专利名称：家庭自动化及抄表控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种控制装置，尤其是一种家庭智能住宅产品。
现代社会，人们对生活质量的要求与日俱增，各种家用设备及电器也应运而生，但如何对这些设备和电器进行控制，如何实现家用水、电、气三表的抄表自动化，如何实现家庭安全自动报敬警等等问题，对家庭智能化提出了更高要求。
在现有的住宅智能化装置中，有的采用RS485总线技术，有的采用CATV网络技术，有的通过现有电话网进行控制联网的类似控制器产品。
采用RS485总线技术和CATV网络技术的类似产品，存在以下不足之处(1)、采用主从式通讯方式每一次有效通讯必须经历两个环节(从与主通讯时先要向主申请，申请通过后主向从发一通讯允许信号，从与从之间通讯也必须经过这个过程，申请通讯的节点须向主控制网络申请，申请通过后主网络向通讯的双方发送通讯允许信号。)，造成主从网络延时不可预测，使得在网络较大时，网络的通讯效率大大降低，网络被严重堵塞；(2)、基于物理层的连接两种技术仅规定了网络连接的物理特性和寻址方法，意味着它仅实现了ISO/OSI 7层协议的第1,2层，其他层的实现由每个产品的开发者独立编制，不但使得产品的通讯可靠性得不到明确保障，而且还使得各家的产品通讯互不兼容的局面。
采用电话网联网的产品，存在以下不足之处(1)、不使用专用的网线连接网络控制器，而使用电话拨号方式进行通讯的点对点连接使得建立通讯连接的时间不可预测，导致通讯实时性很差。而通讯质量依赖于电话网，交换机等其它设备的质量和繁忙程度，有相当的不可预测性。(2)、未采用任何网络通讯模型进行通讯设计所有的通讯协议均由各开发商独立编写，没有采用统一标准，与各家产品的通讯互不兼容。(3)、要求智能建筑工程商需要具备大量的专门技术力量来进行此项开发工作，增加他们的技术难度和工程成本，而且如此开发出的产品在功能和可靠性上也得不到很好的保障。
本实用新型的目的意在克服上述现有技术的不足，提出一种实现家用电器和设备自动控制，水、电、气三表的抄表自动化以及实现家庭安全报警等自动化的住宅智能控制装置。
实现上述目的的技术方案一种家庭自动化及抄表控制装置，由控制模块和执行模块组成，控制模块包括外接有时钟和复位电路的微处理器，执行模块包括电源电路，微处理器是下载了相应监控程序的神经元(Neuron)芯片、神经元芯片还外接有存储器和通信收发器，输入输出端口12，执行模块还包括输入电路、扫描电路和输出电路，输入电路由输入接口后接隔离器件组成，扫描电路由双态门和译码器组成，输出电路由隔离器件后接输出接口组成，隔离器件的输出经双态门接神经元芯片，神经元芯片的控制信号经译码器接双态门的片选控制端口，神经元芯片的输出经隔离器件接输出接口。
神经元芯片是3150芯片。
通信收发器是双绞线收发器。
控制模块1与执行模块2之间的接口采用可插入式插件。
存储器是闪速存储器。
输入电路中的隔离器件是光电耦合隔离器件，在输入接口与光电耦合隔离器件之间接有滤波电路。
扫描电路中的双态门为74LS244，译码器是74LS138。
电源电路中设置有堆桥电路，电源电路的输出接直流对直流转换器。
神经元芯片的SEVICE引脚接触动开关。
在隔离器件与输出接口之间设置有达林顿晶体管阵列驱动器。
采用上述技术方案，由于以Neuron芯片为核心的LonWorks控制模块，收发器采用双绞线收发器，各功能模块均采用光电隔离技术，大大提高装置的可靠性和环境可适应性，控制模块的用户接口采用可插入式插件，方便用户使用及维修。本实用新型与采用RS485总线、CATV网络以及通过现有电话网进行控制联网的类似产品相比，具有以下显著的优越性(1)、控制装置中包含全部实现ISO/OSI规定的7层网络互联模型的网络通讯协议，全对等式通讯方式。使得网络通讯极为可靠，通讯效率较高。
(2)、标准的7层网络通讯协议使得每个产品都基于一个标准通用的网络通讯平台，产品之间具有良好的互操作性能，不同厂家的产品通讯互相兼容。
(3)、进行控制联网时，支持多种通讯介质，网络结构支持自由拓扑，联网方式十分灵活，为网络的设计和构成提供了极大方便。
(4)、产品软件设计高效率并具备高可靠性。CPU中固化的网络通讯协议处理了所有通讯细节，产品设计者可以集中精力做好控制应用编程，使得产品的开发，升级，维护等工作简单可靠。
(5)、产品中已固化专用的住宅智能化的控制软件，不需要再进行二次开发，可直接在工程中组网使用，支持远程软件下载。
(6)、本实用新型外型尺寸108(长)×82(宽)×28(高)mm重量约220克，精巧、灵活、方便、实用。
以下结合附图，通过实施例详述其结构附

图1是本实用新型的结构框图。
附图2是附图1中神经元芯片3(Neuron芯片)的内部结构方框图。
附图3是附图1中控制模块1的结构框图。
附图4是附图3控制模块的电路图。
附图5是附图3控制模块的引脚及外形图。
附图6是本实用新型的电路图。
实施例参照图1～6，一种家庭自动化及抄表控制装置，采用模块化设计思想，它是由LONWORKS控制模块1及实现辅助功能的执行模块2组成。
下面详细描述控制模块1和执行模块2控制模块1集成了一个下载了相应监控程序的神经元(Neuron)芯片3、通信收发器5、存储器4、输入输出端口12、复位电路13、振荡器时钟6及相应的译码电路。控制模块1主要包含Neuron芯片3，这里使用的是toshiba 3150芯片；由于3150芯片没有片内rom，片外存储器(rom)4是闪速存储器(flash rom)；收发器5是自由拓扑双绞线收发器(FTT-10A)，主要用于抄表系统；时钟电路6的振荡频率为10.0MHz，精度为35ppm的晶振。其中Neuron芯片3是LONWORKS技术的核心元件，内含三个基于流水结构的微处理器，Neuron芯片3有三个CPU，介质访问处理器，处理LonTalk协议的第1和第2层；网络处理器，它实现LonTalk协议的第3到第6层；应用处理器，它执行用户编写的代码。Neuron芯片3内部已内置了两个时钟定时器，15个软定时器，一个网络通信口，一个序号，并拥有2KB静态RAM,512B E2PROM,11条可编程I/O引脚，神经元芯片3的内部方框图见附图2。它不仅可直接和现场传感器、变送器、执行机构相连接，并实施一定的控制算法，更重要的是它还可以独立完成现场网络通信任务，。
片外存储器4为128k×8位FLASH ROM，采用闪速存储器的目的是网络安装工具支持用户程序下载，使得用户可以非常方便地在现场在线修改程序，而作为产品实际应用时，可将之更换为ROM或EPROM，以防止用户程序的丢失或被乱改，Neuron芯片3和外部存储器4之间通过16位地址总线15、8位数据总线7连接，其相互之间的读写控制命令通过简单的与非门逻辑电路11完成，输入输出接口8为Neuron芯片3的11条可编程I/O引脚(有34种可选的工作方式)，其中IO0-IO7有可编程上拉电阻，IO0-IO3具有高电流吸收能力。由于Neuron芯片3有16条地址总线，它的寻址能力位64k，因此存储器的A16端接地，而A15与CE相接，当A15为高电平时CE也为高，即片选禁止。这时地址指向片内，这与Neuron芯片3的结构有关，Neuron芯片3的内部存储器与外部存储器是公用一个地址总线的。事实上外接存储器只能使用0000 H-E000 H段共32K空间，E000 H-E700 H段被定义为保留区，E800 H-FFFF H被内部储存器占据。
收发器电路5主要有一块专用的双绞线收发芯片FTT-10A，在接网络线的一端，C3、C4是隔离电容，D1-D4均是保护二极管。双绞线收发芯片FTT-10A与Neuron芯片3的CP0和CP1口相接，双绞线收发芯片FTT-10A通过端口NETA、NETB(在图6的U0中为A、B)接端子排Q2)。由于FTT-10A采用变压器耦合接口，能够满足系统的高性能、高共模隔离要求，同时还具有噪声隔离的作用。FTT-10A收发器属于自由拓扑收发器，它支持无极性、自由拓扑(包括总线、星形、环形、树形甚至是几种方式的组合)的互连方式，不再局限于总线结构，而可以用效率最高的自由拓扑结构方式布线；因此大大地方便了现场网络的布线，降低了系统的安装成本，消除了传输线的直接路由、连接和固定控制模块位置的限制，网络拓扑更容易扩展。
时钟电路6由10.0MHz精度为35ppm的晶振和与之匹配的电阻电容组成。神经元芯片3使用标准的输入时钟，包括10Mhz、5Mhz、2.5Mhz、1.25Mhz和625Khz。外部时钟经神经元芯片二分频后为本装置提供一个对称的时钟，该时钟可由外部振荡器信号直接产。为了充分利用神经元芯片3的工作速度，采用外接10Mhz(35ppm)晶体的方式，此时微处理的工作周期为200ns。
复位电路13神经元芯片3的复位电路13主要为控制装置上电、调试提供所需的有效的复位信号。为了保持神经元芯片内置EEPROM的完整性，避免在供电过低时控制装置产生错误的操作甚至产生意想不到的对内置EEPROM的写操作，在该控制模块中采用了低压禁止LVI(Lon-Voltage-lnhibited)电路设计，当供电低于一定的门槛电压时便会产生可靠的复位信号。由于神经元芯片3的复位管脚是双向的，当系统由于软件复位或者看门狗定时器超过时也要产生复位，为保证双向复位都能正常工作应使选用的低压禁止电路必须有漏极开路或集电极开路的复位输出信号。为此选用掉电自动复位/外部过载复位芯片，它同时还具有手动复位功能。
由于收发器5采用双绞线收发器，因此通信端口16的通信介质为双绞线。
控制模块1与执行模块2之间的接口采用可插入排式插件17。整个控制模块就形如一块厚膜集成电路，它的引脚的定义已经形成了通用标准，现有的产品均依照这个标准。这个标准，包括引脚的定义、排式插针位置的定义、元件的高度定义、外形机械尺寸的定义。我们的控制模块也遵循这个标准。它保证了系列产品的可兼容性、可替换性、可升级性。控制模块共引出两组引脚，P1,P2各组引脚的定义及如表1。
表1执行模块2由电源电路7、输入电路9、扫描电路8和输出电路10组成(结合图6)。电源电路7为整个控制装置供电；扫描电路8为16路输入提供动态的连接；输入接口电路9包含16路数据信号输入，可以接入16个由水表、气表、电表或其他设备送来的电平信号和脉冲信号；输出接口电路10包含4路数据信号输出，用来控制外接设备。执行模块2可以实现特定的输入/输出功能，如数字输入(DI)、数字输出(DO)或脉冲输入/输出等。执行模块2的各组成部分均采用光电隔离技术，隔离电压为2500伏，大大提高系统的可靠性和环境可适应性。
在附图6中，将附图3所示控制模块1的电路图用模块U0表示与执行模块2各组成部分的连接关系。
电源电路7工作电压为直流12V，电源通过端子排(Phoenix的可插入式COMBICON端子)Q2引入。在外壳上均标明了极性，但在实际工程过程中往往有接错的现象，很容易损坏节点内的元件，为此在电路中增加了桥堆D1避免了电源反接。D5是齐纳二极管它能抑制舜时电压尖峰。D2是保护二极管，没有D2时，当电路的电源短路时电容E2向稳压IC放电，舜时的强电流可能会击伤稳压IC，通过增加D2使电流通过二极管向电源放电。U3为一直流对直流(DC toDC)转换器，为了保护节点里的集成块而添加的隔离器件，它的输出电压等于输入电压，但输入和输出是完全隔离的，其隔离电压高达2500v，能有效的防止高压电击，确保节点内的硬件和数据的安全性。
输入电路9输入电路9由输入接口端子排Q1和光电隔离器件O1～4组成，在端子排Q1和光电隔离器件O1～O4之间设置有C2与RP3,RP4构成为滤波电路。本输入电路9的基本功能是从端子排Q1的COM端接收外部装置或过程的状态信号。外部设备信号的输入可能引起瞬时高电压干扰、过电压及接口噪声等等。为此必须采用转换、保护、滤波、隔离等相应的信号调理技术将现场输入的状态信号转换为神经元芯片3能接收的逻辑信号。首先该电路采用光电隔离器件O1、O2、O3和O4，其特点是①输出信号与输入信号(包括电源、地线)在电气上完全隔离、抗干扰能力强(EMC)；②无触点，耐冲击，寿命长，可靠性高；③电磁兼容性好，对外不产生干扰(EMI)；④响应速度快，可达10kbps，具有电平转换功能，易与逻辑电路配合。由于长线传输、电路、空间等干扰的原因，输入信号常常夹杂着干扰信号，这些干扰信号有时会导致读入信号出错。同时为了降低输入信号的延迟和降低硬件成本，这里采用简单的RC低通滤波电路，主要用来滤掉高频干扰。
扫描电路8扫描电路8由双态门U4、U5和译码器U6组成。由于Neuron芯片3只有11个输入输出端口IO(0～10)，如果将他们直接用来做外接端口，最多只能有11个(通常是8进3出)，但随着电子产品日益丰富和人们对智能化的要求越来越高，这种8入3出的节点无法胜任。因此需要扩展这些端口实现多通道。为此，定义IO4、IO5、IO6、IO7为四个输入端口，IO8、IO9和IO10为三个控制端口。四个输入端口分别并联在两组四位的74LS244双态门U4和U5上，双态门U4、U5由片选1G、2G控制(低电平有效)。三个控制端通过译码器U6(采用74LS138)分别连接每一个片选端，通过软件不断的扫描控制端口IO(8～10)，使端子排上每组四位上的数据IO(4～7)轮循地送入控制模块内，形成了16路输入。以上是带输出的端口扩充方法，如果不要输出可将之扩充为32输入，使用4个8位的双态门，数据每8位通过双态门流入Neuron芯片，余下3个IO(8～10)端口用于扫描电路的控制端。通过这种方法可将之扩充为32数据输入节点。在译码器U6的输出端有一上拉排阻RP5，其作用是排除在开机时片选端口的不确定性，维持数据稳定畅通的流入控制模块1。
输出电路10输出信号直接由Neuron芯片3通过I/O0～3发出，通过光藕O5传给输出功率驱动级达林顿晶体管阵列驱动器U2，在O5与U2之间设置有由T1、R7～11和E3构成的前置放大。达林顿晶体管阵列驱动器U2是由八个达林顿复合管组成，为抑制干扰信号输入，每个晶体管的输入端均有箝位二极管。其输出端则加有两个输出箝位二极管，一个用于箝制高电位，抑制在高电位上发生的正向过冲；一个用于箝制低电位平，抑制在低电平上发生的负向过冲，从而对输出管起保护作用。
服务管脚电路18:SEVICE引脚接了一触动开关AN、电容C3、发光二极管D4和电阻R2，它主要是给SEVICE引脚一个负脉冲。此时3150会发出一个ID序列号到LON网络上，供识别用，识别后该节点就可以通过上层软件进行通信。
本实用新型实现抄表及家庭自动化控制的工作过程以煤气表为例，煤气表的工作原理很简单，它的内部就是一个干簧管，每转一圈干簧管接通一次。为此，将煤气表的两端分别接在输入电路9的端子排Q1的COM端(此时与COM端相接的跳线S1跳到与+5V相连)和DI端(这里接DI 1端)，通电后控制模块1的硬件先复位，其后软件复位。软硬复位完后，扫描电路8经U6开始扫描，接口处于待命状态。当没有信号时DI 1处于开路状态，与DI 1相连的O1的端7脚为低电平。由于光藕发光侧没有导通，就没有光感应受光侧的光敏管，O1的10脚通过RP1的上拉到+V,U4的2脚为高电平。当煤气表内的干簧管接通时，就有电流从COM1通过O1的7脚流入光藕经8脚，RP3流到地构成回路。此时光藕发光侧导通并发光，受光侧受光9,10脚间电阻为低阻，回路导通，在U4的2脚上的电位由1变为0，产生状态的改变，这些信息就被扫描电路8扑捉到送往控制模块的IO(4～7)口。扫描电路的U6控制端A、B和C是直接连接在Neuron芯片3的I/O(8～10)，通过软件将I/O8～10不断的置数为000,001,010,011,000反复的循环，这样在U6的Y0～Y3端口Y0到Y3依次为低而其余都为高，当Y0为低时，U4的2G所控制的双态门导通，即U6的第二组数据通过四位数据线IO(4～7)传送到Neuron芯片3,Y1为低时，U4的1G所控制的双态门导通，即U6的第一组数据通过四位数据线传送到Neuron芯片，依次Y2,Y3为低，U5的第一组，第二组数据通过四位数据线传送到Neuron芯片内，实现抄表的数据采集自动化。
控制信号的输出端子排Q2输出端口主要接一些控制设备，如阀门，开关，警铃等等，它是家庭自动化控制的一部分。输出的信号可以是在现场的控制模块经过处理判断产生的(如火警、窃警、煤气泄漏)，也可以是通过网络传来的指令(如空调提前开启指令等)。通过触动开关AN，给SEVICE引脚一个负脉冲，此时芯片3会发出一个ID序列号到LON网络上，供识别用，识别后该节点就可以通过上层软件进行通信了。这样外部的信号就经过控制模块分析处理后，通过网络传送到远程服务器的界面上。如果在DI端接入的是煤气表，则可以将数据送到煤气公司，实现远程抄表自动化。如果在DI端接入的是火警、窃警或煤气泄漏信号，则可以向相应的报警中心报警，实现家庭智能化。
权利要求1.一种家庭自动化及抄表控制装置，由控制模块和执行模块组成，控制模块包括外接有时钟和复位电路的微处理器，执行模块包括电源电路，其特征在于微处理器是下载了相应监控程序的神经元(Neuron)芯片，神经元芯片外接有存储器和通信收发器，输入输出端口12，执行模块还包括输入电路、扫描电路和输出电路，输入电路由输入接口后接隔离器件组成，扫描电路由双态门和译码器组成，输出电路由隔离器件后接输出接口组成，接入电路的隔离器件输出经双态门接神经元芯片的输入端口，神经元芯片的控制信号经译码器接双态门的片选控制端口，神经元芯片的输出经隔离器件接输出接口。
2.根据权利要求1所述家庭自动化及抄表控制装置，其特征在于神经元芯片是3150芯片。
3.根据权利要求1所述家庭自动化及抄表控制装置，其特征在于通信收发器是双绞线收发器。
4.根据权利要求1所述家庭自动化及抄表控制装置，其特征在于控制模块与执行模块之间的接口采用可插入式插件。
5.根据权利要求1所述家庭自动化及抄表控制装置，其特征在于存储器是闪速存储器。
6.根据权利要求1所述家庭自动化及抄表控制装置，其特征在于输入电路中的隔离器件是光电耦合隔离器件，在输入接口与光电耦合隔离器件之间接有滤波电路。
7.根据权利要求1所述家庭自动化及抄表控制装置，其特征在于扫描电路中的双态门为74LS244，译码器是74LS138。
8.根据权利要求1所述家庭自动化及抄表控制装置，其特征在于电源电路中设置有堆桥电路，电源电路的输出接直流对直流转换器。
9.根据权利要求1所述家庭自动化及抄表控制装置，其特征在于神经元芯片的SEVICE引脚接触动开关。
10.根据权利要求1所述家庭自动化及抄表控制装置，其特征在于在隔离器件与输出接口之间设置有达林顿晶体管阵列驱动器。
专利摘要一种家庭自动化及抄表控制装置,由控制模块和执行模块组成,控制模块主要由下载了相应监控程序的神经元(Neuron)芯片、外接存储器、双绞线收发器组成,执行模块主要由输入电路、扫描电路、输出电路和电源电路组成,控制模块与执行模块之间的接口采用可插入式插件,电路中采用光电隔离器件。本实用新型实现了家用电器设备的自动控制以及水、电、气三表的抄表自动化,是智能住宅的更新换代产品。
文档编号G01F15/06GK2445301SQ0024824
公开日2001年8月29日 申请日期2000年8月30日 优先权日2000年8月30日
发明者张晓燕, 刘朝晖, 胡勇 申请人:深圳市圳君实业发展有限公司