基于E5122的家庭網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

引 言

　　隨著信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛普及，越來越多的家庭通過Internet或Intranet來獲得信息和資訊。作為現(xiàn)代化的智能化住宅小區(qū)，向社區(qū)內(nèi)的廣大住戶提供寬帶多媒體綜合信息資訊服務(wù)，是智能化住宅的重要體現(xiàn)，也是信息社會發(fā)展的客觀需要。建設(shè)部住宅產(chǎn)業(yè)辦公室提出了我國住宅智能化的概念，即住宅小區(qū)智能化是利用4C(計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)、自控、IC卡)技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程家庭的智能控制，通過有效的傳輸網(wǎng)絡(luò),將遠(yuǎn)程信息服務(wù)與管理、物業(yè)管理與安防、住宅智能化系統(tǒng)集成,為住宅小區(qū)的服務(wù)與管理提供高技術(shù)的智能化手段,以期實(shí)現(xiàn)快捷高效的超值服務(wù)管理,提供安全舒適的家居環(huán)境。

1 系統(tǒng)簡介

　　家庭智能控制系統(tǒng)的開發(fā)基于短信息技術(shù)、自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)及加密技術(shù)。系統(tǒng)利用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和控制器，以無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)為基本控制指令和數(shù)據(jù)信息傳送方式，實(shí)現(xiàn)手機(jī)無線遙控和數(shù)據(jù)傳送。通過專設(shè)的短信控制中心和服務(wù)中心，為家庭和小區(qū)管理提供全方位的數(shù)字化服務(wù)。家庭智能控制系統(tǒng)具有手機(jī)遠(yuǎn)程控制、自動報(bào)警、呼叫社區(qū)服務(wù)、物業(yè)管理等功能，還可以根據(jù)用戶群的需要向生活連網(wǎng)服務(wù)、智能辦公等方向無限擴(kuò)展。

　　設(shè)備接入Internet/Intranet網(wǎng)，原則上講，只要實(shí)現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就可以。TCP/IP協(xié)議及其應(yīng)用是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。該協(xié)議的建立經(jīng)過了縝密的設(shè)計(jì)過程，全套協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是比較復(fù)雜的。在嵌入式系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)該協(xié)議有一定的難度。在實(shí)際的應(yīng)用中，如果要完全實(shí)現(xiàn)該協(xié)議，比較合理的方案是直接利用集成的TCP/lP協(xié)議的芯片，將系統(tǒng)中央控制單元和TCP/IP協(xié)議處理單元進(jìn)行分離。

　　另一方面，實(shí)現(xiàn)其它幾個方案中，可以對原有的TCP/IP進(jìn)行精簡，保留實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)所需要的一些協(xié)議，使得核心芯片既能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，又可以完成監(jiān)控任務(wù)。對原有的TCP/IP協(xié)議迸行精簡，可以大大減輕系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度，并提高系統(tǒng)的效率和可靠性。

圖1

2 系統(tǒng)工作原理

　　該系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

　　家庭中的三表度數(shù)作為采集信號，通過采樣保持電路處理以后，送入單片機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)把數(shù)據(jù)通過串口送入E5122網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器中進(jìn)行打包處理，將數(shù)據(jù)打包成TCP/IP協(xié)議包，該數(shù)據(jù)包通過RTL8019AS以太網(wǎng)控制器發(fā)送到以太網(wǎng)上。采用CPLD芯片EPM7128S作為譯碼和驅(qū)動電路。在本應(yīng)用場合，家庭用戶終端對數(shù)據(jù)交換的速率要求不高，在1MB/s以下。所以可以采用一般的高速單片機(jī)，寫入TCP/IP協(xié)議，這樣既可以滿足要求，價(jià)格又能讓用戶接受。

3 芯片介紹

    (1)網(wǎng)絡(luò)接口控制器RTL8019AS

　　RTL8019AS是Realtek公司高集成度的專用以太網(wǎng)接口芯片，支持EthernetII、IEEE802.3、10Base5、10Base2、10BaseT，支持UTP、AUI&BNC、PnP自動探測模式，并且內(nèi)嵌16KB SRAM用于收發(fā)緩沖，降低了對主處理器的速度要求。支持8位、16位數(shù)據(jù)總線模式；支持跳線、無跳線模式；有全雙工的通信接口，可以通過交換機(jī)在雙絞線上同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，使帶寬從10M增加到20M，是用來進(jìn)行以太網(wǎng)通信的理想芯片。

　　RTL8019AS有3種工作方式：

① 跳線方式，網(wǎng)卡的I/O和中斷由跳線決定；

② 即插即用方式，由軟件進(jìn)行自動配置plug and play；

③ 免跳線方式，網(wǎng)卡的I/O和中斷由外接的93C46里的內(nèi)容決定。

　　網(wǎng)卡使用哪種方式由RTL8019AS的第65腳JP決定。65腳JP 為高電平時(shí)(接到VCC或通過一個10kΩ的電阻上拉)使用跳線方式；RTL8019AS引腳懸空時(shí)，輸入狀態(tài)為低電平(其它引腳也是這樣，懸空的輸入腳電平為低電平，里面有一個100kΩ的下拉電阻)。64腳AUI，該引腳決定使用AUI還是BNC接口。我們用的網(wǎng)卡接口一般是BNC的，很少用AUI。BNC接口方式支持8線雙絞或同軸電纜。高電平時(shí)使用AUI接口，懸空為低電平，使用BNC接口。IOCS16B引腳用電阻下拉為低電平，選擇8位數(shù)據(jù)總線模式，省去BROM模塊，只需8根數(shù)據(jù)線SD0~SD7?；刂愤x擇引腳IOS3、IOS2、IOS1、IOS0空接為低電平。因?yàn)樾酒瑑?nèi)部都接有下拉電阻，此時(shí)I/O基地址為300H，所以地址線SA8、SA9接高電平。又因?yàn)榧拇嫫鞯牡刂菲屏繛?0H~1FH共32個，所以只用了地址線SA0~SA4，其余地址線接地即可。芯片的中斷線由IRQS2、IRQS1、IRQS0決定，全部空接時(shí)中斷線為INT0，8根中斷線7根空接。SMEMRB和SMEMWB引腳決定網(wǎng)絡(luò)接口類型時(shí)，10BaseT、10Base2或10Base5采用懸空方式時(shí)為低電平。即為自動選擇方式。AUI引腳決定使用AUI還是BNC接口，懸空時(shí)為低電平。使用BNC接口，支持雙絞線或同軸電纜，所使用的引腳有：TPIN+、TPIN－、TPOUT+、TPOUT－，接入網(wǎng)卡耦合隔離變壓器中，利用RJ45插頭實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的連接。

    (2)TCP/IP協(xié)議解析芯片E5122

　　 E5122是上海精致科技公司研制的飛虹系列網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器。外部晶振22.1184MHz，工作電壓5V。以硬件實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，提供API接口，極大地方便了使用，由外部集成 RAM。對用戶端以I2C協(xié)議或RS-232接口方式進(jìn)行通信，通信接口支持帶I2C接口MPU，為不帶I2C接口MPU提供I2C驅(qū)動程序。E5122與網(wǎng)絡(luò)的接口為以太網(wǎng)接口，通過以太網(wǎng)控制芯片RTL8019連接到以太網(wǎng)。串行速率最大達(dá)115.2Kbps，達(dá)到真正實(shí)時(shí)傳送。

　　E5122 是完成TCP/IP 協(xié)議的專用芯片，用以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和串口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換?？梢詾榇谠O(shè)備提供完善的網(wǎng)絡(luò)通信解決方案，只需外接MPU。本系統(tǒng)采用的MPU型號是：89C52單片機(jī)。單片機(jī)程序中，只需要簡單調(diào)用API函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)。E5122結(jié)構(gòu)如圖2所示。設(shè)備做為服務(wù)器端，即首次連接網(wǎng)絡(luò)時(shí)，客戶機(jī)端主動請求連接服務(wù)器端作為被動端監(jiān)聽，并接收連接的局域網(wǎng)內(nèi)連網(wǎng)接收遠(yuǎn)端客戶的主動查詢訪問，并將設(shè)備信息返回給客戶；同樣，還可以作為客戶機(jī)主動和局域網(wǎng)內(nèi)，或Internet上的主機(jī)進(jìn)行通信。 E5122 芯片外部使用32KB RAM，用來作為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)緩沖，使用256字節(jié)(最少為256字節(jié))的串行EEPROM(I2C總線接口)存儲系統(tǒng)參數(shù)。用戶通過串口與E5122 連接實(shí)現(xiàn)通信。E5122 完成TCP/IP 協(xié)議和串口通信協(xié)議。支持普通串口和用戶設(shè)備進(jìn)行交互，通過外接RTL8019AS 以太網(wǎng)控制芯片來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。

　　當(dāng)系統(tǒng)初次運(yùn)行時(shí)，E5122會對RTL8019AS進(jìn)行初始化工作，并設(shè)置其工作模式以及中斷源等。

　　當(dāng)RTL8019AS 接收到數(shù)據(jù)時(shí)，會觸發(fā)E5122 中斷。此時(shí)E5122 通過A8~A13 和A15 來選擇RTL8019AS的寄存器地址和存儲器地址，控制和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取。當(dāng)有數(shù)據(jù)通過E5122 發(fā)送給RTL8019AS 時(shí)，通過地址線設(shè)置RTL8019AS 相應(yīng)寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

4 硬件電路設(shè)計(jì)

　　在具體使用中，由于單片機(jī)本身的限制，進(jìn)行了一系列的簡化設(shè)計(jì)。采用跳線工作方式，JP引腳接高電平； E5122與RTL8019AS接口用于傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

　　當(dāng)系統(tǒng)初次運(yùn)行時(shí)，E5122 會對RTL8019AS 進(jìn)行初始化工作，設(shè)置RTL8019AS 的工作模式以及設(shè)置中斷源等。當(dāng)RTL8019AS 接收到數(shù)據(jù)時(shí)，會觸發(fā)E5122 中斷，此時(shí)E5122 通過A8~A13 和A15 來選擇RTL8019AS的寄存器地址和存儲器地址，控制和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取。

　　當(dāng)有數(shù)據(jù)通過E5122 發(fā)送給RTL8019AS 時(shí)，通過地址線設(shè)置RTL8019AS 相應(yīng)的寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

　　接口電路圖如圖3所示。

5 應(yīng)用中的幾個技術(shù)問題

　　在系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過程中，要注意以下幾個問題。

    (1)傳輸速度

　　在系統(tǒng)中，上位PC機(jī)與下位測控設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換的速度，取決于以太網(wǎng)接口模塊的傳輸速度。而以太網(wǎng)模塊的傳輸速度取決于以太網(wǎng)接口芯片的速度、單片機(jī)的處理速度，以及和設(shè)備交換數(shù)據(jù)的方式。

　　在一般的測控系統(tǒng)中，要傳送的僅僅是控制命令和測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量不大。模塊與測控設(shè)備之間采用RS-232、RS-485、CAN等串口方式連接，其通信速率僅幾十kb/s或上百kb/s。這時(shí)以太網(wǎng)接口芯片的速度(10Mb/s)和微處理器的速度就遠(yuǎn)大于串口通信速度。因此傳輸速率主要就取決于串口的通信速率。

　　當(dāng)要傳送的數(shù)據(jù)速率要求很高時(shí)(如圖像)，它與測控設(shè)備之間就不能再采用串口連接，而必須采用并口連接，這時(shí)傳輸速率就取決于微處理器的處理速度。此時(shí)，要選用一些高速的單片機(jī)，如P89C52RX系列或SX系列等單片機(jī)。

    (2)IP地址

　　以太網(wǎng)測控系統(tǒng)中，測控設(shè)備通過該模塊進(jìn)入以太網(wǎng)，就必須確定自己的IP地址。IP地址的獲得有兩種方式：有動態(tài)獲得IP地址和固定分配IP地址。由于E5122不支持RARP反向地址解析協(xié)議，因此無法獲得動態(tài)IP地址，只能使用固定IP地址。

    (3)安全控制

　　在小型封閉的局域網(wǎng)中進(jìn)行測控，安全問題不大，但在廣域網(wǎng)甚至因特網(wǎng)上進(jìn)行測控，安全控制就至關(guān)緊要。為此，采用48~128位的用戶密碼來保護(hù)測控設(shè)備的安全。合法用戶可以修改、設(shè)定自己的密碼。網(wǎng)絡(luò)非法用戶即使竊取了IP地址，沒有用戶密碼，也無法操作設(shè)備。

    (4)實(shí)時(shí)性問題

　　測控系統(tǒng)在很多場合都要強(qiáng)調(diào)它的實(shí)時(shí)性，但以太網(wǎng)不是一個實(shí)時(shí)系統(tǒng)。由于它的載波偵聽碰撞檢測(CSMA/CD)通信方式，決定了以太網(wǎng)中IP包的傳輸會有延遲，甚至丟包，這是利用以太網(wǎng)組成分布式測控系統(tǒng)最大的缺點(diǎn)。但是，現(xiàn)在以太網(wǎng)的速度越來越快，百兆網(wǎng)甚至千兆網(wǎng)，或在一些小型封閉的局域網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)的繁忙程度大為減輕，IP包幾乎沒有碰撞，傳輸延遲、丟包現(xiàn)象就大大減小，不會影響測控系統(tǒng)的正常工作。同時(shí)，在系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層之上，可增加應(yīng)答協(xié)議，丟包的問題就可基本克服。

    (5)連接方式

　　該模塊有兩個插座：一個是RJ-45插座，可用雙絞線直接連接到以太網(wǎng)；另一個是25腳插座，內(nèi)含RS-232或RS-485總線接口。

結(jié) 語

　　隨著21世紀(jì)的到來，人類逐步跨入了信息時(shí)代。隨著科技的進(jìn)步以及對生活質(zhì)量要求的不斷提高，人們對家電的選擇和使用，已經(jīng)從只關(guān)心家電的單項(xiàng)功能轉(zhuǎn)向追求家電品位和控制的便捷性。信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的發(fā)展，為家用電器居家環(huán)境集中控制和遠(yuǎn)程遙控提供了可能。將信息技術(shù)與家電控制技術(shù)相融合，在更大程度上實(shí)現(xiàn)家庭生活的信息化和自動化，滿足人們舒適、高節(jié)奏的生活需要，使所有的消費(fèi)電子產(chǎn)品具有了連入網(wǎng)絡(luò)的能力，正是消費(fèi)類電子產(chǎn)品下一步的發(fā)展趨勢。家電的網(wǎng)絡(luò)化將給已趨飽和的家電消費(fèi)市場帶來新的需求。對這方面的進(jìn)一步研究，使得人們的生活方式、工作方式以及思維方式都發(fā)生了巨大的變化；同時(shí)也刺激了人們對各種數(shù)據(jù)源和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求的日益增長，為信息社會注入新的生機(jī)和活力，具有重要的理論、實(shí)用和商用價(jià)值。