摘要：對(duì)家庭控制系統(tǒng)的方案、組成、硬件配置、軟件設(shè)計(jì)、工作原理、功能以及技術(shù)性能進(jìn)行了論述。給出了通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器將數(shù)據(jù)打包成以太網(wǎng)協(xié)議包發(fā)送到以太網(wǎng)上，從而實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制方案。

１　系統(tǒng)簡(jiǎn)介

家庭智能控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要基于短信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)及加密技術(shù)。該系統(tǒng)利用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和控制器，以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)為基本控制指令和數(shù)據(jù)信息傳送方式來(lái)實(shí)現(xiàn)手機(jī)無(wú)線遙控和數(shù)據(jù)傳送，并通過(guò)專(zhuān)設(shè)的短信控制中心和服務(wù)中心，來(lái)為家庭和小區(qū)管理提供全方位的數(shù)字化服務(wù)。家庭智能控制系統(tǒng)具有手機(jī)遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)報(bào)警、呼叫社區(qū)服務(wù)、物業(yè)管理等功能。還可以根據(jù)用戶(hù)群的需要向生活聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、智能辦公等方向無(wú)限擴(kuò)展。

一般情況下，只要將設(shè)備接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ／Ｉｎｔｒａｎｅｔ網(wǎng)，原則上只要實(shí)現(xiàn)ＴＣＰ／ＩＰ網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就可以了。ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議及其應(yīng)用是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。該協(xié)議的建立要經(jīng)過(guò)縝密的設(shè)計(jì)過(guò)程，全套協(xié)議實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜。在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)該協(xié)議有一定的難度。在實(shí)際應(yīng)用中，如果要完全實(shí)現(xiàn)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(jìn)行分離。

另一方面，也可以對(duì)原有的ＴＣＰ／ＩＰ進(jìn)行精簡(jiǎn)，而只保留實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)所需要的一些協(xié)議，從而使核心芯片既能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，又可完成對(duì)任務(wù)的監(jiān)控。因?yàn)?，?duì)原有的ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議進(jìn)行精簡(jiǎn)可大大減輕系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度，同時(shí)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(gè)基于Ｅ５１２２網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器的家庭網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的原理框圖。圖中，以家庭中的三表數(shù)據(jù)作為采集信號(hào)，并將其通過(guò)采樣保持電路處理以后送入單片機(jī)，然后由單片機(jī)把數(shù)據(jù)通過(guò)串口送入Ｅ５１２２網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器中進(jìn)行打包處理，以將數(shù)據(jù)打包成ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議包，最后再把該數(shù)據(jù)包通過(guò)ＲＴＬ８０１９ＡＳ以太網(wǎng)控制器發(fā)送到以太網(wǎng)上。本系統(tǒng)采用ＣＰＬＤ芯片ＥＰＭ７１２８Ｓ作為譯碼和驅(qū)動(dòng)電路。由于家庭用戶(hù)終端一般對(duì)數(shù)據(jù)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(jī)來(lái)寫(xiě)入ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議，這樣既可滿足功能要求，又能降低成本，用戶(hù)也容易接受這樣的價(jià)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(wǎng)絡(luò)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?shí)現(xiàn)ＴＣＰ／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(hù)端進(jìn)行通信，其通信接口支持帶Ｉ２Ｃ接口的ＭＰＵ，同時(shí)還為不帶Ｉ２Ｃ接口的ＭＰＵ提供Ｉ２Ｃ驅(qū)動(dòng)程序。 Ｅ５１２２與網(wǎng)絡(luò)的接口為以太網(wǎng)接口，可通過(guò)以太網(wǎng)控制芯片ＲＴＬ８０１９連接到以太網(wǎng)。其串行速率最大可達(dá)１１５．２ｋｂｐｓ，并可實(shí)現(xiàn)真正實(shí)時(shí)傳送。

Ｅ５１２２ 是完成ＴＣＰ／ＩＰ 協(xié)議的專(zhuān)用芯片，可用以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和串口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，該器件只需外接ＭＣＵ就可為串口設(shè)備提供完善的網(wǎng)絡(luò)通信解決方案。本系統(tǒng)采用的ＭＰＵ為８９Ｃ５２單片機(jī)，而且只需在單片機(jī)程序中簡(jiǎn)單調(diào)用ＡＰＩ函數(shù)即可。圖２所示是Ｅ５１２２的結(jié)構(gòu)框圖。該設(shè)備可做為服務(wù)器端，即首次連接網(wǎng)絡(luò)時(shí)，客戶(hù)機(jī)端主動(dòng)請(qǐng)求連接服務(wù)器端作為被動(dòng)端進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，同時(shí)接受局域網(wǎng)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)端客戶(hù)的主動(dòng)查詢(xún)?cè)L問(wèn)，并將設(shè)備信息返回給客戶(hù)?該設(shè)備同樣也可以作為客戶(hù)機(jī)主動(dòng)和局域網(wǎng)內(nèi)或Ｉｎ-ｔｅｒｎｅｔ 上的主機(jī)進(jìn)行通信。Ｅ５１２２ 芯片外部使用３２ｋＢ ＲＡＭ來(lái)為以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)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(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)。用戶(hù)可通過(guò)串口與Ｅ５１２２進(jìn)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(shí)支持普通串口和用戶(hù)設(shè)備的交互，并可通過(guò)外接ＲＴＬ８０１９ＡＳ 控制芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。

４　硬件電路設(shè)計(jì)

４．１ 接口電路

在具體使用中，由于單片機(jī)本身的限制，設(shè)計(jì)時(shí)可采用跳線方式將ＪＰ引腳接高電平； 而用Ｅ５１２２與ＲＴＬ８０１９ＡＳ的接口來(lái)傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

當(dāng)系統(tǒng)初次運(yùn)行時(shí)，Ｅ５１２２會(huì)對(duì)ＲＴＬ８０１９ＡＳ進(jìn)行初始化，同時(shí)設(shè)置其工作模式以及中斷源等。ＲＴＬ８０１９ＡＳ接收到數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)觸發(fā)Ｅ５１２２中斷，此時(shí)Ｅ５１２２將通過(guò)Ａ８～Ａ１３和Ａ１５來(lái)選擇ＲＴＬ８０１９ＡＳ的寄存器地址和存儲(chǔ)器地址并控制和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取，當(dāng)有數(shù)據(jù)通過(guò)Ｅ５１２２發(fā)送給ＲＴＬ８０１９ＡＳ時(shí)，系統(tǒng)將通過(guò)地址線設(shè)置ＲＴＬ８０１９ＡＳ的相應(yīng)寄存器以進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。其具體的接口電路如圖３所示。

４．２ Ｉ２Ｃ總線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

Ｉ２Ｃ總線是ＩＮＴＥＲ ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＣＩＲＣＵＩＴ ＢＵＳ的縮寫(xiě)，即“內(nèi)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(shù)據(jù)線?ＳＤＡ?和串行時(shí)鐘線?ＳＣＬ?來(lái)進(jìn)行主從器件之間的數(shù)據(jù)傳輸，接口十分簡(jiǎn)單。

Ｉ２Ｃ總線上的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)１００ｋｂｉｔ／ｓ，快速模式下可達(dá)４００ｋｂｉｔ／ｓ。在Ｉ２Ｃ總線傳輸中，當(dāng)ＳＣＬ為高時(shí)，ＳＤＡ由高變低為開(kāi)始條件；而當(dāng)ＳＣＬ為高時(shí)，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(shù)據(jù)在時(shí)鐘為高期間必須是穩(wěn)定的，只有當(dāng)ＳＣＬ線上的時(shí)鐘信號(hào)為低時(shí)，數(shù)據(jù)線上的狀態(tài)才可以改變。輸出到ＳＤＡ線上的每一個(gè)字節(jié)必須是８位，每次傳輸?shù)淖止?jié)不受限制，但每個(gè)字節(jié)必須有一個(gè)應(yīng)答位。

４．３ 隔離耦合變壓器

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用１?１隔離變壓器，同時(shí)應(yīng)避免雷電引起的感應(yīng)電壓損壞后級(jí)電路。此外，還需完成平衡－不平衡的轉(zhuǎn)換隔離、傳輸和匹配。

４．４ 復(fù)位與看門(mén)狗電路

通過(guò)看門(mén)狗電路可在程序跑飛或死機(jī)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新置位或復(fù)位，以使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。其電路如圖４所示。該電路采用ＭＡＸ８１３Ｌ來(lái)完成電源復(fù)位和看門(mén)狗功能。

５　應(yīng)用中應(yīng)注意的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

（１）傳輸速度

在系統(tǒng)中，上位ＰＣ機(jī)與下位測(cè)控設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換速度取決于以太網(wǎng)接口模塊的傳輸速度；而它的傳輸速度則取決于以太網(wǎng)接口芯片的速度、單片機(jī)的處理速度以及和設(shè)備交換數(shù)據(jù)的方式。

測(cè)控系統(tǒng)要傳送的一般是控制命令和測(cè)量數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)量不大?模塊與測(cè)控設(shè)備之間可采用ＲＳ－２３２、ＲＳ－４８５、ＣＡＮ等串口方式進(jìn)行連接，其通信速率僅幾十ｋｂ／ｓ或上百ｋｂ／ｓ。而以太網(wǎng)接口芯片的速度（１０Ｍｂ／ｓ）和微處理器的速度遠(yuǎn)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(dāng)對(duì)傳送速率要求很高時(shí)（如傳送圖像），以太網(wǎng)接口模塊與測(cè)控設(shè)備之間就不能再采用串口進(jìn)行連接，而必須采用并口連接。這時(shí)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(jī)，如Ｐ８９Ｃ５２ＲＸ系列或ＳＸ系列等。

（２）ＩＰ地址

以太網(wǎng)測(cè)控系統(tǒng)中的測(cè)控設(shè)備要通過(guò)模塊進(jìn)入以太網(wǎng)，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(dòng)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(wú)法獲得動(dòng)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(wǎng)中進(jìn)行測(cè)控時(shí)，安全問(wèn)題一般不大。但在廣域網(wǎng)甚至因特網(wǎng)上進(jìn)行測(cè)控時(shí)，安全控制就至關(guān)重要。為此，應(yīng)采用４８～１２８位的用戶(hù)密碼來(lái)保護(hù)測(cè)控設(shè)備的安全，以使合法用戶(hù)可修改、設(shè)定自己的密碼。這樣網(wǎng)絡(luò)非法用戶(hù)即使竊取了ＩＰ地址，由于沒(méi)有用戶(hù)密碼，也無(wú)法操作設(shè)備。

    （４）實(shí)時(shí)性問(wèn)題

測(cè)控系統(tǒng)在很多場(chǎng)合都要強(qiáng)調(diào)它的實(shí)時(shí)性，但以太網(wǎng)不是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)。它的載波偵聽(tīng)沖突檢測(cè)（ＣＳＭＡ／ＣＤ）通信方式?jīng)Q定了以太網(wǎng)中ＩＰ包的傳輸會(huì)有延遲，甚至丟包，這是利用以太網(wǎng)組成分布式測(cè)控系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)。但是，現(xiàn)在以太網(wǎng)的速度越來(lái)越快，在百兆甚至千兆網(wǎng)或一些小型封閉式局域網(wǎng)中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的繁忙程度大為減輕時(shí)，ＩＰ包幾乎沒(méi)有沖突，因而傳輸延遲、丟包現(xiàn)象將大大減小，而不會(huì)影響測(cè)控系統(tǒng)的正常工作。同時(shí)在系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層之上，如能增加應(yīng)答協(xié)議，則丟包問(wèn)題就可基本解決。

（５）連接方式

該模塊有兩個(gè)插座：一個(gè)是ＲＪ－４５插座，可用雙絞線直接連接到以太網(wǎng)；另一個(gè)是２５腳插座，內(nèi)含ＲＳ－２３２或ＲＳ－４８５總線接口。

６　結(jié)束語(yǔ)

隨著２１世紀(jì)的到來(lái)?人類(lèi)逐步跨入了信息時(shí)代。家電的網(wǎng)絡(luò)化將給已趨飽和的家電消費(fèi)市場(chǎng)帶來(lái)新的需求。對(duì)這方面的進(jìn)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(shí)也刺激了人們對(duì)各種數(shù)據(jù)源和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求的日益增長(zhǎng)。因此本文所介紹的方案無(wú)疑具有一定的實(shí)用和商用價(jià)值。