以太网智能家居控制器的软硬件设计

　　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。

　　1、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 RAM 62256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。 E2PROM AT24C512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。

　 2、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。

　　2.1 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。

　　2.1.1 RTL8019AS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。

　　2.1.2 RTL8019AS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。

　　2.2 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：

　　char code html_header[ ]    //客户端访问主页时候服务器的响应头部

　　= {"HTTP/1.1 200 OK/n" //响应行（ Respond Line），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。

　　2.3 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。（http://www.diangon.com/版权所有）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。

　 3、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。

　　4、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。

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• 2016-12-17以太网智能家居控制器的软硬件设计