1 裝置硬件設計
1．1 硬件功能規劃
智能化住宅家庭控制裝置所實現的功能包括：對住宅居室環境(溫度、濕度)進行監控；對住戶三表(水表、煤氣表、電表)實現遠傳計費；對住戶實現三防(防火、防煤氣泄漏、防盜)；對廚房設備實現時序控制；對衛生間實現自動排風控制。其中每個裝置均可作為一個智能節點，多個節點構成了智能小區管理網絡系統 (即LonWorks網絡)，在小區中心設置服務器可實現對整個網絡的管理。此外，家用電腦可與家庭控制裝置通信，實現對室內設備的管理。
1．2 硬件總體設計方案
依據對裝置功能的上述規劃，可將裝置分為兩部分設計，即Lon控制模塊設計和采集模塊設計。控制裝置以Lon控制模塊為核心，通過對采集電路所采集的各種信號加以作用，完成裝置的各種功能。其中Lon控制模塊包括神經元(neuron) 芯片、存儲器、晶振、收發器等；采集模塊包括I／O接口電路、光電隔離保護電路、驅動電路、緩沖電路、保持電路、鎖存電路以及A／D轉換電路等；二部分之間通過一個18針雙列直插式板邊連接器和一個6針單列直插式板邊連接器相連，符合模塊化設計，便于安裝與調試。該硬件裝置原理圖如圖1所示。
1．3 Lon控制模塊設計
在該模塊的設計中，涉及到神經元芯片的選擇、存儲器的分配、通信端口的配置問題，分別介紹如下。
1．3．1 神經元芯片選擇
神經元芯片包括Neuron3120xx和Neuron3150，這兩種芯片在功能上大體相同，只是3120芯片內含有2k存儲器，多用于功能較少而不需要擴展存儲器的硬件構造中；而Neuron3150芯片內部具有0．5k EEPROM、2k RAM存儲器，可外擴存儲器來存儲信息，可以用來開發更為復雜的應用系統。本文選用Neuron3150芯片作為開發裝置的核心器件。
1．3．2 通信端口配置
Neuron3150芯片的通信口可與多種傳輸媒介接口(即網絡收發器)相連接，以實現較寬范圍的傳輸速率。同時，各種不同類型的網絡收發器的配置，也為選擇不同通信媒介提供了條件。本設計中的家庭控制裝置采用FTT-10型收發器配置，利用雙絞線實現與家用電腦以及整個小區管理網絡的信息傳遞。FTT- 10型收發器采用變壓器隔離，可以實現高隔離、高抗擾，其傳輸距離可達2700米、傳輸速率達78 kb／s，可滿足裝置與上位機信息傳遞的要求。Neuron3150芯片的通信端口可以配置成三種工作方式：單端工作方式、差分工作方式、專用工作方式。不同工作方式所對應的引腳定義不同，如表1所示。
本裝置中Neuron3 1 50芯片的通信端口采用單端工作方式配置，與FTT-10收發器的配置如圖2所示，其中FTT-10的CLK端與3150的CLK2相連，以保證二者的時序一致。
1．3．3 存儲器分配及電路設計
由于Neuron3150芯片內部的存儲器不能滿足存儲要求，因此在 Lon控制模塊設計中，采用外接32k閃存和24kSRAM作為外存，其中16kB(尋址范圍0X0000-0X3FFF)閃存用來保存 Neuron3150芯片固件，另16kB閃存(0X4000-0X7FFF)用來存儲各種配置以及應用信息。24k SRAM主要用于存儲應用數據以及網絡數據包的緩存。存儲器分配圖如圖3所示：
在電路設計中，利用3150芯片的A15端口來實現對32k閃存的片選 (低電平有效)，利用3150芯片的A14、A13進行與非運算所得結果，與A15再進行與非運算來驅動SRAM的片選(低電平有效)。具體電路設計如圖4所示。
1．4 采集電路設計
依據裝置要實現的功能，采集電路規劃為數字輸入12路、數字輸出12路、模擬輸入 4路：Neuron3150芯片I／07至I／0010管腳用來接收室內溫濕度值，配置成4路模擬電路；I／O-O至I／O-6管腳和利用地址總線擴展出的3路I／O口共同形成24路數字信號。
1．4．1 模擬輸入電路設計
模擬輸入電路為檢測居室環境(溫度、濕度)設計，該電路如圖5所示。
圖中的Max186芯片是用于進行A／D轉換的，由美國美信公司生產，Max186是12位的數據采集集成芯片，它把8通道多路開關、大帶寬跟蹤／保持電路和串行接口組合在一起，4線串行接口可直接接到SPI、QSPIMicrowire器件而無需外加邏輯，使用內部時鐘或外部串行接口時鐘以完成逐次逼近模／數轉換。通過射隨器進入芯片的模擬輸入信號為0-5 V電壓信號，它可以轉換為數字信號并以Neurowire總線方式串行進入神經元芯片中，然后存放在存儲器SRAM中，這些數據可傳到家用電腦中用來顯示和記錄。
1．4．2 數字電路設計
數字電路設計包括輸入電路設計和輸出電路設計。
(1)數字輸入電路
數字輸入電路為采集三表、三防信號而設計，電路如圖6所示。數字輸入電路以神經元芯片中的I／O-O-I／O-5管腳所擴展成的6總線為基礎，通過片選信號作用形成12路，此電路中光電隔離的輸入端，接各種傳感器信號，以防止因傳感器輸入電壓過大而燒毀元器件。2片74LS245芯片作為數字輸入緩沖電路，以確保裝置能準確地接受傳感器的信號。
(2)數字輸出電路
數字輸出電路以I／O-O-I／O-5管腳所擴展成的6總線為基礎，通過片選信號作用形成12路，電路如圖6所示。圖中2片74LS273芯片作為輸出鎖存電路，利用該電路保持輸入狀態的特點，使Lon控制模塊輸出的信號可靠地傳到各種執行裝置上。
1．5 抗擾電路設計
在硬件設計過程中，考慮了多種抗擾設計措施。
(1)采用高品質的電源向控制器供電，單點接電源，單點接地。
(2)線路板上的數字電路與模擬電路盡量分開，數字地與模擬地分開，地線、電源線盡量加粗。
(3)輸入信號加光電耦合器隔離，防止外圍器件動作時產生的回流沖擊系統電路。
(4)數字量輸出的繼電器線圈處要加放電二極管，可以用串一個電阻的辦法來軟化信號的跳變沿或提供一定的阻尼。
2 程序設計
上述功能在應用程序中采用模塊化設計，主要包括遠程抄表模塊、報警聯動模塊、室內環境監測模塊、順序控制模塊，各功能模塊采用定時器事件來驅動。程序流程圖如圖7所示：
3 結論
利用此裝置可以控制住宅溫、濕度等參數，以滿足智能住宅規定標準(溫度控制在18～28℃，濕度控制在30～70％；此裝置能夠將各種信息準確采集，并能按照事先設定好的方式發出命令，實現三防(火、盜、氣)，對廚房炊具、衛生間排風進行監控，三表計費等功能；此裝置可以將三表采集信息、室內溫濕度數值以及室內設備狀態準確地傳遞給家用電腦，家用電腦能夠監控控制裝置的工作。