基于以太網(wǎng)智能家居控制器的設計

1、基于以太網(wǎng)智能家居控制器的設計隨著現(xiàn)代 4c技術（計算機技術、控制技術、通信技術和圖形顯示技術）的快速進展以及人們生活水平的不斷提高，智能家居已經(jīng)成為智能建造的一個重要分支。本文旨在設計一種成本低廉、面對一般家庭的、集本地控制和遠程控制于一體的智能家居控制器，用于控制室內(nèi)家電的運行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)的采集。設計中本地控制采納技術，遠程控制通過開發(fā)精簡的 tcp/ip協(xié)議并結合 http協(xié)議，實現(xiàn) web服務器，從而用法戶通過隨意的掃瞄器便可對家居中的設備和環(huán)境舉行控制和監(jiān)測。 2 以太網(wǎng)智能家居控制器的硬件設計智能家居控制器采納 8位 w78e58b作為系統(tǒng)的核心處理單元，系統(tǒng)硬件框圖 1所示。本

2、地端以紅外通信技術為基礎，放射端采納 nb9148紅外編碼模塊，接收端采納 sj1838舉行接收解調(diào)，并將控制信號傳送給 w78e58b。外部擴展 ram 62256以提高單片機的數(shù)據(jù)傳輸速度和復雜的 tcp/ip協(xié)議的處理。 rs232串口通訊主要用于程序的下載和調(diào)試，以及通訊轉(zhuǎn)換接口。gal器件 atf16v8b用于片選，以節(jié)省系統(tǒng)空間資源。ds18b20用于環(huán)境溫度采集。遠程控制的硬件平臺由 w78e58b和以太網(wǎng)控制器 rtl8019as等器件組成。rtl8019as是針對 isa設計的，用于實現(xiàn)網(wǎng)絡的物理層協(xié)議的專用以太網(wǎng)控制芯片。rtl8019as內(nèi)置了 10base-t，用法跳線

3、方式，通過可提高網(wǎng)絡通信的抗干擾能力的網(wǎng)絡 20f-01，再與 rj-45相連。 e2prom at24c512用于實現(xiàn)嵌入式 web服務器拜訪的網(wǎng)頁文件存儲，同時也用于存儲用戶的一些設置，如 ip地址、網(wǎng)關以及網(wǎng)卡芯片 mac地址等參數(shù)。3 以太網(wǎng)智能家居控制器的軟件設計以太網(wǎng)智能家居控制器的軟件實現(xiàn)是在單片機上完成的，主要包括虛擬 i2c總線讀寫程序、紅外接收和控制程序、溫度采集程序、網(wǎng)卡芯片 rtl8019as驅(qū)動程序、嵌入式 web服務器的實現(xiàn)以及其他處理程序。本文中只研究網(wǎng)卡芯片的驅(qū)動程序和嵌入式 web服務器的實現(xiàn)。3.1 以太網(wǎng)控制器 rtl8019as的驅(qū)動程序rtl8019a

4、s的驅(qū)動程序是 tcp/ip協(xié)議與底層物理設備的程序接口，它屏蔽了底層硬件處理的詳情，并向上層軟件提供與硬件無關的接口。 tcp/ip協(xié)議只要調(diào)用以太網(wǎng)驅(qū)動程序即可完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。網(wǎng)卡芯片 rtl8019as的驅(qū)動程序包括 rtl8019as初始化程序、數(shù)據(jù)包接收程序和數(shù)據(jù)包發(fā)送程序。3.1.1 rtl8019as初始化rtl8019as通過 rstdrv管腳舉行復位操作。復位后，先對 rtl8019as初始化。初始化操作包含設置 pstart=0x4c，pstop=0x80，使 0x400x4b為網(wǎng)卡的發(fā)送緩沖區(qū)，0x4c 0x7f為網(wǎng)卡的接收緩沖區(qū)；設置 rcr=0xcc，僅接

5、收目標物理地址和設置物理地址全都的數(shù)據(jù)包、廣播地址數(shù)據(jù)包和多點播送地址包；設置 tcr=0xe0，工作在正常模式；設置 dcr=0xc8，用法 fifo緩存及 8位數(shù)據(jù) dma；設置 imr=0x00，屏蔽全部中斷；組播地址寄存器 mar0mar7，均設置為 0x00；設置網(wǎng)卡物理地址寄存器 par0par5；設置 cr=0x22，挑選頁 0的寄存器，進入正常工作狀態(tài)；設置 isr0xff，清除全部中斷標記位。3.1.2 rtl8019as數(shù)據(jù)發(fā)送首先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式封裝后，再置 cr寄存器為 12h，啟動遠程寫 dma，rtl8019as會自動將這幀數(shù)據(jù)送至 rtl8019a

6、s的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)，并將結果寫入狀態(tài)寄存器。最后將 cr置為 3eh，啟動本地寫 dma后將數(shù)據(jù)送入 fifo寄存器，并發(fā)送到以太網(wǎng)上。程序流程圖見圖 2所示。接收數(shù)據(jù)時，接收緩沖區(qū)構成一個循環(huán) fifo隊列。 pstart、pstop兩個寄存器限定了循環(huán)隊列的開頭和結束頁；curr為寫入指針，受芯片控制； bnry為讀出指針，由主機程序控制。程序通過查詢 curr和 bnry兩個寄存器的值來推斷是否收到一幀數(shù)據(jù)。程序流程見圖 3所示。3.2 嵌入式 web服務器的實現(xiàn)設計中采納的是 w78e58b型 8位單片機，因為單片機存儲空間有限、處理速度相對較慢，且在囫圇遠程控制中不需要實現(xiàn)完整的 t

7、cp/ip協(xié)議。因此，可以在遠程控制的網(wǎng)絡銜接和拜訪技術中采納精簡 tcp/ip協(xié)議。要實現(xiàn)交互功能，就要在精簡 tcp/ip協(xié)議的基礎上實現(xiàn) http協(xié)議，構建嵌入式 web服務器。本設計中的精簡 tcp/ip協(xié)議具有同 tcp/ip協(xié)議一樣的四層結構，各層實現(xiàn)的功能如下：鏈路層。設計中通過以太網(wǎng)接入到 internet，因此物理層和數(shù)據(jù)鏈路層要符合以太網(wǎng)的 ieee802.3標準。然而，以太網(wǎng)控制器 rtl8019as的硬件組成部分已經(jīng)實現(xiàn)了 csma/cd控制機制，屏蔽了底層硬件處理的詳情，并向上層軟件提供與硬件無關的接口，終于完成了數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)中的接收和發(fā)送。因此，設計中物理層與數(shù)據(jù)鏈

8、路層的設計是通過 rtl8019as硬件和驅(qū)動程序共同實現(xiàn)的。網(wǎng)絡層實現(xiàn)了 arp協(xié)議、icmp協(xié)議和 ip協(xié)議。arp是地址解析協(xié)議，詳細處理過程是當接收到 arp數(shù)據(jù)包，處理器就查看 ip地址是哀求還是響應。假如是響應，則將響應中的網(wǎng)卡地址存到 arp高速緩存表中；假如是哀求，處理器將返回自己的網(wǎng)卡物理地址給對方。icmp是調(diào)試響應 ping的哀求，檢測網(wǎng)路是否通順。依照系統(tǒng)實際應用的要求， ip協(xié)議只需實現(xiàn)對數(shù)據(jù)報傳送和接收，無須實現(xiàn)路由挑選算法和差錯控制，同時也不需支持 ip數(shù)據(jù)報的分片和重組。傳輸層實現(xiàn) tcp協(xié)議。 tcp協(xié)議是面對銜接的、端對端的牢靠通信協(xié)議。設計中實行了 tcp

9、銜接的建立與關閉機制、超時重傳機制、數(shù)據(jù)包確認機制、流量控制機制來保證它的牢靠性。在超時重傳機制中，假如超時重傳定時器溢出后還沒有收到確認，則重傳該數(shù)據(jù)包，并復位重傳定時器。為容易起見，程序里每次只發(fā)送一個 tcp數(shù)據(jù)包，然后等待它確實認，惟獨收到確認后才會繼續(xù)發(fā)送下面的 tcp數(shù)據(jù)包。在本設計，程序重傳的間隔時光是固定的，沒有采納 tcp協(xié)議中的標準算法，當達到一定的次數(shù)后，發(fā)送方還沒有收到確認，則會放棄該包的發(fā)送并關閉 tcp銜接。tcp的流量控制是為了協(xié)調(diào)通信雙方的收發(fā)速率不均衡而設計的。設計中考慮到系統(tǒng)在用法 tcp協(xié)議時，只設置了一個中等 ip包大小接收緩存，因此接收窗口恒定設為 1

10、024。這樣遠端主機就會以較慢的傳輸速率與本端的 web服務器舉行通信，不會導致死機。應用層實現(xiàn)了 http協(xié)議。http是在 web服務器和掃瞄器之間通信的協(xié)議。為了簡化，設計中采納固定的 http報文頭封裝 http應答數(shù)據(jù)報文。格式如下：char code html_header /客戶端拜訪主頁時候服務器的響應頭部= "http/1.1 200 okn" /響應行（ respond line），狀態(tài)為 ok，表示文件可以讀取"cache-control: no-cachen" /沒有高速緩存控制"connection: keep-ali

11、ven" /http/1.1的可持續(xù)鏈接"content-length: tag:len1n" /文件長度"content-type: text/htmlrnrn" ；/客戶端 get哀求的文件格式在響應 http哀求時，因為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部分不能超過 1500字節(jié)，因此當發(fā)送數(shù)據(jù)超過 1500字節(jié)，需要分組發(fā)送。3.3 以太網(wǎng)智能家居控制器遠程控制運行結果智能家居控制器接入以太網(wǎng)后，用戶只需在掃瞄器中輸入控制器的 ip地址，便可登錄遠程控制界面。當正確輸入用戶名和密碼后，便進入控制頁面，用戶可以拜訪并控制各子系統(tǒng)。圖 4為智能家電的控制頁面，系統(tǒng)用法 gif格式表示智能家電開關的狀態(tài)。當單擊控制頁面中相應的開關后，智能家居 web服務器收到 http哀求，執(zhí)行 cgi程序，將相反狀態(tài)的嵌入到網(wǎng)頁相應的位置中。與此同時，單片機會在相應家電的控制端口，輸出一個與之前狀態(tài)相反的電平，此時動作，家電運