1-Wire在家庭監控網(wǎng)絡(luò )中的應用

摘    要：本文就家庭監控網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)和要求，提出了一種基于Dallas半導體的1-Wire單總線(xiàn)技術(shù)的低成本家庭監控網(wǎng)絡(luò )解決方案。文中主要介紹了1-Wire技術(shù)、1-Wire主要產(chǎn)品特性、基本的1-Wire家庭監控單元以及在家庭監控網(wǎng)絡(luò )應用中的優(yōu)點(diǎn)。并且結合實(shí)際要求，給出了一個(gè)完整的家庭監控網(wǎng)絡(luò )應用示意圖。
關(guān)鍵詞： 1-Wire；單總線(xiàn)；家庭監控網(wǎng)絡(luò )；Web服務(wù)器；TINI

概述
隨著(zhù)人們生活水平和住房條件的提高，對居住環(huán)境和安全性也隨之提高。歸納這些方面的要求，統稱(chēng)為家庭監控網(wǎng)絡(luò )。一個(gè)完整的家庭監控網(wǎng)絡(luò )應該包括安全監測；環(huán)境監測；家電智能化；遠程控制和Web服務(wù)器幾個(gè)主要方面。
針對家庭監控網(wǎng)絡(luò )應用，目前已經(jīng)有一些解決方案，主要有以下三種方式：
1) 無(wú)線(xiàn)解決方案，即家庭內所有的監控單元采用無(wú)線(xiàn)連接至主機。其顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)須為網(wǎng)絡(luò )連接鋪設電纜。但也存在明顯的缺點(diǎn)：每個(gè)監測單元由于采用電池供電，因而需要定期更換電池，容易受到外界強電磁干擾影響，且成本較高等；
2) 電力載波方案，即家庭內所有的監控單元通過(guò)電力線(xiàn)連接至主機。這種方式由于借助于現有的電纜，無(wú)須重新布線(xiàn)。但是目前國內使用一些低成本電力載波通訊方式的應用中存在較多問(wèn)題，如可靠性差等。而且在市電停電后，家庭監控網(wǎng)絡(luò )將失效；
3) 傳統的有線(xiàn)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應用最為廣泛，相對成本較低。但由于需要微處理器控制，因此相對于家庭監控網(wǎng)絡(luò )應用來(lái)說(shuō)，其成本依然較高，尤其是在監測單個(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(guò)RS-485/RS-422通訊方案。
此外，上述這些方案還存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)，即缺少統一的標準，從而使得不同功能的監控單元之間的互操作性差。為了解決上述方案中的諸多不足，本文提出了一種采用Dallas半導體的1-WireTM單總線(xiàn)作為家庭監控網(wǎng)絡(luò )的解決方案，以解決家庭監控網(wǎng)絡(luò )應用中的成本、標準和開(kāi)放性的制約。
1-wire技術(shù)標準
1-wire單總線(xiàn)與目前多數標準串行數據通信方式，如SPI/I2C/Micro-wire不同，它采用單根信號線(xiàn)，既傳輸數據位又傳輸數據位的定時(shí)同步時(shí)鐘，而且數據傳輸是雙向的。大多數1-wire器件不需要額外的供電電源，可直接從單總線(xiàn)上獲得足夠的電源電流(即寄生供電方式)，1-Wire單總線(xiàn)的硬件接口如圖1所示。
每個(gè)1-Wire器件都有全球唯一的、工廠(chǎng)激光刻度的64位ROM ID碼(含8位CRC校驗碼)，即256種不同組合的全球唯一標識碼。既可以作為產(chǎn)品身份標識，又可以作為多節點(diǎn)應用中的地址標識。因此，所有采用1-Wire器件的家庭監控單元都具有唯一的標識碼，且無(wú)須人工分配網(wǎng)絡(luò )的物理地址。訪(fǎng)問(wèn)1-Wire器件要求遵循標準的1-Wire協(xié)議，支持16kBit/s的正常速率及142kBit/s的高速模式。要求按照嚴格的命令順序和時(shí)序操作，詳細資料請參考1-Wire協(xié)議標準。

1-Wire產(chǎn)品特性
雖然各個(gè)家庭監控單元的功能不同，但它們都是由一些基本的數字I/O、模擬量的I/O、存儲單元等組成。同時(shí)還需要網(wǎng)絡(luò )擴展器件，以及支持監控網(wǎng)絡(luò )接入并連接至Internet的Web服務(wù)器。 所有具有可編程I/O端口的微處理器都可以作為1-wire主機，只需嚴格執行1-Wire協(xié)議即可。

組建1-Wire家庭監控單元
雖然家庭監控對象各種各樣，但它們都可以由一些基本的功能單元組成，不外乎開(kāi)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控單元。下面將討論如何利用1-Wire器件，構造1-Wire家庭監控網(wǎng)絡(luò )中所需的功能單元。
1-Wire數字量I/O
DS2405/DS2406/DS2408可以應用于開(kāi)關(guān)按鈕狀態(tài)檢測、門(mén)窗狀態(tài)、漏水檢測、燃氣泄漏報警等數字量信號輸入?；谶@類(lèi)器件的監控單元，無(wú)須本地供電或電池供電，僅連接兩條線(xiàn)至1-wire總線(xiàn)，就解決了供電和數據通訊，大大簡(jiǎn)化了系統設計、現場(chǎng)布線(xiàn)及系統擴展。圖2是一個(gè)典型的1-Wire數字量輸入電路(不僅僅局限于漏水檢測應用)。另外，DS2405/DS2406/DS2408還可以應用于漏極開(kāi)路輸出(如控制N溝道MOSFET)、無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)(如控制雙向可控硅)、保持繼電器等數字量輸出。當控制零功耗功率器件時(shí)，如N-MOSFET、保持繼電器等，也無(wú)須本地供電，僅在需要持續功率消耗時(shí)，才需要本地供電或由遠端供電。1-Wire數字量輸出電路基本上等同于1-Wire數字量輸入電路。其數字量輸出可以根據應用要求，實(shí)現燈光、家用電器開(kāi)關(guān)、熱水器、門(mén)鎖等直接或間接控制。
1-Wire模擬量測量
DS2438/DS2450/DS2760都可以應用于模擬量測量。大多數模擬監測應用中，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。
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濕度，且與工作的環(huán)境溫度有關(guān)。這樣要求既測量傳感器元件的電源電壓，又要求測量傳感器的輸出電壓，還要測量濕敏元件的溫度。由于DS2438內置2路ADC和1個(gè)溫度傳感器，剛好滿(mǎn)足上述測量要求，因此由DS2438構建1-Wire濕度傳感器是非常合適的。
1-Wire模擬量輸出
此類(lèi)應用多數可以采用寄生供電方式設計，以達到簡(jiǎn)化設計、降低成本。
web服務(wù)器
作為家庭監控網(wǎng)絡(luò )的web服務(wù)器，必然要求低功耗、低成本設計，因此不可能采用PC機或服務(wù)器作為家庭web服務(wù)器。DS80C400網(wǎng)絡(luò )單片機包含1-Wire主機，提供Ethernet接入控制，內置TCP/IP協(xié)議，支持IPv4以及未來(lái)使用的IPv6。
在具有以太網(wǎng)接口的環(huán)境，可以將基于DS80C400的家庭監控網(wǎng)絡(luò )web服務(wù)器直接連網(wǎng)。除此以外，還可以通過(guò)連接至RS-232接口的調制解調器、CDMA/GPRS模塊、或其它相同功能的通訊設備，利用TINI的撥號PPP協(xié)議接入Internet網(wǎng)。由于TINI支持標準的因特網(wǎng)協(xié)議，如TCP/IPv4/v6、DNS、DHCP、HTTP及FTP等，所以能夠通過(guò)任何內置瀏覽器、支持Internet接入的主機設備，如PC、筆機本電腦、PDA、手機等。在經(jīng)過(guò)必要的安全密碼認證登錄后，建立一個(gè)家庭監控網(wǎng)絡(luò )web服務(wù)器和主機設備的雙向TCP連接，允許用戶(hù)在熟悉的網(wǎng)頁(yè)界面上監測家庭環(huán)境和遙控家電設備。
1-Wire家庭監控網(wǎng)絡(luò )的應用實(shí)例
至此，已經(jīng)具備了設計一個(gè)完整而實(shí)用的1-Wire家庭監控網(wǎng)絡(luò )的條件。通過(guò)1-Wire數字I/O、1-Wire模擬量I/O等其它監控單元，幾乎可以檢測、管理和控制家庭內的所有設備。而且采用TINI作為家庭監控網(wǎng)絡(luò )的web服務(wù)器，允許用戶(hù)方便地通過(guò)便攜式設備或PC終端，在圖形網(wǎng)頁(yè)界面上瀏覽室內環(huán)境和設備，并進(jìn)行遠程調節和控制。圖4為一個(gè)較為完整的1-Wire家庭監控網(wǎng)絡(luò )應用示意圖。

結語(yǔ)
1-Wire是一種簡(jiǎn)單、低成本、可尋址的單總線(xiàn)，所有1-Wire器件嚴格遵守1-Wire標準協(xié)議，保證了所有基于1-Wire器件的家庭監控單元的兼容性。因此，1-Wire技術(shù)更適合于家庭監控網(wǎng)絡(luò )，具有廣闊的應用前景和推廣價(jià)值?！?BR>