1-WireTM在家庭监控网络中的应用

MAXIM北京办事处 刘武光

1. 概述

随着人们生活水平和住房条件的提高，对居住环境和安全性也随之提高。归纳这些方面的要求，我们统称为家庭监控网络。一个完整的家庭监控网络应该包括以下几个主要方面：

n 安全监测

包括火灾（烟雾探测）、漏水（水管漏水）、漏气（可燃气泄露）等报警监测，紧急求救按钮，门窗非法侵入报警（防盗），门禁管理以及可视对讲系统。

n 环境监测

包括室内的温度和湿度测量、室外温度，甚至还包括室外的气象，如风速、风向等。

n 家电智能化

包括室内各种家电的管理和监控，如电视机的使用，照明系统管理。

n 远程控制和Web服务器

远程控制是指在异地通过电话或Internet监测和控制家里的各个监控单元。现在通过手机、PDA或笔记本电脑上网已十分普及，因此为了支持这些便携式设备远程访问，室内监控网络必须提供一个web服务器。

针对家庭监控网络应用，目前已经有一些解决方案，主要有以下三种方式：

1） 无线解决方案，即家庭内所有的监控单元采用无线连接至主机。其显著的优点是无须为网络连接铺设电缆。但也存在明显的缺点：每个监测单元由于采用电池供电，因而需要定期更换电池；容易受到外界强电磁干扰影响；成本较高等；

2） 电力载波方案，即家庭内所有的监控单元通过电力线连接至主机。这种方式由于借助于现有的电缆，也无须重新布线。但是目前使用的一些低成本电力载波通讯方式在国内应用中存在较多问题，如可靠性差等，而且在市电停电后，家庭监控网络将失效；

3） 传统的有线通讯方案，即采用目前普遍使用的串行通讯方式，如RS-485/RS-422、CAN等，其中RS-485/RS-422应用为广泛，相对成本较低，但由于需要微处理器控制，因此相对于家庭监控网络应用来说，其成本依然较高，尤其是在监测单个I/O时更为突出；而CAN在提供了更高的可靠性同时，成本也高过RS-485/RS-422通讯方案。

上述这些方案还存在一个共同的缺点，即缺少统一的标准，使不同功能的监控单元之间的互操作性差，不同厂家生产的监控单元之间无法兼容，必然制约了家庭监控网络的推广应用。为了解决上述方案中的诸多不足，我们提出了一种采用Dallas半导体的1-WireTM单总线作为家庭监控网络的解决方案，也称为1-WireTM 家庭监控网络，以解决家庭监控网络应用中的成本、标准和开放性的制约。下面将详细介绍技术标准、主要产品以及在1-WireTM 家庭监控网络中的应用，以使更多的技术人员了解1-Wire技术，促进1-Wire技术在家庭监控网络中的广泛应用。

2. 1-wireTM技术标准

1-wire单总线与目前多数标准串行数据通信方式，如SPI/I2C/MICROWIRE不同，它采用单根信号线，既传输数据位，又传输数据位的定时同步时钟，而且数据传输是双向的。大多数1-wire器件不需要额外的供电电源，可直接从单总线上获得足够的电源电流（即寄生供电方式），1-Wire单总线的硬件接口如图1所示。它具有节省I/O口线资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。

每个1-Wire器件都有的、工厂激光刻度的64位ROM ID码（含8位CRC校验码），即256种不同组合的标识码，既可以作为产品身份标识，还可以作为多节点应用中的地址标识。因此，所有采用1-Wire器件的家庭监控单元都具有的标识码，且无须人工分配网络的物理地址。访问1-Wire器件要求遵循标准的1-Wire协议，支持16kBit/s的正常速率及142kBit/s的高速模式，要求按照严格的命令顺序和时序操作，详细资料请参考1-Wire协议标准。

3. 1-WireTM产品类型及特性

虽然各个家庭监控单元的功能不同，但是它们都是由一些基本的数字I/O、模拟量的输入/输出、存储单元等组成；同时还需要网络扩展器件，以及支持监控网络接入并连接至Internet的Web服务器。迄今为止，Dallas半导体已经生产了大量的1-Wire器件，能够很好地满足家庭监控网络单元的设计要求，而且将根据新的应用需求，不断地推出新的产品。基于1-Wire器件的家庭监控网络单元，都能够通过1-wire单总线连接在一起，符合标准的1-Wire协议，解决了网络的兼容性问题。1-Wire产品大致包括以下几类：

1） 1-Wire数字I/O

DS2405(单输入/输出)、DS2406（2路I/O+1kbit的EPROM）、DS2408（8路I/O）、DS2404(RTC+4kbitSRAM)、DS2423（事件计数器）等。

2）1-Wire模拟输入输出

DS2450（4通道高达16位ADC）、DS2438（ADC，可测量13位温度、10位电压和11位小信号等，还包括40字节的EEPROM）、DS2760/DS2761（ADC，可测量10位温度，12位小信号等，还包括32个字节的EEPROM），以及数字电位器DS2890（100kΩ、256级，可用作DAC）。

3）1-Wire温度传感器

DS18B20（0.5℃,分辨率0.0625℃）、DS18S20(0.5℃，分辨率0.5℃)、DS1821（可编程温控开关）。

4）1-Wire存储器

n ROM型：DS2401/DS2411(仅包含64位ROM ID码)；
n EPROM类型：DS2502/DS2505/DS2506（2kbit/16kbit/64kbit）；
n EEPROM类型：DS2430A/DS2432/DS2433（256bit/1kbit/4kbit），其中DS2432是内置安全散列算法SHA-1的EEPROM存储器。

5）1-Wire总线扩展

在1-Wire网络距离较远、连接节点较多、或扩展网络分支时，可以采用1-Wire总线扩展器件，如DS2409。

6）1-Wire主机和接口

所有具有可编程I/O端口的微处理器都可以充当1-Wire主机，如图1所示，只需严格执行1-Wire协议即可。同时，DALLAS还提供了一些1-Wire扩展接口,如DS2480A（UART至1-Wire）、DS2490（USB至1-Wire）,以减少微处理器的负担，简化软件设计。另外，为支持1-Wire网络的远程访问，DALLAS在其网络单片机DS80C400内还集成了1-Wire主机接口，从而简化了基于DS80C400网络微处理器的web服务器设计。

DALLAS还有一个系列产品基于目前的1-Wire器件，采用不锈钢外壳封装，称为信息钮扣（iButtonTM）。由于它们实际上是1-Wire器件的另一种封装形式，因而完全兼容于1-Wire协议，可以直接连接至1-Wire网络，完成一些特定的功能，如门锁钥匙等。

4. 组建1-WireTM 家庭监控单元

虽然家庭监控对象各种各样，但它们都可以由一些基本的功能单元组成，不外乎开关量的输入/输出、模拟量的输入/输出以及一些特殊功能的监控单元。下面将讨论如何利用1-Wire器件，构造1-Wire家庭监控网络中所需的功能单元。

n 1-Wire数字量输入

DS2405/DS2406/DS2408可以应用于开关按钮状态检测、门窗状态、漏水检测、燃气泄漏报警等数字量信号输入。基于这类器件的监控单元，无须本地供电或电池供电，可以直接从1-Wire单总线直接"窃取"电源，且仅连接两条线至1-Wire总线，就解决了供电和数据通讯，大大简化了系统设计、现场布线及系统扩展。图2就是一个典型的1-Wire数字量输入电路（不仅仅局限于漏水检测应用）。

n 1-Wire数字量输出

DS2405/DS2406/DS2408还可以应用于漏极开路输出（如控制N沟道MOSFET）、无触点电子开关（如控制双向可控硅）、保持继电器等数字量输出。当控制零功耗功率器件时，如N-MOSFET、保持继电器等，也无须本地供电；仅在需要持续功率消耗时，才需要本地供电或由远端供电。1-Wire数字量输出电路基本上等同于1-Wire数字量输入电路。其数字量输出可以根据应用要求，实现灯光、家用电器开/关、热水器、门锁等直接或间接控制。

n 1-Wire模拟量测量

DS2438/DS2450/DS2760都可以应用于模拟量测量，如测量室内温度、湿度，以及家用电器的模拟变量（冰箱、热水器的温度等）。在1-Wire器件中，还有一类温度传感器和温度开关，如DS18B20、DS1821等，可以直接连接在1-Wire单总线上，很方便地检测室内任何地方的温度。大多数模拟监测应用中，都可以采用寄生供电方式，除非所配套的传感器需要很大的电流。下面以DS2438为例，如何设计1-Wire湿度传感器，其它模拟量检测应用可以参考这一典型设计。
图3是DS2438采用寄生供电方式的1-Wire湿度传感器。湿度传感器的电压输出比例于供电电压和相对湿度（RH），且与工作的环境温度有关。这样要求既测量传感器元件的电源电压，又要求测量传感器的输出电压，还要测量湿敏元件的温度。由于DS2438内置2路ADC和1个温度传感器，刚好满足上述测量要求，因此由DS2438构建1-Wire湿度传感器是合适的。在图3中，HIH-3610湿度敏感元件的模拟输出由DS2438的ADC主输入转换为数字量。总线主机控制DS2438测量其VDD引脚上的电源电压，即也是敏感元件U1的电源电压；接着，主机通过U1读出U2的输出电压，并且从片内传感器中读出本地温度；，主机根据U1提供的3个参数计算出相对湿度RH。

n 1-Wire模拟量输出

DS2890是一个1-Wire总线的256级、100kΩ的数字电位器，能够产生模拟信号输出，可用于设定参数或调节输出，如设定室内温度，调节照明亮度，或调节门铃音量等应用。此类应用多数可以采用寄生供电方式设计，以达到简化设计、降低成本。该电路较为简单，无须图示。

n web服务器

作为家庭监控网络的web服务器，必然要求低功耗、低成本设计，因此不可能采用PC机或服务器作为家庭web服务器。DS80C400网络单片机包含1-Wire主机，提供Ethernet接入控制，内置TCP/IP协议，支持IPv4以及未来使用的IPv6,此外，还包括两个RS-232接口、CAN接口和SPI接口，以方便系统扩展。为便于DS80C400的开发和应用，Dallas提供完整的TINI硬件和软件平台。软件开发可以采用Java语言,TINI运行环境包含了一个完整的Java虚拟机和API应用程序接口（Java 1.1 API子集）。TINI提供的Java支持允许应用软件在许多现有的Java集成开发环境（IDE）下开发，应用软件还可以在其他平台，如PC上开发，完成后再至TINI。另外，为支持Keil C语言开发，TINI提供了完整的库文件，省掉了用户编写复杂的Internet协议代码，大大降低了开发难度。因此，网络单片机DS80C400更加适合于设计家庭监控网络web服务器，不仅降低了成本，而且满足了低功耗要求。

在具有以太网接口的环境，可以将基于DS80C400的家庭监控网络web服务器直接连网；除此以外，还可以通过连接至RS-232接口的调制解调器、CDMA/GPRS模块、或其它相同功能的通讯设备，利用TINI的拨号PPP协议，接入Internet网。由于TINI支持标准的因特网协议，如TCP/IPv4/v6、DNS、DHCP、HTTP及FTP等，所以能够通过任何内置浏览器、支持Internet接入的主机设备，如PC、笔机本电脑、PDA、手机等，在经过必要的安全密码登录后，建立一个家庭监控网络web服务器和主机设备的双向TCP连接，允许用户在熟悉的网页界面上监测家庭环境和遥控家电设备
上述是一些常用的简单监控单元，可以根据实际需要，利用现有的1-Wire器件，设计其它功能的1-Wire家庭监控单元，如1-Wire计数器、1-Wire数据存储器等，或通过组合设计，实现更为复杂的监控单元，如1-Wire气象站，在此不作详细描述。

5. 1-WireTM 家庭监控网络的应用实例

至此，我们已经具备了设计一个完整而实用的1-Wire家庭监控网络的条件。通过1-Wire数字输入、1-Wire数字输出、1-Wire模拟量输入、1-Wire模拟量输出等其它监控单元，几乎可以检测、管理和控制家庭内的所有设备；而且采用TINI作为家庭监控网络的web服务器，允许用户方便地通过便携式设备或PC终端，在图形网页界面上浏览室内环境和设备，进行远程调节和控制。图4为一个较为完整的1-Wire家庭监控网络应用示意图。

6. 结论

1-Wire是一种简单、低成本、可寻址的单总线，所有1-Wire器件严格遵守1-Wire标准协议，保证了所有基于1-Wire器件的家庭监控单元的兼容性；所有1-Wire家庭监控单元仅通过单条信号线挂接在一起，既传输供电电源，又完成数据通讯，使其尤其适合于家庭监控网络，具有低成本、易于安装和维护、兼容性好等优点；采用DS80C400设计的TINI模块，提供了良好的硬件和软件平台，大大降低了设计家庭监控网络web服务器的难度和成本，而且提供的网页操作界面更易于为普通居民所接受。因此，1-Wire技术更适合于家庭监控网络，具有广阔的应用前景和推广价值。