随着信息技术、计算机网络技术的迅猛发展和广泛普及,越来越多的家庭通过Internet或Intranet来获得信息和资讯。作为现代化的智能化住宅小区,向社区内的广大住户提供宽带多媒体综合信息资讯服务,是智能化住宅的重要体现,也是信息社会发展的客观需要。建设部住宅产业办公室提出了我国住宅智能化的概念,即住宅小区智能化是利用4C(计算机、通信、网络、自控、IC卡)技术真正实现远程家庭的智能控制,通过有效的传输网络,将远程信息服务与管理、物业管理与安防、住宅智能化系统集成,为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段,以期实现快捷高效的超值服务管理,提供安全舒适的家居环境。

1 系统简介

家庭智能控制系统的开发基于短信息技术、自动控制技术、计算机技术、数字通信技术及加密技术。系统利用相关的网络、计算机系统和控制器,以无线网络和有线网络为基本控制指令和数据信息传送方式,实现手机无线遥控和数据传送。通过专设的短信控制中心和服务中心,为家庭和小区管理提供全方位的数字化服务。家庭智能控制系统具有手机远程控制、自动报警、呼叫社区服务、物业管理等功能,还可以根据用户群的需要向生活连网服务、智能办公等方向无限扩展。

设备接入Internet/Intranet网,原则上讲,只要实现TCP/IP网络协议就可以。TCP/IP协议及其应用是一项复杂的系统工程。该协议的建立经过了缜密的设计过程,全套协议的实现是比较复杂的。在嵌入式系统中,实现该协议有一定的难度。在实际的应用中,如果要完全实现该协议,比较合理的方案是直接利用集成的TCP/lP协议的芯片,将系统中央控制单元和TCP/IP协议处理单元进行分离。

另一方面,实现其它几个方案中,可以对原有的TCP/IP进行精简,保留实际应用系统所需要的一些协议,使得核心芯片既能实现网络的数据传输,又可以完成监控任务。对原有的TCP/IP协议迸行精简,可以大大减轻系统实现的难度,并提高系统的效率和可靠性。

2 系统工作原理

该系统的原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图

家庭中的三表度数作为采集信号,通过采样保持电路处理以后,送入单片机进行处理。单片机把数据通过串口送入E5122网络协议处理器中进行打包处理,将数据打包成TCP/IP协议包,该数据包通过RTL8019AS以太网控制器发送到以太网上。采用CPLD芯片EPM7128S作为译码和驱动电路。在本应用场合,家庭用户终端对数据交换的速率要求不高,在1MB/s以下。所以可以采用一般的高速单片机,写入TCP/IP协议,这样既可以满足要求,价格又能让用户接受。

3 芯片介绍

(1) 网络接口控制器RTL8019AS

RTL8019AS是Realtek公司高集成度的专用以太网接口芯片,支持EthernetII、IEEE802.3、10Base5、10Base2、10BaseT,支持UTP、AUI&BNC、PnP自动探测模式,并且内嵌16KB SRAM用于收发缓冲,降低了对主处理器的速度要求。支持8位、16位数据总线模式;支持跳线、无跳线模式;有全双工的通信接口,可以通过交换机在双绞线上同时发送和接收数据,使带宽从10M增加到20M,是用来进行以太网通信的理想芯片。

RTL8019AS有3种工作方式：

① 跳线方式,网卡的I/O和中断由跳线决定;

② 即插即用方式,由软件进行自动配置plug and play;

③ 免跳线方式,网卡的I/O和中断由外接的93C46里的内容决定。

网卡使用哪种方式由RTL8019AS的第65脚JP决定。65脚JP 为高电平时(接到VCC或通过一个10kΩ的电阻上拉)使用跳线方式;RTL8019AS引脚悬空时,输入状态为低电平(其它引脚也是这样,悬空的输入脚电平为低电平,里面有一个100kΩ的下拉电阻)。64脚AUI,该引脚决定使用AUI还是BNC接口。我们用的网卡接口一般是BNC的,很少用AUI。BNC接口方式支持8线双绞或同轴电缆。高电平时使用AUI接口,悬空为低电平,使用BNC接口。IOCS16B引脚用电阻下拉为低电平,选择8位数据总线模式,省去BROM模块,只需8根数据线SD0~SD7。基地址选择引脚IOS3、IOS2、IOS1、IOS0空接为低电平。因为芯片内部都接有下拉电阻,此时I/O基地址为300H,所以地址线SA8、SA9接高电平。又因为寄存器的地址偏移量为00H~1FH共32个,所以只用了地址线SA0~SA4,其余地址线接地即可。芯片的中断线由IRQS2、IRQS1、IRQS0决定,全部空接时中断线为INT0,8根中断线7根空接。SMEMRB和SMEMWB引脚决定网络接口类型时,10BaseT、10Base2或10Base5采用悬空方式时为低电平。即为自动选择方式。AUI引脚决定使用AUI还是BNC接口,悬空时为低电平。使用BNC接口,支持双绞线或同轴电缆,所使用的引脚有：TPIN+、TPIN－、TPOUT+、TPOUT－,接入网卡耦合隔离变压器中,利用RJ45插头实现与网络的连接。

(2) TCP/IP协议解析芯片E5122

E5122是上海精致科技公司研制的飞虹系列网络协议处理器。外部晶振22.1184MHz,工作电压5V。以硬件实现TCP/IP协议,提供API接口,极大地方便了使用,由外部集成 RAM。对用户端以I2C协议或RS-232接口方式进行通信,通信接口支持带I2C接口MPU,为不带I2C接口MPU提供I2C驱动程序。E5122与网络的接口为以太网接口,通过以太网控制芯片RTL8019连接到以太网。串行速率最大达115.2Kbps,达到真正实时传送。

E5122 是完成TCP/IP 协议的专用芯片,用以实现以太网和串口之间的协议转换。可以为串口设备提供完善的网络通信解决方案,只需外接MPU。本系统采用的MPU型号是：89C52单片机。单片机程序中,只需要简单调用API函数即可实现。E5122结构如图2所示。设备做为服务器端,即首次连接网络时,客户机端主动请求连接服务器端作为被动端监听,并接收连接的局域网内连网接收远端客户的主动查询访问,并将设备信息返回给客户;同样,还可以作为客户机主动和局域网内,或Internet上的主机进行通信。 E5122 芯片外部使用32KB RAM,用来作为以太网数据缓冲,使用256字节(最少为256字节)的串行EEPROM(I2C总线接口)存储系统参数。用户通过串口与E5122 连接实现通信。E5122 完成TCP/IP 协议和串口通信协议。支持普通串口和用户设备进行交互,通过外接RTL8019AS 以太网控制芯片来实现网络连接。

图2 E5122结构框图

当系统初次运行时,E5122会对RTL8019AS进行初始化工作,并设置其工作模式以及中断源等。

当RTL8019AS 接收到数据时,会触发E5122 中断。此时E5122 通过A8~A13 和A15 来选择RTL8019AS的寄存器地址和存储器地址,控制和实现数据的读取。当有数据通过E5122 发送给RTL8019AS 时,通过地址线设置RTL8019AS 相应寄存器进行数据发送。

4 硬件电路设计

在具体使用中,由于单片机本身的限制,进行了一系列的简化设计。采用跳线工作方式,JP引脚接高电平; E5122与RTL8019AS接口用于传输网络数据。

当系统初次运行时,E5122 会对RTL8019AS 进行初始化工作,设置RTL8019AS 的工作模式以及设置中断源等。当RTL8019AS 接收到数据时,会触发E5122 中断,此时E5122 通过A8~A13 和A15 来选择RTL8019AS的寄存器地址和存储器地址,控制和实现数据的读取。

当有数据通过E5122 发送给RTL8019AS 时,通过地址线设置RTL8019AS 相应的寄存器进行数据发送。

接口电路图如图3所示。

图3 E5122接口电路图

5 应用中的几个技术问题

在系统的实际应用过程中,要注意以下几个问题。

(1) 传输速度

在系统中,上位PC机与下位测控设备之间数据交换的速度,取决于以太网接口模块的传输速度。而以太网模块的传输速度取决于以太网接口芯片的速度、单片机的处理速度,以及和设备交换数据的方式。

在一般的测控系统中,要传送的仅仅是控制命令和测量数据,数据量不大。模块与测控设备之间采用RS-232、RS-485、CAN等串口方式连接,其通信速率仅几十kb/s或上百kb/s。这时以太网接口芯片的速度(10Mb/s)和微处理器的速度就远大于串口通信速度。因此传输速率主要就取决于串口的通信速率。

当要传送的数据速率要求很高时(如图像),它与测控设备之间就不能再采用串口连接,而必须采用并口连接,这时传输速率就取决于微处理器的处理速度。此时,要选用一些高速的单片机,如P89C52RX系列或SX系列等单片机。

(2) IP地址

以太网测控系统中,测控设备通过该模块进入以太网,就必须确定自己的IP地址。IP地址的获得有两种方式：有动态获得IP地址和固定分配IP地址。由于E5122不支持RARP反向地址解析协议,因此无法获得动态IP地址,只能使用固定IP地址。

(3) 安全控制

在小型封闭的局域网中进行测控,安全问题不大,但在广域网甚至因特网上进行测控,安全控制就至关紧要。为此,采用48~128位的用户密码来保护测控设备的安全。合法用户可以修改、设定自己的密码。网络非法用户即使窃取了IP地址,没有用户密码,也无法操作设备。

(4) 实时性问题

测控系统在很多场合都要强调它的实时性,但以太网不是一个实时系统。由于它的载波侦听碰撞检测(CSMA/CD)通信方式,决定了以太网中IP包的传输会有延迟,甚至丢包,这是利用以太网组成分布式测控系统最大的缺点。但是,现在以太网的速度越来越快,百兆网甚至千兆网,或在一些小型封闭的局域网中,网络的繁忙程度大为减轻,IP包几乎没有碰撞,传输延迟、丢包现象就大大减小,不会影响测控系统的正常工作。同时,在系统的网络层之上,可增加应答协议,丢包的问题就可基本克服。

(5) 连接方式

该模块有两个插座：一个是RJ-45插座,可用双绞线直接连接到以太网;另一个是25脚插座,内含RS-232或RS-485总线接口。

结语

随着21世纪的到来,人类逐步跨入了信息时代。随着科技的进步以及对生活质量要求的不断提高,人们对家电的选择和使用,已经从只关心家电的单项功能转向追求家电品位和控制的便捷性。信息技术和网络化技术的发展,为家用电器居家环境集中控制和远程遥控提供了可能。将信息技术与家电控制技术相融合,在更大程度上实现家庭生活的信息化和自动化,满足人们舒适、高节奏的生活需要,使所有的消费电子产品具有了连入网络的能力,正是消费类电子产品下一步的发展趋势。家电的网络化将给已趋饱和的家电消费市场带来新的需求。对这方面的进一步研究,使得人们的生活方式、工作方式以及思维方式都发生了巨大的变化;同时也刺激了人们对各种数据源和网络服务需求的日益增长,为信息社会注入新的生机和活力,具有重要的理论、实用和商用价值。