1-WireTM在家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用

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MAXIM北京辦事處劉武光

1.概述隨著人們生活水平和住房條件的提高，對(duì)居住環(huán)境和安全性也隨之提高。歸納這些方面的要求，我們統(tǒng)稱為家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)完整的家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該包括以下幾個(gè)主要方面：n安全監(jiān)測(cè)包括火災(zāi)（煙霧探測(cè)）、漏水（水管漏水）、漏氣（可燃?xì)庑孤叮┑葓?bào)警監(jiān)測(cè)，緊急求救按鈕，門窗非法侵入報(bào)警（防盜），門禁管理以及可視對(duì)講系統(tǒng)。n環(huán)境監(jiān)測(cè)包括室內(nèi)的溫度和濕度測(cè)量、室外溫度，甚至還包括室外的氣象，如風(fēng)速、風(fēng)向等。n家電智能化包括室內(nèi)各種家電的管理和監(jiān)控，如電視機(jī)的使用，照明系統(tǒng)管理。n遠(yuǎn)程控制和Web服務(wù)器遠(yuǎn)程控制是指在異地通過電話或Internet監(jiān)測(cè)和控制家里的各個(gè)監(jiān)控單元?，F(xiàn)在通過手機(jī)、PDA或筆記本電腦上網(wǎng)已十分普及，因此為了支持這些便攜式設(shè)備遠(yuǎn)程訪問，室內(nèi)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)必須提供一個(gè)web服務(wù)器。針對(duì)家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，目前已經(jīng)有一些解決方案，主要有以下三種方式：1）無線解決方案，即家庭內(nèi)所有的監(jiān)控單元采用無線連接至主機(jī)。其顯著的優(yōu)點(diǎn)是無須為網(wǎng)絡(luò)連接鋪設(shè)電纜。但也存在明顯的缺點(diǎn)：每個(gè)監(jiān)測(cè)單元由于采用電池供電，因而需要定期更換電池；容易受到外界強(qiáng)電磁干擾影響；成本較高等；2）電力載波方案，即家庭內(nèi)所有的監(jiān)控單元通過電力線連接至主機(jī)。這種方式由于借助于現(xiàn)有的電纜，也無須重新布線。但是目前使用的一些低成本電力載波通訊方式在國(guó)內(nèi)應(yīng)用中存在較多問題，如可靠性差等，而且在市電停電后，家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)將失效；3）傳統(tǒng)的有線通訊方案，即采用目前普遍使用的串行通訊方式，如RS-485/RS-422、CAN等，其中RS-485/RS-422應(yīng)用為廣泛，相對(duì)成本較低，但由于需要微處理器控制，因此相對(duì)于家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來說，其成本依然較高，尤其是在監(jiān)測(cè)單個(gè)I/O時(shí)更為突出；而CAN在提供了更高的可靠性同時(shí)，成本也高過RS-485/RS-422通訊方案。上述這些方案還存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)，即缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使不同功能的監(jiān)控單元之間的互操作性差，不同廠家生產(chǎn)的監(jiān)控單元之間無法兼容，必然制約了家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的推廣應(yīng)用。為了解決上述方案中的諸多不足，我們提出了一種采用Dallas半導(dǎo)體的1-WireTM單總線作為家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的解決方案，也稱為1-WireTM家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，以解決家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的成本、標(biāo)準(zhǔn)和開放性的制約。下面將詳細(xì)介紹技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、主要產(chǎn)品以及在1-WireTM家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，以使更多的技術(shù)人員了解1-Wire技術(shù)，促進(jìn)1-Wire技術(shù)在家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的廣泛應(yīng)用。2.1-wireTM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1-wire單總線與目前多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)據(jù)通信方式，如SPI/I2C/MICROWIRE不同，它采用單根信號(hào)線，既傳輸數(shù)據(jù)位，又傳輸數(shù)據(jù)位的定時(shí)同步時(shí)鐘，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。大多數(shù)1-wire器件不需要額外的供電電源，可直接從單總線上獲得足夠的電源電流（即寄生供電方式），1-Wire單總線的硬件接口如圖1所示。它具有節(jié)省I/O口線資源、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)1-Wire器件都有的、工廠激光刻度的64位ROMID碼（含8位CRC校驗(yàn)碼），即256種不同組合的標(biāo)識(shí)碼，既可以作為產(chǎn)品身份標(biāo)識(shí)，還可以作為多節(jié)點(diǎn)應(yīng)用中的地址標(biāo)識(shí)。因此，所有采用1-Wire器件的家庭監(jiān)控單元都具有的標(biāo)識(shí)碼，且無須人工分配網(wǎng)絡(luò)的物理地址。訪問1-Wire器件要求遵循標(biāo)準(zhǔn)的1-Wire協(xié)議，支持16kBit/s的正常速率及142kBit/s的高速模式，要求按照嚴(yán)格的命令順序和時(shí)序操作，詳細(xì)資料請(qǐng)參考1-Wire協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

3.1-WireTM產(chǎn)品類型及特性雖然各個(gè)家庭監(jiān)控單元的功能不同，但是它們都是由一些基本的數(shù)字I/O、模擬量的輸入/輸出、存儲(chǔ)單元等組成；同時(shí)還需要網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展器件，以及支持監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)接入并連接至Internet的Web服務(wù)器。迄今為止，Dallas半導(dǎo)體已經(jīng)生產(chǎn)了大量的1-Wire器件，能夠很好地滿足家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)單元的設(shè)計(jì)要求，而且將根據(jù)新的應(yīng)用需求，不斷地推出新的產(chǎn)品。基于1-Wire器件的家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)單元，都能夠通過1-wire單總線連接在一起，符合標(biāo)準(zhǔn)的1-Wire協(xié)議，解決了網(wǎng)絡(luò)的兼容性問題。1-Wire產(chǎn)品大致包括以下幾類：1）1-Wire數(shù)字I/ODS2405(單輸入/輸出)、DS2406（2路I/O+1kbit的EPROM）、DS2408（8路I/O）、DS2404(RTC+4kbitSRAM)、DS2423（事件計(jì)數(shù)器）等。2）1-Wire模擬輸入輸出DS2450（4通道高達(dá)16位ADC）、DS2438（ADC，可測(cè)量13位溫度、10位電壓和11位小信號(hào)等，還包括40字節(jié)的EEPROM）、DS2760/DS2761（ADC，可測(cè)量10位溫度，12位小信號(hào)等，還包括32個(gè)字節(jié)的EEPROM），以及數(shù)字電位器DS2890（100kΩ、256級(jí)，可用作DAC）。3）1-Wire溫度傳感器DS18B20（精度0.5℃,分辨率0.0625℃）、DS18S20(精度0.5℃，分辨率0.5℃)、DS1821（可編程溫控開關(guān)）。4）1-Wire存儲(chǔ)器nROM型：DS2401/DS2411(僅包含64位ROMID碼)；nEPROM類型：DS2502/DS2505/DS2506（2kbit/16kbit/64kbit）；nEEPROM類型：DS2430A/DS2432/DS2433（256bit/1kbit/4kbit），其中DS2432是內(nèi)置安全散列算法SHA-1的EEPROM存儲(chǔ)器。5）1-Wire總線擴(kuò)展在1-Wire網(wǎng)絡(luò)距離較遠(yuǎn)、連接節(jié)點(diǎn)較多、或擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)分支時(shí)，可以采用1-Wire總線擴(kuò)展器件，如DS2409。6）1-Wire主機(jī)和接口所有具有可編程I/O端口的微處理器都可以充當(dāng)1-Wire主機(jī)，如圖1所示，只需嚴(yán)格執(zhí)行1-Wire協(xié)議即可。同時(shí)，DALLAS還提供了一些1-Wire擴(kuò)展接口,如DS2480A（UART至1-Wire）、DS2490（USB至1-Wire）,以減少微處理器的負(fù)擔(dān)，簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)。另外，為支持1-Wire網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程訪問，DALLAS在其網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)DS80C400內(nèi)還集成了1-Wire主機(jī)接口，從而簡(jiǎn)化了基于DS80C400網(wǎng)絡(luò)微處理器的web服務(wù)器設(shè)計(jì)。DALLAS還有一個(gè)系列產(chǎn)品基于目前的1-Wire器件，采用不銹鋼外殼封裝，稱為信息鈕扣（iButtonTM）。由于它們實(shí)際上是1-Wire器件的另一種封裝形式，因而完全兼容于1-Wire協(xié)議，可以直接連接至1-Wire網(wǎng)絡(luò)，完成一些特定的功能，如門鎖鑰匙等。4.組建1-WireTM家庭監(jiān)控單元雖然家庭監(jiān)控對(duì)象各種各樣，但它們都可以由一些基本的功能單元組成，不外乎開關(guān)量的輸入/輸出、模擬量的輸入/輸出以及一些特殊功能的監(jiān)控單元。下面將討論如何利用1-Wire器件，構(gòu)造1-Wire家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中所需的功能單元。n1-Wire數(shù)字量輸入DS2405/DS2406/DS2408可以應(yīng)用于開關(guān)按鈕狀態(tài)檢測(cè)、門窗狀態(tài)、漏水檢測(cè)、燃?xì)庑孤﹫?bào)警等數(shù)字量信號(hào)輸入?；谶@類器件的監(jiān)控單元，無須本地供電或電池供電，可以直接從1-Wire單總線直接竊取電源，且僅連接兩條線至1-Wire總線，就解決了供電和數(shù)據(jù)通訊，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)布線及系統(tǒng)擴(kuò)展。圖2就是一個(gè)典型的1-Wire數(shù)字量輸入電路（不僅僅局限于漏水檢測(cè)應(yīng)用）。

n1-Wire數(shù)字量輸出DS2405/DS2406/DS2408還可以應(yīng)用于漏極開路輸出（如控制N溝道MOSFET）、無觸點(diǎn)電子開關(guān)（如控制雙向可控硅）、保持繼電器等數(shù)字量輸出。當(dāng)控制零功耗功率器件時(shí)，如N-MOSFET、保持繼電器等，也無須本地供電；僅在需要持續(xù)功率消耗時(shí)，才需要本地供電或由遠(yuǎn)端供電。1-Wire數(shù)字量輸出電路基本上等同于1-Wire數(shù)字量輸入電路。其數(shù)字量輸出可以根據(jù)應(yīng)用要求，實(shí)現(xiàn)燈光、家用電器開/關(guān)、熱水器、門鎖等直接或間接控制。n1-Wire模擬量測(cè)量DS2438/DS2450/DS2760都可以應(yīng)用于模擬量測(cè)量，如測(cè)量室內(nèi)溫度、濕度，以及家用電器的模擬變量（冰箱、熱水器的溫度等）。在1-Wire器件中，還有一類溫度傳感器和溫度開關(guān)，如DS18B20、DS1821等，可以直接連接在1-Wire單總線上，很方便地檢測(cè)室內(nèi)任何地方的溫度。大多數(shù)模擬監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，都可以采用寄生供電方式，除非所配套的傳感器需要很大的電流。下面以DS2438為例，如何設(shè)計(jì)1-Wire濕度傳感器，其它模擬量檢測(cè)應(yīng)用可以參考這一典型設(shè)計(jì)。圖3是DS2438采用寄生供電方式的1-Wire濕度傳感器。濕度傳感器的電壓輸出比例于供電電壓和相對(duì)濕度（RH），且與工作的環(huán)境溫度有關(guān)。這樣要求既測(cè)量傳感器元件的電源電壓，又要求測(cè)量傳感器的輸出電壓，還要測(cè)量濕敏元件的溫度。由于DS2438內(nèi)置2路ADC和1個(gè)溫度傳感器，剛好滿足上述測(cè)量要求，因此由DS2438構(gòu)建1-Wire濕度傳感器是合適的。在圖3中，HIH-3610濕度敏感元件的模擬輸出由DS2438的ADC主輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字量?？偩€主機(jī)控制DS2438測(cè)量其VDD引腳上的電源電壓，即也是敏感元件U1的電源電壓；接著，主機(jī)通過U1讀出U2的輸出電壓，并且從片內(nèi)傳感器中讀出本地溫度；，主機(jī)根據(jù)U1提供的3個(gè)參數(shù)計(jì)算出相對(duì)濕度RH。n1-Wire模擬量輸出DS2890是一個(gè)1-Wire總線的256級(jí)、100kΩ的數(shù)字電位器，能夠產(chǎn)生模擬信號(hào)輸出，可用于設(shè)定參數(shù)或調(diào)節(jié)輸出，如設(shè)定室內(nèi)溫度，調(diào)節(jié)照明亮度，或調(diào)節(jié)門鈴音量等應(yīng)用。此類應(yīng)用多數(shù)可以采用寄生供電方式設(shè)計(jì)，以達(dá)到簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降低成本。該電路較為簡(jiǎn)單，無須圖示。

nweb服務(wù)器作為家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的web服務(wù)器，必然要求低功耗、低成本設(shè)計(jì)，因此不可能采用PC機(jī)或服務(wù)器作為家庭web服務(wù)器。DS80C400網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)包含1-Wire主機(jī)，提供Ethernet接入控制，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，支持IPv4以及未來使用的IPv6,此外，還包括兩個(gè)RS-232接口、CAN接口和SPI接口，以方便系統(tǒng)擴(kuò)展。為便于DS80C400的開發(fā)和應(yīng)用，Dallas提供完整的TINI硬件和軟件平臺(tái)。軟件開發(fā)可以采用Java語言,TINI運(yùn)行環(huán)境包含了一個(gè)完整的Java虛擬機(jī)和API應(yīng)用程序接口（Java1.1API子集）。TINI提供的Java支持允許應(yīng)用軟件在許多現(xiàn)有的Java集成開發(fā)環(huán)境（IDE）下開發(fā)，應(yīng)用軟件還可以在其他平臺(tái)，如PC上開發(fā)，完成后再至TINI。另外，為支持KeilC語言開發(fā)，TINI提供了完整的庫(kù)文件，省掉了用戶編寫復(fù)雜的Internet協(xié)議代碼，大大降低了開發(fā)難度。因此，網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)DS80C400更加適合于設(shè)計(jì)家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)web服務(wù)器，不僅降低了成本，而且滿足了低功耗要求。在具有以太網(wǎng)接口的環(huán)境，可以將基于DS80C400的家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)web服務(wù)器直接連網(wǎng)；除此以外，還可以通過連接至RS-232接口的調(diào)制解調(diào)器、CDMA/GPRS模塊、或其它相同功能的通訊設(shè)備，利用TINI的撥號(hào)PPP協(xié)議，接入Internet網(wǎng)。由于TINI支持標(biāo)準(zhǔn)的因特網(wǎng)協(xié)議，如TCP/IPv4/v6、DNS、DHCP、HTTP及FTP等，所以能夠通過任何內(nèi)置瀏覽器、支持Internet接入的主機(jī)設(shè)備，如PC、筆機(jī)本電腦、PDA、手機(jī)等，在經(jīng)過必要的安全密碼登錄后，建立一個(gè)家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)web服務(wù)器和主機(jī)設(shè)備的雙向TCP連接，允許用戶在熟悉的網(wǎng)頁(yè)界面上監(jiān)測(cè)家庭環(huán)境和遙控家電設(shè)備上述是一些常用的簡(jiǎn)單監(jiān)控單元，可以根據(jù)實(shí)際需要，利用現(xiàn)有的1-Wire器件，設(shè)計(jì)其它功能的1-Wire家庭監(jiān)控單元，如1-Wire計(jì)數(shù)器、1-Wire數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等，或通過組合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的監(jiān)控單元，如1-Wire氣象站，在此不作詳細(xì)描述。5.1-WireTM家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用實(shí)例至此，我們已經(jīng)具備了設(shè)計(jì)一個(gè)完整而實(shí)用的1-Wire家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的條件。通過1-Wire數(shù)字輸入、1-Wire數(shù)字輸出、1-Wire模擬量輸入、1-Wire模擬量輸出等其它監(jiān)控單元，幾乎可以檢測(cè)、管理和控制家庭內(nèi)的所有設(shè)備；而且采用TINI作為家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的web服務(wù)器，允許用戶方便地通過便攜式設(shè)備或PC終端，在圖形網(wǎng)頁(yè)界面上瀏覽室內(nèi)環(huán)境和設(shè)備，進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)和控制。圖4為一個(gè)較為完整的1-Wire家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用示意圖。6.結(jié)論1-Wire是一種簡(jiǎn)單、低成本、可尋址的單總線，所有1-Wire器件嚴(yán)