，SPI接口与模拟接收器、模拟发射器相接，模拟接收器与频率发生器、模拟发射器、Tx/Rx转换器、模拟接收器相接，Tx/Rx转换器与天线相接。
EIB总线耦合单元内部模块的连接关系为：收发器与总线耦合控制器相接，总线耦合控制器内部模块的连接关系为：微处理器与随机访问存贮器、随机只读存贮器、可擦写只读存贮器相接。
天线经电阻R111、阻抗L101一端、电容C103一端与阻抗Z100的第4引脚相接，Z100的第1引脚与阻抗L100的一端相接，Z100的第2引脚与经电容C102接地，Z100的第3引脚与阻抗L100的另一端相接，Z100的第4引脚、L101的另一端，C103的另一端，天线ANT100的另一端接地。
本发明的优点是：
1)适合安装在不易布线的地方，弥补了EIB在无线通讯方面的不足；
2)不同无线网络之间不会出现资源不足的情况，非常适合楼宇密度高的地区；
3)价格便宜，能耗低，采用电池供电；
4)本系统为开放系统，可扩展性强。
附图说明
图1是无线楼宇自动控制系统应用电路框图；
图2是本发明的EIB-ZigBee线路耦合器电路框图；
图3是本发明的EIB总线耦合单元电路框图；
图4是ZigBee总线元件电路图；
图5是本发明的天线电路图；
图6是EIB-ZigBee线路耦合器地址关联表映射条目；
图7是本发明的ZigBee无线射频网络初始化流程图；
图8是本发明的ZigBee总线元件加入流程图。
具体实施方式
该系统由EIB-ZigBee线路耦合器和ZigBee总线元件组成。EIB-ZigBee线路耦合器内有两个总线耦合单元，其中一个连接上层的EIB总线，另一个具有射频收发器，连接无线介质。一个EIB-ZigBee线路耦合器最多可以管理254个ZigBee总线元件。
该系统符合IEEE 802.15.4标准，采用CSMA-CA机制以保证通讯的可靠性。支持星型拓扑，室内传输距离为100米，工作频率为2.4GHz，具有16个通信信道。
总线元件由电池供电，采用低功耗设计，可以任意加入和删除网络。
该系统支持EIB总线的物理地址和组地址模式，可通过ETS软件对总线元家进行地址赋值操作。
本发明的技术方案主要为如下三个方面：
1)ZigBee总线耦合单元的设计
ZigBee总线耦合单元采用Motorola生产的以HCS08单片机为核心的MC13213芯片。该芯片支持IEEE 802.15.4标准，具有四种低功耗工作模式，可由电池进行供电。
2)网络层协议的设计
EIB-ZigBee线路耦合器的网络层可对各信道进行能量扫描以选择网络的最佳通信信道，并自动选择网络标识号，从而避免了不相关网络之间的资源冲突。
3)EIB-ZigBee线路耦合器的设计
为了实现EIB总线组地址和ZigBee无线系统网络地址之间的无缝转换，EIB-ZigBee线路耦合器内添加入了地址关联表。从EIB总线接收到的组信号通过过滤表认证后，在地址关联表内进行查询，转换为相应的ZigBee网络地址，并重新装配数据，发送给ZigBee网络内的目标元件。
如图1、2所示，无线楼宇自动控制系统：EIB-ZigBee线路耦合器与N个ZigBee总线元件相接，EIB-ZigBee线路耦合器的内部模块连接关系为：EIB总线耦合单元与逻辑电路，ZigBee耦合单元，锂电池供电单元相接，逻辑电路与过滤表，地址关联表存贮单元相接。
EIB总线系统的每一条线路均通过相应的线路耦合器连接到EIB总线上。虚线框内为本发明的ZigBee无线射频网络部分，由EIB-ZigBee线路耦合器连接到EIB总线系统上，EIB-ZigBee线路耦合器最多可以连接254个ZigBee总线元件。
EIB-ZigBee线路耦合器具有网关和路由器的双重功能。EIB总线耦合单元与ZigBee耦合单元分别与双绞线和射频媒体相连接，从而实现不同媒体信号的转换。EIB总线耦合单元采用HC08微处理器，ZigBee耦合单元采用MC13213芯片设计。过滤表中存贮着线路组信号，当接收到的信号列在过滤表上时，允许通过；地址关联表内存贮着线路上各ZigBee总线元件的信息。当接收到EIB总线组信号后，EIB-ZigBee线路耦合器根据关联表将组地址映射为ZigBee网络地址及IEEE地址，并更新信号的地址内容，再发送给相应总线元件。
如图3所示，EIB总线耦合单元内部模块的连接关系为：收发器与总线耦合控制器相接，总线耦合控制器内部模块的连接关系为：微处理器与随机访问存贮器、随机只读存贮器、可擦写只读存贮器相接。
如图4所示，ZigBee总线元件内部模块的连接关系为：HCS08微处理器与AD转换电路、SPI接口、FLASH存储器、随机存贮单元、看门狗电路、低压保护电路相接，SPI接口与模拟接收器、模拟发射器相接，模拟接收器与频率发生器、模拟发射器、Tx/Rx转换器、模拟接收器相接，Tx/Rx转换器与天线相接。
ZigBee总线元件耦合单元由控制器和收发器组成，采用集成芯片MC13213。控制器包括基于HCS08内核的单片机以及存贮系统和用户程序的FLASH区，RAM区等，具有低压保护功能LVI。其中FLASH内的系统程序被保护起来，防止破坏或解密，用户程序可以通过BDM或RS232两种方式写入。RF收发器工作在2.4GHz频率下，具有四种低功率工作模式：OFF，Hibernate，Doze，Idle；MCU也支持四种低功率工作模式：Run，Wait，STOP2，STOP3。这种独特的低电压工作模式极大的降低了芯片的能耗功率。
如图5所示，天线经电阻R111、阻抗L101一端、电容C103一端与阻抗Z100的第4引脚相接，Z100的第1引脚与阻抗L100的一端相接，Z100的第2引脚与经电容C102接地，Z100的第3引脚与阻抗L100的另一端相接，Z100的第4引脚、L101的另一端，C103的另一端，天线ANT100的另一端接地。
如图6所示，EIB-ZigBee线路耦合器地址关联表映射条目包括16位的网络ID，64位的IEEE地址，32位网络地址，16位EIB组地址以及相应无线连接的通信质量。
如图7所示，ZigBee无线射频网络初始化流程图。ZigBee网络协议栈由物理层，媒体访问控制子层，网络层和应用层组成。层与层之间通过层管理实体和层数据实体进行通讯。物理层和媒体访问控制层符合IEEE 802.15.4标准，采用CSMA-CA机制以保证通讯的可靠性；网络层负责管理网络的初始化，编址，路由以及总线元件的加入删除等，并可以加入安全算法，以保证通讯的机密性。应用层提供应用程序和通信系统的接口，并管理通信对象。
线路耦合器应用层首先向网络层发送网络层管理实体初始化请求，然后网络层请求MAC子层对通信信道进行能量检测扫描，将信道按能量值递增排序，删除超过允许范围的信道，得到一个可用信道的列表；若列表中可用信道不止一个，则MAC子层进一步进行活性扫描，最终选择存在网络最少的信道。若无可用信道，则返回启动失败的状态参数。
若找到可用信道，则网络层开始选择网络标识号。若网络层管理实体初始化请求中已指定网络标识号，并且与已有网络标识号不相冲突，则将该值设为新网络的标识号；否则网络层在0x0000-0x3fff自动随机选择一个唯一值作为网络标识号。如果没有唯一可用的网络标识号可选，则返回启动失败的状态参数。
确定网络标识号后，网络层将设备自身网络地址赋为0x0000，然后向MAC子层发送MAC层管理实体启动请求原语，以启动网络运行，其中包含信道扫描结果及网络标识号。网络层得到MAC层管理实体启动确认后，将返回状态通知给应用层。至此，网络建立过程结束。
如图8所示，ZigBee无线网络总线元件的加入流程图。EIB-ZigBee线路耦合器首先在地址关联表内搜索该元件(Child)的IEEE地址是否已经存在。如果已经存在，则过程中止，返回ALREADY_PRESENT的状态参数。否则，EIB-ZigBee线路耦合器为该元件分配一个16位的网络地址，该地址在本网络内唯一，并在地址关联表内添加相应的条目。
EIB-ZigBee线路耦合器将总线元件信息添加之后，总线元件需要与之建立联系来完成加入过程。总线元件对可用信道进行搜索，若找到其EIB-ZigBee线路耦合器，则返回SUCCESS状态参数，否则返回NO_NETWORKS。
EIB-ZigBee线路耦合器接收到MAC层管理实体孤点指示后，将元件IEEE地址与地址关联表进行匹配，若找到，向元件发送对应的网络地址。
Claims (4)
1.一种无线楼宇自动控制系统，其特征在于，EIB-ZigBee线路耦合器与N个ZigBee总线元件相接，EIB-ZigBee线路耦合器的内部模块连接关系为：EIB总线耦合单元依次与逻辑电路、ZigBee耦合单元、锂电池供电单元相接，逻辑电路与过滤表、地址关联表存贮单元相接。
2.据权利要求1所述的一种无线楼宇自动控制系统，其特征在于，所述的ZigBee总线元件内部模块的连接关系为：HCS08微处理器分别与AD转换电路、SPI接口、随机存贮单元、看门狗电路、低压保护电路相接，SPI接口分别与模拟接收器、模拟发射器相接，模拟接收器与频率发生器、模拟发射器、Tx/Rx转换器、模拟接收器相接，Tx/Rx转换器与天线ANT100相接，随机存贮单元与FLASH存储器相接。
3.据权利要求1所述的一种无线楼宇自动控制系统，其特征在于，所述的EIB总线耦合单元内部模块的连接关系为：收发器与总线耦合控制器相接，总线耦合控制器内部模块的连接关系为：微处理器与随机访问存贮器、随机只读存贮器、可擦写只读存贮器相接。
4.据权利要求2所述的一种无线楼宇自动控制系统，其特征在于，所述的天线ANT100一端经电阻R111、阻抗L101一端、电容C103一端与阻抗Z100的第4引脚相接，Z100的第1引脚与阻抗L100的一端相接，Z100的第2引脚经电容C102接地，Z100的第3引脚与阻抗L100的另一端相接，阻抗L101的另一端，电容C103的另一端，天线ANT100的另一端接地。
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