基于以太網(wǎng)和PSTN的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

隨著互聯(lián)網(wǎng)的日益普及，信息共享程度在不斷提高，各種儀器儀表，家電設(shè)備以及工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集與控制正慢慢走向網(wǎng)絡(luò)化。數(shù)字化家居系統(tǒng)的產(chǎn)生，使人們可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)家用電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制及安防報(bào)警，目前，很多智能家居產(chǎn)品還停留在電話語(yǔ)音控制或互聯(lián)網(wǎng)控制上，前者存在信息反饋及可視化的問(wèn)題，后者需要家庭網(wǎng)關(guān)的支持，隨著嵌入式網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的問(wèn)世，通過(guò)嵌入式以太網(wǎng)控制芯片和pctn鏈路，實(shí)現(xiàn)家居數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享和遠(yuǎn)程監(jiān)控已成為未來(lái)智能家居的發(fā)展趨勢(shì)，本文對(duì)智能家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制技術(shù)進(jìn)行了分析，提出了基于以太網(wǎng)和pstn鏈路的雙冗余控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮了兩種網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

1 系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)以pc系列單片機(jī)pic16f877為核心，由防盜報(bào)警探測(cè)單元、繼電器輸出單元、pstn處理單元和以太網(wǎng)絡(luò)接口單元組成，防盜報(bào)警探測(cè)單元完成防火、防盜等信號(hào)的探測(cè)任務(wù)，pstn處理單元負(fù)責(zé)電話鏈路的連接和語(yǔ)音處理，完成報(bào)警信息以及遠(yuǎn)程控制信息的解碼任務(wù)，而以太網(wǎng)絡(luò)接口單元用來(lái)完成網(wǎng)絡(luò)接口任務(wù)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)信息的雙向傳遞，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

2.1 單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)采用microchip公司的pic16f877。它是pic系列的中級(jí)產(chǎn)品，采用精簡(jiǎn)指令集和指令與數(shù)據(jù)分離的哈佛總線結(jié)構(gòu)，功耗低，運(yùn)行速度高，代碼壓縮率高，與其他8位單片機(jī)相比具有較大的優(yōu)勢(shì)，該單片機(jī)集成度高，外圍接口電路簡(jiǎn)單，內(nèi)部集成看門(mén)狗電路，a/d轉(zhuǎn)換電路、捕捉/比較/脈寬調(diào)制電路、主同步串行端口mssp模塊，并可以通過(guò)控制字方便的開(kāi)啟和關(guān)閉。

2.2 以太網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)

該電路主要由rj45接口、10m/100m耦合器隔離濾波器tg110－s050n2和以太網(wǎng)控制芯片rtl8019as組成。rtl8019as與單片機(jī)的接口電路如圖2所示。

rtl8019as是realtek公司全雙工以太網(wǎng)控制芯片，支持pnp自動(dòng)探測(cè)，內(nèi)嵌16kb sram，用于收發(fā)緩沖。內(nèi)部集成了介質(zhì)訪問(wèn)控制子層（mac）和物理層的性能，兼容ethernetⅱ和ieee802.3的10base2和10baset。

rtl8019as是針對(duì)isa總線設(shè)計(jì)的，在pc上用來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的物理層協(xié)議，主要包括網(wǎng)卡與網(wǎng)絡(luò)電纜的物理連接、介質(zhì)訪問(wèn)控制、數(shù)據(jù)幀的拆裝、幀的發(fā)送與接收、錯(cuò)誤校驗(yàn)、數(shù)據(jù)信號(hào)的編解碼、數(shù)據(jù)的串并行轉(zhuǎn)換等功能，這些設(shè)置需要對(duì)rtl8019as的若干寄存器進(jìn)行設(shè)置。

rtl8019as有三種工作方式：跳線方式，芯片的i/o和中斷由跳線決定，即插即用方式，軟件自行配置，免跳線方式，芯片的i/o和中斷由外接存儲(chǔ)器內(nèi)容決定，在嵌入式應(yīng)用場(chǎng)合，為降低成本，減小連接，采用第一種方式，所以jp引腳接高電平。

rtl8019as可以兼容8位和16位工作模式。圖2中，iocs168是16位i/o選擇引腳，如果rtl8019as上電復(fù)位時(shí)該引腳為低電平，rtl8019as將選擇8位模式；如果該引腳為高電平，將選擇16位工作模式，由于pic16f877單片機(jī)為8位數(shù)據(jù)總線，因此要工作在8位模式，所以該引腳接地。此時(shí)，rtl8919as只需8根數(shù)據(jù)線sd0－sd7。

pic16f877的b口rb0－rb4與rtl8019as的低五位地址線sa0－sa4相連；re0－re2作為控制線分別與iorb、iowr、reset相連；d口與rtl8019as的低8位數(shù)據(jù)線sd0－sd7相連。

rtl8019as的4個(gè)引腳tpin＋，tpin－，tpout＋和tpout－，分別和耦合隔離濾波器tg110－s050n2對(duì)應(yīng)輸入端口相連，最后與rj45接口相連。

24lc256是串行eeprom存儲(chǔ)器，采用cmos工藝，兼容i2c總線，這里通過(guò)pci內(nèi)部硬件接口模塊mssp（rc3、rc4引腳）與其相聯(lián)，用來(lái)存儲(chǔ)web服務(wù)器的配置信息。

2.3 時(shí)鐘和wdt

為保證單片機(jī)時(shí)鐘精度，設(shè)計(jì)采用外接時(shí)鐘源從osc1引腳輸入[1]，這里采用集成電路74f04，電阻和晶振構(gòu)成串聯(lián)諧振式時(shí)基振蕩器，如圖3所示。

pic16f877內(nèi)置的看門(mén)狗是一個(gè)擁有獨(dú)立時(shí)鐘源、計(jì)時(shí)周期約18ms、自由運(yùn)行的計(jì)時(shí)器，其工作無(wú)需任何外圍器件，單片機(jī)執(zhí)行程序期間，一旦wdt超時(shí)溢出，將使單片機(jī)產(chǎn)生復(fù)位操作，即使單片機(jī)處于睡眠狀態(tài)，其溢出也將使單片機(jī)被喚醒，恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。

看門(mén)狗的啟用通過(guò)系統(tǒng)配置字wdte位實(shí)現(xiàn)，即wdte＝1時(shí)，看門(mén)狗將永久啟用。因此，需要在用戶主循環(huán)程序中將看門(mén)狗計(jì)時(shí)器清零（使用專用命令clrwdt）使它無(wú)法計(jì)時(shí)到最大值。

2.4 pstn處理單元

目前，在該方面的研究較多，相關(guān)元器件電路和理論比較成熟，本設(shè)計(jì)中該單元主要由mc145436雙音頻解碼芯片、apr9600語(yǔ)音錄放芯片，振鈴檢測(cè)和模擬摘掛機(jī)電路組成。

由電話線傳來(lái)的雙音多頻及直流混合信號(hào)，經(jīng)耦合器濾除電話線上的直流信號(hào)，然后送入放大器，再經(jīng)過(guò)耦合電容，送入mc145436雙音頻解碼芯片。接解碼后，dv信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，同時(shí)輸出4位代碼，對(duì)因電話鍵盤(pán)上的按鍵。

為使用戶能夠通過(guò)電話鏈路及時(shí)了解受控家用電器的信息，使產(chǎn)品達(dá)到交互與智能化，系統(tǒng)采用apr9600語(yǔ)音錄放芯片完成的語(yǔ)音的錄放工作，該芯片具有多種手動(dòng)控制方式、分段管理方便、多段控制電路簡(jiǎn)單、采樣速度和錄放的時(shí)間可調(diào)，支持串行和并行控制。本系統(tǒng)中，apr9600被設(shè)置成8段并行控制模式，即msel1、msel2和m8這3個(gè)引腳均設(shè)為高電平，當(dāng)re設(shè)為錄音狀態(tài)，按下m1開(kāi)始錄第一段，松開(kāi)鍵錄音停止，按下m2鍵開(kāi)始錄第二段，松開(kāi)鍵停止，如此循環(huán)，直到錄完8段，而相應(yīng)的語(yǔ)音播放則由軟件控制，sp＋和sp－引腳與電話線相接，將語(yǔ)音信號(hào)反饋到聽(tīng)筒里。

我國(guó)公眾電話網(wǎng)的傳輸線為雙線模擬線路，采用直流環(huán)路信號(hào)方式，平時(shí)掛機(jī)時(shí)的饋電電壓一般為－48v，振鈴的鈴流電壓為75±15v，25赫茲的交流電壓，用戶的摘掛機(jī)狀態(tài)是通過(guò)對(duì)直流環(huán)路上的電流通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的。掛機(jī)狀態(tài)時(shí)，直流環(huán)路斷開(kāi)，饋電電流為0，摘機(jī)后，直流環(huán)路接通，饋電電流在20ma以上。
在設(shè)計(jì)振鈴檢測(cè)與模擬摘掛機(jī)電路中，為避免高壓振鈴信號(hào)機(jī)線路及其他高壓噪聲對(duì)解碼電路和語(yǔ)音信號(hào)的危害，系統(tǒng)采用專用芯片tca3385作為鈴流檢測(cè)核心部件。該芯片是一種性能穩(wěn)定的振鈴信號(hào)轉(zhuǎn)換、檢測(cè)器件，能夠承受較高電壓的沖擊，當(dāng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)離線時(shí)，只有該芯片與電話線相連，保證了系統(tǒng)的完全性。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分主要分為：電話遠(yuǎn)程控制部分和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控部分。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控部分的核心和難點(diǎn)在于對(duì)網(wǎng)絡(luò)芯片的處理及tcp/ip協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)，其中包括對(duì)rtl8019as的初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，對(duì)rtl8019as的初始化主要是對(duì)其控制寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置，這里用到其ne2000寄存器組，網(wǎng)卡的初始化首先要進(jìn)行網(wǎng)卡復(fù)位，復(fù)位完成后要對(duì)網(wǎng)卡的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要是對(duì)命令寄存器cr的設(shè)置，cr主要用于選擇寄存器頁(yè)，啟動(dòng)或停止遠(yuǎn)程dma操作以及執(zhí)行命令，該寄存器內(nèi)容如表1所列[2]。

網(wǎng)卡數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是通過(guò)dma來(lái)讀寫(xiě)網(wǎng)卡內(nèi)部的16kb ram來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

以上對(duì)網(wǎng)絡(luò)芯片的處理完成了以太網(wǎng)的mac層和物理層的協(xié)議，要真正實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與以太網(wǎng)上其他設(shè)備進(jìn)行通信， 需要在系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)tcp/ip協(xié)議，面向嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的tcp/ip協(xié)議，需要在不違背協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)的前提下對(duì)系統(tǒng)的tcp/ip協(xié)議加以剪裁、改寫(xiě)和移植，使其占用的存儲(chǔ)空間盡可能小，這里使用微芯公司提供的tcp/ip協(xié)議棧，該協(xié)議棧支持arp、ip、tcp、icmp、http及ieee802.3協(xié)議，為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)提供低廉的網(wǎng)絡(luò)接入能力，對(duì)于數(shù)據(jù)量不大的系統(tǒng)較為實(shí)用。協(xié)議棧采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，使用戶可以針對(duì)單個(gè)協(xié)議進(jìn)行修改，簡(jiǎn)化了協(xié)議的開(kāi)發(fā)過(guò)程。