多通信媒質信息家電網絡控制器的研究

摘要：提供一種新的基于多通信媒質和統(tǒng)一應用層協(xié)議的家庭網關。該網關可用于家電的控制和其它的聲、視頻設備，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、無線網絡等進行數(shù)據(jù)通信，用戶可以通過Internet瀏覽器、電話線PC進行控制；來自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(shù)單片機可以處理這些數(shù)據(jù)。網關還提供了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，為家庭自動化、分布式系統(tǒng)、機器人控制等提供了有效的網絡解決方案。

關鍵詞：信息家電 家庭網關 電力線通信 以太網 消費電子總線

引言

隨著科技的進步以及對生產質量要求的不斷提高，人們對家電的選擇和使用已經從只關心家電的單項功能轉向追求家電品位和控制的便捷性。信息技術和網絡化技術的發(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。將信息技術與家電控制技術相融合，在更大程度上實現(xiàn)家庭生活的信息化和自動化，滿足人們舒適、高節(jié)奏的生活需要[1,2]，使所有的消費電子產品具有了連入網終的能力，正是消費類電子產品下一步的發(fā)展趨勢[3]。家電的網絡化將給已趨飽和家電消費市場帶來新的需求。對這方面的進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，同時也刺激人們對各種數(shù)據(jù)源和網絡服務需求日益增長，為信息社會注入新的生機和活力，具有重要的理論、實用和商用價值[4～6]。

1 “網絡信息家電”領域存在的問題

現(xiàn)有家電網絡控制系統(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：家庭內部各部分的通信協(xié)議不同，難以構成一個統(tǒng)一的家庭網絡系統(tǒng)，無法在應用層為用戶提供方便統(tǒng)一的使用界面，進而延緩了相關市場的普及和家庭網絡化的進程。提供一個兼容各種底層協(xié)議的面向開發(fā)應用的接口技術，從而實現(xiàn)家庭網絡的互操作性，是當前技術團體研究的熱點，同時也是家庭網絡進一步發(fā)展的關鍵[7]。

（1）現(xiàn)有協(xié)議和目前的網絡家電構想的缺陷與不足

目前沒有統(tǒng)一的應用層通信協(xié)議標準出現(xiàn)，大多數(shù)網絡家電產品需要家電廠家的配合，所以在技術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秘密，網絡家電產品的不兼容性造成網絡技術推廣的障礙。

①目前家電網絡控制設備的研制焦點是家電控制中心，并以此促成與多廠家之間的合作關系。這種構想本身僅適合一個廠家。由于它的不開放性，若其他廠家配備該網關，則控制的方式和策略、數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃懈袷皆谙喈敶蟮某绦蛏弦搹S家保持一致。這一方面限制了各廠家產品的特點和合作的積極性，另一方面相當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用戶對通信媒質要求的特殊性/多樣性帶來許多問題。因為成本問題，在家庭內部數(shù)據(jù)網中傳播媒質可能選擇RS485；為減輕線連之間的施工和維護等負擔，亦可能選擇Power Line或其它無線傳輸方式。多通信媒質的嵌入式通信系統(tǒng)可適應不同消費者的需求。

（2）利用已有網絡設備對非家庭單元的家電控制

在辦公室和其他機關等環(huán)境中，由于Ethernet局域網絡的普及，可直接應用現(xiàn)有的局域網，而不必占用電話線路。局域網中的控制更加快捷、有效和靈活，可以獨立編排局域網內部的控制策略，這要求通信媒質是可選的。

（3）各廠家各自為戰(zhàn)帶來的問題和機會

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

（4）照抄國外標準，不適應我國國情

國外的網絡家電也存在類似問題，實踐表明照抄國外的標準和產品，是不適應我國的家庭環(huán)境的。國外產品的傳輸層協(xié)議遵循的是標準協(xié)議，而應用層協(xié)議亦無完善的被廣泛認可的標準可以遵循。

綜上，需要制造統(tǒng)一的標準。一個保持各廠家特色和保護各廠家數(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“家庭網關”應該受到各廠家的支持。由此可改變以前的傳統(tǒng)控制策略，通過家庭網關建立用戶、廠家和特定家電之間的點對點通信方式。

2 應用層通信協(xié)議制制原則

為了解決目前網絡家電領域存在的問題，本文給出一種基于MCU系統(tǒng)的網絡家電全面解決方案。在網絡家電的研制和開發(fā)過程中，網絡協(xié)議的制定是關鍵。為了將產品推向市場，在協(xié)議制定時需要注意如下幾個方面：

①保持各家電廠家的產品特點；

②保護各家電廠家的數(shù)據(jù)格式；

③對數(shù)字化家電，家庭網絡控制器（即家庭網關）僅起信道作用及協(xié)助家電廠家服務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，于是有如下確定應用層的網絡控制協(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)格式的內容；

③對家電同部的數(shù)據(jù)格式的確定，在EEROM中合理劃分數(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軟件插件，網關僅起信號通道作用。

3 基于多通信媒質的家庭網關設計

3.1 家庭網絡控制器總體結構

在我國，網絡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；建立家電和廠家服務中心的鏈接關系，完成諸如遠程在線故障診斷、程序遠程下載和參數(shù)在線更改等功能（如產品的Bug在線修改和按地域性質調整不合理的參數(shù)等）；具備火警自動報警、智能樓宇的信息傳遞和電力抄表等功能。家庭網絡控制器總體框圖如圖1所示。圖2為網絡家電的應用示意圖。

用戶可通過A、B、C3種途徑與家庭網關進行。家庭網關有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)點上與小區(qū)域各個服務器通信，經過服務器身份認證后可以與相應的家庭網關通信，瀏覽家電運行情況，并且可以遠程控制預置家電的行為。應用該方式用戶也可以直接在局域網內進行控制。途徑B是通過PC機與Modem相連，同相應家庭網關通信進行數(shù)據(jù)傳遞。途徑C是用戶直接用電話按鍵通過DTMF解碼為家庭網關提供命令，而網關則為用戶提供直觀的語音界面。從網關到家電的信息傳遞，途徑A'是應用電力線載波技術，利用現(xiàn)有的電力線作為信號傳輸通道，無需額外布線；途徑B'的數(shù)據(jù)是通過無線通信方式進行傳遞的，因而也無需布線；途徑C'是直接用通信線纜將網關和家電連接起來，該方式成本雖低但需要額外的施工和布線。另外，為避免復雜的按鍵控制和LCD顯示，采用計算機通過RS232對家庭網關進行參數(shù)設置和控制策略編輯。

3.2 家庭網關原理

家庭網關的原理框圖如圖3所示，各構成部分主要與圖1的網關應用相結合，各通信接口是嵌入式的。選用美國Ubicom公司新產品IP2022 Internet處理器作為家庭網關控制主芯片。Ubicom公司的IP2022在1個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絡接口相連，這種功能使其能夠實現(xiàn)片內10BaseT以太網（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(shù)指令均為單周期執(zhí)行，使吞吐量能滿足各種新型網絡連接應用的要求，因而該網關可用于控制聲、視頻設備，還可以通過Internet瀏覽器用網頁方式進行瀏覽和家電設備運行，除此之外，還為將來的應用提供了Bluetooth和USB的接口。

3.3 家庭網關設計的關鍵技術

對家電來說，成本問題是關鍵。諸如空調、冰箱、洗衣機等家電的控制芯片多為謙價、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，使家電設備僅需要改部分程序就可具備網絡功能，是本文設計的出發(fā)點。下面簡要介紹一下網關設計中涉及的幾個關鍵技術。

（1）電力線載波Modem

電力線網絡的一個最大優(yōu)勢是使用家庭中現(xiàn)有的電力線連接家電的設備，無需額外布線。最新的技術可以實現(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)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(jù)家庭網絡的特點和不同電力載波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Modem，運行可靠，抗干擾性很強。

（2）DTMF解碼技術

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

CM8870是CMD公司生產的用于雙音頻接收的專用芯片，主要包括輸入端運算放大器、頻帶分割濾波器、數(shù)字解碼器和輸出控制單元第4個部分。在輸入端，運算放大器部分對輸入信號進行必要的增益處理，輸出的信號通過基于開關電容技術的頻帶分割濾波器進行濾波和頻帶分割，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行特征提取，最后確定出組成按鍵的2個頻率。將這2個頻率值送到相應的輸出口進行解碼，輸出相應的按鍵代碼，這樣就完成了一個按鍵的檢測。

（3）低成本遠程Modem控制技術

TI、TDK等公司已有成熟的解決方案，在此從略。

（4）低成本以太網控制的單片機解決方案

“寬帶”已經走進了家門，以太網不僅便于建立，“技術上的簡單、可靠和低成本”更是以太網的過人之處。以太網控制單片機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，用低成本單片機與該協(xié)議棧通過UART進行通信、解析并執(zhí)行相關的命令操作，原理如圖5所示。

（5）無線網絡的解決方案

目前關于該技術有很多產品的標準，如Butterfly、Diamond等公司的產品。Bluetooth的優(yōu)勢在于全球標準的統(tǒng)一，具有互操作性，以及能非常方便地實現(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，其特點是無需曼徹斯特編碼、且可直接收/發(fā)標準串口數(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。

結束語

本文應用電力線載波、電話線（雙音頻解碼和調制解調等）及寬帶網絡無線網絡等通信原理，給出了基于多通信媒質的家庭網關設計方案，可滿足絕大多數(shù)消費者的需求。這種媒質復用技術的應用，可以保證如電力線抄表等功能的集中實現(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，并易于達成一致的網絡數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。此外，該協(xié)議的實現(xiàn)與具體的傳輸媒體無關，為產品的系列化開發(fā)和工業(yè)化產生奠定了基礎，也為家庭自動化、分布式系統(tǒng)、機器人控制等其它領域應用提供了經濟、可靠的網絡解決方案。