摘要：對家庭控制系統(tǒng)的方案、組成、硬件配置、軟件設計、工作原理、功能以及技術性能進行了論述。給出了通過單片機進行數據采集，并通過網絡協(xié)議處理器將數據打包成以太網協(xié)議包發(fā)送到以太網上，從而實現基于以太網的遠程控制方案。

１　系統(tǒng)簡介

家庭智能控制系統(tǒng)的開發(fā)主要基于短信息技術、自動控制技術、計算機技術、數字通信技術及加密技術。該系統(tǒng)利用相關的網絡、計算機系統(tǒng)和控制器，以無線網絡和有線網絡為基本控制指令和數據信息傳送方式來實現手機無線遙控和數據傳送，并通過專設的短信控制中心和服務中心，來為家庭和小區(qū)管理提供全方位的數字化服務。家庭智能控制系統(tǒng)具有手機遠程控制、自動報警、呼叫社區(qū)服務、物業(yè)管理等功能。還可以根據用戶群的需要向生活聯(lián)網服務、智能辦公等方向無限擴展。

一般情況下，只要將設備接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ／Ｉｎｔｒａｎｅｔ網，原則上只要實現ＴＣＰ／ＩＰ網絡協(xié)議就可以了。ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議及其應用是一項復雜的系統(tǒng)工程。該協(xié)議的建立要經過縝密的設計過程，全套協(xié)議實現起來比較復雜。在嵌入式系統(tǒng)中實現該協(xié)議有一定的難度。在實際應用中，如果要完全實現該協(xié)議，比較合理的方案是直接利用集成的ＴＣＰ／ｌＰ協(xié)議芯片將系統(tǒng)中央控制單元和ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議處理單元進行分離。

另一方面，也可以對原有的ＴＣＰ／ＩＰ進行精簡，而只保留實際應用系統(tǒng)所需要的一些協(xié)議，從而使核心芯片既能實現網絡的數據傳輸任務，又可完成對任務的監(jiān)控。因為，對原有的ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議進行精簡可大大減輕系統(tǒng)實現的難度，同時也可以提高系統(tǒng)的效率和可靠性。

圖1

２　系統(tǒng)工作原理

圖１所示是一個基于Ｅ５１２２網絡協(xié)議處理器的家庭網絡控制系統(tǒng)的原理框圖。圖中，以家庭中的三表數據作為采集信號，并將其通過采樣保持電路處理以后送入單片機，然后由單片機把數據通過串口送入Ｅ５１２２網絡協(xié)議處理器中進行打包處理，以將數據打包成ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議包，最后再把該數據包通過ＲＴＬ８０１９ＡＳ以太網控制器發(fā)送到以太網上。本系統(tǒng)采用ＣＰＬＤ芯片ＥＰＭ７１２８Ｓ作為譯碼和驅動電路。由于家庭用戶終端一般對數據交換的速率要求不高（在１ＭＢ／ｓ以下），所以可采用一般高速單片機來寫入ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議，這樣既可滿足功能要求，又能降低成本，用戶也容易接受這樣的價格。

３　ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議解析芯片Ｅ５１２２

Ｅ５１２２是上海精致科技公司研制的飛虹系列網絡協(xié)議處理器。其外部晶振頻率為２２．１１８４ＭＨｚ，工作電壓為５Ｖ?？蔀橛布崿FＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議提供ＡＰＩ接口，并可以Ｉ２Ｃ協(xié)議或ＲＳ－２３２接口方式與用戶端進行通信，其通信接口支持帶Ｉ２Ｃ接口的ＭＰＵ，同時還為不帶Ｉ２Ｃ接口的ＭＰＵ提供Ｉ２Ｃ驅動程序。 Ｅ５１２２與網絡的接口為以太網接口，可通過以太網控制芯片ＲＴＬ８０１９連接到以太網。其串行速率最大可達１１５．２ｋｂｐｓ，并可實現真正實時傳送。

Ｅ５１２２ 是完成ＴＣＰ／ＩＰ 協(xié)議的專用芯片，可用以實現以太網和串口之間的協(xié)議轉換，該器件只需外接ＭＣＵ就可為串口設備提供完善的網絡通信解決方案。本系統(tǒng)采用的ＭＰＵ為８９Ｃ５２單片機，而且只需在單片機程序中簡單調用ＡＰＩ函數即可。圖２所示是Ｅ５１２２的結構框圖。該設備可做為服務器端，即首次連接網絡時，客戶機端主動請求連接服務器端作為被動端進行監(jiān)聽，同時接受局域網內聯(lián)網遠端客戶的主動查詢訪問，并將設備信息返回給客戶?該設備同樣也可以作為客戶機主動和局域網內或Ｉｎ-ｔｅｒｎｅｔ 上的主機進行通信。Ｅ５１２２ 芯片外部使用３２ｋＢ ＲＡＭ來為以太網進行數據緩沖。它使用２５６字節(jié)（最少為２５６字節(jié)）的串行ＥＥＰＲＯＭ（Ｉ２Ｃ 總線接口）來存儲系統(tǒng)參數。用戶可通過串口與Ｅ５１２２進行通信，Ｅ５１２２的作用是：完成ＴＣＰ／ＩＰ 協(xié)議和串口通信協(xié)議，同時支持普通串口和用戶設備的交互，并可通過外接ＲＴＬ８０１９ＡＳ 控制芯片來實現網絡連接。

４　硬件電路設計

４．１ 接口電路

在具體使用中，由于單片機本身的限制，設計時可采用跳線方式將ＪＰ引腳接高電平； 而用Ｅ５１２２與ＲＴＬ８０１９ＡＳ的接口來傳輸網絡數據。

當系統(tǒng)初次運行時，Ｅ５１２２會對ＲＴＬ８０１９ＡＳ進行初始化，同時設置其工作模式以及中斷源等。ＲＴＬ８０１９ＡＳ接收到數據時會觸發(fā)Ｅ５１２２中斷，此時Ｅ５１２２將通過Ａ８～Ａ１３和Ａ１５來選擇ＲＴＬ８０１９ＡＳ的寄存器地址和存儲器地址并控制和實現數據的讀取，當有數據通過Ｅ５１２２發(fā)送給ＲＴＬ８０１９ＡＳ時，系統(tǒng)將通過地址線設置ＲＴＬ８０１９ＡＳ的相應寄存器以進行數據發(fā)送。其具體的接口電路如圖３所示。

４．２ Ｉ２Ｃ總線數據存儲器

Ｉ２Ｃ總線是ＩＮＴＥＲ ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＣＩＲＣＵＩＴ ＢＵＳ的縮寫，即“內部集成電路總線”。Ｉ２Ｃ總線是由Ｐｈｉｌｉｐｓ公司首先提出的串行通訊接口規(guī)范，該總線使用串行數據線?ＳＤＡ?和串行時鐘線?ＳＣＬ?來進行主從器件之間的數據傳輸，接口十分簡單。

Ｉ２Ｃ總線上的數據傳輸率可達１００ｋｂｉｔ／ｓ，快速模式下可達４００ｋｂｉｔ／ｓ。在Ｉ２Ｃ總線傳輸中，當ＳＣＬ為高時，ＳＤＡ由高變低為開始條件；而當ＳＣＬ為高時，ＳＤＡ由低變?yōu)楦邉t為停止條件。ＳＤＡ和ＳＣＬ都是雙向傳輸線，ＳＤＡ線上的數據在時鐘為高期間必須是穩(wěn)定的，只有當ＳＣＬ線上的時鐘信號為低時，數據線上的狀態(tài)才可以改變。輸出到ＳＤＡ線上的每一個字節(jié)必須是８位，每次傳輸的字節(jié)不受限制，但每個字節(jié)必須有一個應答位。

４．３ 隔離耦合變壓器

設計時應采用１?１隔離變壓器，同時應避免雷電引起的感應電壓損壞后級電路。此外，還需完成平衡－不平衡的轉換隔離、傳輸和匹配。

４．４ 復位與看門狗電路

通過看門狗電路可在程序跑飛或死機時，對系統(tǒng)進行重新置位或復位，以使系統(tǒng)恢復正常運行。其電路如圖４所示。該電路采用ＭＡＸ８１３Ｌ來完成電源復位和看門狗功能。

５　應用中應注意的幾個技術問題

在實際應用過程中，應注意以下幾個問題：

（１）傳輸速度

在系統(tǒng)中，上位ＰＣ機與下位測控設備之間的數據交換速度取決于以太網接口模塊的傳輸速度；而它的傳輸速度則取決于以太網接口芯片的速度、單片機的處理速度以及和設備交換數據的方式。

測控系統(tǒng)要傳送的一般是控制命令和測量數據，且數據量不大?模塊與測控設備之間可采用ＲＳ－２３２、ＲＳ－４８５、ＣＡＮ等串口方式進行連接，其通信速率僅幾十ｋｂ／ｓ或上百ｋｂ／ｓ。而以太網接口芯片的速度（１０Ｍｂ／ｓ）和微處理器的速度遠大于串口通信速度。因此，傳輸速率主要取決于串口的通信速率。

當對傳送速率要求很高時（如傳送圖像），以太網接口模塊與測控設備之間就不能再采用串口進行連接，而必須采用并口連接。這時傳輸速率取決于微處理器的處理速度。建議選用一些高速單片機，如Ｐ８９Ｃ５２ＲＸ系列或ＳＸ系列等。

（２）ＩＰ地址

以太網測控系統(tǒng)中的測控設備要通過模塊進入以太網，就必須確定自己的ＩＰ地址。ＩＰ地址的獲得有兩種方式：一是動態(tài)獲得ＩＰ地址，二是固定分配ＩＰ地址。由于Ｅ５１２２不支持ＲＡＲＰ反向地址解析協(xié)議，故無法獲得動態(tài)ＩＰ地址，只能用固定ＩＰ地址。

（３）安全控制

在小型封閉式局域網中進行測控時，安全問題一般不大。但在廣域網甚至因特網上進行測控時，安全控制就至關重要。為此，應采用４８～１２８位的用戶密碼來保護測控設備的安全，以使合法用戶可修改、設定自己的密碼。這樣網絡非法用戶即使竊取了ＩＰ地址，由于沒有用戶密碼，也無法操作設備。

    （４）實時性問題

測控系統(tǒng)在很多場合都要強調它的實時性，但以太網不是一個實時系統(tǒng)。它的載波偵聽沖突檢測（ＣＳＭＡ／ＣＤ）通信方式決定了以太網中ＩＰ包的傳輸會有延遲，甚至丟包，這是利用以太網組成分布式測控系統(tǒng)的最大缺點。但是，現在以太網的速度越來越快，在百兆甚至千兆網或一些小型封閉式局域網中，當網絡的繁忙程度大為減輕時，ＩＰ包幾乎沒有沖突，因而傳輸延遲、丟包現象將大大減小，而不會影響測控系統(tǒng)的正常工作。同時在系統(tǒng)的網絡層之上，如能增加應答協(xié)議，則丟包問題就可基本解決。

（５）連接方式

該模塊有兩個插座：一個是ＲＪ－４５插座，可用雙絞線直接連接到以太網；另一個是２５腳插座，內含ＲＳ－２３２或ＲＳ－４８５總線接口。

６　結束語

隨著２１世紀的到來?人類逐步跨入了信息時代。家電的網絡化將給已趨飽和的家電消費市場帶來新的需求。對這方面的進一步研究使得人們的生活方式、工作方式以及思維方式都發(fā)生了巨大的變化，同時也刺激了人們對各種數據源和網絡服務需求的日益增長。因此本文所介紹的方案無疑具有一定的實用和商用價值。