以太網(wǎng)智能家居控制器的設(shè)計(jì)
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1引言
隨著現(xiàn)代 4C技術(shù)（計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)）的迅速發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，智能家居已經(jīng)成為智能建筑的一個(gè)重要分支。本文旨在設(shè)計(jì)一種成本低廉、面向普通家庭的、集本地控制和遠(yuǎn)程控制于一體的智能家居控制器，用于控制室內(nèi)家電的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)的采集。設(shè)計(jì)中本地控制采用紅外技術(shù)，遠(yuǎn)程控制通過開發(fā)精簡(jiǎn)的 TCP/IP協(xié)議并結(jié)合 HTTP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)嵌入式 Web服務(wù)器，從而使用戶通過任意的瀏覽器便可對(duì)家居中的設(shè)備和環(huán)境進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)。 2 以太網(wǎng)智能家居控制器的硬件設(shè)計(jì)
智能家居控制器采用 8位單片機(jī) W78E58B作為系統(tǒng)的核心處理單元，系統(tǒng)硬件框圖如圖 1所示。
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本地端以紅外通信技術(shù)為基礎(chǔ)，發(fā)射端采用 NB9148紅外編碼模塊，接收端采用 SJ1838進(jìn)行接收解調(diào)，并將控制信號(hào)傳送給 W78E58B。外部擴(kuò)展 RAM 62256以提高單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速度和復(fù)雜的 TCP/IP協(xié)議的處理。 RS232串口通訊主要用于程序的下載和調(diào)試，以及通訊轉(zhuǎn)換接口。GAL器件 ATF16V8B用于片選，以節(jié)約系統(tǒng)空間資源。
DS18B20用于環(huán)境溫度采集。
遠(yuǎn)程控制的硬件平臺(tái)由 W78E58B和以太網(wǎng)控制器 RTL8019AS等器件組成。RTL8019AS是針對(duì) ISA總線設(shè)計(jì)的，用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的物理層協(xié)議的專用以太網(wǎng)控制芯片。RTL8019AS內(nèi)置了 10BASE-T收發(fā)器，使用跳線方式，通過可提高網(wǎng)絡(luò)通信的抗干擾能力的網(wǎng)絡(luò)濾波器 20F-01，再與 RJ-45相連。 E2PROM AT24C512用于實(shí)現(xiàn)嵌入式 Web服務(wù)器訪問的網(wǎng)頁(yè)文件存儲(chǔ)，同時(shí)也用于存儲(chǔ)用戶的一些設(shè)置，如 IP地址、網(wǎng)關(guān)以及網(wǎng)卡芯片 MAC地址等參數(shù)。
3 以太網(wǎng)智能家居控制器的軟件設(shè)計(jì)
以太網(wǎng)智能家居控制器的軟件實(shí)現(xiàn)是在單片機(jī)上完成的，主要包括虛擬 I2C總線讀寫程序、紅外接收和控制程序、溫度采集程序、網(wǎng)卡芯片 RTL8019AS驅(qū)動(dòng)程序、嵌入式 Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)以及其他處理程序。本文中只討論網(wǎng)卡芯片的驅(qū)動(dòng)程序和嵌入式 Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)。
3.1 以太網(wǎng)控制器 RTL8019AS的驅(qū)動(dòng)程序
RTL8019AS的驅(qū)動(dòng)程序是 TCP/IP協(xié)議與底層物理設(shè)備的程序接口，它屏蔽了底層硬件處理的細(xì)節(jié)，并向上層軟件提供與硬件無關(guān)的接口。 TCP/IP協(xié)議只要調(diào)用以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序即可完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。網(wǎng)卡芯片 RTL8019AS的驅(qū)動(dòng)程序包括 RTL8019AS初始化程序、數(shù)據(jù)包接收程序和數(shù)據(jù)包發(fā)送程序。
3.1.1 RTL8019AS初始化
RTL8019AS通過 RSTDRV管腳進(jìn)行復(fù)位操作。復(fù)位后，先對(duì) RTL8019AS初始化。初始化操作包含設(shè)置 PSTART=0x4c，PSTOP=0x80，使 0x40～0x4b為網(wǎng)卡的發(fā)送緩沖區(qū)，0x4c～ 0x7f為網(wǎng)卡的接收緩沖區(qū)；設(shè)置 RCR=0xcc，僅接收目標(biāo)物理地址和設(shè)置物理地址一致的數(shù)據(jù)包、廣播地址數(shù)據(jù)包和多點(diǎn)播送地址包；設(shè)置 TCR=0xe0，工作在正常模式；設(shè)置 DCR=0xc8，使用 FIFO緩存及 8位數(shù)據(jù) DMA；設(shè)置 IMR=0x00，屏蔽所有中斷；組播地址寄存器 MAR0～MAR7，均設(shè)置為 0x00；設(shè)置網(wǎng)卡物理地址寄存器 PAR0～PAR5；設(shè)置 CR=0x22，選擇頁(yè) 0的寄存器，進(jìn)入正常工作狀態(tài)；設(shè)置 ISR＝0xff，清除所有中斷標(biāo)志位。
3.1.2 RTL8019AS數(shù)據(jù)發(fā)送
首先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式封裝后，再置 CR寄存器為 12H，啟動(dòng)遠(yuǎn)程寫 DMA，RTL8019AS會(huì)自動(dòng)將這幀數(shù)據(jù)送至 RTL8019AS的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)，并將結(jié)果寫入狀態(tài)寄存器。最后將 CR置為 3EH，啟動(dòng)本地寫 DMA后將數(shù)據(jù)送入 FIFO寄存器，并發(fā)送到以太網(wǎng)上。程序流程圖見圖 2所示。
接收數(shù)據(jù)時(shí)，接收緩沖區(qū)構(gòu)成一個(gè)循環(huán) FIFO隊(duì)列。 PSTART、PSTOP兩個(gè)寄存器限定了循環(huán)隊(duì)列的開始和結(jié)束頁(yè)；CURR為寫入指針，受芯片控制； BNRY為讀出指針，由主機(jī)程序控制。程序通過查詢 CURR和 BNRY兩個(gè)寄存器的值來判斷是否收到一幀數(shù)據(jù)。程序流程見圖 3所示。
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3.2 嵌入式 Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)
設(shè)計(jì)中采用的是 W78E58B型 8位單片機(jī)，由于單片機(jī)存儲(chǔ)空間有限、處理速度相對(duì)較慢，且在整個(gè)遠(yuǎn)程控制中不需要實(shí)現(xiàn)完整的 TCP/IP協(xié)議。因此，可以在遠(yuǎn)程控制的網(wǎng)絡(luò)連接和訪問技術(shù)中采用精簡(jiǎn) TCP/IP協(xié)議。要實(shí)現(xiàn)交互功能，就要在精簡(jiǎn) TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn) HTTP協(xié)議，構(gòu)建嵌入式 Web服務(wù)器。本設(shè)計(jì)中的精簡(jiǎn) TCP/IP協(xié)議具有同 TCP/IP協(xié)議一樣的四層結(jié)構(gòu)，各層實(shí)現(xiàn)的功能如下：
①鏈路層。設(shè)計(jì)中通過以太網(wǎng)接入到 Internet，因此物理層和數(shù)據(jù)鏈路層要符合以太網(wǎng)的 IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。然而，以太網(wǎng)控制器 RTL8019AS的硬件組成部分已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 CSMA/CD控制機(jī)制，屏蔽了底層硬件處理的細(xì)節(jié)，并向上層軟件提供與硬件無關(guān)的接口，最終完成了數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)中的接收和發(fā)送。因此，設(shè)計(jì)中物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)計(jì)是通過 RTL8019AS硬件和驅(qū)動(dòng)程序共同實(shí)現(xiàn)的。
②網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)了 ARP協(xié)議、ICMP協(xié)議和 IP協(xié)議。ARP是地址解析協(xié)議，具體處理過程是當(dāng)接收到 ARP數(shù)據(jù)包，處理器就查看 IP地址是請(qǐng)求還是響應(yīng)。如果是響應(yīng)，則將響應(yīng)中的網(wǎng)卡地址存到 ARP高速緩存表中；如果是請(qǐng)求，處理器將返回自己的網(wǎng)卡物理地址給對(duì)方。ICMP是調(diào)試響應(yīng) PING的請(qǐng)求，檢測(cè)網(wǎng)路是否通順。依照系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的要求， IP協(xié)議只需實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)傳送和接收，無須實(shí)現(xiàn)路由選擇算法和差錯(cuò)控制，同時(shí)也不需支持 IP數(shù)據(jù)報(bào)的分片和重組。
③傳輸層實(shí)現(xiàn) TCP協(xié)議。 TCP協(xié)議是面向連接的、端對(duì)端的可靠通信協(xié)議。設(shè)計(jì)中采取了 TCP連接的建立與關(guān)閉機(jī)制、超時(shí)重傳機(jī)制、數(shù)據(jù)包確認(rèn)機(jī)制、流量控制機(jī)制來保證它的可靠性。在超時(shí)重傳機(jī)制中，如果超時(shí)重傳定時(shí)器溢出后還沒有收到確認(rèn)，則重傳該數(shù)據(jù)包，并復(fù)位重傳定時(shí)器。為簡(jiǎn)單起見，程序里每次只發(fā)送一個(gè) TCP數(shù)據(jù)包，然后等待它的確認(rèn)，只有收到確認(rèn)后才會(huì)繼續(xù)發(fā)送下面的 TCP數(shù)據(jù)包。在本設(shè)計(jì)，程序重傳的間隔時(shí)間是固定的，沒有采用 TCP協(xié)議中的標(biāo)準(zhǔn)算法，當(dāng)達(dá)到一定的次數(shù)后，發(fā)送方還沒有收到確認(rèn)，則會(huì)放棄該包的發(fā)送并關(guān)閉 TCP連接。TCP的流量控制是為了協(xié)調(diào)通信雙方的收發(fā)
④應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)了 HTTP協(xié)議。HTTP是在 Web服務(wù)器和瀏覽器之間通信的協(xié)議。為了
簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)中采用固定的 HTTP報(bào)文頭封裝 HTTP應(yīng)答數(shù)據(jù)報(bào)文。格式如下：
char code html_header[ ] //客戶端訪問主頁(yè)時(shí)候服務(wù)器的響應(yīng)頭部
= {"HTTP/1.1 200 OKn" //響應(yīng)行（ Respond Line），狀態(tài)為 OK，表示文件可以讀取
"Cache-control: no-cachen" //沒有高速緩存控制
"Connection: Keep-Aliven" //HTTP/1.1的可持續(xù)鏈接
"Content-Length: TAG:LEN1n" //文件長(zhǎng)度
"Content-Type: text/htmlrnrn" }；//客戶端 GET請(qǐng)求的文件格式
在響應(yīng) HTTP請(qǐng)求時(shí)，由于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部分不能超過 1500字節(jié)，因此當(dāng)發(fā)送
數(shù)據(jù)超過 1500字節(jié)，需要分組發(fā)送。
3.3 以太網(wǎng)智能家居控制器遠(yuǎn)程控制運(yùn)行結(jié)果
智能家居控制器接入以太網(wǎng)后，用戶只需在瀏覽器中輸入控制器的 IP地址，便可登錄遠(yuǎn)程控制界面。當(dāng)正確輸入用戶名和密碼后，便進(jìn)入控制頁(yè)面，用戶可以訪問并控制各子系統(tǒng)。
圖 4為智能家電的控制頁(yè)面，系統(tǒng)使用 GIF格式圖片表示智能家電開關(guān)的狀態(tài)。當(dāng)單擊控制頁(yè)面中相應(yīng)的開關(guān)后，智能家居 Web服務(wù)器收到 HTTP請(qǐng)求，執(zhí)行 CGI程序，將相反狀態(tài)的圖片嵌入到網(wǎng)頁(yè)相應(yīng)的位置中。與此同時(shí)，單片機(jī)會(huì)在相應(yīng)家電的控制端口，輸出一個(gè)與之前狀態(tài)相反的電平，此時(shí)繼電器動(dòng)作，家電運(yùn)行狀態(tài)改變。最后智能家居 Web服務(wù)器將新的 HTML頁(yè)面回送給用戶端，瀏覽器更新頁(yè)面，并顯示改變后的家電狀態(tài)。
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智能家居 Web服務(wù)器的軟件系統(tǒng)還啟用了定時(shí)機(jī)制，當(dāng)用戶在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)未執(zhí)行任何操作，系統(tǒng)將退出控制頁(yè)面，返回到登錄頁(yè)面。用戶必須重新輸入驗(yàn)證信息，并登錄后才可再次進(jìn)入控制頁(yè)面執(zhí)行操作，大大提高了整個(gè)智能家居控制系統(tǒng)的安全性。
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