基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的智能家居控制终端的设计与实现

摘 要：通过Internet实现对智能家居的远程监控是当前技术研究的热点。为此分析智能家居系统的组成和结构，提出通过Internet对智能家居系统进行远程监控的方案，给出基于微控制器SX52的智能家居控制终端的硬件设计方案和实现方法，介绍控制终端软件实现的原理和流程，在对TCP/IP协议分析的基础上，阐述控制终端中协议处理的原理和实现方法。这些原理和方法对智能家居系统的设计具有参考价值。

关键词：SX52;嵌入式系统;智能家居;控制终端软件

中图分类号：TP393 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1610903

Design and Implementation of Internetbased Smart Home Control Terminal

ZHONG Jianguo

(Xi′an University of Finance and Economics,Xi′an,710061,China)

Abstract：It is a crucial research field to realize the smart home remote control through the Internet.Hence,this paper analyses the composition and structure of the smart home,proposes remote monitoring program through Internet for smart home,gives the smart home control terminal hardware design and implementation methods based on the microcontroller SX52,introduces the principles and processes of the control terminal software,and based on the TCP / IP protocol analysis,describes the principle and method of protocol dispose in the terminal control.This principle and method have an important reference value for the smart home system design.

Keywords：SX52;embedded system;smart home;control terminal software

1 引 言

随着科学技术的发展和居民生活水平的提高，人们对居住环境的要求越来越高。能够提供安全、舒适、智能、通讯与信息服务的所谓的“智能家居”正成为人们追求的居住目标和技术研究的热点。智能家居(smart home)，又称智能住宅，它是利用先进的计算机技术、网络通讯技术、智能控制技术、传感器技术、综合布线技术，通过家居中的信息与控制中心，把与家居生活有关的安防、环境控制、通讯、智能家电等各种子系统有机地结合在一起的复杂系统。对智能家居系统实现远程信息查询和状态控制是其必须具备的一项功能，传统的产品大多采用无线通讯、电话通讯、手机通讯、电力载波等方式实现。随着嵌入式Internet技术不断地发展和成熟，通过Internet实现对智能家居的远程监控正成为业界技术发展的方向。这种方式具有成本低、控制地域广、可靠性高、通讯速度快、操作简单等优点。其基本工作原理是把智能家居系统中的信息与控制中心设备（简称控制终端）设计成Web服务器，通过远程计算机上的浏览器软件对嵌入式Web服务器的访问实现远程的监控。因此实现这种系统的关键就是要设计能够接入Internet的嵌入式控制终端。

2 智能家居的总体框架

智能家居系统由信息家电、环境控制、安防报警三个子系统和一个控制终端组成，如图1所示。

各子系统与控制终端通过现场总线相连。控制终端是智能家居系统的核心设备，其主要功能是：对子系统各功能模块实施分布式管理和控制；借助现场网络与各模块实现信息交换与共享；作为嵌入式Web服务器，通过Internet实现远程通讯和监控。

智能家居现场总线是智能家居系统的重要组成部分之一，通过它可以把住宅内与信息和控制相关的各个通讯设备、家用电器和家庭安防装置都并入到智能家居网络系统，从而进行集中的管理和控制。目前智能家居现场总线的规范和标准有很多，如LonWorks，X10，CEBus，HBS，CAN， RS 485等，但还没有形成业界统一的标准。选择总线的原则应当是：成本低、应用简单、通讯可靠、扩展性强、能适应传统的低端设备的连接。按照以上原则，考虑到目前智能家居系统中各终端设备相对低端且通讯接口不统一的现状，系统中采用RS 485作为现场总线。子系统中各功能模块可分为信息终端（如信息家电）和非信息终端（如照明报警控制）2类。信息终端一般带有标准的通讯接口，但往往不全支持所选择的总线协议，因此需要进行接口和协议的转换；非信息终端一般不具有标准的通讯接口功能，因此需要通过通讯扩展模块实现接入总线的功能，如图2所示。

系统的工作原理是智能控制终端根据从现场或远程网络接受到的指令,对各功能模块实行分布式轮循管理与控制，同时把智能家居系统的状态信息传送到远程控制端。控制终端与远程计算机通过B/S模式工作，控制终端作用相当于一个嵌入式Web服务器，远程计算机则作为浏览器工作。

3 控制终端的硬件设计

3.1 系统的组成

控制终端硬件组成原理如图3所示。系统采用Ubiocm公司的SX52芯片作为微控制器。SX52是Ubiocm公司利用先进的CMOS技术开发的一款可编程的、高速的、能方便地实现因特网接入功能的、8位通信控制芯片。SX52采用RISC结构，支持流水线作业，具有高速计算能力，在100 MHz晶振的驱动下指令执行速度可高达100 MIPS。芯片内部自带FLASH程序存储器，支持在线编程调试。该芯片最大的特点是支持“虚拟外设”功能，即用户可以对SX52微控制器的5个I/O端口进行灵活配置，并通过执行虚拟软件来模块实现诸如I.2C，SPI，UART，CallerID，FSK以及Modem等接口功能。同时芯片最吸引人之处在于通过使用虚拟软件包提供的代码可以方便地实现TCP/IP协议中常用到的协议栈，如HTTP，SMTP，POP3，TCP，UDP，ICMP，IP，PPP等。以太网接口采用台湾REALTEK公司生产的高集成度、全双工以太网控制器芯片RTL8019AS实现。该芯片支持IEEE802.3 MAC子层协议,可工作在10BASET，10BASE2和10BASE5等介质环境下，它同时具有曼彻斯特编码、冲突检测和重发的功能，可以与很少的外围电路一起完成10 Mb/s速率的数据收发功能。FB2022为耦合隔离滤波器。系统中Web服务器的网页数据和资源存放在由Atmel公司生产的64 kB串行E.2PROM存储器AT24C512之中。RS 485总线接口是通过MAXIM公司的MAX485实现。系统采用液晶触摸屏作为输入输出人机接口界面。触摸屏的输入控制采用BurrBrown公司推出的新一代4线制触摸屏控制芯片ADS7846实现。当屏幕上有触摸发生时，ADS7846可通过采样保持、逐位逼近式A/D变换等功能模块迅速得到触摸点的位置信息，从而使应用软件实现在触摸屏表面上寻址的功能。对液晶屏的显示控制是通过SEIKO EPSON公司出品的液晶显示控制器SED1335实现。SED1335硬件结构由外部接口、内部控制和液晶模块驱动3部分组成，其特点是：I/O缓冲器功能强大、功能及控制指令丰富、可实现4位数据并行发送。

3.2 系统功能的实现

整个硬件系统的功能是通过由以太网接口、RS 485接口、触摸屏接口分别组成的3条数据传输通道来实现的。由SX52，RTL8019AS，FB2022组成的以太网数据通道可以使得用户通过互联网对智能家居系统实施监控。其过程是用户通过浏览器软件向控制终端发出服务请求，信息通过RJ45送至RTL8019AS，RTL8019AS负责将以太网帧的首、尾部信息剥离,将处理后的数据包送入SX52的TCP/IP协议栈以及应用层软件处理。同时控制终端的网页数据又可经过相反的方向传送至远程的用户端进行显示。由SX52，RS 485组成的现场总线是控制终端对智能家居各控制设备进行信息交换与控制的通道，通过主从轮询的方式按设备地址实现管理和控制。由SX52，ADS7846，SED1335组成的人机交互通道可以实现控制信息的输入和状态信息的输出。

4 控制终端的协议与软件实现

4.1 软件的总体流程

控制终端的软件总流程如图4所示。由MCU SX52组成的硬件系统资源有限，没有实时多任务操作系统的资源可以利用，所以应用软件和协议的实现必须通过直接面对SX52硬件的编程完成。系统采用顺序执行和硬件中断相结合的程序结构，把实时性要求较低、执行起来较费时的应用层处理任务和TCP/IP协议栈处理任务放在主程序顺序循环结构中实现，而把实时性要求较高的按键处理及定时处理等任务放在中断处理程序中完成。系统初始化后，进入主程序循环部分。主程序循环包括3大功能：对接收到的以太网数据帧进行解包和TCP/IP协议处理；对欲发送的Web数据进行IP封装并发送；实现对控制终端硬件资源以及智能家居系统各控制模块的管理与控制。协议的处理首先从对网络接口控制芯片RTL8019AS的状态查询开始，其工作原理为：当软件检测到有以太网帧收到时，程序就把数据读入处理缓冲区，通过判断帧中长度类型域（第13,14字节）的值，可确定数据域中所携带的数据所使用的协议，从而决定是进行ARP（类型码为0806H）协议处理还是IP（类型码为0800H）协议处理。同样通过判断IP数据报的协议字段（第10字节）的值，又可确定IP数据报中所携带的数据所使用的协议类型，从而分别进行ICMP协议（类型码为01H）和TCP协议（类型码为06H）的处理。

4.2 TCP/TP协议的实现

控制终端要通过互联网进行远程监控，软件上必须要实现TCP/IP的功能。标准的TCP/IP协议是由多个协议组成的协议簇，其功能强大、机制复杂、占用系统资源较大，最初旨在网络中具有完整功能的计算机上使用。为了能在系统资源相对匮乏的嵌入式系统中实现TCP/IP协议,必须根据具体应用对标准的、庞大的TCP/IP协议簇进行裁剪。因此如何根据具体应用在控制终端中裁减协议、实现协议是软件实现的关键。控制终端中需要实现的协议分别有：ARP协议、IP协议、ICMP协议和TCP协议。

ARP协议，具体可分为请求和应答2类，在本系统中只需实现应答功能。具体实现原理为：当SX52从以太网帧接收到ARP数据包时首先应根据其操作类型码确定是一个ARP请求报文还是应答报文。若为ARP请求报文则比较目标IP地址与自己的IP地址是否相同，如果相同，则要封装自己的MAC地址并发送应答报文，否则作丢弃处理。

IP协议是TCP/IP协议簇中最为核心的协议。控制终端中必须实现其基本的寻址、封装、路由、解封装、检验等功能。考虑到本系统传输的数据一般都是一些数据量比较小的状态信息或者控制信息，故可裁减掉IP的分片和重组功能。IP协议的处理流程是：当系统接收到IP数据报后，首先应判断该数据报的IP头部中目的IP地址是否与本机IP地址一致，若不一致则对数据报作丢弃处理，否则先进行IP头部版本号、校验和字段检查，当确认数据传输正确无误后，去掉IP数据报头部，取出数据域中的数据，根据IP头部中的协议字段类型决定是交给ICMP协议、还是TCP协议作上层处理。发送进程的任务是：对ICMP报文、或TCP报文进行封装，对IP数据报进行路由选择，将IP数据报交给数据链路层进行装帧发送。

ICMP协议主要用来传输差错报文和控制报文，其中最常用到的是ICMP请求/应答报文对，控制终端只要能够被动地回应其他主机测试网络连通性的请求命令即可，因此可只需实现ICMP中类型号为0和8的报文，其他功能可被剪裁掉。

TCP协议机制复杂，实现时保留诸如可靠地建立与关闭连接、应答确认等最基本的功能，而简化掉一些如窗口流量控制等复杂的状态机部分。具体可通过建立与关闭连接、发送数据、接收数据3个进程加以实现。TCP协议的建立与关闭连接都是通过“3次握手”完成。具体是通过在3次TCP报文中设置不同的SYN，ACK，FIN控制位的值来实现。TCP数据收发进程采用了简单的应答确认方式，为了兼容与具有滑动窗口流量控制功能的主机的通信，可使用作为特例的单一窗口方式进行应答。

5 结 语

基于SX52的智能家居远程控制终端具有设计思路新、实现成本低、适应范围广、远程操作方便的特点，因此可用于一般的智能家居系统。同时通过对软件模块的移植它也可以应用于一般的远程测控系统。

参 考 文 献

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北京:北京航空航天大学出版社,2006.

作者简介 钟建国 男，1963年出生,陕西子洲人，高级工程师，硕士。研究方向为计算机测控系统。

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