以太网智能家居控制器的设计

1引言随着现代4C技术（计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术）的迅速发展以及人们生活水平的不断提高，智能家居已经成为智能建筑的一个重要分支。本文旨在设计一种成本低廉、面向普通家庭的、集本地控制和远程控制于一体的智能家居控制器，用于控制室内家电的运行状态和环境参数的采集。设计中本地控制采用红外技术，远程控制通过开发精简的TCP/IP协议并结合HTTP协议，实现嵌入式Web服务器，从而使用户通过任意的浏览器便可对家居中的设备和环境进行控制和监测。2以太网智能家居控制器的硬件设计智能家居控制器采用8位单片机W78E58B作为系统的核心处理单元，系统硬件框图如图1所示。本地端以红外通信技术为基础，发射端采用NB9148红外编码模块，接收端采用SJ1838进行接收解调，并将控制信号传送给W78E58B。外部扩展RAM62256以提高单片机的数据传输速度和复杂的TCP/IP协议的处理。RS232串口通讯主要用于程序的下载和调试，以及通讯转换接口。GAL器件ATF16V8B用于片选，以节约系统空间资源。DS18B20用于环境温度采集。远程控制的硬件平台由W78E58B和以太网控制器RTL8019AS等器件组成。RTL8019AS是针对ISA总线设计的，用于实现网络的物理层协议的专用以太网控制芯片。RTL8019AS内置了10BASE-T收发器，使用跳线方式，通过可提高网络通信的抗干扰能力的网络滤波器20F-01，再与RJ-45相连。E2PROMAT24C512用于实现嵌入式Web服务器访问的网页文件存储，同时也用于存储用户的一些设置，如IP地址、网关以及网卡芯片MAC地址等参数。3以太网智能家居控制器的软件设计以太网智能家居控制器的软件实现是在单片机上完成的，主要包括虚拟I2C总线读写程序、红外接收和控制程序、温度采集程序、网卡芯片RTL8019AS驱动程序、嵌入式Web服务器的实现以及其他处理程序。本文中只讨论网卡芯片的驱动程序和嵌入式Web服务器的实现。3.1以太网控制器RTL8019AS的驱动程序RTL8019AS的驱动程序是TCP/IP协议与底层物理设备的程序接口，它屏蔽了底层硬件处理的细节，并向上层软件提供与硬件无关的接口。TCP/IP协议只要调用以太网驱动程序即可完成以太网数据的接收和发送。网卡芯片RTL8019AS的驱动程序包括RTL8019AS初始化程序、数据包接收程序和数据包发送程序。3.1.1RTL8019AS初始化RTL8019AS通过RSTDRV管脚进行复位操作。复位后，先对RTL8019AS初始化。初始化操作包含设置PSTART=0x4c，PSTOP=0x80，使0x40～0x4b为网卡的发送缓冲区，0x4c～0x7f为网卡的接收缓冲区；设置RCR=0xcc，仅接收目标物理地址和设置物理地址一致的数据包、广播地址数据包和多点播送地址包；设置TCR=0xe0，工作在正常模式；设置DCR=0xc8，使用FIFO缓存及8位数据DMA；设置IMR=0x00，屏蔽所有中断；组播地址寄存器MAR0～MAR7，均设置为0x00；设置网卡物理地址寄存器PAR0～PAR5；设置CR=0x22，选择页0的寄存器，进入正常工作状态；设置ISR＝0xff，清除所有中断标志位。3.1.2RTL8019AS数据发送首先将待发送的数据按以太网数据帧格式封装后，再置CR寄存器为12H，启动远程写DMA，RTL8019AS会自动将这帧数据送至RTL8019AS的数据发送缓冲区，并将结果写入状态寄存器。最后将CR置为3EH，启动本地写DMA后将数据送入FIFO寄存器，并发送到以太网上。程序流程图见图2所示。接收数据时，接收缓冲区构成一个循环FIFO队列。PSTART、PSTOP两个寄存器限定了循环队列的开始和结束页；CURR为写入指针，受芯片控制；BNRY为读出指针，由主机程序控制。程序通过查询CURR和BNRY两个寄存器的值来判断是否收到一帧数据。程序流程见图3所示。3.2嵌入式Web服务器的实现设计中采用的是W78E58B型8位单片机，由于单片机存储空间有限、处理速度相对较慢，且在整个远程控制中不需要实现完整的TCP/IP协议。因此，可以在远程控制的网络连接和访问技术中采用精简TCP/IP协议。要实现交互功能，就要在精简TCP/IP协议的基础上实现HTTP协议，构建嵌入式Web服务器。本设计中的精简TCP/IP协议具有同TCP/IP协议一样的四层结构，各层实现的功能如下：①链路层。设计中通过以太网接入到Internet，因此物理层和数据链路层要符合以太网的IEEE802.3标准。然而，以太网控制器RTL8019AS的硬件组成部分已经实现了CSMA/CD控制机制，屏蔽了底层硬件处理的细节，并向上层软件提供与硬件无关的接口，最终完成了数据在以太网中的接收和发送。因此，设计中物理层与数据链路层的设计是通过RTL8019AS硬件和驱动程序共同实现的。②网络层实现了ARP协议、ICMP协议和IP协议。ARP是地址解析协议，具体处理过程是当接收到ARP数据包，处理器就查看IP地址是请求还是响应。如果是响应，则将响应中的网卡地址存到ARP高速缓存表中；如果是请求，处理器将返回自己的网卡物理地址给对方。ICMP是调试响应PING的请求，检测网路是否通顺。依照系统实际应用的要求，IP协议只需实现对数据报传送和接收，无须实现路由选择算法和差错控制，同时也不需支持IP数据报的分片和重组。③传输层实现TCP协议。TCP协议是面向连接的、端对端的可靠通信协议。设计中采取了TCP连接的建立与关闭机制、超时重传机制、数据包确认机制、流量控制机制来保证它的可靠性。在超时重传机制中，如果超时重传定时器溢出后还没有收到确认，则重传该数据包，并复位重传定时器。为简单起见，程序里每次只发送一个TCP数据包，然后等待它的确认，只有收到确认后才会继续发送下面的TCP数据包。在本设计，程序重传的间隔时间是固定的，没有采用TCP协议中的标准算法，当达到一定的次数后，发送方还没有收到确认，则会放弃该包的发送并关闭TCP连接。TCP的流量控制是为了协调通信双方的收发速率不均衡而设计的。设计中考虑到系统在使用TCP协议时，只设置了一个中等IP包大小接收缓存，因此接收窗口恒定设为1024。这样远端主机就会以较慢的传输速率与本端的Web服务器进行通信，不会导致死机。④应用层实现了HTTP协议。HTTP是在Web服务器和浏览器之间通信的协议。为了简化，设计中采用固定的HTTP报文头封装HTTP应答数据报文。格式如下：charcodehtml_header[]//客户端访问主页时候服务器的响应头部={HTTP/1.1200OK\n//响应行（RespondLine），状态为OK，表示文件可以读取Cache-control:no-cache\n//没有高速缓存控制Connection:Keep-Alive\n//HTTP/1.1的可持续链接Content-Length:TAG:LEN1\n//文件长度Content-Type:text/html\r\n\r\n}；//客户端GET请求的文件格式在响应HTTP请求时，由于以太网数据包的数据部分不能超过1500字节，因此当发送数据超过1500字节，需要分组发送。3.3以太网智能家居控制器远程控制运行结果智能家居控制器接入以太网后，用户只需在浏览器中输入控制器的IP地址，便可登录远程控制界面。当正确输入用户名和密码后，便进入控制页面，用户可以访问并控制各子系统。图4为智能家电的控制页面，系统使用GIF格式图片表示智能家电开关的状态。当单击控制页面中相应的开关后，智能家居Web服务器收到HTTP请求，执行CGI程序，将相反状态的图片嵌入到网页相应的位置中。与此同时，单片机会在相应家电的控制端口，输出一个与之前状态相反的电平，此时继电器动作，家电运行状态改变。最后智能家居Web服务器将新的HTML页面回送给用户端，浏览器更新页面，并显示改变后的家电状态。智能家居Web服务器的软件系统还启用了定时机制，当用户在规定的时间内未执行任何操作，系统将退出控制页面，返回到登录页面。用户必须重新输入验证信息，并登录后才可再次进入控制页面执行操作，大大提高了整个智能家居控制系统的安全性。4本地智能家电开关控制在本地端使用红外技术和单片机技术控制家电运行。发射端采用NB9148作为红外遥控系统中的红外编码芯片，该芯片具有18个控制功能，发射指令可多达75个。当用户发出控制信号后，红外接收器SJ1838先接收红外信号，再将该编码信号传送给单片机，单片机执行外部中断，进而控制家电运行状态。家电开关的本地控制是利用单片机系统的I/O口输出高低电平，控制与家电相连的固态继电器的状态。由于单片机的输出电压较低，不能直接驱动继电器，因此必须在单片机与继电器之间设置一个驱动电路来控制继电器的动作。5结束语通过运行测试，该系统操作灵活、性能稳定，具备良好的开发与应用前景。利用单片机实现嵌入式以太网访问技术，不仅为智能家居控制系统提供了一个思路，也为嵌入式系统网络化提供了一个开发平台。本文作者创新点：该设计实现了家居控制管理模式从传统的C/S结构到B/S结构的转变，使用户通过任意浏览器监控家居运行状态成为现实。薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿羁膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃虿腿节蒆羈芈莄蚁袄芈蒆蒄螀芇膆蚀蚆袃莈蒃蚂袂蒁螈羀袁膀薁袆袁芃螆螂袀莅蕿蚈衿蒇莂羇羈膇薇袃羇艿莀蝿羆蒂薆螅羅膁蒈蚁羅芄蚄罿羄莆蒇袅羃蒈蚂螁羂膈蒅蚇肁芀蚁薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿羁膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃虿腿节蒆羈芈莄蚁袄芈蒆蒄螀芇膆蚀蚆袃莈蒃蚂袂蒁螈羀袁膀薁袆袁芃螆螂袀莅蕿蚈衿蒇莂羇羈膇薇袃羇艿莀蝿羆蒂薆螅羅膁蒈蚁羅芄蚄罿羄莆蒇袅羃蒈蚂螁羂膈蒅蚇肁芀蚁薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂