网络化智能家居系统.doc

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网络化智能家居系统

SmartHomeNetworkSystem

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目录

目录 I

一、引言 1

二、设计概述 3

2.1以太网网关终端 3

2.1.1背景信息 3

2.1.2设计目标 3

2.1.3功能特性 4

2.2智能灯光控制器 4

2.2.1背景信息 4

2.2.2设计目标 5

2.2.3功能特性 5

三、硬件描述 6

3.2以太网网关终端 7

3.2.1硬件框图 7

3.2.2电路原理图 8

3.3智能灯光控制器 9

3.3.1硬件框图 9

四、软件描述 10

4.1启动代码（BootCode） 11

4.2TCP/IP协议栈设计 13

4.2.1现有的8-bitMCU连接网络的方案比较 13

4.2.2现有的嵌入式TCP/IP协议栈的比较 13

4.2.3TCP/IP原理简述 14

五、功能展示 19

六、参考文献 21

七、致谢 21

一、引言

想象一下：

您准备欣赏电视节目，在您说“看电视，新闻联播。

”这句话的时候，电视打开了，频道调整到中央一台，窗帘拉上了，房间的光线逐渐调整到最适宜看电视的程度……或者，在您回家的路上，自动为您提前打开空调，调整室内温度到合适程度，接通通风装置；调节好室内的光线；把您预先准备好的食物用微波炉加热。

这样，您一回来就可以享受到清新的空气、舒适的环境，或许还有一杯热茶……

这看起来就想科幻影片里描写的一样。

可是，事实上这样的生活已经近在咫尺。

随着IT产业的发展和人们生活水平的提高，“智能住宅”、“家庭自动化”等技术的发展正受到人们的密切关注，相关产品也在逐渐成熟。

基于Motorola多元化的DigitalDNATM技术，我们开发出应用于家庭的一系列智能化网络控制系统，已经在近千家住户中实际使用，这些充满智慧与灵感的模块使得人们的生活更加轻松写意。

网络化的智能家居系统由智能家庭总线以及总线上挂接的多种功能模块（节点）构成。

在一个对等型的网络上众多节点可以交换数据和相互控制，通过专门开发的ECHomePro软件，可以设定各节点之间的逻辑关联和工作模式。

水/电/煤气表

传感器接入

灯光控制器

温度传感器

光照传感器

安防传感器

智能网络开关

日程管理模块

INTERNET

以太网网关终端

手持遥控器

家庭总线

电动窗帘

网络微波炉

录像机

红外家电控制器

智能电话控制器

电视机

电话线路

DVD

门禁控制器

电源开关控制器

中央空调控制器

红外线

空调

图1网络化智能家居系统的节点构成

在解决智能住宅中的设备互联问题时，采用了分布式网络控制系统这一方案，它非常适合众多的嵌入式智能设备发挥网络化的特点，更容易扩充和维护。

由于采用了对等网、单一总线方式，使得系统的布线简洁、安装方便。

所有的终端设备可随时接入总线或脱离总线；

作为一套成本敏感的消费电子产品，应以提供实用化功能为原则，将其控制在合理的价格范围。

每个网络节点根据不同的功能需求，选择MC68HC08系列的某一款微控制器。

例如，在“以太网网关终端”和“智能灯光控制器”中，采用了MC68HC908SR12；而在“红外家电控制器”、“智能电话控制器”等资源要求相对较多的节点，采用MC68HC908GP32作为核心。

本论文将选择最具有代表性的两个节点的设计情况进行深入介绍：

l以太网网关终端（ESWeb）

该网关终端一端连接在小区的以太网上，另一端连接在家庭内的控制总线上。

它可以提供三表传送、安防报警、紧急求助、网络远程控制等功能。

该终端采用MC68HC908SR12设计，实现了TCP/IP协议栈及WebServer。

l智能灯光控制器（ESLight）

它是智能网络上一个典型的节点。

具有轻触式调光控制、网络场景控制、红外遥控、预设存储等丰富功能。

通过面板上的轻触按钮，可以控制灯光的开关和亮度，或者使多盏灯光进入某种预设的场景；也可以通过手持遥控器来控制住宅内所有的灯光。

通过遥控器上的场景设置按键，可以方便地设定灯光场景和迅速切换。

二、设计概述

在网络智能家居系统中，具有代表性的两个节点是“以太网网关终端”和“智能灯光控制器”。

如下图所示，通过智能灯光控制器，可以对各盏灯光进行直接控制；通过以太网网络终端，可以实现对灯光亮度的远程控制和查询。

家庭总线ESBus

以太网

以太网网络终端

智能灯光控制器

（003A）

智能灯光控制器

（004C）

图2简单的控制网络框图

下面将分别介绍它们的设计方案。

2.1以太网网关终端

2.1.1背景信息

随着互联网技术的发展，宽带网络在全国范围内迅速发展。

许多新建住宅小区都将以太网铺设到了用户家庭，使得整个小区的居民通过以太网实现宽带上网成为可能。

同时，随着社区服务的完善，智能小区需要通过一个安装在每个家庭的终端设备实现信息发布、物业管理、三表传送、紧急求助等功能。

以往，这样的信息终端和社区服务中心通过铺设专线，如485总线来进行连接，工程量大，故障率高，且由于只能采取主机轮循方式而效率较低。

如果能够利用已经铺设到用户家庭的、现成的、稳定的以太网络组建社区综合服务体系是一项非常有意义的事情。

而目前基于以太网的信息终端通常采用32-bit的微处理器和WindowsCE等通用操作系统，这种结构开发周期短、功能强、信息交换速率高、但致命的缺点是成本太高，这也是一直在国内无法推广的主要问题。

因此，向智能小区的每个住宅提供一个基于8位MCU连接Ethernet的低成本信息终端，不仅具有实用价值，而且市场前景也相当广阔。

2.1.2设计目标

在本方案中，设计了一台家庭信息终端，安装在智能小区的每个家庭中，提供三表传送、安防报警、紧急求助、网络远程控制等功能。

它是相对独立的智能测控设备，可以直接与小区的以太网相连接。

作为一个成本敏感的消费电子产品，应以提供实用化功能为原则，将其控制在一个适当合理的价格范围。

在此应用中，信息终端对数据交换的速率要求并不高（如1Mb/s以下），所以可采用价格低廉的高速MCU，写入TCP/IP协议，从而将整个终端的成本降到100-200元人民币。

经过分析，我们选择了MC68HC908SR12作为设计核心，并利用10M以太网芯片RTL8019AS建立Ethernet网络连接。

在软件设计方面的重点是实现TCP/IP协议栈，由于RAM和FLASH空间的限制，必需设计出相当精炼的网络连接协议栈，同时又需要保证其可靠性。

基于IP的设计使它能通过一个开放的网络平台相互通讯。

68HC908是具备FLASH在线编程能力的MCU，为了满足调试、升级的需要，我们设计了利用以太网进行在线程序升级的代码，使得信息终端可以通过下载新的应用程序来获得更丰富的功能。

由于信息终端是一台嵌入式WWW服务器，使得用户在世界任何地方随时可以上网通过WWW浏览器了解家中情况并简单控制家中电器，进行设防/撤防；真正让用户每天都能感受到家庭智能化的强大魅力。

2.1.3功能特性

1.MCU采用Motorola的MC68HC908SR12（7.4MHzBusFrequency，512byteRAM，12KBFLASH）；

2.10MEthernet采用RTL8019AS以太网芯片；

3.软件上实现协议：

ARP,ICMP,TFTP,UDP,TCP,IP,TELNET,HTTP,CGI等；

4.网络类型：

Ethernet通讯介质：

UTP（非屏蔽双绞线）；

5.网络带宽：

10Mbit，由于处理器限制，实际只能达到50Kbit/s左右的传输速率；

6.输入：

4路光电隔离，可以配接传感器，紧急求助按钮等；

7.输出：

4路光电隔离输出，可配接功率驱动模块；

8.键盘：

16键，功能：

智能终端配置、设防/撤防等；

实际上，在68HC908系列MCU上实现了TCP/IP协议栈之后，其应用领域是相当广泛的：

1.网络化控制：

电机、灯光、工业自动化、家庭自动化……

2.网络仪表：

远程分布式数据采集……

3.网络家电：

智能家电、WWW方式监控界面、在线更新……

4.网络摄像机：

在远程浏览器上可以进行视频监控；

5.家庭网关：

非INTERNET协议的轻量级设备联网的转换器；

2.2智能灯光控制器

2.2.1背景信息

随着人们生活质量的提高，灯具已不单纯是实现室内基本照明的工具，而且是建筑装饰的一种实用艺术品。

当家里有各式各样的灯具之后，将它们精心地搭配在一起，并且达到最适合气氛的效果是高品质生活的需要。

同时目前灯光的控制主要还是手动形式，逐个地去控制所有的灯具，这样不仅麻烦而且效率低下，也不符合现代舒适生活的标准。

因此，一个可以对灯光进行方便的控制，同时提供场景组合等功能的智能化灯光系统不仅具有实用价值，而且市场前景也相当广阔。

2.2.2设计目标

设计一个智能化灯光控制器，安装在家中的各个房间，提供轻触式灯光控制、红外遥控、场景组合、预设存储等丰富功能。

通过面板上的轻触按钮，可以控制灯光的开关和亮度，或者使多盏灯光进入某种预设的场景；也可以通过手持遥控器来控制住宅内所有的灯光。

通过遥控器上的场景设置按键，可以方便地设定灯光场景和迅速切换。

系统分为接收外来控制信号和执行控制操作两部分。

为了接收控制信号，系统需具备红外接收功能，按键输入面板。

为了对灯具执行控制，需要设计220V调光控制电路。

利用MC68HC908SR12的FLASH在线刷新（ISP）能力，我们设计了一套可重用的内核（包含BIOS与OS），通过与内核的交互可以方便地在线下载应用层的程序。

应用层的程序包括以下功能：

开关面板按键输入判断、红外遥控器接收、预设场景存储、调光可控硅控制。

由于MC68HC908SR12具有丰富的外围接口资源，并有着很高的可靠性和运算速度，非常适合于该款产品的设计。

2.2.3功能特性

1.MCU采用Motorola的MC68HC908SR12；

2.RS485总线型网络，通讯波特率19200；

3.输入：

轻触按键，红外遥控器。

4.输出：

开关输出，调光输出；

5.采用简单的实时多任务内核；

6.网络化的开关按钮控制，可以通过Windows版本软件任意设定；

7.多种场景的设置，存储，及执行。

三、硬件描述

整个系统的核心由MC68HC908SR12构成。

它的内部框图如图3所示：

图3MC68HC908SR12内部框图

对于以太网网关终端（ESWeb）和智能灯光控制器（ESLight）的设计，选择MC68HC908SR12作为核心处理器是基于以下理由：

1.较低的成本：

由于是家用设备，对成本非常敏感；而SR12不到$2.5美金的价格，单芯片的解决方案，使得整体成本可以降低；

2.适用的功能：

通过ESWeb实现基于Web浏览器的网络远程控制界面相对简单，用高端处理器或者PC来实现显得不够经济；我们编写的TCP/IP协议栈约占用7KBFLASH和380BytesRAM，SR12完全可以满足这一需求并有富余。

此外，高达8MHz的总线频率使得它和其他MCU相比具有较强的处理能力，经过实测，在以太网上传输HTML页面并没有感到特别的延迟；对于ESLight来说，需要10KB～12KB的空间来存储代码和配置信息，SR12恰好能满足这一需求。

3.在线升级能力：

对于ESWeb，由于每个家庭的设备情况不一样，