多通信媒質(zhì)信息家電網(wǎng)絡(luò)控制器的研究
摘要:提供一種新的基于多通信媒質(zhì)和統(tǒng)一應(yīng)用層協(xié)議的家庭網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)可用于家電的控制和其它的聲、視頻設(shè)備,低成本、無需或只需很少的連接線、可靠性高;可通過電力線、電話線、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)等進行數(shù)據(jù)通信,用戶可以通過Internet瀏覽器、電話線PC進行控制;來自Internet/Intranet的控制信息流能夠被接收并轉(zhuǎn)換成通用的RS232/RS485協(xié)議,使得絕大多數(shù)單片機可以處理這些數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)還提供了Bluetooth和USB的接口,能夠在用戶和家電之間方便地建立連接,無需考慮多樣的底層協(xié)議,為家庭自動化、分布式系統(tǒng)、機器人控制等提供了有效的網(wǎng)絡(luò)解決方案。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/244636.htm關(guān)鍵詞:信息家電 家庭網(wǎng)關(guān) 電力線通信 以太網(wǎng) 消費電子總線
引言
隨著科技的進步以及對生產(chǎn)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)境集中控制和遠程調(diào)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[1,2],使所有的消費電子產(chǎn)品具有了連入網(wǎng)終的能力,正是消費類電子產(chǎn)品下一步的發(fā)展趨勢[3]。家電的網(wǎng)絡(luò)化將給已趨飽和家電消費市場帶來新的需求。對這方面的進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,同時也刺激人們對各種數(shù)據(jù)源和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求日益增長,為信息社會注入新的生機和活力,具有重要的理論、實用和商用價值[4~6]。
1 “網(wǎng)絡(luò)信息家電”領(lǐng)域存在的問題
現(xiàn)有家電網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在操作方式及方便使用方面離用戶的要求還有一定的差距,問題主要表現(xiàn)在:家庭內(nèi)部各部分的通信協(xié)議不同,難以構(gòu)成一個統(tǒng)一的家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),無法在應(yīng)用層為用戶提供方便統(tǒng)一的使用界面,進而延緩了相關(guān)市場的普及和家庭網(wǎng)絡(luò)化的進程。提供一個兼容各種底層協(xié)議的面向開發(fā)應(yīng)用的接口技術(shù),從而實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)的互操作性,是當(dāng)前技術(shù)團體研究的熱點,同時也是家庭網(wǎng)絡(luò)進一步發(fā)展的關(guān)鍵[7]。
(1)現(xiàn)有協(xié)議和目前的網(wǎng)絡(luò)家電構(gòu)想的缺陷與不足
目前沒有統(tǒng)一的應(yīng)用層通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn),大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)家電產(chǎn)品需要家電廠家的配合,所以在技術(shù)上具有較大的依速程度;而家電廠家往往不愿公開自己的技術(shù)秘密,網(wǎng)絡(luò)家電產(chǎn)品的不兼容性造成網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推廣的障礙。
①目前家電網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備的研制焦點是家電控制中心,并以此促成與多廠家之間的合作關(guān)系。這種構(gòu)想本身僅適合一個廠家。由于它的不開放性,若其他廠家配備該網(wǎng)關(guān),則控制的方式和策略、數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃懈袷皆谙喈?dāng)大的程序上要同該廠家保持一致。這一方面限制了各廠家產(chǎn)品的特點和合作的積極性,另一方面相當(dāng)于公布了各廠家的傳輸控制數(shù)據(jù)格式,不利于廠家之間的競爭。②用戶對通信媒質(zhì)要求的特殊性/多樣性帶來許多問題。因為成本問題,在家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)網(wǎng)中傳播媒質(zhì)可能選擇RS485;為減輕線連之間的施工和維護等負(fù)擔(dān),亦可能選擇Power Line或其它無線傳輸方式。多通信媒質(zhì)的嵌入式通信系統(tǒng)可適應(yīng)不同消費者的需求。
(2)利用已有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對非家庭單元的家電控制
在辦公室和其他機關(guān)等環(huán)境中,由于Ethernet局域網(wǎng)絡(luò)的普及,可直接應(yīng)用現(xiàn)有的局域網(wǎng),而不必占用電話線路。局域網(wǎng)中的控制更加快捷、有效和靈活,可以獨立編排局域網(wǎng)內(nèi)部的控制策略,這要求通信媒質(zhì)是可選的。
(3)各廠家各自為戰(zhàn)帶來的問題和機會
網(wǎng)絡(luò)家電應(yīng)具有網(wǎng)絡(luò)功能、數(shù)字化、信息化、智能化、低成本、穩(wěn)定性強等特點。但各個公司廠商對網(wǎng)絡(luò)家電模型的理解各不相同,出現(xiàn)了不同概念的網(wǎng)絡(luò)家電。若各廠家各自為戰(zhàn),必帶來額外的研發(fā)費用,提供家電的成本。另外,若沒有統(tǒng)一的協(xié)議,必須造成設(shè)備控制的不兼容問題。這一方面增加了各家庭的經(jīng)濟支出,另一方面多設(shè)備不兼容的問題使得網(wǎng)絡(luò)出口處理起來混亂,不會有很好的應(yīng)用。
(4)照抄國外標(biāo)準(zhǔn),不適應(yīng)我國國情
國外的網(wǎng)絡(luò)家電也存在類似問題,實踐表明照抄國外的標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品,是不適應(yīng)我國的家庭環(huán)境的。國外產(chǎn)品的傳輸層協(xié)議遵循的是標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,而應(yīng)用層協(xié)議亦無完善的被廣泛認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)可以遵循。
綜上,需要制造統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。一個保持各廠家特色和保護各廠家數(shù)據(jù)傳輸格式的,僅須遵從必要從簡單的協(xié)議即可完成控制的“家庭網(wǎng)關(guān)”應(yīng)該受到各廠家的支持。由此可改變以前的傳統(tǒng)控制策略,通過家庭網(wǎng)關(guān)建立用戶、廠家和特定家電之間的點對點通信方式。
2 應(yīng)用層通信協(xié)議制制原則
為了解決目前網(wǎng)絡(luò)家電領(lǐng)域存在的問題,本文給出一種基于MCU系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)家電全面解決方案。在網(wǎng)絡(luò)家電的研制和開發(fā)過程中,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的制定是關(guān)鍵。為了將產(chǎn)品推向市場,在協(xié)議制定時需要注意如下幾個方面:
①保持各家電廠家的產(chǎn)品特點;
②保護各家電廠家的數(shù)據(jù)格式;
③對數(shù)字化家電,家庭網(wǎng)絡(luò)控制器(即家庭網(wǎng)關(guān))僅起信道作用及協(xié)助家電廠家服務(wù)中心及家電本身的連接功能。
只有如下:才有可能謀求廠家的支持和合作,于是有如下確定應(yīng)用層的網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議的原則:
①各廠家在最小程序上遵循統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式的和起始的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議;
②各廠家家電可自定義/解析數(shù)據(jù)格式的內(nèi)容;
③對家電同部的數(shù)據(jù)格式的確定,在EEROM中合理劃分?jǐn)?shù)據(jù)區(qū),用于家電控制和反饋參數(shù)的保存;
④為保證用戶和最終控制對象之間的數(shù)據(jù)通信原則上需要廠家提供相應(yīng)軟件插件,網(wǎng)關(guān)僅起信號通道作用。
3 基于多通信媒質(zhì)的家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計
3.1 家庭網(wǎng)絡(luò)控制器總體結(jié)構(gòu)
在我國,網(wǎng)絡(luò)家電的主要功能在于建立家庭成員和家電之間方便的鏈接關(guān)系,便于遠程家電狀態(tài)預(yù)置和異地對家電行為的方便控制;建立家電和廠家服務(wù)中心的鏈接關(guān)系,完成諸如遠程在線故障診斷、程序遠程下載和參數(shù)在線更改等功能(如產(chǎn)品的Bug在線修改和按地域性質(zhì)調(diào)整不合理的參數(shù)等);具備火警自動報警、智能樓宇的信息傳遞和電力抄表等功能。家庭網(wǎng)絡(luò)控制器總體框圖如圖1所示。圖2為網(wǎng)絡(luò)家電的應(yīng)用示意圖。
用戶可通過A、B、C3種途徑與家庭網(wǎng)關(guān)進行。家庭網(wǎng)關(guān)有A'、B'、C'3種與家電相聯(lián)系的方式。用戶通過輪途徑A,在Internet的節(jié)點上與小區(qū)域各個服務(wù)器通信,經(jīng)過服務(wù)器身份認(rèn)證后可以與相應(yīng)的家庭網(wǎng)關(guān)通信,瀏覽家電運行情況,并且可以遠程控制預(yù)置家電的行為。應(yīng)用該方式用戶也可以直接在局域網(wǎng)內(nèi)進行控制。途徑B是通過PC機與Modem相連,同相應(yīng)家庭網(wǎng)關(guān)通信進行數(shù)據(jù)傳遞。途徑C是用戶直接用電話按鍵通過DTMF解碼為家庭網(wǎng)關(guān)提供命令,而網(wǎng)關(guān)則為用戶提供直觀的語音界面。從網(wǎng)關(guān)到家電的信息傳遞,途徑A'是應(yīng)用電力線載波技術(shù),利用現(xiàn)有的電力線作為信號傳輸通道,無需額外布線;途徑B'的數(shù)據(jù)是通過無線通信方式進行傳遞的,因而也無需布線;途徑C'是直接用通信線纜將網(wǎng)關(guān)和家電連接起來,該方式成本雖低但需要額外的施工和布線。另外,為避免復(fù)雜的按鍵控制和LCD顯示,采用計算機通過RS232對家庭網(wǎng)關(guān)進行參數(shù)設(shè)置和控制策略編輯。
3.2 家庭網(wǎng)關(guān)原理
家庭網(wǎng)關(guān)的原理框圖如圖3所示,各構(gòu)成部分主要與圖1的網(wǎng)關(guān)應(yīng)用相結(jié)合,各通信接口是嵌入式的。選用美國Ubicom公司新產(chǎn)品IP2022 Internet處理器作為家庭網(wǎng)關(guān)控制主芯片。Ubicom公司的IP2022在1個芯片上可包含通信物理層(PHY)、Internet協(xié)議棧、特殊器件應(yīng)用和特殊器件外設(shè),并且可通過Internet配置,耦電僅100mA。IP2022內(nèi)含全雙工串行器/解串器(Ser/Des)硬件功能,能含全雙工串行器/解串器(Ser/Des)硬件功能,能直接與各種常用網(wǎng)絡(luò)接口相連,這種功能使其能夠?qū)崿F(xiàn)片內(nèi)10BaseT以太網(wǎng)(MAC和PHY)、USB以及其它各種快速串行協(xié)議。由于IP2022片內(nèi)含2個SerDes部件,便于從一種格式轉(zhuǎn)換到另一種格式,因而也能用作協(xié)議轉(zhuǎn)換器。IP2022的工作頻率為100MHz,大多數(shù)指令均為單周期執(zhí)行,使吞吐量能滿足各種新型網(wǎng)絡(luò)連接應(yīng)用的要求,因而該網(wǎng)關(guān)可用于控制聲、視頻設(shè)備,還可以通過Internet瀏覽器用網(wǎng)頁方式進行瀏覽和家電設(shè)備運行,除此之外,還為將來的應(yīng)用提供了Bluetooth和USB的接口。
3.3 家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)
對家電來說,成本問題是關(guān)鍵。諸如空調(diào)、冰箱、洗衣機等家電的控制芯片多為謙價、專用的CPU,這些CPU絕大多數(shù)都具有UART通信接口,即使不具備也可以通過軟件模擬;而具有其它接口(如USB等)的CPU一般都價格不菲,是家電望塵莫及的。將多種通信協(xié)議統(tǒng)一于UART,使家電設(shè)備僅需要改部分程序就可具備網(wǎng)絡(luò)功能,是本文設(shè)計的出發(fā)點。下面簡要介紹一下網(wǎng)關(guān)設(shè)計中涉及的幾個關(guān)鍵技術(shù)。
(1)電力線載波Modem
電力線網(wǎng)絡(luò)的一個最大優(yōu)勢是使用家庭中現(xiàn)有的電力線連接家電的設(shè)備,無需額外布線。最新的技術(shù)可以實現(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率與容錯性。目前應(yīng)用的電力載波控制芯片主要有:LM1893。ST7536、SSCP200、PLT-22等等。根據(jù)家庭網(wǎng)絡(luò)的特點和不同電力載波Modem的性能,我們采用了Intellon公司的SSCP200作為電力載波控制芯片,設(shè)計了性能良好的擴頻載波電力線Modem,運行可靠,抗干擾性很強。
(2)DTMF解碼技術(shù)
基于CM8870和ISD2590的電話遠程遙控系統(tǒng)框圖,如圖4所示。目前,大多數(shù)電話均通過雙音頻信號進行按鍵信息的傳送。在發(fā)送端,電話機對按鍵信息進行雙音頻編碼;在接收端,通過解碼獲得相應(yīng)的按鍵信息,從而實現(xiàn)按鍵信息在電話線上的傳遞。利用電話按鍵可實現(xiàn)簡單、方便、廉價的遠程控制。
CM8870是CMD公司生產(chǎn)的用于雙音頻接收的專用芯片,主要包括輸入端運算放大器、頻帶分割濾波器、數(shù)字解碼器和輸出控制單元第4個部分。在輸入端,運算放大器部分對輸入信號進行必要的增益處理,輸出的信號通過基于開關(guān)電容技術(shù)的頻帶分割濾波器進行濾波和頻帶分割,提取出高頻組信號和低頻組信號,再將高頻組信號和低頻組信號進行特征提取,最后確定出組成按鍵的2個頻率。將這2個頻率值送到相應(yīng)的輸出口進行解碼,輸出相應(yīng)的按鍵代碼,這樣就完成了一個按鍵的檢測。
(3)低成本遠程Modem控制技術(shù)
TI、TDK等公司已有成熟的解決方案,在此從略。
(4)低成本以太網(wǎng)控制的單片機解決方案
“寬帶”已經(jīng)走進了家門,以太網(wǎng)不僅便于建立,“技術(shù)上的簡單、可靠和低成本”更是以太網(wǎng)的過人之處。以太網(wǎng)控制單片機解決方案的基本原理是通過IP2022協(xié)議棧解析TCP/IP、UDP等協(xié)議,用低成本單片機與該協(xié)議棧通過UART進行通信、解析并執(zhí)行相關(guān)的命令操作,原理如圖5所示。
(5)無線網(wǎng)絡(luò)的解決方案
目前關(guān)于該技術(shù)有很多產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn),如Butterfly、Diamond等公司的產(chǎn)品。Bluetooth的優(yōu)勢在于全球標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一,具有互操作性,以及能非常方便地實現(xiàn)快速、靈活、安全、低成本、低功耗的數(shù)據(jù)和語音通信。目前,由于成本問題Bluetooth還未能真正走入家庭,對此我們采用了成本較低的nRF401作為無線通信模塊,其特點是無需曼徹斯特編碼、且可直接收/發(fā)標(biāo)準(zhǔn)串口數(shù)據(jù),工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段433 MHz,滿足無線管制要求,無需使用許可證。
結(jié)束語
本文應(yīng)用電力線載波、電話線(雙音頻解碼和調(diào)制解調(diào)等)及寬帶網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)等通信原理,給出了基于多通信媒質(zhì)的家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計方案,可滿足絕大多數(shù)消費者的需求。這種媒質(zhì)復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用,可以保證如電力線抄表等功能的集中實現(xiàn),節(jié)省了家庭的總投入。根據(jù)家電控制的規(guī)律和廠家易于接收的協(xié)議形式,我們制定了一套適合數(shù)字家電和非數(shù)字化家電,而且易于同各家電廠家交流,并易于達成一致的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。此外,該協(xié)議的實現(xiàn)與具體的傳輸媒體無關(guān),為產(chǎn)品的系列化開發(fā)和工業(yè)化產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ),也為家庭自動化、分布式系統(tǒng)、機器人控制等其它領(lǐng)域應(yīng)用提供了經(jīng)濟、可靠的網(wǎng)絡(luò)解決方案。
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