摘? 要: 介紹了家庭網(wǎng)絡" title="家庭網(wǎng)絡">家庭網(wǎng)絡系統(tǒng)中使用嵌入式系統(tǒng)" title="嵌入式系統(tǒng)">嵌入式系統(tǒng)作為其控制單元的家用電器組網(wǎng)和接入Internet的幾種典型協(xié)議和解決方案,并比較了它們各自的性能和特點。為家庭網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計人員提供了一些思路。
關(guān)鍵詞: 家電網(wǎng)絡? 嵌入式系統(tǒng)? Internet? TCP/IP" title="TCP/IP">TCP/IP? 現(xiàn)場總線
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“智能住宅”的概念已提出多年,但在其早期方案中實現(xiàn)的功能十分有限,只是通過傳感器和各種輸入設備(按鈕、開關(guān)、遙控器、語音識別裝置等)收集環(huán)境信息和使用者指令,再根據(jù)預先設定的程序,控制家庭內(nèi)的電器和設備自動完成某些操作,信息交換只局限在很小的范圍內(nèi)。直到最近幾年,Internet作為20世紀對世界影響最為深遠的發(fā)明,開始進入千家萬戶,改變?nèi)藗兊墓ぷ骱蜕罘绞?。單體住宅、小區(qū)乃至整個城市的智能化、信息化成為現(xiàn)實。廣域網(wǎng)的出現(xiàn),不僅使遠程控制家電變得輕而易舉,更重要的是可以提供遠程醫(yī)療、遠程教育、視頻會議、網(wǎng)上購物和電子貨幣結(jié)算等全新的服務,這極大地擴展了智能住宅的內(nèi)涵。
住宅的智能化是以執(zhí)行各項功能的電子設備的信息化網(wǎng)絡化為前提的,而這些設備大多以單片機構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)為控制核心。也就是說,住宅的智能化很重要的一部分工作就是構(gòu)建一個嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡并將這個網(wǎng)絡與Internet連接。
1 電器設備連入Internet的意義
專用的控制網(wǎng)絡" title="控制網(wǎng)絡">控制網(wǎng)絡在沒有Internet之前就已經(jīng)存在了。如可以遠程監(jiān)視現(xiàn)場情況,可以遠程控制設備和診斷問題,并可以預先知道在網(wǎng)絡中將要發(fā)生的事情??墒?,運行專用網(wǎng)絡需要租用專線和撥打長途電話,這會使成本提高,而且,專有的網(wǎng)關(guān)也會限制用戶的訪問。專用網(wǎng)絡與Internet連接后,改善了上述狀況,使網(wǎng)絡的成本因而降低,而且能夠在世界所有地方實現(xiàn)設備的遠程連接,還能夠為不同企業(yè)共享同一網(wǎng)絡中的信息資源提供標準的平臺。
大樓、工廠或家庭的控制網(wǎng)絡連入Internet之后,可以使之增加許多新的、有價值的、超越局域網(wǎng)的服務功能。連入網(wǎng)絡的設備是新的、巨大的信息資源,它將Internet的應用范圍擴大到了人們的現(xiàn)實生活。這些新的信息能夠與Internet的其他信息組合,激發(fā)出新的應用和服務。從經(jīng)濟角度來說,對于本地設備控制網(wǎng)絡與Internet相連的技術(shù),如果不是由于經(jīng)濟上的原因,人們將不會產(chǎn)生興趣。對于本地操作網(wǎng)絡,不論對其中數(shù)千臺電子設備實行局部控制,還是通過Internet對它們實行遠程控制,都能明顯降低成本。
對于家庭網(wǎng)絡系統(tǒng)而言,家電是其主要成員。家電連入Internet之后,可以實現(xiàn)遠程控制、遠程故障診斷、遠程數(shù)據(jù)采集等功能。這不但可以提高住宅的智能化水平,降低能源消耗,還可以改善廠商的服務質(zhì)量,減少售后服務的開銷。
2 家電網(wǎng)絡的特點
構(gòu)建家庭網(wǎng)絡系統(tǒng)(Home Networked System)的工作分為兩個部分:在家庭內(nèi)部組成家電(包括保安裝置和能源管理設備等)的局部數(shù)據(jù)和控制網(wǎng)絡;將這個局域網(wǎng)與Internet相連。
為了解決家庭網(wǎng)絡的組網(wǎng)問題,目前已提出了多種方案。VESA家庭網(wǎng)絡委員會提出了基于IEEE 1394高速串行總線標準和IP協(xié)議的家庭網(wǎng)絡;Greaves和Vncos等人提出了基于ATM的家庭網(wǎng)絡技術(shù);互聯(lián)網(wǎng)界也在討論擴展IP協(xié)議以適應基于IP的家庭網(wǎng)絡。為了免除組網(wǎng)所用的電纜,數(shù)字電力線技術(shù)正處于標準化和運行的不同階段。另外,專為低功率短距離無線連接而開發(fā)的“藍牙”技術(shù)能夠在家庭內(nèi)實現(xiàn)快速靈活、安全、低代價、低功耗的數(shù)據(jù)和語音通信。為了成為未來家庭網(wǎng)絡系統(tǒng)的標準,這些技術(shù)正處于競爭和完善之中。
需要指出,家電網(wǎng)絡只是未來家庭網(wǎng)絡的一個組成部分,與PC機、打印機、數(shù)碼相機、語音設備等使用的網(wǎng)絡相比,家電網(wǎng)絡具有以下一些特點:(1)連接的對象是結(jié)構(gòu)和特性完全相異的各種家用電器;(2)家電的信息量小,但對實時性要求較高;(3)家電運行時所處環(huán)境有很大差異,對系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性要求較高;(4)家庭用戶對價格較為敏感,較低的價格才能被廣泛認可和接受。因此,上述技術(shù)和協(xié)議并不完全適用于家電網(wǎng)絡。
對于連入Internet的設備來說,最重要的是必須能夠直接執(zhí)行其特定功能,而且要執(zhí)行得安全、可靠、并易于操作。以照明開關(guān)為例,將Web瀏覽器(無論其大小如何)直接裝入照明開關(guān)是毫無意義的。雖然Web發(fā)展得很快,但是如果將世界上的每一臺儀器都連入Web,仍然是過分了。另外,對于生活中的日常電器來說,成本也抬高了,且對于照明開關(guān)完成其主要工作(開啟和關(guān)閉照明設備)也并無幫助。不過,照明開關(guān)具有如下功能卻是完全有意義的:
(1)具有足夠的智能自檢;(2)具有足夠的通訊功能向其他設備報告其運行狀態(tài)——開或關(guān);(3)具有足夠連通性,能夠?qū)崟r觀察設備的工作狀態(tài),并且在需要時遠程將其關(guān)閉;(4)具備足夠的性能與家庭或社區(qū)的信息系統(tǒng)連接;(5)公共的Internet網(wǎng)和專用的指令控制網(wǎng)絡連接,有效地實現(xiàn)以上功能而不會干擾任何其他的網(wǎng)絡或設備。
家電網(wǎng)絡應該具有效率高、成本低、易于使用、功能先進且不需要用戶花費很多精力的特點。而Internet的網(wǎng)絡分布和通訊范圍都很廣,需要將二者相結(jié)合。在此過程中需要解決的問題包括:作為局域網(wǎng)的家電網(wǎng)絡采用哪種協(xié)議最為有效,家電網(wǎng)絡如何與Internet掛接最為理想。
由于家電大多采用8位甚至4位單片機作為控制器,其運算速度和系統(tǒng)資源都非常有限,因此無論是組成局域網(wǎng)還是連入Internet,家電網(wǎng)絡的軟硬件設計都與一般網(wǎng)絡有所不同,有必要使用專門的解決方案,例如:操作系統(tǒng)采用嵌入式操作系統(tǒng),又稱實時操作系統(tǒng)(RTOS);局域網(wǎng)采用RS485或各種現(xiàn)場總線;使用運行TCP/IP協(xié)議的專用芯片作為單片機和Internet之間的橋梁。
3 家電上網(wǎng)的幾種解決方案
利用MCU實現(xiàn)嵌入式Internet方案的技術(shù)難點在于:如何利用MCU自身有限的資源對信息進行TCP/IP協(xié)議處理,使之變成可以在Internet上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包。從解決這一技術(shù)問題出發(fā),目前主要的方案有以下幾種:
3.1 32位MCU+RTOS
采用32位高檔單片機,在RTOS(實時多任務操作系統(tǒng))平臺上進行軟件開發(fā),在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議處理。目前國內(nèi)較為流行的RTOS有VxWorks、pSOS、Nucleus、QNX、Windows CE等,Linux也在向這個領(lǐng)域進軍。網(wǎng)虎國際(XLinux)公司已開發(fā)出大小僅為100K、目前世界上最小的Linux內(nèi)核QUARK(夸克),和總?cè)萘坎坏?M的嵌入式Linux,并且在Intel公司新推出的芯片strongARM上獲得了成功的應用。這些RTOS各有特點,后三種對圖形界面(GUI)的支持較好。
由于采用高檔單片機,此方案可以完成很多復雜的功能,但成本較高,開發(fā)周期較長,需要購買昂貴的RTOS開發(fā)軟件,對開發(fā)人員的能力要求較高。
3.2 8位MCU+TCP/IP協(xié)議芯片
這個方案是由MCU及固化了TCP/IP協(xié)議的芯片組成應用系統(tǒng)" title="應用系統(tǒng)">應用系統(tǒng)的核心。應用系統(tǒng)可以直接撥號上網(wǎng),硬件電路相對簡單。但需要大容量的存儲器,如果使用的TCP/IP協(xié)議芯片是軟件固化的,還要求MCU有較高的運行速度。采用這種方案的芯片有Scenix Semiconductor公司的SX-stack、Seiko公司的S7600A、iReady公司的Internet Tuner、Connect One公司的iChip等,其中Scenix單片機為軟件固化協(xié)議,其他芯片則為硬件固化。下面簡單介紹這幾款芯片。
SCENIX單片機基于RISC結(jié)構(gòu),帶有片上FLASH程序存儲器,具有在系統(tǒng)編程調(diào)試功能。由于采用CPU并行流水線方式及單時鐘周期指令,在100MHz晶振驅(qū)動下指令執(zhí)行速度可達100MIPS,所有I/O管腳可以通過編程靈活配置。綜合以上特點,該單片機可以實現(xiàn)虛擬外設(Virtual Peripheral)功能。即CPU通過執(zhí)行虛擬軟件模塊直接驅(qū)動I/O口實現(xiàn)硬件外設功能(如UART、I2C、SPI、Caller ID、FSK等)。最引人注目的是,它可以運行流行的Internet協(xié)議棧,如HTTP、SMTP、POP3、TCP、UDP、ICMP、IP、PPP,還可以實現(xiàn)Ethernet IEEE802.3協(xié)議。
上述軟件協(xié)議棧都是用匯編語言編寫,存儲在單片機的FLASH程序存儲器中。由于采用多任務方式,單片機在進行數(shù)據(jù)采集或完成I/O控制任務的同時,完成Internet協(xié)議處理。在應用層,用戶可以選擇HTTP、SMTP、POP3中的任意一種作為單片機系統(tǒng)與Internet遠程管理終端之間的通訊協(xié)議;或者用戶使用自己開發(fā)的其它程序作為應用層軟件。在物理層上,用戶可以選擇PPP撥號上網(wǎng)方式,通過MODEM連接到電話線上網(wǎng);或者外加以太網(wǎng)控制芯片,即可實現(xiàn)Ethernet (IEEE802.3)協(xié)議處理,使單片機系統(tǒng)可以直接通過RJ45連到以太網(wǎng)上,通過以太網(wǎng)接入Internet。
SCENIX公司提供從軟件到硬件完整的解決方案,并免費提供各種參考設計及軟件模塊,用戶可以使用現(xiàn)成的原理圖參考設計和TCP/IP協(xié)議軟件模塊,只需要修改底層軟件中的IP地址即可,使開發(fā)周期大大縮短,開發(fā)成本大大降低。用戶也可以自己編寫應用層程序。
Seiko Instruments公司的S7600A和其余幾款芯片則是用硬件實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議堆棧,作為MCU和Internet之間的加速器。它們大都包括HTTP客戶軟件,支持HTTP、SMTP、POP3、MIME等多種協(xié)議,可進行Web瀏覽和收發(fā)E-mail。其中iChip還內(nèi)置無線功能,可與GSM網(wǎng)絡連接。
這個方案的優(yōu)點是將8位單片機系統(tǒng)直接與Internet相連??梢允褂肞C機通過Internet遠程訪問單片機系統(tǒng);也可以使用單片機系統(tǒng)將信息通過Internet發(fā)送到遠程PC或其它終端上。但應用系統(tǒng)的設計工程師必須熟悉TCP/IP等協(xié)議和相關(guān)接口,軟件設計量較大。另外每個電子設備都需要一個IP地址,因此需要擴充IP協(xié)議才能得到更好的支持。
3.3 MCU+EMIT協(xié)議 + emGateway
利用emWare公司開發(fā)的EMIT(Embedded Micro Internetworking Technology,嵌入式微Internet網(wǎng)絡技術(shù)),在應用系統(tǒng)的MCU內(nèi)部使用emNet協(xié)議,再通過emGateway與Internet連接。
emGateway網(wǎng)絡軟件接口可以安裝在計算機、TV機頂盒或?qū)S玫募矣秒娖鞣掌髦?。它支持TCP/IP協(xié)議并運行HTTP服務程序,作為用戶可以通過網(wǎng)絡瀏覽器遠程訪問服務器。EmGateway通過RS-232、RS-485、CAN、紅外及射頻等通信方式與多個嵌入式設備相連。每個嵌入式設備的應用程序包含一個獨立的通信任務,稱為emMicro,監(jiān)測嵌入式設備中預先定義的各個變量,并將結(jié)果反饋到emGateway中,同時emMicro還可以解釋Gateway的命令,修改設備中的變量,或進行某種控制。為了完成網(wǎng)絡連接,emWare公司開發(fā)了大量軟件來建立訪問和監(jiān)控MCU應用系統(tǒng)的接口,這些接口可以用在不同的設備中。EmMicro和emGateway一起為嵌入式設備提供了Internet/Intranet功能。
1998年,EMIT方案對ETI(Embed The Internet,嵌入互聯(lián)網(wǎng))聯(lián)盟的成立起了很大的推動作用。1999年ETI成員已達17個公司,包括在微控制器方面具有重要地位的 Analog Devices、Atmel、Hitachi、Microchip Technology、Mitsubishi、Motorola、National Semiconductor和Philips Semiconductor。1999年6月份,AT&T也加入了ETI,這樣嵌入互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟已經(jīng)成為世界上推動嵌入式微控制器控制的家電上網(wǎng)的一支重要力量。Microchip公司和Philips公司都在此基礎(chǔ)上有相關(guān)的產(chǎn)品開發(fā)平臺。
由于復雜的網(wǎng)絡協(xié)議是通過emGateway在PC機上實現(xiàn)的,應用系統(tǒng)MCU只使用較簡單的emNet協(xié)議,因此對MCU的要求較低。但應用系統(tǒng)設計工程師必須熟悉emNet協(xié)議和相關(guān)的接口,原來客戶應用系統(tǒng)的MCU也不一定符合要求,并且軟硬件設計的工作量仍然較大。同時,應用系統(tǒng)的單片機處理emNet協(xié)議要占用一定的系統(tǒng)資源。
3.4 MCU+Webchip + PC網(wǎng)關(guān)
所謂Webchip是獨立于各種微控制器的專用網(wǎng)絡接口芯片。它通過標準的輸入、輸出口與各種MCU相連。MCU通過Webchip與網(wǎng)關(guān)連接即可接收并執(zhí)行經(jīng)由Internet遠程傳來的命令或?qū)?shù)據(jù)交給Webchip發(fā)送出去。
以武漢力源公司的PS2000芯片為例,該芯片內(nèi)部固化了與emGateway和OSGi協(xié)議兼容的MCUNet協(xié)議,它通過SPI三線串行接口與MCU應用系統(tǒng)連接,通過17條指令與MCU應用系統(tǒng)交換信息。PS2000的另一端以RS-232、RS-485或Modem等接口電路與基于PC平臺的網(wǎng)關(guān)接口。MCUNet網(wǎng)絡協(xié)議由PS2000完成,這就如同設計UART系統(tǒng)時選用UART接口芯片一樣簡單。
Webchip的主要優(yōu)點是:對MCU應用系統(tǒng)的設計工程師來說,無需熟悉復雜的網(wǎng)絡協(xié)議及其接口;對MCU芯片來說,對運行速度和存儲器容量等方面無特殊要求;軟件設計只需要增加一小段接口程序,其它無需作大的改動,在很大程度上簡化了應用設計的工作量,可以縮短MCU應用系統(tǒng)的設計周期。
3.5 現(xiàn)場總線 + Internet服務器
以上4種方案適用于不同的產(chǎn)品和不同的應用環(huán)境。例如,機頂盒或掌上電腦等對功能要求較高的產(chǎn)品可以選擇方案1;網(wǎng)絡空調(diào)或家用報警器等使用8位MCU的產(chǎn)品可以選擇方案2;如果有PC可用作網(wǎng)關(guān),想選擇低檔MCU以降低產(chǎn)品成本,可以選擇方案3;如果不想對原來的系統(tǒng)設計做太大改動,并且有PC可用作網(wǎng)關(guān),則可以選擇方案4。
雖然這幾種方案從不同途徑實現(xiàn)了MCU應用系統(tǒng)與Internet的連接,采用這些方案,再加上RS-232、RS-485總線、射頻或紅外控制模塊等擴展方式,就可以構(gòu)成小型的家電控制網(wǎng)絡。但這只解決了上文提出的兩個問題之一。另一個問題,即采用哪種協(xié)議最為有效的問題并未解決。一個好的家電網(wǎng)絡,必須具有清晰的結(jié)構(gòu)、良好的擴展性、易于相互協(xié)調(diào),以確保能夠把大量性能各異的電器設備透明和無縫地集成到網(wǎng)絡中來。
目前智能樓宇中廣泛采用的現(xiàn)場總線技術(shù),較為成功地解決了這一問題?,F(xiàn)場總線(Fieldbus)技術(shù)是為了解決分布式控制系統(tǒng)(DCS)的缺陷而出現(xiàn)的新一代通信技術(shù)。它采用數(shù)字信號傳遞信息,可以實現(xiàn)一對電線上傳遞多個信號,同時可為多個設備提供電源,因此可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),節(jié)約硬件設備和連接電纜。同時,現(xiàn)場總線采用公開一致的通信標準,各個廠家設備可以交換信息和互操作,是真正意義上的開放系統(tǒng)。在CAN(Control Area Network,控制局域網(wǎng))、Profibus(Process fieldbus)、FF((Foundation Fieldbus,基金會總線)、ControlNet等諸多現(xiàn)場總線標準中,LonWorks以其更為顯著的開放性和智能性,在智能樓宇和家庭自動化方面有著得天獨厚的優(yōu)勢。
Local Operation Network(LON)是美國Echelon公司、Motorola公司和日本東芝公司聯(lián)合開發(fā)并由Echelon公司于1993年推出的網(wǎng)絡技術(shù)。它是一整套含有90多種硬件、軟件產(chǎn)品和服務的完整平臺,其通信協(xié)議LonTalk支持OSI的所有七層模型。網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可以是總線型、星型、環(huán)型、自由網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。設備之間以對等的方式通訊,每個LonWorks節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)或經(jīng)過處理的信息都可以網(wǎng)絡共享;任何一個節(jié)點都可以調(diào)用其他節(jié)點的信息。網(wǎng)絡中沒有中央控制器,沒有故障集中點,實現(xiàn)了真正的全分布式智能控制,比傳統(tǒng)的上下、主從式控制結(jié)構(gòu)更靈活、更可靠。它采用面向?qū)ο蟮脑O計方法,通過網(wǎng)絡變量把網(wǎng)絡通信的設計簡化為參數(shù)設置。通信速率從300bps~1.5Mbps,直接通信距離可達2700m(78kbps,雙絞線)。通訊介質(zhì)支持雙絞線、電力線、同軸電纜、光纖、無線射頻、紅外線等,多種介質(zhì)可以在同一網(wǎng)絡中混合使用。
LonWorks技術(shù)是一套開放式技術(shù),其通訊協(xié)議LonTalk也是開放的。為了保證各個廠商不同設備的互操作性,Echelon公司和一些LonWorks用戶在1994年5月成立了LonMark互操作協(xié)會,凡是符合LonMark互操作性標準的產(chǎn)品,都可以很容易地與其他滿足該標準的系統(tǒng)實現(xiàn)無縫對接。因此,集成商和用戶可以在數(shù)千個廠家中選擇不同的產(chǎn)品,還可以得到許多第三方工具。
LonWorks技術(shù)的核心器件是Neuron Chip(神經(jīng)元芯片),它是集通信、控制、調(diào)度和I/O支持為一體的VLSI器件。包括3個8位CPU,兩個用于網(wǎng)絡通信(其中一個完成OSI模型中1、2層功能,稱為MAC處理器;另一個完成3~6層的功能,稱為網(wǎng)絡處理器),一個用于應用,這使得復雜的應用不會影響網(wǎng)絡的反應能力。LonTalk協(xié)議通過硬件和固件(firmware)集成在Neuron Chip上,一旦Neuron Chip接到LonWorks網(wǎng)絡,MAC處理器和網(wǎng)絡處理器會自動執(zhí)行網(wǎng)絡通信及控制工作,無需用戶專門進行網(wǎng)絡通信方面的開發(fā)。這就大大方便了用戶聯(lián)網(wǎng)的工作,只須把精力集中在對象的控制上即可。
LonTalk中有個網(wǎng)絡接口協(xié)議,可以實現(xiàn)LonWorks在其他處理器上的應用。神經(jīng)元芯片作為通信處理器,負責LonTalk協(xié)議的1~5層,而主處理器實現(xiàn)第6、7層。用戶可以購買LonWorks控制模塊,方便地插入自己開發(fā)的電路板,就可以組成功能強大的LonWorks應用節(jié)點,從而大大降低節(jié)點的開發(fā)成本和風險。控制模塊支持組態(tài)軟件在線下載應用程序,可以方便地修改和調(diào)試應用程序。
Echelon公司于2000年3月推出的i.LONTM 1000 Internet服務器采用32位RISC處理器和Virtual Network Interfaces(VIN,虛擬網(wǎng)絡接口)技術(shù),針對LonWorks數(shù)據(jù)包提供真正的第三層路由(Layer-3 routing)。i.LON 1000將LonWorks控制網(wǎng)絡和基于Internet Protocol(IP)的數(shù)據(jù)網(wǎng)無縫對接,能夠使任何LonWorks網(wǎng)絡及其中的所有設備有效地成為Internet中的節(jié)點,同時不會影響網(wǎng)絡的診斷和維護,以及設備控制的特性。i.LON 1000支持標準的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議:TCP/IP、UCP、DHCP、SNMP(MB II)、ICMP、SNTP、TOS、MD5和FTP,從而為將LonWorks網(wǎng)絡中數(shù)以百萬計的設備連入Internet鋪平了道路。
在構(gòu)建完整的家電網(wǎng)絡時,可根據(jù)實際情況選用或綜合應用上述幾種方案。
據(jù)世界半導體貿(mào)易統(tǒng)計協(xié)會(WSTS)藍皮書的統(tǒng)計,從銷售數(shù)量計,包括Intel的Pentium系列,AMD的Athlon,IBM、Motorola的PowerPC等PC處理器只占世界所有處理器市場的6%,嵌入式微處理器則占到94%,達50億個。據(jù)估計,目前每個美國家庭即擁有60個嵌入式微處理器。隨著嵌入式微處理器在生活中的廣泛應用,Internet應用將轉(zhuǎn)向以嵌入式設備為中心。據(jù)網(wǎng)絡專家預測,將來在Internet上傳輸?shù)男畔⒅?,將?0%的信息來自小型嵌入式系統(tǒng)。 可以預見,未來將出現(xiàn)更多的嵌入式Internet方案,家庭的智能化網(wǎng)絡化程度將不斷提高。
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