E5122的家庭网络控制系统

摘要：对家庭控制系统的方案、组成、硬件配置、软件设计、工作原理、功能以及技术性能进行了论述。给出了通过单片机进行数据采集，并通过网络协议处理器将数据打包成以太网协议包发送到以太网上，从而实现基于以太网的远程控制方案。
１　系统简介
家庭智能控制系统的开发主要基于短信息技术、自动控制技术、计算机技术、数字通信技术及加密技术。该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来实现手机无线遥控和数据传送，并通过专设的短信控制中心和服务中心，来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联网服务、智能办公等方向无限扩展。
一般情况下，只要将设备接入ｉｎｔｅｒｎｅｔ／ｉｎｔｒａｎｅｔ网，原则上只要实现ｔｃｐ／ｉｐ网络协议就可以了。ｔｃｐ／ｉｐ协议及其应用是一项复杂的系统工程。该协议的建立要经过缜密的设计过程，全套协议实现起来比较复杂。在嵌入式系统中实现该协议有一定的难度。在实际应用中，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，也可以对原有的ｔｃｐ／ｉｐ进行精简，而只保留实际应用系统所需要的一些协议，从而使核心芯片既能实现网络的数据传输任务，又可完成对任务的监控。因为，对原有的ｔｃｐ／ｉｐ协议进行精简可大大减轻系统实现的难度，同时也可以提高系统的效率和可靠性。
图1
２　系统工作原理
图１所示是一个基于ｅ５１２２网络协议处理器的家庭网络控制系统的原理框图。图中，以家庭中的三表数据作为采集信号，并将其通过采样保持电路处理以后送入单片机，然后由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，以将数据打包成ｔｃｐ／ｉｐ协议包，最后再把该数据包通过ｒｔｌ８０１９ａｓ以太网控制器发送到以太网上。本系统采用ｃｐｌｄ芯片ｅｐｍ７１２８ｓ作为译码和驱动电路。由于家庭用户终端一般对数据交换的速率要求不高（在１ｍｂ／ｓ以下），所以可采用一般高速单片机来写入ｔｃｐ／ｉｐ协议，这样既可满足功能要求，又能降低成本，用户也容易接受这样的价格。
３　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。其外部晶振频率为２２．１１８４ｍｈｚ，工作电压为５ｖ。可为硬件实现ｔｃｐ／ｉｐ协议提供ａｐｉ接口，并可以ｉ２ｃ协议或ｒｓ－２３２接口方式与用户端进行通信，其通信接口支持带ｉ２ｃ接口的ｍｐｕ，同时还为不带ｉ２ｃ接口的ｍｐｕ提供ｉ２ｃ驱动程序。ｅ５１２２与网络的接口为以太网接口，可通过以太网控制芯片ｒｔｌ８０１９连接到以太网。其串行速率最大可达１１５．２ｋｂｐｓ，并可实现真正实时传送。
ｅ５１２２是完成ｔｃｐ／ｉｐ协议的专用芯片，可用以实现以太网和串口之间的协议转换，该器件只需外接ｍｃｕ就可为串口设备提供完善的网络通信解决方案。本系统采用的ｍｐｕ为８９ｃ５２单片机，而且只需在单片机程序中简单调用ａｐｉ函数即可。图２所示是ｅ５１２２的结构框图。该设备可做为服务器端，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进行监听，同时接受局域网内联网远端客户的主动查询访问，并将设备信息返回给客户?该设备同样也可以作为客户机主动和局域网内或ｉｎ-ｔｅｒｎｅｔ上的主机进行通信。ｅ５１２２芯片外部使用３２ｋｂｒａｍ来为以太网进行数据缓冲。它使用２５６字节（最少为２５６字节）的串行ｅｅｐｒｏｍ（ｉ２ｃ总线接口）来存储系统参数。用户可通过串口与ｅ５１２２进行通信，ｅ５１２２的作用是：完成ｔｃｐ／ｉｐ协议和串口通信协议，同时支持普通串口和用户设备的交互，并可通过外接ｒｔｌ８０１９ａｓ控制芯片来实现网络连接。
４　硬件电路设计
４．１接口电路
在具体使用中，由于单片机本身的限制，设计时可采用跳线方式将ｊｐ引脚接高电平；而用ｅ５１２２与ｒｔｌ８０１９ａｓ的接口来传输网络数据。
当系统初次运行时，ｅ５１２２会对ｒｔｌ８０１９ａｓ进行初始化，同时设置其工作模式以及中断源等。ｒｔｌ８０１９ａｓ接收到数据时会触发ｅ５１２２中断，此时ｅ５１２２将通过ａ８～ａ１３和ａ１５来选择ｒｔｌ８０１９ａｓ的寄存器地址和存储器地址并控制和实现数据的读取，当有数据通过ｅ５１２２发送给ｒｔｌ８０１９ａｓ时，系统将通过地址线设置ｒｔｌ８０１９ａｓ的相应寄存器以进行数据发送。其具体的接口电路如图３所示。
４．２ｉ２ｃ总线数据存储器
ｉ２ｃ总线是ｉｎｔｅｒｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔｂｕｓ的缩写，即“内部集成电路总线”。ｉ２ｃ总线是由ｐｈｉｌｉｐｓ公司首先提出的串行通讯接口规范，该总线使用串行数据线?ｓｄａ?和串行时钟线?ｓｃｌ?来进行主从器件之间的数据传输，接口十分简单。
ｉ２ｃ总线上的数据传输率可达１００ｋｂｉｔ／ｓ，快速模式下可达４００ｋｂｉｔ／ｓ。在ｉ２ｃ总线传输中，当ｓｃｌ为高时，ｓｄａ由高变低为开始条件；而当ｓｃｌ为高时，ｓｄａ由低变为高则为停止条件。ｓｄａ和ｓｃｌ都是双向传输线，ｓｄａ线上的数据在时钟为高期间必须是稳定的，只有当ｓｃｌ线上的时钟信号为低时，数据线上的状态才可以改变。输出到ｓｄａ线上的每一个字节必须是８位，每次传输的字节不受限制，但每个字节必须有一个应答位。
４．３隔离耦合变压器
设计时应采用１?１隔离变压器，同时应避免雷电引起的感应电压损坏后级电路。此外，还需完成平衡－不平衡的转换隔离、传输和匹配。
４．４复位与看门狗电路
通过看门狗电路可在程序跑飞或死机时，对系统进行重新置位或复位，以使系统恢复正常运行。其电路如图４所示。该电路采用ｍａｘ８１３ｌ来完成电源复位和看门狗功能。
５　应用中应注意的几个技术问题
在实际应用过程中，应注意以下几个问题：
（１）传输速度
在系统中，上位ｐｃ机与下位测控设备之间的数据交换速度取决于以太网接口模块的传输速度；而它的传输速度则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。
测控系统要传送的一般是控制命令和测量数据，且数据量不大?模块与测控设备之间可采用ｒｓ－２３２、ｒｓ－４８５、ｃａｎ等串口方式进行连接，其通信速率仅几十ｋｂ／ｓ或上百ｋｂ／ｓ。而以太网接口芯片的速度（１０ｍｂ／ｓ）和微处理器的速度远大于串口通信速度。因此，传输速率主要取决于串口的通信速率。
当对传送速率要求很高时（如传送图像），以太网接口模块与测控设备之间就不能再采用串口进行连接，而必须采用并口连接。这时传输速率取决于微处理器的处理速度。建议选用一些高速单片机，如ｐ８９ｃ５２ｒｘ系列或ｓｘ系列等。
（２）ｉｐ地址
以太网测控系统中的测控设备要通过模块进入以太网，就必须确定自己的ｉｐ地址。ｉｐ地址的获得有两种方式：一是动态获得ｉｐ地址，二是固定分配ｉｐ地址。由于ｅ５１２２不支持ｒａｒｐ反向地址解析协议，故无法获得动态ｉｐ地址，只能用固定ｉｐ地址。
（３）安全控制
在小型封闭式局域网中进行测控时，安全问题一般不大。但在广域网甚至因特网上进行测控时，安全控制就至关重要。为此，应采用４８～１２８位的用户密码来保护测控设备的安全，以使合法用户可修改、设定自己的密码。这样网络非法用户即使窃取了ｉｐ地址，由于没有用户密码，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。它的载波侦听冲突检测（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的最大缺点。但是，现在以太网的速度越来越快，在百兆甚至千兆网或一些小型封闭式局域网中，当网络的繁忙程度大为减轻时，ｉｐ包几乎没有冲突，因而传输延迟、丢包现象将大大减小，而不会影响测控系统的正常工作。同时在系统的网络层之上，如能增加应答协议，则丢包问题就可基本解决。
（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。
６　结束语
随着２１世纪的到来?人类逐步跨入了信息时代。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。因此本文所介绍的方案无疑具有一定的实用和商用价值。