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)和統一應用層協(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、視頻設備，低成本、無(wú)需或只需很少的連接線(xiàn)、可靠性高；可通過(guò)電力線(xiàn)、電話(huà)線(xiàn)、以太網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )等進(jìn)行數據通信，用戶(hù)可以通過(guò)Internet瀏覽器、電話(huà)線(xiàn)PC進(jìn)行控制；來(lái)自Internet/Intranet的控制信息流能夠被接收并轉換成通用的RS232/RS485協(xié)議，使得絕大多數單片機可以處理這些數據。網(wǎng)關(guān)還提供了Bluetooth和USB的接口，能夠在用戶(hù)和家電之間方便地建立連接，無(wú)需考慮多樣的底層協(xié)議，為家庭自動(dòng)化、分布式系統、機器人控制等提供了有效的網(wǎng)絡(luò )解決方案。

關(guān)鍵詞：信息家電 家庭網(wǎng)關(guān) 電力線(xiàn)通信 以太網(wǎng) 消費電子總線(xiàn)

引言

隨著(zhù)科技的進(jìn)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)現家庭生活的信息化和自動(dòng)化，滿(mǎn)足人們舒適、高節奏的生活需要[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(lèi)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(chǎng)帶來(lái)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)也刺激人們對各種數據源和網(wǎng)絡(luò )服務(wù)需求日益增長(cháng)，為信息社會(huì )注入新的生機和活力，具有重要的理論、實(shí)用和商用價(jià)值[4～6]。

1 “網(wǎng)絡(luò )信息家電”領(lǐng)域存在的問(wèn)題

現有家電網(wǎng)絡(luò )控制系統在操作方式及方便使用方面離用戶(hù)的要求還有一定的差距，問(wèn)題主要表現在：家庭內部各部分的通信協(xié)議不同，難以構成一個(gè)統一的家庭網(wǎng)絡(luò )系統，無(wú)法在應用層為用戶(hù)提供方便統一的使用界面，進(jìn)而延緩了相關(guān)市場(chǎng)的普及和家庭網(wǎng)絡(luò )化的進(jìn)程。提供一個(gè)兼容各種底層協(xié)議的面向開(kāi)發(fā)應用的接口技術(shù)，從而實(shí)現家庭網(wǎng)絡(luò )的互操作性，是當前技術(shù)團體研究的熱點(diǎn)，同時(shí)也是家庭網(wǎng)絡(luò )進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵[7]。

（1）現有協(xié)議和目前的網(wǎng)絡(luò )家電構想的缺陷與不足

目前沒(méi)有統一的應用層通信協(xié)議標準出現，大多數網(wǎng)絡(luò )家電產(chǎn)品需要家電廠(chǎng)家的配合，所以在技術(shù)上具有較大的依速程度；而家電廠(chǎng)家往往不愿公開(kāi)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 )控制設備的研制焦點(diǎn)是家電控制中心，并以此促成與多廠(chǎng)家之間的合作關(guān)系。這種構想本身僅適合一個(gè)廠(chǎng)家。由于它的不開(kāi)放性，若其他廠(chǎng)家配備該網(wǎng)關(guān)，則控制的方式和策略、數據傳輸的所有格式在相當大的程序上要同該廠(chǎng)家保持一致。這一方面限制了各廠(chǎng)家產(chǎn)品的特點(diǎn)和合作的積極性，另一方面相當于公布了各廠(chǎng)家的傳輸控制數據格式，不利于廠(chǎng)家之間的競爭。②用戶(hù)對通信媒質(zhì)要求的特殊性/多樣性帶來(lái)許多問(wèn)題。因為成本問(wèn)題，在家庭內部數據網(wǎng)中傳播媒質(zhì)可能選擇RS485；為減輕線(xiàn)連之間的施工和維護等負擔，亦可能選擇Power Line或其它無(wú)線(xiàn)傳輸方式。多通信媒質(zhì)的嵌入式通信系統可適應不同消費者的需求。

（2）利用已有網(wǎng)絡(luò )設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，可直接應用現有的局域網(wǎng)，而不必占用電話(huà)線(xiàn)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)內部的控制策略，這要求通信媒質(zhì)是可選的。

（3）各廠(chǎng)家各自為戰帶來(lái)的問(wèn)題和機會(huì )

網(wǎng)絡(luò )家電應具有網(wǎng)絡(luò )功能、數字化、信息化、智能化、低成本、穩定性強等特點(diǎn)。但各個(gè)公司廠(chǎng)商對網(wǎng)絡(luò )家電模型的理解各不相同，出現了不同概念的網(wǎng)絡(luò )家電。若各廠(chǎng)家各自為戰，必帶來(lái)額外的研發(fā)費用，提供家電的成本。另外，若沒(méi)有統一的協(xié)議，必須造成設備控制的不兼容問(wèn)題。這一方面增加了各家庭的經(jīng)濟支出，另一方面多設備不兼容的問(wèn)題使得網(wǎng)絡(luò )出口處理起來(lái)混亂，不會(huì )有很好的應用。

（4）照抄國外標準，不適應我國國情

國外的網(wǎng)絡(luò )家電也存在類(lèi)似問(wèn)題，實(shí)踐表明照抄國外的標準和產(chǎn)品，是不適應我國的家庭環(huán)境的。國外產(chǎn)品的傳輸層協(xié)議遵循的是標準協(xié)議，而應用層協(xié)議亦無(wú)完善的被廣泛認可的標準可以遵循。

綜上，需要制造統一的標準。一個(gè)保持各廠(chǎng)家特色和保護各廠(chǎng)家數據傳輸格式的，僅須遵從必要從簡(jiǎn)單的協(xié)議即可完成控制的“家庭網(wǎng)關(guān)”應該受到各廠(chǎng)家的支持。由此可改變以前的傳統控制策略，通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)建立用戶(hù)、廠(chǎng)家和特定家電之間的點(diǎn)對點(diǎn)通信方式。

2 應用層通信協(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(wèn)題，本文給出一種基于MCU系統的網(wǎng)絡(luò )家電全面解決方案。在網(wǎng)絡(luò )家電的研制和開(kāi)發(fā)過(guò)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(chǎng)，在協(xié)議制定時(shí)需要注意如下幾個(gè)方面：

①保持各家電廠(chǎng)家的產(chǎn)品特點(diǎn)；

②保護各家電廠(chǎng)家的數據格式；

③對數字化家電，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(chǎng)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(chǎng)家的支持和合作，于是有如下確定應用層的網(wǎng)絡(luò )控制協(xié)議的原則：

①各廠(chǎng)家在最小程序上遵循統一的數據格式的和起始的數據傳輸協(xié)議；

②各廠(chǎng)家家電可自定義/解析數據格式的內容；

③對家電同部的數據格式的確定，在EEROM中合理劃分數據區，用于家電控制和反饋參數的保存；

④為保證用戶(hù)和最終控制對象之間的數據通信原則上需要廠(chǎng)家提供相應軟件插件，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)設計

3.1 家庭網(wǎng)絡(luò )控制器總體結構

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)預置和異地對家電行為的方便控制；建立家電和廠(chǎng)家服務(wù)中心的鏈接關(guān)系，完成諸如遠程在線(xiàn)故障診斷、程序遠程下載和參數在線(xiàn)更改等功能（如產(chǎn)品的Bug在線(xiàn)修改和按地域性質(zhì)調整不合理的參數等）；具備火警自動(dòng)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 )家電的應用示意圖。

用戶(hù)可通過(guò)A、B、C3種途徑與家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)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(hù)通過(guò)輪途徑A，在Internet的節點(diǎn)上與小區域各個(gè)服務(wù)器通信，經(jīng)過(guò)服務(wù)器身份認證后可以與相應的家庭網(wǎng)關(guān)通信，瀏覽家電運行情況，并且可以遠程控制預置家電的行為。應用該方式用戶(hù)也可以直接在局域網(wǎng)內進(jìn)行控制。途徑B是通過(guò)PC機與Modem相連，同相應家庭網(wǎng)關(guān)通信進(jìn)行數據傳遞。途徑C是用戶(hù)直接用電話(huà)按鍵通過(guò)DTMF解碼為家庭網(wǎng)關(guān)提供命令，而網(wǎng)關(guān)則為用戶(hù)提供直觀(guān)的語(yǔ)音界面。從網(wǎng)關(guān)到家電的信息傳遞，途徑A'是應用電力線(xiàn)載波技術(shù)，利用現有的電力線(xiàn)作為信號傳輸通道，無(wú)需額外布線(xiàn)；途徑B'的數據是通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式進(jìn)行傳遞的，因而也無(wú)需布線(xiàn)；途徑C'是直接用通信線(xiàn)纜將網(wǎng)關(guān)和家電連接起來(lái)，該方式成本雖低但需要額外的施工和布線(xiàn)。另外，為避免復雜的按鍵控制和LCD顯示，采用計算機通過(guò)RS232對家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行參數設置和控制策略編輯。

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，各構成部分主要與圖1的網(wǎng)關(guān)應用相結合，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(gè)芯片上可包含通信物理層（PHY）、Internet協(xié)議棧、特殊器件應用和特殊器件外設，并且可通過(guò)Internet配置，耦電僅100mA。IP2022內含全雙工串行器/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，這種功能使其能夠實(shí)現片內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片內含2個(gè)SerDes部件，便于從一種格式轉換到另一種格式，因而也能用作協(xié)議轉換器。IP2022的工作頻率為100MHz，大多數指令均為單周期執行，使吞吐量能滿(mǎn)足各種新型網(wǎng)絡(luò )連接應用的要求，因而該網(wǎng)關(guān)可用于控制聲、視頻設備，還可以通過(guò)Internet瀏覽器用網(wǎng)頁(yè)方式進(jìn)行瀏覽和家電設備運行，除此之外，還為將來(lái)的應用提供了Bluetooth和USB的接口。

3.3 家庭網(wǎng)關(guān)設計的關(guān)鍵技術(shù)

對家電來(lái)說(shuō)，成本問(wèn)題是關(guān)鍵。諸如空調、冰箱、洗衣機等家電的控制芯片多為謙價(jià)、專(zhuān)用的CPU，這些CPU絕大多數都具有UART通信接口，即使不具備也可以通過(guò)軟件模擬；而具有其它接口（如USB等）的CPU一般都價(jià)格不菲，是家電望塵莫及的。將多種通信協(xié)議統一于UART，使家電設備僅需要改部分程序就可具備網(wǎng)絡(luò )功能，是本文設計的出發(fā)點(diǎn)。下面簡(jiǎn)要介紹一下網(wǎng)關(guān)設計中涉及的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

（1）電力線(xiàn)載波Modem

電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)最大優(yōu)勢是使用家庭中現有的電力線(xiàn)連接家電的設備，無(wú)需額外布線(xiàn)。最新的技術(shù)可以實(shí)現非常高的數據傳輸速率與容錯性。目前應用的電力載波控制芯片主要有：LM1893。ST7536、SSCP200、PLT-22等等。根據家庭網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)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，設計了性能良好的擴頻載波電力線(xiàn)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(huà)遠程遙控系統框圖，如圖4所示。目前，大多數電話(huà)均通過(guò)雙音頻信號進(jìn)行按鍵信息的傳送。在發(fā)送端，電話(huà)機對按鍵信息進(jìn)行雙音頻編碼；在接收端，通過(guò)解碼獲得相應的按鍵信息，從而實(shí)現按鍵信息在電話(huà)線(xiàn)上的傳遞。利用電話(huà)按鍵可實(shí)現簡(jiǎn)單、方便、廉價(jià)的遠程控制。

CM8870是CMD公司生產(chǎn)的用于雙音頻接收的專(zhuān)用芯片，主要包括輸入端運算放大器、頻帶分割濾波器、數字解碼器和輸出控制單元第4個(gè)部分。在輸入端，運算放大器部分對輸入信號進(jìn)行必要的增益處理，輸出的信號通過(guò)基于開(kāi)關(guān)電容技術(shù)的頻帶分割濾波器進(jìn)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(jìn)行特征提取，最后確定出組成按鍵的2個(gè)頻率。將這2個(gè)頻率值送到相應的輸出口進(jìn)行解碼，輸出相應的按鍵代碼，這樣就完成了一個(gè)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(jìn)了家門(mén)，以太網(wǎng)不僅便于建立，“技術(shù)上的簡(jiǎn)單、可靠和低成本”更是以太網(wǎng)的過(guò)人之處。以太網(wǎng)控制單片機解決方案的基本原理是通過(guò)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(guò)UART進(jìn)行通信、解析并執行相關(guān)的命令操作，原理如圖5所示。

（5）無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的解決方案

目前關(guān)于該技術(shù)有很多產(chǎn)品的標準，如Butterfly、Diamond等公司的產(chǎn)品。Bluetooth的優(yōu)勢在于全球標準的統一，具有互操作性，以及能非常方便地實(shí)現快速、靈活、安全、低成本、低功耗的數據和語(yǔ)音通信。目前，由于成本問(wèn)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(wú)線(xiàn)通信模塊，其特點(diǎn)是無(wú)需曼徹斯特編碼、且可直接收/發(fā)標準串口數據，工作頻率為國際通用的數傳頻段433 MHz，滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)管制要求，無(wú)需使用許可證。

結束語(yǔ)

本文應用電力線(xiàn)載波、電話(huà)線(xiàn)（雙音頻解碼和調制解調等）及寬帶網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)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)設計方案，可滿(mǎn)足絕大多數消費者的需求。這種媒質(zhì)復用技術(shù)的應用，可以保證如電力線(xiàn)抄表等功能的集中實(shí)現，節省了家庭的總投入。根據家電控制的規律和廠(chǎng)家易于接收的協(xié)議形式，我們制定了一套適合數字家電和非數字化家電，而且易于同各家電廠(chǎng)家交流，并易于達成一致的網(wǎng)絡(luò )數據傳輸協(xié)議。此外，該協(xié)議的實(shí)現與具體的傳輸媒體無(wú)關(guān)，為產(chǎn)品的系列化開(kāi)發(fā)和工業(yè)化產(chǎn)生奠定了基礎，也為家庭自動(dòng)化、分布式系統、機器人控制等其它領(lǐng)域應用提供了經(jīng)濟、可靠的網(wǎng)絡(luò )解決方案。