学校编号 :10384 分类号密级 学号 :200229001 UDC 厦门大学 硕士学位论文 Realization of Intelligent Residence Village Based on Ethernet 陈 宁 指导教师姓名 : 陈文芗 教授 专业名称 : 精密仪器及机械 论文提交时间 :2005 年 论文答辩时间 :2005 年 学位授予日期 :2005 年 答辩委员会主席 : 评阅人 : 月 月 月 2005 年月
摘 要 随着人们生活水平的日益提高, 住宅商品化 市场化进程的不断加 速, 人们对居住环境的要求也日益提高, 对居住条件与便利性提出更高 的要求 在数字化 网络化的今天, 配置一套智能小区系统, 实现住宅 小区的智能化管理, 既有利于方便住户的生活, 也有助于物业管理中心 的高效管理 本文所述的智能小区控制系统是基于以太网开发而成的, 利用现有 的高速宽带数据网或者综合布线系统传输各种控制信号, 实现安防报警 水电气多表抄收 家电控制等多项功能 本文设计的基本思想在于通过 以太网进行小区内控制信号和数据的传输, 同时实现数据在 IP 网络上传 输的安全性 实时性和可靠性 成 : 本文设计的基于以太网智能小区系统的实现主要是由三大部分组 一 下位机子系统控制程序的设计 本文所述的智能小区系统包括 多个子系统, 以 51 系列单片机为主控芯片, 采用 C 语言编程, 实现串口 中断 数据读取以及控制操作等几个方面的功能 二 控制网关的调试 该部分可以将下位机的安防报警系统 多表 抄收系统 家电控制系统等多个子系统融合到以太网中 该设备具有 RS232 总线接口和 IP 之间的协议转换功能, 可以将 RS232 底层的物理信 号转变为 IP 网上传输的曼彻斯特编码信号, 通过小区的以太网将信号传 输到数据管理中心, 再拆包为原先数据接口, 实现系统信号的透明传输 三 上位机控制平台部分 该平台主要给物业管理中心人员提供一个操作界面, 使得管理人员可以方便地控制整个系统的工作 软件主体 1
采用微软的 Visual Basic 6.0 编写, 主要包括三个部分, 即用户信息 安防报警以及多表抄写 方便了物业管理中心人员对各个住户的信息管理 随着计算机和网络的普及, 基于以太网的智能小区系统将会在未来几年内推广, 该系统必将大有市场前途 关键词 : 智能小区系统 ; 网关 ; 以太网 ;Visual Basic 6.0 2
Abstract With the increasing improvement of the living standards of people,the process of lodging becoming commercial and marketable becomes faster and faster. And the people s demands for the environment of living are increasing improving, they want living conditions to be higher-level and more convenient. In digital today, if we have a set of intelligent residence village system, then the hope of intelligent management to the residential district will become reality, so as to not only the residents can benefit from it, but also the center of property arrangement can administer more effectively. The intelligent control system for residence village in this paper is based on Ethernet network. This system uses the existing high-speed wide band or integrated system of premises distribution to carry all kinds of control signals, and these signals can automatic control alert, reading water meter and ammeter, household electrical appliances or etc. The basic idea of this design lies in that we can control the carrying process of signals and data through Ethernet, simultaneously; we can make sure these signals and data are secure, real-time and reliable in IP network. The realization on the intelligent residence village system based on Ethernet in the papers mainly consists of three parts: First, design of subsystem control programs in lower computer. Intelligent residence village system in the papers consists several subsystems. They are controlled by 51 series singlechip, programmed in C language. The system can achieve functions, such as serial interface interruption, data 3
reading, control operation and so on. Second, the hardware parts of control gateway. The parts can integrate several subsystems, including alarming system, automatic meters reading system, electrical appliance control system and so on, into Ethernet. The parts can switch the protocol between RS232 BUS interface and IP., and turn the physical signals of RS232 lower lever to Manchester code signals which transmit on IP network. These signals pass through Ethernet of the intelligent mini-area to the Data Management Center, where are returned to original data, and then achieve the transparent transmission of the system signals. Third, the control platform of the upper computer. The platform designed in this paper provides an operating system for the managers in Property Arrangement Center, making them control the whole system. The language used in it is Microsoft Visual Basic 6.0. The entire software system includes three parts: User s Information System, Alarming System and Meters Reading System. The operating system gives managers in Property Arrangement Center convenience to manage the information of residents in this intelligent community. With the popularization of the computer and Internet, the intelligent residence village based on Ethernet, the one developed in future, will have bright market foreground. Key words:intelligent residence village system;gateway;ethernet; Visual Basic 6.0 4
目 录 摘要 第一章绪论 1.1 智能小区的介绍 1 1.2 智能小区的现状与发展 2 1.3 基于以太网开发的智能小区的优势和意义 4 1.4 本论文完成的主要工作 6 第二章智能小区系统结构简述 2.1 智能小区系统体系结构的集成 7 2.1.1 系统体系结构介绍 7 2.1.2 智能小区系统集成条件 9 2.2 系统模块功能描述 9 2.2.1 安防报警系统模块 10 2.2.2 自动抄表系统模块 11 2.2.3 家电控制系统 12 2.2.4 周界报警系统 12 2.2.5 巡更系统 13 2.3 系统下位机的硬件结构与功能 13 2.3.1 总体结构与功能 13 2.3.2 主要模块的硬件设计 14 2.4 下位机软件设计 19 第三章控制网关的调试 3.1 网络协议介绍 29 3.1.1 计算机网络通信协议 29 3.1.2 开放式系统互联参考模型 OSI 30 5
3.2 TCP/IP 协议 32 3.2.1 TCP/IP 协议的定义 32 3.2.2 网间互联协议 IP 34 3.2.3 传输控制协议 TCP 35 3.2.4 TCP/IP 协议工作原理 36 3.3 RS232 与 RS485 通信 37 3.4 控制网关主要芯片介绍 39 3.4.1 以太网控制器 RTL8019AS 40 3.4.2 TCP/IP 协议转换芯片 E5122 43 3.5 控制网关硬软件介绍 46 3.5.1 E5122 与 RTL8019AS 的接口 46 3.5.2 RS232/ 以太网转换器硬件系统 48 3.5.3 控制网关程序介绍 50 3.5.4 应用中的几个技术问题 52 第四章上位机的设计 4.1 人机控制平台概述 54 4.2 人机界面的设计 55 4.2.1 网络通信的设计 55 4.2.2 数据库编程 64 第五章系统运行结果分析 5.1 网关传输数据效果分析 86 5.2 上位机控制平台效果分析 86 第六章结论与展望 88 参考文献 90 致谢 92 6
Contents Abstract Chapter 1 Perface 1.1 Introduction of intelligent residence village 1 1.2 Status quo and development 2 1.3 Predominance and meaning 4 1.4 Main works 6 Chapter 2 Depiction 2.1 Integration of system structure 7 2.1.1 Introduce of system structure 7 2.1.2 Integration condition of system 9 2.2 Description of system module functions 9 2.2.1 Alarming system 10 2.2.2 Automatic meters reading system 11 2.2.3 Electrical appliance control system 11 2.2.4 Boundary alarming system 12 2.2.5 Patrol system 13 2.3 Hardware structure and function of lower computer 13 2.3.1 Collectivity structure and function 13 2.3.2 Design of main module hardware 14 2.4 Design of lower computer software 19 Chapter 3 Debug of control gateway 3.1 Description of network protocol 29 3.1.1 Communication protocols of network 29 3.1.2 Open System Interconnect Reference Model 30 3.2 TCP/IP protocol 32 7
3.2.1 Definition of TCP/IP 32 3.2.2 Internet Protocol 34 3.2.3 Transfer Control Protocol 35 3.2.4 Work principium of TCP/IP 36 3.3 Communications in RS232 or RS485 37 3.4 Introduction of main chips in control gateway 39 3.4.1 Full-Duplex Ethernet Controller 40 3.4.2 TCP/IP protocol transfer chip 43 3.5 Introduction of control gateway 46 Chapter 4 3.5.1 Interface between E5122 and RTL8019AS 46 3.5.2 Hardware of RS232/Ethernet transfer 48 3.5.3 Introduction of control gateway program 50 3.5.4 Technical problems in applications 52 Design of upper computer 4.1 Summary of control platform 54 4.2 Design of interface between user and machine 55 4.2.1 Design of network communication 55 4.2.2 Database program 64 Chapter 5 Actual effect 5.1 Effect of data transmission 86 5.2 Effect of operating system 86 Chapter 6 Conclusion and prospect 88 Reference 90 Thanks 92 8
第一章绪论 1.1 智能小区的介绍随着信息技术的发展, 计算机及其网络技术的兴起进入建筑领域, 人们的居住方式也发生了翻天覆地的革命, 智能化小区以其代表的高品 质信息生活为越来越多的成功人士所瞩目 目前, 我国许多城市都兴建 了高层楼宇建筑和具有一定规模的商品住宅小区 [1] 在这些大厦和小区里 居住或工作的人们对大厦或小区环境的要求日益提高, 尤其是进入高速 宽带数据网建设迅速发展的二十一世纪后, 能否将社会的信息化建设与 小区的信息化智能化建设有机地融合起来, 做到资源共享, 达到节省投 资 降低使用费用 方便物业管理, 为用户提供尽可能多的高品质服务, 已经成为房地产开发商 运营商 物业管理公司和用户等几方面共同关 注的问题 如果能成功解决此问题, 将使大家共同盈利 智能建筑已经在世界各地蓬勃发展并已成为 21 世纪建筑业的发展主 流 近几年来, 人们对居住环境要求的不断提高, 也将 智能化 引入 了住宅小区和家庭建设中 智能化小区按功能可分为普及型 先进型 领先型三类 目前, 国家 已推出的几十个智能化住宅小区重点示范工程, 以普及型居多 普及型 住宅小区可实行以下六项全新功能 : 1 住宅小区设立计算机自动化管理中心 可对小区的入口资料 建 筑资料等进行自动化管理, 从而给物业管理公司节省大量的人力 物力 2 水 电 热等自动计量 收费 免去了人工抄表的麻烦及对住户的打扰, 住户足不出户就能通过缴费一卡通自动缴费 3 住宅小区实行安全防范系统自动化监控管理 一旦有小偷侵入住 9
宅, 家庭防卫系统立即自动报警, 监控中心的主机荧屏便十分清楚地显示出报警地理位置和报警探头方位 4 对住宅的火灾 有害气体泄漏实行自动报警 不管用户是否在家, 家中一旦发生火灾或有害气体泄漏, 自动报警装置会立即通知物管处, 及时为住户消除不安全隐患 5 住宅设置紧急呼叫系统 当住户急病或发生突发事件需要紧急求 救时, 只需轻按一下报警按钮, 报警中心就立刻会派人前往救援 6 住宅小区的关键设备 设施实行集中管理, 对其运行状态实施远 程监控 随着产业结构向高增值型和知识集约型转变以及人们对住宅要求层 次的提高, 高利润 高增值型 高享受的智能小区已经成为 21 世纪房地 产开发商投资的主导方向, 并且也将成为人们购房的主要热点 智能小 区的发展, 必然和智能建筑一起, 促进相关的设计 安装 维修 管理 的高技术公司迅速发展, 形成一个全新的建筑电子领域 1.2 智能小区的现状与发展 从智能建筑的发展历史来看, 智能小区的发展晚于智能大厦, 其很 多概念来源于智能大厦, 但由于其功能要求的特殊性, 在技术实现上, 有其独特之处 自 1984 年美国建成第一座智能建筑以来的二十年中 [2], 在世界范围内, 智能小区以一种崭新的面貌和技术, 迅速在各地展开 尤其是亚洲的日本 新加坡 台湾等国家和地区, 为了适应智能小区的 发展, 进行了大量的研究和实践, 相继建成了一批具有智能化的建筑 我国是从二十世纪八十年代末期引入了智能小区的概念 自从九十年代中期智能住宅小区的概念首次在国内提出以来, 各地智能小区建设的发展开始形成旺势 1990 年北京的发展大厦可谓是我国智能建筑的雏形, 随后建成了北京燕莎中心 上海商城 广州世贸中心 10
南京禄口新机场等一批具有一定智能化的建筑 [3] 在社会信息化进程日益发展的今天, 人们对自己住宅的关注已不再仅仅局限于居室面积 周边自然环境 交通等方面, 而是把更多的兴趣和注意力放在与外界沟通 信息服务 安全防范 物业管理等方面, 正是适应这种社会需求, 智能小区应运而生 国内第一个建成由电脑风格覆盖的住宅小区是江苏无锡蠡 湖泰德新城, 它在实现了住宅园林化的同时, 还实现了住宅智能化, 其 着眼于 21 世纪社区功能和居民工作 生活方式和性质的改革, 提出并实 施了社区多媒体公益网, 可以使小区内各机构之间资讯互通, 资源共享, 并可连接国内外大型网络, 建筑物之间由高速网络线路相连, 并辐射至 每个房间, 可向社会提供图文电视 有线电视 卫星通讯 金融电子 公用数据交换等多种信息服务 随着 Internet 的高速发展, 拨号上网已经不再满足需求, 而为了适 应这些需要, 数据局也相应推出了 ISDN 及 ADSL 等面向用户的应用, 而这 些都只是一些暂时的手段, 始终不能解决高速 Internet 接入的需求 目 前国内一些有眼光的投资商已经看好这个市场, 而对商务大厦及小区住 户提供 100Mbps 到户的网络接口, 以适应将来高速 Internet 需求 [4] 智能 住宅将是一个潜在的巨大市场 如今, 自主开发一套完全基于以太网的 信息化小区系统是当务之急 我们可以利用现有的高速宽带数据网或者 综合布线系统传输各种控制信号, 将各种自动化管理与服务设备广泛应 用于大楼和小区内 由于以太网技术的成熟和应用的普及, 因而基于该 技术基础上的宽带网络系统具有最好的性能, 最多的应用服务和最好的 可管理性能 在传统的智能小区技术发展方面,LonWorks 是目前较为全面的一种 [5] 总线技术, 被誉为通用的控制网络 但该技术必须具有独立布线, 增加了小区的成本, 对于一些现有的尚未采用该技术的小区若要添加该技术, 11
必然需要重新布线, 给该小区智能化的扩充带来了很大的不便, 如果利用现有的宽带网, 发展基于以太网技术的智能小区系统, 将会给开发商节省成本, 方便物业管理中心的管理, 也便利了住户的生活 因此在构建未来的信息化智能小区目标正是充分利用宽带网这现有的网络资源构筑简洁方便的小区智能网 对于未来的基于以太网的智能小区来说, 智能化不是目的, 而是手 段, 通过智能化系统来营造良好的小区环境 具体来说应该具有以下特 点 : 高科技性, 即智能小区利用各种高科技手段, 通过系统软硬件集成, 全面改善人们的生活环境 生活方式和生活内容 ; 时间性, 或者称为动 态性, 由于科学技术的高速发展, 今天的高科技明天可能就是普通技术, 因此智能小区的技术具有可开拓性 ; 综合性, 智能小区不再像传统住宅 那样仅仅提供居住环境, 它将是居住 工作 学习和娱乐的综合场所, 人们可以通过高速互联网, 进行各种各样的活动, 使人们足不出户实现 工作 学习 娱乐 购物 医疗 旅游 社交等各种目的 ; 服务性, 智 能小区从设计 施工到运行, 始终围绕为住户服务这个宗旨, 通过宽带 网让住户住得放心, 住得安心, 住得省心, 住得舒心 1.3 基于以太网开发的智能小区的优势及意义 相比较传统智能小区建设, 本文所述的智能小区系统的优势主要表 现在以下几个方面 : 就功能实现方式而言, 传统的智能小区产品厂商产品的多表远程抄 写 安防报警 家电控制等功能都是通过在物理上和逻辑上相互独立的 子系统来实现的 ; 但基于以太网开发的智能小区系统所有的功能都是在一个综合布线系统中实现 就布线复杂性而言, 传统方式是由各种子系统组成, 每个子系统都有独立的一套布线系统, 造成布线复杂 重复 ; 而基于以太网开发的智 12
能小区系统只需一套综合布线系统, 甚至可以利用现有的宽带网资源, 布线简单 便宜 就工程方便性而言, 传统方式是由各种子系统组成, 实际操作时, 做不同子系统的厂商可能同时进场施工调试, 造成现场混乱, 工程极不方便, 而基于以太网开发的智能小区系统的产品采用 即插即用, 在计 算机综合布线到位后, 只需将产品插到网络端口上后即可使用, 工程十 分方便 就可靠性而言, 传统方式是由多种子系统组成, 造成整个系统可靠 性差, 甚至不同厂商之间的子系统互相干扰 ; 而基于以太网开发的智能 小区系统在物理上和逻辑上均融于一体, 传输信号一致, 可靠性高 就价格成本而言, 传统方式是由各种子系统组成, 将各种子系统叠 加后价格昂贵 ; 而由于信息化智能小区系统一个产品就实现了所有功能, 而且采用模块化, 使得成本价格相对低廉 就管理便捷性而言, 由于传统方式是由各种子系统组成, 每个子系 统都有各自独立的管理系统, 无法联动互通, 管理很不方便 ; 信息化智 能小区系统实现了所有的功能, 各种功能之间无论在物理上还是逻辑上 都是相互连通的, 所以管理十分便捷 就系统开放性而言, 传统方式使用 485 LonWorks CanBUS 等协议, 系统开放性很差, 而基于以太网开发的智能小区系统使用的是 TCP/IP 协 议, 系统开放性很好 网络经济点石成金, 如今智能化小区已经成为诱人蛋糕 随着时间 的推移, 我国对发展小康住宅建设提出迫切性及高层次的要求, 智能住 宅愈来愈具有更为广泛的需求基础, 尤其对房地产开发商形成更强烈的刺激 随着智能化小区建设的普及, 作为智能社区基础的社区内部网络建设日益引起人们的重视 有了这张宽带社区网, 如何在这张网上发挥 13
尽量多的功能成为目前焦点和难点, 本文所述的智能小区系统在解决大量技术难点基础上推出的信息化构思, 使房地产公司在投入尽量少资金的前提下获得尽量多的功能 只有利用计算机进行物业管理, 特别是利用宽带网进行联网管理, 才可能实现物业信息的标准化和规范化, 为物业管理工作提供准确及时的 信息, 有助于物业管理部门进行管理并做出相关决策 ; 同时也使物业管理 公司及时准确地了解运营状况, 做出经营决策, 这样才能使物业管理走 向现代化 结合小区介绍物业管理计算机化的主要功能 信息化的智能小区就是在现代计算机网络技术的基础上, 通过完善 多功能的社区综合布线系统, 以成熟的信息处理技术 自动控制技术等 为手段, 所实现的社区综合信息网络系统 它为社区成员提供更加安全 高效 方便的智能化服务, 对社区的各项事务 活动进行智能化管理, 并具备先进灵活的手段来适应技术的发展, 满足社区成员不断增长的需 求 1.4 本论文完成的主要工作 1 利用宽带网的平台, 构建实用的智能小区管理网络系统, 实现全 小区联网联动 2 下位机系统程序的设计, 利用 C 语言完成单片机编程, 实现多个 子模块的控制功能 3 完成智能小区系统接入以太网传输数据的调试, 把诸如防盗报警 系统, 多表抄送系统 无线通信系统 电话通信系统等子系统对外的 RS232 总线接口转换成网络可识别的 IP 协议 4 利用 Microsoft Visual Basic 6.0 软件开发上位机控制软件, 完成上位机与下位机的通信 14
第二章智能小区系统结构简述 2.1 智能小区系统体系结构的集成 2.1.1 系统体系结构介绍 集成就是通过某种手段或者方式, 使各个部分有机地组成一个整体 [6] 智能小区的集成不是单方面进行的, 它是在宽带网的基础上, 通过信 息网络子系统, 从系统 网络 功能 软件界面等几个方面进行集成, 其运行效率不仅取决于系统集成的程度, 而且更重要的是取决于系统集 成的质量 一味追求系统集成程度可能会导致系统费用巨增和可靠性下 降 因此科学认识智能小区系统体系结构, 是合理选择集成方法和确定 集成程度的基本前提, 也是小区系统良好 可靠运行的重要保证 智能小区系统是一个典型而又复杂的系统工程, 在体系结构上, 是 一种分层控制结构 ( 图 2.1) [6] 图 2.1 智能小区系统层次结构图 智能小区的弱电系统可以分成自上而下五个层次 : 管理应用层 自 15
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