摘　要：本文簡要介紹了信息家電和家庭網(wǎng)關的特點以及它們的功能分配問題，描述了利用SX52單片機模擬家庭網(wǎng)關的通用設計方法，具體對如何在SX52上擴展軟硬件模擬家庭網(wǎng)關功能和信息家電功能進行了重點分析討論，并以模擬電冰箱為例做了具體實現(xiàn)，為后續(xù)的家庭網(wǎng)關和信息家電研究提供了基礎實驗平臺。
關鍵詞：家庭網(wǎng)關；信息家電；嵌入式系統(tǒng)；SX52；嵌入式Web服務器

1  引言

信息家電（3C或說是IA）對人們來說已經不再是一個陌生的名字了，它是利用電腦、電信和電子技術與傳統(tǒng)家電相結合的創(chuàng)新產品， 是為數(shù)字化與網(wǎng)絡技術更廣泛地深人家庭生活而設計的新型家用電器。要將它們與外部網(wǎng)絡（如Internet）連接進行信息交互，利用家庭網(wǎng)關進行集中式管理無疑是一個理想的解決方案。家庭網(wǎng)關就是這樣一種簡單的、智能的、標準化的、靈活的整個家庭網(wǎng)絡接口單元，它可以從不同的外部網(wǎng)絡接收通訊信號，通過家庭網(wǎng)絡傳遞信號給某個消費設備。但是，目前家庭網(wǎng)關在體系結構、功能分配等方面的標準還未確定，對其的研究正在如火如荼進行中。

本文采用SX52嵌入式網(wǎng)絡單片機集成式開發(fā)系統(tǒng)主模塊模擬家庭網(wǎng)關，并利用其外圍擴展模塊模擬信息家電，從而成功搭建了一個模擬家庭網(wǎng)關和信息家電交互的軟硬件平臺，這種利用一個單片機集成系統(tǒng)對家庭網(wǎng)關和信息家電進行模擬，為研究信息家電的內部體系結構以及家庭網(wǎng)關和信息家電功能分配提供了實驗平臺，同時大大節(jié)省了資源和費用。

2        相關理論研究

2.1信息家電

信息家電是所有能夠通過網(wǎng)絡系統(tǒng)交互信息的家電產品，也就是說信息家電是將數(shù)字技術和網(wǎng)絡技術集成在電冰箱、洗衣機等傳統(tǒng)家用電器上并以此為基礎建立家庭網(wǎng)絡環(huán)境，信息家電具有以下特點：（1）通過有線或無線方式相連，能相互識別并協(xié)同工作與網(wǎng)絡化；（2）能夠遵循一定的協(xié)議，通過家庭網(wǎng)關或直接與外部網(wǎng)絡進行信息交互；（3）功能單一[1]集中并且使用簡單；（4）具有實時化、數(shù)字化與智能化的特點；（5）應用嵌入式操作系統(tǒng)。根據(jù)這些特點，我們將其內部體系結構分為上下兩大模塊層，上層為軟件模塊，由上至下為應用層（如服務注冊、應用協(xié)議解釋等）、嵌入式操作系統(tǒng)層(如嵌入式Linux、WinCE等)、設備驅動層(如液晶顯示屏驅動、觸摸屏驅動等)，下層為硬件模塊，包括核心主板(包括嵌入式處理器芯片如S3C2410等) 、家電硬件及控制層(自帶控制模塊)、外圍芯片(如RTL8019AS、Bluetooth等)。其中核心主板為主控制器，信息家電通過外圍芯片與外界進行信息交互，在核心主板的控制下再與家電控制模塊進行雙向信息交流，從而實現(xiàn)對家電硬件的監(jiān)控。這里提到的嵌入式操作系統(tǒng)在今后隨著信息家電產品功能的增多增強，對其的使用是一種必然趨勢，本文在有限資源的單片機上實現(xiàn)模擬系統(tǒng)就沒有對其進行討論。

2.2家庭網(wǎng)關

單個的信息家電也可以具有與Internet直接連接上網(wǎng)的功能，但是借助現(xiàn)有的計算機網(wǎng)絡技術，將家庭內各種家電和設備連網(wǎng)，通過家庭網(wǎng)絡為人們提供各種豐富、多樣化、個性化、方便、舒適、安全和高效的服務，把所有的信息家電連接起來形成一個家庭網(wǎng)絡，再把接入Internet的功能移至到家庭網(wǎng)關，由家庭網(wǎng)關承擔起與Internet進行信息交互的責任，這不僅會減少信息家電的負載、降低成本，而且對家庭網(wǎng)絡化也是一種促進，因為家庭網(wǎng)絡內部可以使用不同的協(xié)議，從而更具靈活性。因此，實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡與外部信息的交換需要設計一個理想的家庭網(wǎng)關。家庭網(wǎng)關應具備的兩個主要功能是：(1)作為家庭內部網(wǎng)絡和外部網(wǎng)絡連接的一種物理接口；(2)使住宅用戶可以獲得各種家庭服務（包括現(xiàn)有的服務和未來可能出現(xiàn)的服務，譬如經過授權能打開朋友家的影碟機進行影片觀看等）的平臺。

家庭網(wǎng)關接口的有效的解決方案，當前比較統(tǒng)一的觀點是開發(fā)一個集中式網(wǎng)關，它將提供一個最有效的橋接外部網(wǎng)絡和家庭網(wǎng)絡或設備的解決方案。另外，以PC作為家庭網(wǎng)關，體積過大，環(huán)境適應能力差，而且還必須安裝兩個網(wǎng)絡適配器（一個用于連接 Internet，一個用于連接內部網(wǎng)絡），總的費用也比一臺專用網(wǎng)關要高。因此，設計專用網(wǎng)關是完全有必要的。鑒于家庭網(wǎng)關的功能特點，其邏輯結構應如圖1所示。

圖1家庭網(wǎng)關邏輯結構

3        硬件選型

3.1 SX52的特點

如何利用單片機本身有限的資源對信息進行TCP／IP協(xié)議處理，使之變成可以在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包？目前有兩種方案：一種是PC網(wǎng)關+專用網(wǎng)，缺點是要增加布線和第三方協(xié)議轉換軟件；另一種是32位MCU+RTOS，弊端是開發(fā)難，成本極高。而用軟件方法實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議比采用集成網(wǎng)絡協(xié)議的芯片，具有節(jié)省空間、降低成本的優(yōu)點，更重要的是可以隨意配置甚至修改各種協(xié)議，且能通過軟件升級方式跟隨未來的發(fā)展。通過美國Ubicom公司的SX52微控器進行網(wǎng)絡控制就具備這個優(yōu)勢，其主要特點有：（1）速度快，在100MHz頻率下能達到100MIPS；（2）現(xiàn)成的網(wǎng)絡協(xié)議模塊供套用，可以通過虛擬外設功能來運行網(wǎng)絡協(xié)議棧，例如TCP、IP、HTTP以及SMTP等；（3）強大的虛擬外設功能，即通過軟件對I/O口進行靈活的配置，CPU執(zhí)行虛擬軟件模塊就可以驅動普通的I/O口來模擬外設的功能，比如UART、SPI、IIC和FSK等。采用其成功的網(wǎng)絡協(xié)議模塊和一些適用于小型嵌入式系統(tǒng)的做法構筑現(xiàn)場控制是非常合適的做法。

3.2 SX52主要功能模塊

　　3.2.1 CPU模塊（包括在線下載 ISP 電路）

此模塊實現(xiàn)開發(fā)系統(tǒng)板的系統(tǒng)控制，并實現(xiàn)網(wǎng)絡接口控制，主要包含SX52BD。SX52BD為開發(fā)系統(tǒng)板主CPU，它是一款RISC指令集的高速8位單片機，片上帶有4K×16 位的Flash存儲器和262×8位的RAM。由于采用CPU并行流水線方式及單時鐘周期指令，指令執(zhí)行速度可達100MIPS。這款單片機可以廣泛應用在需要網(wǎng)絡支持的場合，尤其適合于需要遠程監(jiān)控的應用中。開發(fā)系統(tǒng)板所實現(xiàn)的網(wǎng)絡協(xié)議（IP、ARP、DHCP、UDP、TCP、HTTP、SMTP）就是通過此芯片實現(xiàn)的。

　　3.2.2 網(wǎng)絡接口模塊

此模塊實現(xiàn)了兩種網(wǎng)絡接口方式： 以太網(wǎng)接口和調制解調器接口, 主要包含RTL8019AS、以太網(wǎng)收發(fā)濾波器芯片、MAX232等。

3.2.3 用戶試驗區(qū)模塊

主CPU的信號引腳都已經連接到用戶試驗區(qū)的周圍，有5組共40條信號線。開發(fā)使用人員可以在試驗區(qū)利用這些信號進行相應的外圍電路擴展試驗。

4        模擬系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

4.1 硬件設計與實現(xiàn)

本文選擇SX52作為模擬實現(xiàn)信息家電和家庭網(wǎng)關交互的平臺是非常合適的，因為我們利用其用戶試驗區(qū)模塊擴展外圍模塊電路（如電冰箱遙控模塊）模擬信息家電，以主模塊模擬家庭網(wǎng)關，以實現(xiàn)通過遠程終端（Web瀏覽器或者專用控制客戶端）對信息家電的控制，本文只討論利用專用控制客戶端，通過串口通訊方式實現(xiàn)對家電的遠程控制。在板上添加了紅外遙控發(fā)射電路（主芯片CS5104）模擬電冰箱，能夠實現(xiàn)對電冰箱的遙控功能，同時為了了解開發(fā)系統(tǒng)遙控效果，還添加了遙控接收電路（主芯片CS8206），可以響應發(fā)射電路的遙控信號。還添加了遙控接收端狀態(tài)LED（9只）用于顯示電冰箱狀態(tài)。硬件構成框圖如圖2所示，本文只給出包含電冰箱模塊的框圖，添加其它模塊類似。

圖2  系統(tǒng)硬件構成框圖

4.2 軟件設計與實現(xiàn)

通過專用控制客戶端控制信息家電，首先要定義控制協(xié)議，讓從客戶端發(fā)送過去的信息被家庭網(wǎng)關解包提取有效信息后能進行協(xié)議轉換，把控制信息轉化為控制命令發(fā)送給信息家電，以執(zhí)行正確的操作，系統(tǒng)工作流程如下：

（1）開發(fā)系統(tǒng)板上電后初始化主芯片及各外圍芯片。

（2）打開客戶端程序如圖3所示。

（3）根據(jù)需要配置控制電冰箱的各選項，點擊“確定”后即啟動開發(fā)板上的電冰箱模塊，然后客戶端程序發(fā)出的服務請求（包含連接家庭網(wǎng)關的認證請求），經過開發(fā)板上的RTL8019AS,再經SX52解釋驗證，如果驗證成功，在SX52控制下把已經轉換的請求信息發(fā)送給電冰箱遙控發(fā)射芯片，該芯片發(fā)送遙控信號遙控接收電路，通過相應的LED顯示，從而響應遠程控制請求。最后通過觀看控制界面上的顯示狀態(tài)與開發(fā)板上相應LED顯示是否相符（界面上表示溫度的滑竿只設計了三個固定溫度，在開發(fā)板上用三個LED分別顯示），從而檢驗模擬系統(tǒng)運行成功與否。

圖3  專用控制客戶端界面

由于考慮到單片機的處理能力，定義單個字符傳遞控制信息不僅可以節(jié)省資源，而且可以縮短響應時間，滿足更高的實時性要求。以對電冰箱模塊的模擬為例，由客戶端程序發(fā)送給網(wǎng)關的信息，由網(wǎng)關提取后轉發(fā)給電冰箱模塊，其中的控制協(xié)議具體實現(xiàn)如下：用'e'代表關閉，'t'代表設置溫度（考慮到單片機的處理能力有限，只利用 “高中低”代表溫度設定值），'s'代表啟動/凍速（快速、標準、慢速，啟動后默認為標準），'m'代表工作模式（省電模式和正常模式）。選擇好各選項按“確定”后，就將控制信息以數(shù)據(jù)報的形式發(fā)送給家庭網(wǎng)關（SX52），家庭網(wǎng)關再進行解拆包，把來自客戶端的有效控制信息提取出來，再轉換成為模擬信息家電的電冰箱模塊所能識別的形式，最后通過I²C總線發(fā)給電冰箱模塊。后面相應的燈就按已經定義好的規(guī)律變亮或是變暗，表示溫度的滑竿的狀態(tài)也相應變化。

根據(jù)上面制定的協(xié)議，制作客戶端和在相應的文件中進行代碼添加和修改，再按以下的步驟完成最后的工作：

（1）制作客戶端實現(xiàn)以上協(xié)議，并顯示電冰箱的控制狀態(tài)信息，頁面外觀如圖3所示。

（2）修改i2c_uartdemo.src源文件，將其中的串口連接方式改為以太網(wǎng)連接方式，并添加電冰箱初始化代碼、中斷代碼和協(xié)議轉化模塊。

（3）利用匯編/編程器軟件SXKey52.exe將文件i2c_uartdemo.src下載到開發(fā)系統(tǒng)板，然后利用PC上運行的客戶端程序（如圖3所示）對開發(fā)板上的電冰箱硬件電路進行控制。

5        小 結

本文從研究家庭網(wǎng)關和信息家電出發(fā)，選擇高性能的8位SX52單片機集成系統(tǒng)并進行軟硬件裁剪，成功地利用外圍硬件電路和虛擬外圍及網(wǎng)絡協(xié)議軟件虛擬模塊，搭建了模擬家庭網(wǎng)關和信息家電的嵌入式實驗平臺，為進一步研究家庭網(wǎng)關和信息家電內部結構以及二者之間的功能分配打下了堅實的基礎。

參考文獻

[1]  秦勃,章軍,基于嵌入式系統(tǒng)的安全網(wǎng)關的設計,微計算機信息,2005年第21卷第8-2 期