單片機(jī)IP技術(shù)在智能小區(qū)系統(tǒng)中的應(yīng)用

引言

住宅小區(qū)智能化（或稱為"智能小區(qū)"）的概念是本世紀(jì)90年代引入國(guó)內(nèi)的，它是以家庭智能化為核心，包括遠(yuǎn)程抄表，家庭防盜報(bào)警，醫(yī)療救助，家電控制等功能，采用系統(tǒng)集成方法，建立一個(gè)溝通小區(qū)內(nèi)部住戶之間、住戶與小區(qū)綜合服務(wù)中心之間、住戶與外部社會(huì)的綜合信息交互系統(tǒng)，從而為住戶營(yíng)造一個(gè)安全、舒適、便捷、高效的居住和生活環(huán)境?，F(xiàn)行的智能小區(qū)系統(tǒng)多是以rs485、can總線、lonworks等總線進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，布線復(fù)雜，沖突多，系統(tǒng)不夠穩(wěn)定且涉及到消防安全及成本的考慮。而以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，布線簡(jiǎn)單，且也比can、lonwoks等更便宜，更有利于小區(qū)智能化產(chǎn)品的兼容和統(tǒng)一。在當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)及信息技術(shù)不斷發(fā)展的情況下，以及人們對(duì)家居生活的需求及觀念上的變化，電話、電視、計(jì)算機(jī)三網(wǎng)有合一的趨勢(shì)，將來智能小區(qū)的發(fā)展必定是以太網(wǎng)的天下。所以針對(duì)當(dāng)前行業(yè)的發(fā)展情況和趨勢(shì)，對(duì)于基于ip的以太網(wǎng)家庭智能終端的研究順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的潮流，有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

智能小區(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文中提出的小區(qū)智能系統(tǒng)由小區(qū)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、家庭智能終端（cdt）三個(gè)主要部分組成，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

小區(qū)管理系統(tǒng)是指安裝在小區(qū)管理中心，完成全小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)據(jù)終端數(shù)據(jù)采集和處理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對(duì)于用戶數(shù)較多的系統(tǒng)，可以采用客戶機(jī)/服務(wù)器（c/s）結(jié)構(gòu)。小區(qū)管理系統(tǒng)分為監(jiān)控微機(jī)（client）和服務(wù)器(server)兩個(gè)部分，客戶端只作數(shù)據(jù)采集使用，數(shù)據(jù)的處理在服務(wù)器端進(jìn)行。小區(qū)管理系統(tǒng)的功能包括：顯示用戶終端的上網(wǎng)狀態(tài)，接受并顯示住戶報(bào)警，讀取水電氣表數(shù)據(jù)并產(chǎn)生報(bào)表，報(bào)警日志處理，系統(tǒng)管理等。用戶數(shù)據(jù)終端：用戶終端用來與管理系統(tǒng)通訊、并完成對(duì)各種計(jì)量信號(hào)和報(bào)警信號(hào)的采集、應(yīng)答主機(jī)的呼叫、回答上網(wǎng)狀態(tài)，并提供操作面板歡迎用戶查詢。

用戶終端硬件結(jié)構(gòu)及rtl8019的配置

1、用戶終端結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：系統(tǒng)由兩塊單片機(jī)組成，一塊負(fù)責(zé)五表讀數(shù)、安防紅外遙控器及安防信號(hào)的采集工作，另一塊負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)rtl8019通訊、家電控制，并響應(yīng)鍵盤及驅(qū)動(dòng)液晶顯示。兩塊mcu之間通過串口交換數(shù)據(jù)。

2、rtl8019的配置
rtl8019是一款高度集成的以太網(wǎng)控制芯片，它有兩種工作模式：一種是跳線模式j(luò)umper，一種是非跳線模式 jumperless，后者也支持plug and play。在單片機(jī)中一般都采用跳線模式選項(xiàng)。i/o端口的基地址io_base_address由單片機(jī)和8019之間的接線決定。此外8019還具有8個(gè)irq接口，本系統(tǒng)中沒用到irq，采用查詢方式。

8019輸入輸出地址共32個(gè)，地址偏移量為00h――1fh：
其中00h－－0fh共16個(gè)地址，為寄存器地址，寄存器分成4頁page0――page3，與ne2000兼容的寄存器只有3頁(page0－page2)，為了保證驅(qū)動(dòng)程序?qū)λ衝e2000的網(wǎng)卡有效，不要去操作第四頁的寄存器。

10h－－17h共8個(gè)地址，為dma地址。
18h－－1fh共8個(gè)地址，為軟復(fù)位端口。8019的硬件復(fù)位很簡(jiǎn)單，只需在上電時(shí)對(duì)rstdrv輸出一高電平就可以了。8019復(fù)位的過程將執(zhí)行一些操作，比如將93c46讀入，將內(nèi)部寄存器初始化等，至少需要2毫秒的時(shí)間。推薦等待更久的時(shí)間之后才對(duì)網(wǎng)卡操作，比如100毫秒之后才對(duì)它操作，以確保完全復(fù)位。

ics16b＝low時(shí)采用8位dma操作模式，上面的地址中只有18個(gè)是有用的： 00h－－0fh共16個(gè)寄存器地址。10h dma地址 （10h－－17h的8個(gè)地址是一樣的，都可以用來做dma端口，只要用其中的一個(gè)就可以了）。1fh 復(fù)位地址（18h到1fh共8個(gè)地址都是復(fù)位地址，每個(gè)地址的功能都是一樣的，只要其中的一個(gè)就可以了，但實(shí)際上只有18h、1ah、1ch、1eh這幾個(gè)復(fù)位端口是有效的，其他不要使用，有些兼容卡不支持19h、1bh、1dh等奇數(shù)地址的復(fù)位）。

網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)及tcp/ip協(xié)議棧的簡(jiǎn)化

從程序員的角度來說，對(duì)8019的操作是比較簡(jiǎn)單的，驅(qū)動(dòng)程序只需要將要發(fā)送的數(shù)據(jù)按一定的格式寫入芯片并啟動(dòng)發(fā)送命令，8019會(huì)自動(dòng)添加接收狀態(tài)、下一頁指針、以太網(wǎng)幀長(zhǎng)度和校驗(yàn)fcs段，并將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成物理幀格式在物理信道上傳輸。反之，8019收到物理信號(hào)后將其還原成數(shù)據(jù)，按指定格式存放在芯片ram中以便主機(jī)程序取用。簡(jiǎn)言之就是8019完成數(shù)據(jù)包和電信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換：數(shù)據(jù)包<===>電信號(hào)。以太網(wǎng)協(xié)議由芯片硬件自動(dòng)完成，對(duì)程序員透明。驅(qū)動(dòng)程序有3種功能：芯片初始化、收包、發(fā)包。發(fā)送數(shù)據(jù)包是先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)包通過dma寫操作存入網(wǎng)卡芯片ram，并給出發(fā)送緩沖區(qū)首地址(tpsr0、tpsr1)和數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度(tbcr0,tbcr1)，啟動(dòng)發(fā)送命令，網(wǎng)卡芯片會(huì)自動(dòng)按以太網(wǎng)協(xié)議完成發(fā)送并將結(jié)果寫入狀態(tài)寄存器。接收數(shù)據(jù)包時(shí)，采用查詢的方式，根據(jù)curr＝＝bnry＋1?可以判斷是否收到新的數(shù)據(jù)包，如果有則通過dma讀操作從網(wǎng)卡芯片ram讀出數(shù)據(jù)。發(fā)送、接收子程序如下所示：

1發(fā)送子程序
bit transmit(void)
{
cardcopydown();
xbyte[io_base_address + nic_command] = cr_no_dma|cr_stop|cr_page0;//停止8019
xbyte[io_base_address + nic_intr_status] = 0xff;//清中斷標(biāo)志
xbyte[io_base_address + nic_xmit_start] = xmit_start;//設(shè)置發(fā)送開始地址
xbyte[io_base_address + nic_xmit_config] = tcr_no_loopback;//設(shè)置為一般模式
xbyte[io_base_address+nic_data_config]=dcr_fifo_8_byte|dcr_normal|dcr_byte_wide;//設(shè)置8位dma模式
xbyte[io_base_address + nic_xmit_count_lsb] = 100;//設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
xbyte[io_base_address + nic_xmit_count_msb] = 0;
xbyte[io_base_address + nic_command] = cr_start|cr_xmit|cr_page0;//啟動(dòng)8019
return (true);
}
2接收子程序
bit receive(void)
{
uint tempshort;
uchar temp;
uchar curr;
uchar bnry;
uint i;
//停止網(wǎng)卡
xbyte[io_base_address + nic_command] = cr_stop|cr_no_dma|cr_page1;
//讀取當(dāng)前current的值
curr= xbyte[io_base_address + nic_current];
//讀取當(dāng)前boundary的值
xbyte[io_base_address + nic_command] = cr_stop|cr_no_dma|cr_page0;
bnry= xbyte[io_base_address + nic_boundary];
if(curr==0)
return (faulse);
if((++bnry)> page_stop)
bnry=page_start;
if(curr!=bnty)//表示有包收到
{
//設(shè)置遠(yuǎn)端dma地址和長(zhǎng)度
xbyte[io_base_address + nic_rmt_addr_lsb] = 0x00;
xbyte[io_base_address + nic_rmt_addr_msb] = boundary;
xbyte[io_base_address+nic_rmt_count_lsb]=__dread&0xff;
xbyte[io_base_address + nic_rmt_count_msb] = (__dread>>8)&0xff;
//設(shè)置dma讀
xbyte[io_base_address + nic_command] = cr_start|cr_dma_read|cr_page0;
//重復(fù)讀dma端口
for (i=0;i<__dread;i++)
{
receive_data[i] = xbyte[io_base_address + nic_rack_nic];
}
//等待dma停止
tempshort = 0xffff;
while(tempshort)
{
temp = xbyte[io_base_address + nic_intr_status];
if (temp&isr_dma_done) break;
tempshort --;
}
return (true);
}
else
return(faulse);
}

3協(xié)議棧的精簡(jiǎn)

單片機(jī)中tcp/ip的實(shí)現(xiàn)與pc機(jī)不同，在pc里可支持比較完整的tcp/ip協(xié)議組，但在單片機(jī)里無法做到，這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)根本沒有足夠的代碼空間來支持這些協(xié)議。一般在單片機(jī)里實(shí)現(xiàn)與需要有關(guān)的部分，而不使用的協(xié)議則一概不支持。例如文件共享smb協(xié)議，在unix、windows都支持，但單片機(jī)上卻沒有必要。一般只能在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)：arp、ip，icmp、tcp/udp這些協(xié)議，而更高層的協(xié)議，http、smtp、ftp一般是不需要支持的。雖然有些單片機(jī)例如avr上網(wǎng)方案實(shí)現(xiàn)了這些協(xié)議，但實(shí)用性不大。因?yàn)閱纹瑱C(jī)應(yīng)用的tcp/ip協(xié)議大多是為了完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，而不是網(wǎng)頁瀏覽、文件傳輸這些功能。另外由于單片機(jī)資源的有限性，對(duì)某一協(xié)議而言，也有可能要作簡(jiǎn)化。本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的協(xié)議只有arp、ip、icmp、udp。在選擇傳輸層協(xié)議時(shí)我們放棄了面向鏈接的tcp，因?yàn)閠cp為了保證數(shù)據(jù)的可靠性采用一問一答的方式，這在數(shù)據(jù)量并不大的嵌入式系統(tǒng)中，反而增加了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)；另外tcp的很多機(jī)制，如分段機(jī)制、窗口機(jī)制等都適合于數(shù)據(jù)量大、處理能力強(qiáng)的pc機(jī)網(wǎng)絡(luò)，并不適合于嵌入式系統(tǒng)。udp雖然不提供面向鏈接的、可靠的服務(wù)，但是協(xié)議簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性更強(qiáng)，應(yīng)用層也可以做相應(yīng)的定時(shí)等待、重發(fā)處理等輔助性的操作來彌補(bǔ)它的缺陷。

a．a(chǎn)rp：arp的本質(zhì)就是實(shí)現(xiàn)ip地址到mac地址的轉(zhuǎn)換，抓住了這一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)就比較簡(jiǎn)單。嵌入式系統(tǒng)中沒有必要實(shí)現(xiàn)pc機(jī)網(wǎng)絡(luò)中地址表的更新功能，只需完成地址轉(zhuǎn)換。管理中心機(jī)在初始化cdt時(shí)發(fā)送arp請(qǐng)求，cdt只需響應(yīng)中心對(duì)它的arp請(qǐng)求，但不主動(dòng)發(fā)送arp請(qǐng)求。

b．icmp：icmp的種類很多，在本系統(tǒng)中只要實(shí)現(xiàn)icmp信息回顯功能。管理中心在執(zhí)行ping命 令 時(shí)，發(fā)送icmp請(qǐng)求信息，cdt中只需實(shí)現(xiàn)icmp回應(yīng)信息。

c．ip：ip包最大可達(dá)65k，單片機(jī)中無法存放如此大的數(shù)據(jù)包，因此一般不支持分段，以發(fā)送小數(shù)據(jù)的方式來避免分段。另外ip層的選項(xiàng)功能都可以完全忽略，ip層只需要根據(jù)協(xié)議類型分包。
d．應(yīng)用層：應(yīng)用層采用自己的數(shù)據(jù)協(xié)議格式為：

頭部＋命令字段＋布防字段＋報(bào)警字段＋五表參數(shù)字段＋五表讀數(shù)字段＋家電控制字段
接收方根據(jù)命令段的含義來分別實(shí)現(xiàn)布防、報(bào)警、五表參數(shù)設(shè)置、五表讀書、家電控制等功能。

結(jié)束語

本文以基于tcp/ip技術(shù)的智能小區(qū)家庭智能終端系統(tǒng)的研究為例，詳細(xì)講述了rtl8019網(wǎng)卡芯片的驅(qū)動(dòng)方法，并給出了單片機(jī)中tcp/ip協(xié)議的精簡(jiǎn)方案。本系統(tǒng)已經(jīng)成功地運(yùn)用于多個(gè)小區(qū)，其可行性、可靠性和靈活性已經(jīng)得到證實(shí)，并且基于以太網(wǎng)智能小區(qū)系統(tǒng)低廉的造價(jià)、簡(jiǎn)潔的布線更使得基于tcp/ip的以太網(wǎng)技術(shù)成為了替代傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的一種重要手段。