（计算机应用技术专业论文）基于电力线和嵌入式webserver的信息家电组网研究.pdf

摘要 摘要 随着嵌入式i n t e m e t 技术和电力线通信技术的发展，越来越多的科研人员将家电 网络化研究重点转移到应用日益广泛的嵌入式系统和电力线上网上来。本论文分析了 现有的家电网络的模式，针对目前家居网络的需要，提出利用嵌入式技术和电力线通 信技术实现对网络家电的远程监控。本文研究的信息家电组网方案旨在为用户提供更 实用，具有更好性价比的家电上网方案。 本文采用嵌入式i n t e r n e t 技术、计算机网络技术、电力线数据通信技术，将基于 t c p i p 协议的计算机网络结构与基于p l c ( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) 的总线结构 有机地结合起来，引入a g e n t 思想，构建了家电监控网络，进行了家电网络监控系统 的硬件软件的设计、制作和调试，能实现在局域网乃至i n t e m e t 网上对家电的实时监控。 与传统的网络监控系统相比，本系统结构简单合理，体积大大减少，可靠性与稳定性 大大提高，而且使用方便、灵活，实现了以最少的成本完成最多的任务的目的。 本文主要解决了两个问题：构建了h n p 协议，实现了家庭局域网内，基于电力线 的通信；实现了s x 网络单片机和电力线通信接口的整合。本文主要从软件和硬件两 方面来阐述家电组网监控方案，结构安排如下：第一章引出课题的研究范围，描述了 其应用领域，并分析了本课题的技术核心嵌入式i n t e m e t 技术和电力线通信技术及其 现状。第二章针对远程家电控制的具体应用，提出了一套实用的基于嵌入式w e b 服务 器的信息家电电力线组网方案，并对系统进行了总体设计( 包括硬件设计和软件设计) 。 第三章针对基于电力线组网的家电网络监控的硬件结构进行了详细的设计与描述。第 四章深入探讨了t c p i p 协议栈及其在s x 单片机系统中的具体实现。第五章论述了基 于t c p h p 协议的网络通信模块，h n m a g e n t 模块和s c l l 2 8 接口通信模块。第六章给 出了实验结果和分析。 由于本文作者经验和水平、时间有限，在实验过程了存在不少的疏漏和问题。本 系统的规范化、标准化和通用性是继续研究的方向和重点。 关键字：信息家电：电力线通信接口；嵌入式w e b s e r v e r ：a g e n t 三查三兰奎兰三兰塑圭兰堡兰奎 a b s t r a c t w i t h d e v e l o p m e n to f e m b e d d e di n t e m e ta n dp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , t h e f o c u so fi a n e t w o r k i n gi sm o r ea n dm o r et r a n s f e r r e dt oi t t h i sp a p e ra n a l y s e st h ep r e s e n t i an e t w o r km o d e l ，p r o p o s e u s i n ge m b e d d e di n t e m e ta n dp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y t oi m p l e m e n tr e m o t ec o n t r o lt oi a t h i sp a p e ru s e se m b e d d e di n t e m e t t e c h n o l o g y , c o m p u t e rn e t w o r k i n gt e c h n o l o g y , p o w e r l i n ed a t a t r a n s f e r r i n gt e c h n o l o g y , o r g a n i c a l l yc o m b i n e s t h et c p i p b a s i n gc o m p u t e r n e t w o r k i n ga r c h i t e c t u r ea n dp l cb a s i n gb u sa r c h i t e c t u r e ，i m p o r ta g e n t i d e aa n df i n i s h e st h e d e s i g n a t i o n ，i m p l e m e n t a t i o na n dd e b u g g i n go fi as u p e r v i s i n gs y s t e m ，w h i c hc o n t r o l s a p p l i a n c et h r o u g hl a na n di n t e m e ti nr e a lt i m e a sc o m p a r e dt 0 t r a d i t i o n a ln e t w o r k s u p e r v i s i n gs y s t e m ，t h i ss y s t e mi sm o r es i m p l ea n d r e a s o n a b l ei ns 呲嘁，m o r ei m p a c ti n s i z e ，h a sg r e a t e rr e l i a b i l i t y , s t a b i l i t ya n dm o r ee a s i e rt ou s e ，f u l f i l lm o r et a s k si nl e s sc o s t t h es t r u c t u r eo ft h i sp a p e ri sa sb e l o w ：i nt h ef i r s t c h a p t e r , t h er e s e a r c hs c o p ei s i n t r o d u c e da n dt h ea p p l i c a t i o nf i e l di sd e s c r i b e d ，a l s ot h ec o r et e c h n o l o g yo fe m b e d d e d i n t e r a c ta n dp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o na n dt h e i re x i s t i n gs i t u a t i o ni sa n a l y z e d i nc h a p t e r t w o ，p o i n t e dt ot h ea c t u a lu s a g eo f a p p l i a n c er e m o t ec o n t r o l ，p r o p o s ea s e to f a p p l i c a b l ei a p o w e r l i n en e t w o r k i n gs o l u t i o nt h a tb a s e so nt h ee m b e d d e dw e bs e r v e r , a n di m p l e m e n tt h e w h o l ed e s i g n ( i n c l u d i n gh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r e d e s i g n ) i nt h et h i r dc h a p t e r , i t i m p l e m e n t st h ed e t a i l e dd e s i g na n dd e s c r i p t i o no ft h eh a r d w a r es t r u c t u r eo fp o w e rl i n e n e t w o r k i n gb a s e d i an e t w o r k i n gs u p e r v i s i n g i nt h ef o u r t h c h a p t e r , t h et c p f i ps t a c k p r o t o c o la n d i t si m p l e m e n t a t i o ni ns xm c u s y s t e mi sd e e p l yd i s c u s s e d i nt h ef i f t hc h a p t e r , t h en e t w o r kc o m m t m i c a t o nm o d u l eb a s e d0 1 1t c p pp r o t o c o l ，h n m a g e n tm o d u l ea n d s c l l 2 8i n t e r f a c i n gc o m m u n i c a t i o nm o d u l ei sd e s c r i b e d i nt h el a s t c h a p t e r , e x p e r i m e n t r e s u l ta n d a n a l y s i si sp r o v i d e d t h e r e g u l a r i z a t i o n ，s t a n d a r d i z a t i o na n dg e n e r a l i z a t i o n o f t h e s y s t e m i sm yn e x t g o a l k e y w o r d ：i a ；p l ci n t e r f a c e ；e m b e d d e d w e b s e r v e r ；a g e n t i i 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 信息家电上网的意义 第一章绪论 进入2 0 世纪9 0 年代后期，以计算机技术为核心的信息技术，特别是数字化技术、 多媒体技术和网络技术取得了迅猛发展并日益渗透到各个领域，网络已经开始涉及人 们生活的方方面面。将网络延伸到家庭，实现家庭网络化、家用电器的上网和家庭的 智能化等，越来越受到国内外众多公司和开发商的关注并已成为网络技术发展、竞争 的又一新目标。家庭电器、各种家庭设备和计算机之间互联，实现i n t e m e t 的接入是 未来家庭网络的发展趋势。家电上网将带来两方面的好处： 可实现家电的远距离控制。用户可以通过w e b 浏览器对家电进行远程控制。 可实现家用电器的远距离诊断和监控。家电制造商可以通过i n t e r a c t 对售出 的产品进行监控。 家电上网的重要特征是可以通过互联网双向传递数字信息。将微型电脑和通讯技术 融入到传统的家电中，使之智能化并具有网络终端功能的家电称为信息家电 1 】( i a i n f o r m a t i o n a p p l i a n c e ) 。智能信息家电可以提供以下的服务：安全防范、消费电子产 品的智能控制、交互式智能控制、家庭信息服务、自动维护、家庭医疗保健等【2 】【3 1 。家 庭网络作为信息化社会的重要标志，对社会的发展、科技的进步和经济的繁荣都有极 重要的意义。 1 1 2 信息家电组网 如何将家庭中各种各样的智能信息家电通过家庭总线技术连接在一起时，构成一 个功能强大、高度智能化的现代智能家电信息平台? 信息家电接入i n t e r a c t 包括两个 方面：家电组网：家庭网络与i n t c m e t 的通信。 1 1 2 1 家庭网络和i n t e r n a t 的通信目前，智能信息家电接入i n t e m e t 的方案很多， 比如：在家电中内置一块w e b 接口芯片w e b c h i p ，实现与i n t e r n e t 的连接；或者利用 广东工业大学工学硕士学位论文 嵌入式i n t e r a c t 网络技术将智能装置连接到i n t c m e t 网络等。家庭内部网络与户外现存 的各种网络互联可以采用有线或者无线的方式，有线方式有m o d e m 、c a b l em o d e m 、 x d s l 技术、数据广播技术等，无线方式有w a p 、l d m s 等。家庭内部网络和i n t e r n e t 的通信主要采用t c p i p 通信协议。 1 1 2 2 家庭内部组网目前国际上比较成熟和流行的几种解决方案如下： ( 1 ) n o n e w w i r e ：电话线、电力线。 ( 2 ) n e ww h s ：以太网、光纤、u s b 、i e e e l 3 9 4 。 ( 3 ) w i r e l e s s ：家庭射频、蓝牙技术、无线以太网( i e e e 8 0 2 1 1 ) 。 它们基于不同的物理媒介，实现家庭内部的网络互联，具有各自的特点和不足之 处。目前，无线通信正在逐渐成熟并将取代有线通信。但是，无线通信的成本比较高， 而且还带来很多附加的问题。电话线和电力线技术，在构建家庭网络中，因安装方便、 维护简单、成本低等特点被许多家庭网络设备制造商看好。 1 1 3 课题来源 如何构建家电网络并将家电网络接入i n t e r a c t 网络? 家用电器上网必须解决的一 个问题是安全和可靠性问题，要求家电上网必须使用具有“应答”功能的网络协议， 所以家庭电器上网一般在网络上传输数据时要采用t c p i p 协议。对于异构的各类家 用电器或智能装置情况来说，它们无法象p c 机那样通过标准的硬件接口及接口软件 直接接入i n t e r a c t 网络。在信息家电产品中使用嵌入式的技术，可以使得信息家电具 有很好的稳定性，并能够长时间无故障地运行，不需要专业维护。因此，家电接入 i n t e m e t 的技术核心和难点就是嵌入式系统的i n t e r a c t 接入问题。目前，智能家居系统 已e h 开始时以p c 机为控制中心，逐渐转向以嵌入式家庭网关为核心的嵌入式系统领 域。 当前，在国内高校以及家电、计算机企业也致力于利用嵌入式i n t e r n e t 技术实现 家庭网络与i n t e r n e t 的连接，哈工大、浙江大学、东北大学、中国单片机公共实验室、 皖通邮电等都在进行嵌入式i n t c m c t 技术的研发工作，大部分的研发部门都使用了嵌 入式t c p i p 芯片为核心。利用现有的宽带网或者是无线、电话线等实现与i n t c m e t 的 连接。而家电网络多采用双绞线实现信息家电的组网。 2 第一章绪论 另一方面，由于电力网是最普遍存在的资源，国内外很多公司和科研机构也致力 与电力线上网的研究，但是电力线上网遇到了很多的问题和困难。然而，电力网作为 家庭内部最普遍存在的资源，有其存在的优势，若能实现以家庭电力网为家庭内部传 输系统，建立家庭内的局域通信网，通过i n t c m e t 、公用电话网为家庭远程控制的接入 网，实现家庭网络与i n t e m e t 的连接，无疑有着美好的可靠的数据传输性能和低廉的 成本。综合考虑嵌入式单片机的发展趋势和电力线的优势，本课题旨在充分利用现有 的资源，以电力线为数据传输媒介，组建家电网络，通过嵌入式w e b s e r v e r 实现家电 网络与i n t e m e t 的连接。 1 2 研究现状 1 2 1 嵌入式i n t o r n e t 技术发展现状 嵌入式i n t e r a c t 是近几年发展起来的一项新兴概念和技术，是指设备通过嵌入式模 块而非p c 系统直接接入i n t e m e t ，通常又称为非p c i n t e m e t 接入。国外许多大公司如 e m w a r e 、m i c r o c h i p 、s i i 等联合成立了嵌入式i n t e r n e t 联盟来专门讨论和制定嵌入式 i n t e r n e t 领域的标志和开发相关的技术。目前，嵌入式系统的i n t e r a c t 接入主要有以下 几种方案【4 】： p c 网关+ 专用网 此技术采用专用网络( 如r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，c a n 总线等) 把一批单片机及嵌入式 系统连接在一起，然后再将该专用网络连接到一台p c 机上，该p c 作为网关将专用网 络上的信息转换为t c p i p 协议数据包，然后发送到网上实现信息共享。此方案存在如 下缺点：需要依赖p c 机作网关进行协议转换，在多个单片机系统分散的情况下，专用 网络布线及为不便。需要在p c 机上安装专门的协议转换软件，该软件通常由专门的 第三方软件商提供，费用较高。 高档m p u 片上系统： 对于嵌入式系统接入i n t e m e t ，o s i o m 公司研发的n e t + a r m 的系统机级芯片s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 的方案较为正统。使用s o c 技术设计的系统。就是把整个应用电 子系统全部集成在一个芯片中。它使用下列网络协议：t c p 、u d p 、r a r p 、i c m p ： 还有下列关于i n t e m e t 网的高层软件协议：h t t p 、s m t p 、f t p 。其缺点是其成本较高， 广东工业大学工学硕士学位论文 很难在普通家庭中普及。 3 2 6 4 位的嵌入式系统： 3 2 6 4 位的嵌入式系统可按上述s o c 一样的思路，在实时操作系统和函数的支持 下实现i n t e m e t 接入。由于3 2 6 4 位的嵌入式系统自身资源一般较为丰富，运行速度较 高，而且又有强大的嵌入式实时操作系统和函数的支持，因此3 2 6 4 的嵌入式系统接 入i n t e m e t 是很容易的。它的缺点是：高档单片机价格较高，开发周期较长；并需要 购买昂贵的r t o i s 开发软件，对开发人员的开发能力要求较高。 8 1 6 位的嵌入式系统： 8 1 6 位的嵌入式系统实现的原则与上述并无不同。但由于8 1 6 位嵌入式系统有如 下弱点，如速度不够快，内存不够大，其它软硬件资源也不够丰富等。因此要想接入 i n t e m e t ，嵌入式设备需要转变为w e b 服务器或利用w e b 服务器上i n t e m e t 网，而且要 加上t c p i p 网络协议【4 】。 鉴于上述各种方案的缺点，u b i c o m 提出了m c u + 虚拟软件包接入i n t e r a c t 的方 案，它采用u b i c o m 公司的8 位超高速单片机实现互联网接入功能，每秒运行数据能 力达l 亿次( 在1 9 9 8 年与i n t e l 的p e n t i u m i i 等一起被评为世界十大处理器) 。由于 u b i c o m 单片机的速度极高，能够实现实时多任务操作，可以在m c u 执行数据采集 和控制功能的同时把数据打包并传送到互联网上。这个方案的优点是 5 】：不需要使用 p c 机或高档单片机；外围器件少，系统成本低；开发周期短开发成本低；u b i c o m 单片机可以运行流行的互联网协议栈，在外接一个以太网控制芯片的情况下还可以实 现互联网( i e e e 8 0 2 3 ) 协议处理，使该单片机系统可以直接通过r j 4 5 连到以太网。 事实上，各类家用电器接入网络只需要传送简单的命令或数据，并不需要复杂的 功能，但实现成本要低。嵌入式t c p i p 的主要用途是进行远程监控。因此，u b i c o m 公司的方案是一种非常理想的嵌入式i n t e m e t 接入方案。在本文的设计中实现家电网 络和i n t e m e t 的连接就是用u b i c o m 公司的s x 系列单片机系统来实现的。 1 2 2 电力线通信技术发展现状 电力线通信技术( p l c ) 主要是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方 式。在1 1 2 节中介绍了将信息家电组网和接入i n t e m e t 的几种方案，由于电力线是个 家庭最为普通、覆盖面最为广阔的一种物理媒介，充分利用电力网资源无疑可以降低 4 第一章绪论 组网成本。因此，利用电力线实现数据通信的技术得到一些世界顶尖公司的青睐，像 日本、德国、美国、以色列、韩国等发达国家对此己进行了数年的研究，我国也在此 行列之中。 1 2 2 1 电力线上网的发展1 9 9 0 年英国n o r w e b 通讯公司就开始对电力线载波通讯进 行研究。1 9 9 5 年，该公司又与加拿大北电网络联手，共同开发这项新技术。1 9 9 8 年就 已成功地进行了采用传统的输电线路进行i n t e r n e t 接入的试验。2 0 0 0 年4 月由思科、 英特尔、惠普、松下和夏普等1 3 家公司组成的“家庭插电联盟”( h o m e p l u g p o w e r li n e a l l i a n c e ，简称 吼) ，致力于创造共同的家用电线网络通信技术标准。2 0 0 1 年3 月德 国电力工业巨头r w e 公司和它的合作伙伴瑞士的a s c o m 发起一项名p o w e r n e t 的计划。 2 0 0 1 年5 月，日本6 0 家有关企业设立联合机构“电线载波通信设备开发部会”，研究 用输电线做通信线路的技术。我国福建省电力试验研究院研制成功“数字化输电线路 技术”的核心产品电力调制解调器及多个相关产品，其传输速率达到1 0 m 。同时 国电通信中心采用国内外电力线通信( p l c ) 组网设备，在北京某生活小区成功地进行了 i n t e r n e t 接入试验，并获得了较理想效果”1 。 1 2 2 2 电力线载波通信技术的现状实现电力线上网的主要技术就是电力线载波通 信技术，在电力线载波通信方面，国外很早就对电力线载波通信技术进行了研究，多 家公司推出了自己的电力线载波m o d e m 芯片，并制定了电力线载波适用频率范围的标 准。对于国内外电力线载波芯片的比较在第三章中介绍。 1 2 2 3 电力线上网市场现状事实上，在国际上p l c 也不是一项完全成熟的技术，但 由于电力线通信技术潜在的市场空间以及四网融合的美好前景，仍然吸引了很多厂商。 然而对于p l c 的市场前景，目前从全球来讲都没有一个定论，一些厂商进来了，一些 厂商也退出了，到现在为止，还没有一家电力通信非常成功的运行典范。英国联合公 用公司与加拿大一家电信公司成立了合资公司，但推向市场一年后宣布关闭，两家各 自撤回投资。德国一家公司也宣布终止业务，我国的中电飞华在推行电力线上网也遇 到很多困难。1 。 从广义上来讲电力线上网从层次上可分为中压配电网、低压配电网和家庭内部网 络。家庭内部网络是指通过电力线组建高速l a n ，考虑到目前很多小区都宽带到户， 广东工业大学工学硕士学位论文 c a b l em o d e m s ，x d s l ，无线宽带，电力线，卫星技术都将i n t e m e t 带到了家庭。我们完 全可以充分利用现有的资源，外部利用现有宽带网接入i n t e r n e t ，内部使用现有的电力 线组网，实现家电的组网及接入i n t e m e t ，从而避免电力线上网带来的诸多问题和困难。 1 3 课题研究内容和目标 1 3 1 研究内容 计算机网络技术、嵌入式技术和电力线通信技术的发展为家电网络的发展起着很 大的推动作用。目前，家电组网的方案很多，但是到底哪一种技术方案或产品将成为 最终的胜利者，将取决于其技术特性、成本、人们的认可程度等等一系列因数。 针对目前信息家电上网的现状，我们提出充分利用现有的资源，构建一个基于电 力线的家电内部组网和通过嵌入式w e b s e r v e r 接入i n t e m e t 的家电上网方案，实现远程 家电监控的功能。为现在的智能家居系统提供一种新的方法，为用户提供更实用，具 有更好性价比的家电上网方案，具有深远的社会意义。 本课题主要研究的内容如下： 研究和设计了基于电力线的嵌入式w e b 服务器的软硬件平台。 分析了s x 5 2 b d 网络单片机上协议栈s x - s t a c k 的结构及运行原理 分析s c l l 2 8 电力线芯片的工作原理，构建电力线通信接口实现家电组网的硬件平 台 研究分析t c p i p 协议和h n p 协议转换，为远程家电控制提供透明数据通道。 1 3 2 研究目标 根据现有实验室的实验条件，本论文从理论和实现上达到如下目标： 理论上：提出利用a g e n t 的思想，构建智能化家电上网模型。实现家电透明组网， 透明的实现家电互操作。 实现上：以s x 5 2 b d 和s c l l 2 8 芯片为核心，搭建基于电力线的家电组网硬件平 台，实现基于电力线和嵌入式w e b 服务器的智能家电远程监控系统，实现对家电 的实时监控。 6 第二章系统设计框架 第二章系统设计框架 通过对现有的家电上网方案的比较，我们以实用，高性价比为原则，充分利用现 有的电力线资源，撇开使用昂贵的p c 机方案，使用嵌入式网络单片机和电力线通信 芯片设计基于电力线的家电网络。利用嵌入式网络单片机实现家电网络和i n t e r n e t 的 连接作一些探讨和研究工作。 2 1 方案的提出 目前，家电网络监控的实现主要有以下几种模式： 第一种模式为“以智能住宅为基本单位、智能物业管理中心为中心节点、宽带数 据网为传输媒介”的集成模式嘲，实现系统住户安全自动化和管理自动化等功能。主 要实现的是安全方面的监控，和真正的智能家居网络还存在着差距。 第二种模式为h o m e n e t 模式即h o m e n e t 平台可由家居网络中心h n c 和普通家 用电脑组成。h n c 是一个多功能网络管理与控制中心，使用p c 机作为与家居网络中 心连接，作为家居智能控制中心。 第三种模式为：西东公司的“n f i b ”总线模式【1 0 1 。其上层为就基于t c p i p 协议 的以太网，下层为基于n h b 协议的r s 2 3 2 4 8 5 总线结构。鞍山绿色智慧城、长春明 珠等智能园区就是采用这种模式建成。这种模式也存在很多问题，系统的灵活性差， 系统体积庞大，带来运行稳定性的问题。东北大学在利用“n h b ”总线模式上作了相 应的研究和实验工作。 以上的几种模式在家庭网络与i n t e r n e = t 的连接采用的方案是通过现有的宽带网( 如 a d s l ， s d n 等方式) 与i n t e r n e t 连接。目前，有些研究所和公司在研究和使用电力 线上网，比如中电飞华的电通就采用电力线上网的方案先后在北京的小区实行了运营， 但是面l 临了很多的问题，遭遇困境。在电力线上网目前比较好的就是l o n w o r k s 技术， 它具有高可靠性、安全性、易于实现和互操作性。能为智能控制的实施和应用提供强 大的技术支持，但是如果将l o n w o r k s 技术用于普通家庭，它的成本太高，难以被普通 家庭接受。 电力线通信技术和嵌入式i n t e r n e t 技术的发展，为我们的设计提供了强大的技术 支持。在我们的方案中使用嵌入式i n t e m e t 技术实现家电网络与i n t e m e t 的连接，利用 电力线通信技术实现家电组网。 2 2 平台的设计目标 2 2 1 主要功能 本方案的目标是提供给用户直观、实用、快捷的家电网络监控系统。因此，要求 本系统需具有如下的功能： 1 通过i n t e m e t i n t r a n e t ，用户可以通过w e b 浏览器访问存储在嵌入式w e b 服务 器上的网页，实现对挂接在嵌入式w e b 服务器上的家电内部网络上的家电设备进行控 制，并且能将设备的状态信息经由嵌入式w e b 服务器返回给用户的浏览器，从而达到 网络控制与状态检测的目的。 2 家电可以自由的插接在电力线插座上，可以达到即插即用的功能。家电可以 在家电网络内实现互操作。 3 系统应根据口令访问，只有被授权的用户才能对本系统进行访问，以保障系 统的安全运行。 2 2 2 主要性能指标 停电不会丢失信息，并可以通过i n t e m e t 发送信息 体积小、重量轻 家电可以插上电源实现上网 系统功耗小 2 3 硬件平台的架构设计 2 3 1 硬件结构 基于嵌入式w e b 服务器的家电网络硬件体系结构如图2 1 所示： 第二章系统设计框架 图2 - 1 信息家电网络系统结构图 f i g u r e 2 - 1i an e t w o r k s y s t e m s t r u c t u r e 网关的主要功能是实现家电内部网络与i n t e r a c t 的连接，这就要求网关必然要实 现两种不同网络的协议转换，在这里我们采用“松耦合”的方式实现协议转换。网关 部分由嵌入式w e b s e v e r 和s c l l 2 8 接口组成。采用“松耦合”的方式【l ”，两个不同的 协议栈分别在两个处理器上实现，t c p i p 协议由s x 5 2 b d 网络单片机实现，h n p ( h o m e n e t w o r k p r o t o c 0 1 ) 家庭网络协议由s c l l 2 8 接口实现，s x 5 2 b d 网络单片机与s c l l 2 8 接口使用标准的r s 2 3 2 串行口通信接口实现数据交互，使用这种方式的好处是各个模 块可以具有更广泛的应用。在接入i n t e r n e t 的这一端，我们提供以太网、m o d e m 等网 络接口，而在家庭网络一侧，由于其网络协议简单，只具有单一的网络接口和应用协 议。 嵌入式w e b 服务器是硬件系统的核心，上层浏览器与嵌入式w e b 服务器之间是 基于t c p i p 协议的网络通信，嵌入式w e b 服务器通过s c l1 2 8 接口基于p l n ( 电力 线网络) 与信息家电进行通信，并且由它将上层与底层的通信联系在一起，构成一个 能实现完整功能要求的系统。 s c l l 2 8 接口完成r s 2 3 2 h n p 协议转换，网关的s c l l 2 8 接口接收来自w e b s e r v c r 的命令信息实现对连接在家电端s c l l 2 8 接口的家电的监控。此外，也将家电端发送 的状态信息传送给w e b s e r v e r 然后反馈给用户。 以嵌入式w e b 服务器为节点，将嵌入式w e b 服务器通过r j 4 5 接入小区局域网， 再为每个嵌入式w e b 服务器分配一个局域网内私有的m 地址，可以实现局域网内访 问每个嵌入式w e b 服务器，从而对家电网络进行监控。用户可以在远程利用浏览器登 录小区提供的远程家电登录主页，通过小区的网关实现嵌入式服务中心与i n t e r n e t 的 连接，从而实现远程控制家电。同时，小区的网关可以挂接用户浏览器，随时监测家 9 广东工业大学工学硕士学位论文 电网络的工作状态。通过设立小区的服务中心与外部连接，使得内部嵌入式w e b 服务 器及其家电内部网络与外部i n t e m e t 隔离开来，对系统的安全提供了保障，也解决了 i p 地址问题。 2 3 2 硬件配置确定 2 3 2 1 微处理器芯片的选型嵌入式主要的微处理器类型有：a 脚系列、6 8 k 系列、 m i p s 系列、h i t a c h i 系列、9 5 0 系列、e m b e d d e dx 8 6 p r o c e s s o r s 、s x 系列等。 选择嵌入式微处理器必须充分考虑与系统相互牵制的因素，如成本、性能、功耗 等。在本文中平台设计的目标是基于t c p 仰协议栈，进行网页的浏览，综合考虑系统 需求，我们选择s x 系列芯片s x 5 2 b d ，其性能价格比具有较大的优势。s x 5 2 b d 的 处理速度和运行在以s x 5 2 b d 为基础的硬件平台上的s xs t a c k 协议栈提供的功能能 够实现信息家电接入i n t e m e t 的要求。s x _ s t a e k 是一组可配置的多种i n t e m e t 协议的组 合，包括应用层的h t t p 、d h c p 、s m t p ，传输层的t c p 、u d p ，网络层的i p i c m p 、 a r p ，通过链路层和物理层( 如e t h e m e t ) 进行i n t e r a c t 数据的交互。s x 5 2 b d 采用虚拟 外围( v i r t u a lp e r i p h e r a l ) 的概念，用一个软件模型代替传统的硬件外设，利用u n i c o r n 体系结构的高性能和决定性的本质产生与硬件外围一样的结果，具有更多的灵活性。 s x 5 2 b d 提供通信的v p 有1 2 c 、m i c r o w i r e 、i r d as t a c k 、u a r t ，和m o d e m 接口等i 】2 j 。 使用s x 芯片可以应用更简单的装置，降低组件数目，增加设计的灵活性，降低系统 的成本。 2 3 2 2 数据通信芯片家电与家电之间的通信，家电与i n t e r n e t 通信采用什么样的 通信连接? 如何设计通信连接? 是本课题主要考虑的另一个重要问题。本文以电力线 为通信介质，构建电力线接口p l c i ( p o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ) 实现家 电设备之间的通信。在我国可使用的电力线载波芯片有以下几种：x r 2 2 1 0 x r 2 2 0 6 套 片或s m l 8 9 3 、s g s t h o m s o n 公司的s t 7 5 3 6 、i n t e l l o n 公司的s s c p 3 0 0 、e c h e l o n 公 司的p l t - 2 2 等如表2 一l 所示。p l t _ 2 2 是e c h e l o n 公司最新电力载波收发器，它是针 对工业控制网而设计，采用b p s k 调制解调技术以及多种容错及纠错技术，目前在我国 应用效果最理想。但它是l o n w o r k s 网络专用，而且价格太高，难以在民用市场领域大 规模推广“”。s c l l 2 8 芯片是针对我国民用电力网的特性，运用直序扩频方式6 3 位伪 第二章系统设计框架 随机码，c m o s 工业级封装技术，设计生产的，其灵敏度达到7 0 州。在比较了国内外现 有的通信芯片( 表2 - i ) 的基础上，我们尝试选用s c l l 2 8 作为电力线通信芯片设计电 力线通信接口从而对家用电器实现组网。 表2 - 1 常用的电力线芯片性能 t a b l e2 - 1 p o w e r l i n e c h i pp e r f o r m a n c ec o m p a r e s t 7 5 3 5s s c p 2 0 0 e n 5 0 5 0 ds m l 8 9 3 型号s t 7 5 3 6s s c p 3 0 0t 5 1 3 0p l 2 0 0s c l l 2 8 t d a 5 0 5 ls m 2 8 9 3 鄂r 7 5 3 7s s a ，4 8 5 调制d q p s k a s kf s kf s ks s c2 d p s k2 d s k 方式 d b p s k 带宽1 0 0 - 4 0 0 k多载波8 4宽带 窄带窄带窄带3 7 5 m 特点 h z个5 9 - 5 3 9 k h z 灵敏度 l o 1 vl m vl o m v1 m v5 m v5 m v7 0 u v 信号动 5 0 d b6 0 c 旧5 0 d b铷衄5 5 d b9 0 d b1 2 0 d b 态范围 波特率1 2 k p b s 2 4 k p b s4 8 k p b s7 5 k p b s1 4 k p b s5 4 k p b s 5 7 5 k p b s 时钟无无无无无无有 缓存无无无有 有无有 2 4 软件结构设计 在本设计中，尝试引入a g e n t 思想，构建了监控a g e n t 和h n m a g e n t 软件实体， 增加系统的智能性。对应于2 3 1 节所描述的网络系统硬件结构，设计的软件体系架构 如图2 - 2 所示。它包括监控a g e n t 部分，w 曲s e r v e r 部分( h n m a g e n t ( 家庭网络管理 a g e n t ) 和s xs t a c k 协议栈) ，监控a g e n t 基于h n p ( h o m en e t w o r dp r o t o c 0 1 ) 与 h n m a g e n t 及其他监控a g e n t 通信。 2 4 1 监控a g e n t 监控a g e n t 运行h n p 和信息家电监控程序( c a ) 负责管理信息家电的本地资源， 广东工业大学工学硕士学位论文 向h n m a g e n t 报告信息家电的运行状态，执行控制家电的指令，并且为信息家电应用 软件提供服务接口，使应用层软件与硬件无关。由于信息家电中的计算资源很少，管 理任务简单，整个系统中只有监控a g e n t 一个进程。监控a g e n t 的流程图如图2 - 3 所 示。 倩纛电播鲁瞻控捌熏骞蔓l s 构 图2 2 信息家电网络智能控制体系结构 f i g u r e 2 - 2 i a n e t w o r k a g e n t c o n t r o l s y s t e m s h u c t u r e 图2 - 3 监控a g e n t 褫程圈 f i g u r e2 - 3c o n t r o la g e n t f l o w c h a r t 监控a g e n t 每隔一个时间片检测通信状态，根据来自其他监控a g e n t 和h n m a g e n t 的消息和请求做出相应的动作( a c t i o n ) ，并时刻监视家电状态。例如：通过 g e t e数来获得当前的通信状态，监控 判断是否是来自_ r e a l t i md a t a o i 甬 a g e n th n m a g e n t 的消息和请求进程，如果是家电控制请求，判断请求模式，如果是家电控制请求，则 执行家电控制命令，如果是请求提交家电状态，则调用g e t _ s t a t u s 获得家电状态信息， 第二章系统设计框架 通过m e s s a g e _ b r o a d c a s e 函数广播给h n m a g e n t ，h n m a g e n t 接收信息并传给w e b 服 务器程序，从而实现通过i n t e r n e t 远程控制家电和查询家电状态。 2 4 2w e b s e r v e r 控制中心 w e b s e r v e r 是信息家电的控制中心，为远程控制信息家电提供基础。它包含以下 功能：( 1 ) i n t e m e t 接入功能；( 2 ) 家庭网络设备的管理和自动配置功能。在网关部分， 我们采用如图2 _ 4 所示的协议栈结构：我们在s x - s t a c k 的协议栈的基础上加上自行开 发的h n m a g e n t 模块。在网关软件实现部分包括h n m a g e n t 模块和嵌入式w e b s e v e r 模块两个部分。 h n m a g e m 模块 h r r p t c p m 栅c m p e t i i e m e ts c l l 2 8 接口 图2 - 4 网关协议栈结构 f i g u r e2 - 4n e t w o r k g a t ep r o t o c o ls t a c k 2 4 2 1h n g a g e n t h n m a g e n t ( h o m e n e t w o r k m a n a g e a g e n t ) 对家庭网络进行管理， 是嵌入式w e b s e v e r 与监控a g e n t 通信的中间件，h n m a g e n t 的模型逻辑架构”1 如图 2 - 5 所示。对应监控a g e n t 设置其相应的逻辑a g e n t 空间，它们之间相互连接，每一个 i 衄婚峨一- 日霹舞培相曩 图2 - 5h n m a g e n t 逻辑结构图 f i g u r e2 - 5h n m a g e n tl o g i c a ls t r u c t u r e 逻辑a g e m 管理一个自己对应的监控a g e n t ，所有的a g e n t 都可以运用这个a g e n t 空间， 访问设备的状态，对设备进行监控，而不用去知道物理a g e n t 的具体位置。这样，通 过从a g e m 空间读取信息，使得各个家电之间可以透明的实现信息交互，增加了家庭 广东工业大学工学硕士学位论文 网络的可靠性和灵活性。h n m a g e n t 转换空间包括了连接处理器，事件处理器，状态 空间。s t a t u ss p a c e 用来存放各a g e n t 的状态或通讯表，e v e n tp r o c e s s o r 实现网络管理 和i n t e r a c t 的连接，以及即插即用处理，作为监控a g e n t ，s t a t u ss p a c e ，c o n n e c tm a n a g e r 的中间件，接收和响应它们的请求。通过e v e n tp r o c e s s o r 中间件的作用就可以使得监 控a g e n t ( 家电) 能够透明的获取当前家庭网络的信息。 图2 - 6h n m a g e n t 和监控a g e n t 流程图 f i g u r e 2 -