嵌人式智能家居系统连入Internet的研究和实现

随着微处理器芯片技术的发展，越来越多的产品和系统中嵌入了微处理器芯片，嵌入式软件已经成为软件与其他系统融合渗透的载体，成为这些系统的关键技术或主要增值因素。将以太网技术使用到嵌入式系统中实现嵌入式系统连入Internet必将大大扩大嵌入式系统的使用范围。目前家电网络化研究重点转移到应用日益广泛的嵌入式系统和电力线上网上，本文通过对现有嵌入式系统连入Internet方案的研究，针对目前家居网络的需要，提出了利用嵌入式技术和电力线通信技术实现对智能家电的远程监控。在对现有嵌入式系统连入Internet技术分析基础上，结合智能家庭网关项目中的实际应用，提出了一种新的采用智能网关实现嵌入式系统连入Internet的方案：智能家庭网关(MCU+RTOS+以太网控制器+网络协议)+内部网(连入Internet的嵌入式系统组成的网络)。该方案采用RTOS和以太网控制器共同来处理网络协议，通过以太网控制器将嵌入式系统连人Internet。这种方案不但能节约开发成本、提高开发效率，还能降低用户的使用成本。由于各个嵌入式系统是通过智能家庭网关连入Internet，这样就可以提高嵌入式系统的安全性。

2 智能家庭网关的硬件体系结构

在智能家庭网关中，微控制器(MCU)采用Motorola公司的32位单片机MC68KVZ328芯片，他是硬件体系结构的关键部分，运行实时嵌入式系统(RTOS)完成数据处理、故障判断，并且负责对以太网控制器CS8900A的数据进行初始化配置，完成各种必要控制并负责实现和CS8900A之间的数据传输等功能。

CS8900A基本工作原理：CS8900A收到由MCU发来的数据帧后，侦听网络线路，如果线路忙，他就等到线路空闲为止，否则立即发送该数据帧。发送时，首先添加以太网帧头(包括先导字段和帧开始标志)，然后生成CRC校验码，最后将此数据帧发送到Internet上。接收时，他将收到的数据帧在经过解码、去帧头和地址检验等步骤后缓存在片内。在CRC校验通过后，他会根据对CS8900A初始化配置情况，通知微控制器(MCU)CS8900A收到了数据帧，最后传输到MCU的存储区中。硬件体系结构如图1所示。

MC68KVZ328和CS8900A之间数据传输采用中断传输模式。CS8900A的处理算法流程如图2所示。

3 智能家庭网关的软件体系结构

智能家庭网关中采用的嵌入式实时多任务操作系统RTOS是PPSM，整个智能家庭网关的软件体系结构如图3所示。

3.1 CS8900A的驱动程序设计

根据智能家庭网关的需要，将以太网控制器CS8900A驱动程序的基本功能定义为：

(1) 实现对CS8900A的初始化，包括硬件寄存器初始化和与驱动有关的软件初始化；

(2) 实现MC68KVZ328和CS8900A之间的数据传输，即在PPSM系统内存缓冲区和CS8900A缓冲区之间复制数据；

(3) 将CS8900A的状态信息传给MC68KVZ328，实现对MC68KVZ328对CS8900A的控制。

为了提高PPSM系统处理数据报的效率，只复制物理帧的数据区部分，即IP数据报，而不是将整个物理帧复制到系统内存中后再获得IP数据报。

驱动程序的初始化函数首先对CS8900A的各个寄存器进行初始化、分配数据缓冲区，然后注册CS8900A的低级中断处理程序、创建发送和接收数据的高级中断处理程序，最后启动CS8900A，这样就可以实现CS8900A和MC68KVZ328之间的数据传输了。

3.2 网络协议设计

网络协议是一种通用网络互联技术，是低层网络技术和高层应用程序之间的中间层软件。由于协议栈具有层次结构，对复杂问题分而治之的模块化方法，因此对协议进行简化设计时也采用了这个思想。设计出的协议栈包括：传输层协议、网络层(IP)协议和网络接口层协议3个层次。整个系统对网络协议的处理流程如图4所示。

传输层协议 包括可靠数据传输协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)。TCP协议是面向连接的、端对端的可靠通信协议。功能包括：格式化信息流和提供可靠的传输。为了提供可靠性传输，要经历3个阶段：建立TCP连接、传输数据、断开TCP连接。TCP连接必须在接收到接收端的确认后才能建立。为了保证数据传输的正确性，TCP协议要对TCP报文进行校验和的计算。TCP协议主要负责用户和智能家庭网关之间的数据通信，智能家庭网关和内部网络上各个嵌入式系统之间的通信。UDP协议是一个简单的面向数据包的运输协议，由于UDP不提供可靠性，因此，他在智能家庭网关中的功能只是负责将报警信号发送出去。

网络层(IP)协议 IP协议是网络协议的核心部分，为网络上的不同主机之间发送数据报的操作序列，提供的是无连接的服务。其功能包括：

(1) 处理来自TCP和UDP的分组发送请求，将分组装入IP数据报，填充报头，选择接收主机路径，然后将数据报发送到网络接口层；

(2) 处理从网络接口层传来的数据报：首先要验证数据报的合法性，然后进行寻径处理，如果该数据报是发给本机的则去掉报头，将传输层分组传给TCP处理，否则扔掉不作其他任何处理；

(3) 处理网际控制报文协议(ICMP)报文、处理路径、流量控制和拥塞等问题。

网络接口层协议 是软件最低层，其功能是：

(1) 装配不完整的发送帧和从接收到的物理帧中提取IP数据报；

(2) 实现对CS8900A驱动。

3.3 应用层设计

应用层中包括一个嵌入式WebServer应用程序，WebServer要实现远程用户对连接在内部网络上的嵌入式系统控制，远程用户只需要对网页上对应于内部网络的嵌入式系统模拟操作界面进行操作就能实现对连接在内部网络上的嵌入式系统进行控制，在WebServer中包含一个小型实时数据库，该数据库保存有内部网络上各个嵌入式系统的实时数据资料，远程用户可以随时查阅这些数据或对他们进行修改，从而实现对系统的实时控制。

4 应用实例

该方案被应用于智能家电连入Internet项目，使远程用户能通过Internet和智能家庭网关对家里的智能家电实现远程控制。为了解决智能家庭网关和各个智能家电设备之间的通信问题，先将各个设备通过电力线组建成家庭内部网络，然后再通过家庭网关与家庭内部网络的连接。在电力线和智能家电设备之间增加了一个中继装置，这样用户可以方便地将智能家电设备组成家庭内部网，用户只需要将中继装置插在电源插座上就可以实现家庭内部网络的组建，中继装置中包括以太网接口和电力线接口两个模块，负责数据的接收和发送。整个系统的框图如图5所示。

智能家庭网关对家庭内部网络上的智能家电进行实时监控，不断更新WebServer中的数据。家庭内部网络上还连接有安防监控系统，如果遇有紧急情况能迅速将信息传给远程用户。远程用户对智能家电的控制如图6所示。在WebServer中包含一个小型的实时数据库，该数据库中保存有智能家电的实时数据资料，远程用户可以随时查阅这些数据或对他们进行修改，这样就可以完成对智能家电的实时控制。

5 结 语

本文充分利用智能家庭网关和现有的电力线将智能家电连接在家庭内部网络上，从而解决了嵌入式家居系统连入Internet的问题。需要指出的是：在该方法中用户必须是直接配置而不能通过Internet进行远程配置；另外，远程用户在对智能家电进行控制时，将被限制在一定范围内，这样可避免智能家庭网关被非法入侵者或用户自己错误设置而导致智能家电的损坏。