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(tǒng)一應(yīng)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(shè)備，低成本、無需或只需很少的連接線、可靠性高；可通過電力線、電話線、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，用戶可以通過Internet瀏覽器、電話線PC進(jìn)行控制；來自Internet/Intranet的控制信息流能夠被接收并轉(zhuǎn)換成通用的RS232/RS485協(xié)議，使得絕大多數(shù)單片機(jī)可以處理這些數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)還提供了Bluetooth和USB的接口，能夠在用戶和家電之間方便地建立連接，無需考慮多樣的底層協(xié)議，為家庭自動(dòng)化、分布式系統(tǒng)、機(jī)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) 電力線通信 以太網(wǎng) 消費(fèi)電子總線

引言

隨著科技的進(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(xiàng)功能轉(zhuǎn)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(yuǎn)程調(diào)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(xiàn)家庭生活的信息化和自動(dòng)化，滿足人們舒適、高節(jié)奏的生活需要[1,2]，使所有的消費(fèi)電子產(chǎn)品具有了連入網(wǎng)終的能力，正是消費(fèi)類電子產(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(fèi)市場帶來新的需求。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(shù)據(jù)源和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求日益增長，為信息社會(huì)注入新的生機(jī)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)域存在的問題

現(xiàn)有家電網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在操作方式及方便使用方面離用戶的要求還有一定的差距，問題主要表現(xiàn)在：家庭內(nèi)部各部分的通信協(xié)議不同，難以構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，無法在應(yīng)用層為用戶提供方便統(tǒng)一的使用界面，進(jìn)而延緩了相關(guān)市場的普及和家庭網(wǎng)絡(luò)化的進(jìn)程。提供一個(gè)兼容各種底層協(xié)議的面向開發(fā)應(yīng)用的接口技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)的互操作性，是當(dāng)前技術(shù)團(tuán)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(xiàn)有協(xié)議和目前的網(wǎng)絡(luò)家電構(gòu)想的缺陷與不足

目前沒有統(tǒng)一的應(yīng)用層通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)家電產(chǎn)品需要家電廠家的配合，所以在技術(shù)上具有較大的依速程度；而家電廠家往往不愿公開自己的技術(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(shè)備的研制焦點(diǎn)是家電控制中心，并以此促成與多廠家之間的合作關(guān)系。這種構(gòu)想本身僅適合一個(gè)廠家。由于它的不開放性，若其他廠家配備該網(wǎng)關(guān)，則控制的方式和策略、數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃懈袷皆谙喈?dāng)大的程序上要同該廠家保持一致。這一方面限制了各廠家產(chǎn)品的特點(diǎn)和合作的積極性，另一方面相當(dāng)于公布了各廠家的傳輸控制數(shù)據(jù)格式，不利于廠家之間的競爭。②用戶對通信媒質(zhì)要求的特殊性/多樣性帶來許多問題。因?yàn)槌杀締栴}，在家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)網(wǎng)中傳播媒質(zhì)可能選擇RS485；為減輕線連之間的施工和維護(hù)等負(fù)擔(dān)，亦可能選擇Power Line或其它無線傳輸方式。多通信媒質(zhì)的嵌入式通信系統(tǒng)可適應(yīng)不同消費(fèi)者的需求。

（2）利用已有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對非家庭單元的家電控制

在辦公室和其他機(jī)關(guān)等環(huán)境中，由于Ethernet局域網(wǎng)絡(luò)的普及，可直接應(yīng)用現(xiàn)有的局域網(wǎng)，而不必占用電話線路。局域網(wǎng)中的控制更加快捷、有效和靈活，可以獨(dú)立編排局域網(wǎng)內(nèi)部的控制策略，這要求通信媒質(zhì)是可選的。

（3）各廠家各自為戰(zhàn)帶來的問題和機(jī)會(huì)

網(wǎng)絡(luò)家電應(yīng)具有網(wǎng)絡(luò)功能、數(shù)字化、信息化、智能化、低成本、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。但各個(gè)公司廠商對網(wǎng)絡(luò)家電模型的理解各不相同，出現(xiàn)了不同概念的網(wǎng)絡(luò)家電。若各廠家各自為戰(zhàn)，必帶來額外的研發(fā)費(fèi)用，提供家電的成本。另外，若沒有統(tǒng)一的協(xié)議，必須造成設(shè)備控制的不兼容問題。這一方面增加了各家庭的經(jīng)濟(jì)支出，另一方面多設(shè)備不兼容的問題使得網(wǎng)絡(luò)出口處理起來混亂，不會(huì)有很好的應(yīng)用。

（4）照抄國外標(biāo)準(zhǔn)，不適應(yīng)我國國情

國外的網(wǎng)絡(luò)家電也存在類似問題，實(shí)踐表明照抄國外的標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品，是不適應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，而應(yīng)用層協(xié)議亦無完善的被廣泛認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)可以遵循。

綜上，需要制造統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)保持各廠家特色和保護(hù)各廠家數(shù)據(jù)傳輸格式的，僅須遵從必要從簡單的協(xié)議即可完成控制的“家庭網(wǎng)關(guān)”應(yīng)該受到各廠家的支持。由此可改變以前的傳統(tǒng)控制策略，通過家庭網(wǎng)關(guān)建立用戶、廠家和特定家電之間的點(diǎn)對點(diǎn)通信方式。

2 應(yīng)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)域存在的問題，本文給出一種基于MCU系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)家電全面解決方案。在網(wǎng)絡(luò)家電的研制和開發(fā)過程中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的制定是關(guān)鍵。為了將產(chǎn)品推向市場，在協(xié)議制定時(shí)需要注意如下幾個(gè)方面：

①保持各家電廠家的產(chǎn)品特點(diǎn)；

②保護(hù)各家電廠家的數(shù)據(jù)格式；

③對數(shù)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：才有可能謀求廠家的支持和合作，于是有如下確定應(yīng)用層的網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議的原則：

①各廠家在最小程序上遵循統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式的和起始的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議；

②各廠家家電可自定義/解析數(shù)據(jù)格式的內(nèi)容；

③對家電同部的數(shù)據(jù)格式的確定，在EEROM中合理劃分?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)，用于家電控制和反饋參數(shù)的保存；

④為保證用戶和最終控制對象之間的數(shù)據(jù)通信原則上需要廠家提供相應(yīng)軟件插件，網(wǎng)關(guān)僅起信號(hào)通道作用。

3 基于多通信媒質(zhì)的家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

3.1 家庭網(wǎng)絡(luò)控制器總體結(jié)構(gòu)

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(yuǎn)程家電狀態(tài)預(yù)置和異地對家電行為的方便控制；建立家電和廠家服務(wù)中心的鏈接關(guān)系，完成諸如遠(yuǎn)程在線故障診斷、程序遠(yuǎn)程下載和參數(shù)在線更改等功能（如產(chǎn)品的Bug在線修改和按地域性質(zhì)調(diào)整不合理的參數(shù)等）；具備火警自動(dòng)報(bào)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(yīng)用示意圖。

用戶可通過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。用戶通過輪途徑A，在Internet的節(jié)點(diǎn)上與小區(qū)域各個(gè)服務(wù)器通信，經(jīng)過服務(wù)器身份認(rèn)證后可以與相應(yīng)的家庭網(wǎng)關(guān)通信，瀏覽家電運(yùn)行情況，并且可以遠(yuǎn)程控制預(yù)置家電的行為。應(yīng)用該方式用戶也可以直接在局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行控制。途徑B是通過PC機(jī)與Modem相連，同相應(yīng)家庭網(wǎng)關(guān)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。途徑C是用戶直接用電話按鍵通過DTMF解碼為家庭網(wǎng)關(guān)提供命令，而網(wǎng)關(guān)則為用戶提供直觀的語音界面。從網(wǎng)關(guān)到家電的信息傳遞，途徑A'是應(yīng)用電力線載波技術(shù)，利用現(xiàn)有的電力線作為信號(hào)傳輸通道，無需額外布線；途徑B'的數(shù)據(jù)是通過無線通信方式進(jìn)行傳遞的，因而也無需布線；途徑C'是直接用通信線纜將網(wǎng)關(guān)和家電連接起來，該方式成本雖低但需要額外的施工和布線。另外，為避免復(fù)雜的按鍵控制和LCD顯示，采用計(jì)算機(jī)通過RS232對家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行參數(shù)設(shè)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(gòu)成部分主要與圖1的網(wǎng)關(guān)應(yīng)用相結(jié)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(yīng)用和特殊器件外設(shè)，并且可通過Internet配置，耦電僅100mA。IP2022內(nèi)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?qū)崿F(xiàn)片內(nèi)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(nèi)含2個(gè)SerDes部件，便于從一種格式轉(zhuǎn)換到另一種格式，因而也能用作協(xié)議轉(zhuǎn)換器。IP2022的工作頻率為100MHz，大多數(shù)指令均為單周期執(zhí)行，使吞吐量能滿足各種新型網(wǎng)絡(luò)連接應(yīng)用的要求，因而該網(wǎng)關(guān)可用于控制聲、視頻設(shè)備，還可以通過Internet瀏覽器用網(wǎng)頁方式進(jìn)行瀏覽和家電設(shè)備運(yùn)行，除此之外，還為將來的應(yīng)用提供了Bluetooth和USB的接口。

3.3 家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

對家電來說，成本問題是關(guān)鍵。諸如空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等家電的控制芯片多為謙價(jià)、專用的CPU，這些CPU絕大多數(shù)都具有UART通信接口，即使不具備也可以通過軟件模擬；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(tǒng)一于UART，使家電設(shè)備僅需要改部分程序就可具備網(wǎng)絡(luò)功能，是本文設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。下面簡要介紹一下網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中涉及的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

（1）電力線載波Modem

電力線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)最大優(yōu)勢是使用家庭中現(xiàn)有的電力線連接家電的設(shè)備，無需額外布線。最新的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率與容錯(cuò)性。目前應(yīng)用的電力載波控制芯片主要有：LM1893。ST7536、SSCP200、PLT-22等等。根據(jù)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(shè)計(jì)了性能良好的擴(kuò)頻載波電力線Modem，運(yùn)行可靠，抗干擾性很強(qiáng)。

（2）DTMF解碼技術(shù)

基于CM8870和ISD2590的電話遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)框圖，如圖4所示。目前，大多數(shù)電話均通過雙音頻信號(hào)進(jìn)行按鍵信息的傳送。在發(fā)送端，電話機(jī)對按鍵信息進(jìn)行雙音頻編碼；在接收端，通過解碼獲得相應(yīng)的按鍵信息，從而實(shí)現(xiàn)按鍵信息在電話線上的傳遞。利用電話按鍵可實(shí)現(xiàn)簡單、方便、廉價(jià)的遠(yuǎn)程控制。

CM8870是CMD公司生產(chǎn)的用于雙音頻接收的專用芯片，主要包括輸入端運(yùn)算放大器、頻帶分割濾波器、數(shù)字解碼器和輸出控制單元第4個(gè)部分。在輸入端，運(yùn)算放大器部分對輸入信號(hào)進(jìn)行必要的增益處理，輸出的信號(hào)通過基于開關(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(hào)和低頻組信號(hào)，再將高頻組信號(hào)和低頻組信號(hào)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(yīng)的輸出口進(jìn)行解碼，輸出相應(yīng)的按鍵代碼，這樣就完成了一個(gè)按鍵的檢測。

（3）低成本遠(yuǎn)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(jī)解決方案

“寬帶”已經(jīng)走進(jìn)了家門，以太網(wǎng)不僅便于建立，“技術(shù)上的簡單、可靠和低成本”更是以太網(wǎng)的過人之處。以太網(wǎng)控制單片機(jī)解決方案的基本原理是通過IP2022協(xié)議棧解析TCP/IP、UDP等協(xié)議，用低成本單片機(jī)與該協(xié)議棧通過UART進(jìn)行通信、解析并執(zhí)行相關(guān)的命令操作，原理如圖5所示。

（5）無線網(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(biāo)準(zhǔn)，如Butterfly、Diamond等公司的產(chǎn)品。Bluetooth的優(yōu)勢在于全球標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，具有互操作性，以及能非常方便地實(shí)現(xiàn)快速、靈活、安全、低成本、低功耗的數(shù)據(jù)和語音通信。目前，由于成本問題Bluetooth還未能真正走入家庭，對此我們采用了成本較低的nRF401作為無線通信模塊，其特點(diǎn)是無需曼徹斯特編碼、且可直接收/發(fā)標(biāo)準(zhǔn)串口數(shù)據(jù)，工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段433 MHz，滿足無線管制要求，無需使用許可證。

結(jié)束語

本文應(yīng)用電力線載波、電話線（雙音頻解碼和調(diào)制解調(diào)等）及寬帶網(wǎng)絡(luò)無線網(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(shè)計(jì)方案，可滿足絕大多數(shù)消費(fèi)者的需求。這種媒質(zhì)復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用，可以保證如電力線抄表等功能的集中實(shí)現(xiàn)，節(jié)省了家庭的總投入。根據(jù)家電控制的規(guī)律和廠家易于接收的協(xié)議形式，我們制定了一套適合數(shù)字家電和非數(shù)字化家電，而且易于同各家電廠家交流，并易于達(dá)成一致的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。此外，該協(xié)議的實(shí)現(xiàn)與具體的傳輸媒體無關(guān)，為產(chǎn)品的系列化開發(fā)和工業(yè)化產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)，也為家庭自動(dòng)化、分布式系統(tǒng)、機(jī)器人控制等其它領(lǐng)域應(yīng)用提供了經(jīng)濟(jì)、可靠的網(wǎng)絡(luò)解決方案。