（电路与系统专业论文）基于usb接口的智能家居系统设计及组网研究.pdf

摘要 随着社会的发展和人们生活水平的提高，家居智能化将成为未来家庭的一个 重要标志，必然得到越来越广泛的应用。本论文提出了将嵌入式技术与u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 接口技术应用到智能家居系统中的方案，使得智能家居系 统具有实时、灵活、可靠性高、可扩展性强等特点。 论文首先介绍了智能家居系统的基本概念、功能和组成。其次，阐述了嵌入 式技术与u s b 接口技术在智能家居系统中应用的优点，并且初步研究了嵌入式处 理器、嵌入式操作系统和u s b 数据传输协议，然后设计了智能家居系统的硬件部 分，包括输入量信息采集、输出控制、液晶显示、u s b 硬件与固件程序设计。再 次，通过u s b 驱动程序，使用v i s u a lc + + 语言开发了客户应用程序，实现对家居 的自动监控。最后，在对网络组建理论研究的基础上，提出了一种适合于智能家 居系统的组网方案。 关键词：智能家居嵌入式技术 u s b家庭网关 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n dt h er a i s i n go fp e o p l e s l i v i n gl e v e l i n t e l l i g e n th o m ew i l lb e a ：o m e ：a l li m p o r t a n ts y m b o lo f f u t u r eh o m ea n dm u s tg e tm o r e a n dm o r ea p p l i c a t i o n s t h i sp a p e rp r e s e n t sas c h e m ew h i c ha p p f i e se m b e d d e d t c c h n o l o g ya n du n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b li n t e r f a c et ot h es y s t e mo fi n t e l f i g e n th o m e ， c h a r a c t e r i z e db yr e a lt i m e ，a 日i t y , h i g hr e l i a b i l i t y , s t r o n ge x t e n s i b i l i t ya n ds oo i l f i r s t , t h ee s s e n t i a lc o n c e p t i o n s ，f u n c t i o n sa n di n g r e d i e n t so fi n t e l l i g e n th o m ea r o i n t r o d u c e d s e c o n d l y , i td e a l sw i t ht h ea d v a n t a g e so fe m b e d d e da n du s b t e c h n o l o g i e s i ni n t e l l i g e n th o m es y s t e ma n dg i v e sp i l o ts t u d i e st oe m b e d d e dp r o c e s s o r , e m b e d d e d o p e r a t i o ns y s t e ma n du s b d a t at r a n s p o r tp r o t o c o l s ，f o l l o w e db yt h eh a r d w a r ed e s i g n o fi n t e l l i g e n th o m es y s t e m , i n c l u d i n gi n p u ti n f o r m a t i o no o n e c t i o 儿o u t p u tc o n t r o l l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y 函c d xt h eh a r d w a r ea n d 五f m w a r ed e s i g no fu s b 。n e x l t h e a u t o m a t i cm o n i t o r i n gf o rh o m es y s t e mi sr e a l i z e db yu s i n gt h eu s bd r i v e rp r o g r a mi n c o m p u t e ra n dt h ec l i e n ta p p l i c a t i o np r o g r a m , w h i c ha d e v e l o p e db yv i s u a lc + l a n g u a g e f i n a l l y , i tp u t sf o r w a r dar i g h tp r o j c c to ff o r m i n g t h en e t w o r ko fi n t e l l i g e n t h o m eb a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no fs e t t i n gu pn e t w o r kt h e o r y k e y w o r d ：i n t e l l i g e n th o m e e m b e d d e d t e c h n o l o g yu s b h o m eg a t e w a y 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期：丝! ：! ：j 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即；研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩日j 或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 奉学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 缢兰日期：丝堕：! ：臼 第一章绪论 第一章绪论 1 1 智能家居系统的研究目的和意义 住宅是人类栖息、生活的重要建筑场所。随着人们对居住环境、生活的安全 性和舒适性要求的不断提高和现代信息、网络、计算机控制技术的飞速发展，智 能化已成为家居系统发展的必然趋势。 智能家居可以定义为一个过程或者一个系统，是以住宅为平台，通过先进的 计算机、网络通讯、综合布线等技术，将家庭中各种与信息技术相关的通讯设备、 家用电器和家庭安防装置通过家庭总线技术连接到一个家居智能化系统上进行现 场或远程的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和 谐与协调。它是集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、 环保的居住环境的代名词。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能， 提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间；还由原来的被动静止结构转变为 具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交 流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安捧时间，增强家居生活的安全性， 甚至为各种能源费用节约资金。 随着智能建筑的迅猛发展，智能家居行业已逐渐成为建筑智能化领域里最活 跃的一个行业，据世界权威机构预测，世界智能家居建设将在2 0 0 5 年到2 0 0 8 年 达到高峰。我国的智能家居市场潜力也很大。房地产业在全国的发展都很火爆， 作为其下游产业的智能家居市场前景非常乐观。国内目前每年有近1 0 0 亿元人民 币的市场，而且专家预测，在未来1 0 年里，我国智能家居行业将以每年1 5 的 增长率向前发展。 现有的大多数国外智能家居系统产品不仅价格不菲，还要求家庭内的家电及 通讯设备必须是具有智能接口的特定产品，这与我国处于社会主义初级阶段的基 本国情不符合。国外同类产品不仅价格高昂，而且大多数是建立在新型信息家电 的基础上，与家居系统原有非智能化设备不兼容。国内技术的不完善等因素也阻 碍了智能家居系统在国内的发展。 因此，自主研究和设计适合我国国情，基于先进技术、兼容原有家居系统设 备、可扩展性强、性价比高的智能家居系统，不仅能够填补国内智能家居系统发 展的空白，而且为家居智能化在普通家庭中的实现提供了可能，具有重要的意义。 智能家居必将取代传统的家居方式，给人类家居带来一次新的革命。 2 基于u s b 接口的智能家居系统设计及组网研究 1 2 国内外研究现状 世界上第一幢智能建筑于1 9 8 4 年在美国出现后，美国、日本和欧洲等经济比 较发达的国家在智能家居系统方面进行了大量研究，先后提出了多种设计方案， 并拥有了成熟的产品，比如美国家庭建筑协会推出的s m a r th o u s e 系统、日本的 s u p e rh o m eb u ss y s t e m 、欧洲的e u r e k a 集成家庭系统h i s 等。国外的一些厂家如 h o n e y w e l l 、h o m e a u t o m a t i o n 、h o m ed i r e c t o r 等均在从事智能家居相关产品的研 发和生产，已开发出的相应产品有h o n e y w e l l 家庭控制器、s 1 噙r g 叮! 家居 自动化系统、o m n i 智能家居系统、h a l d e l u x e 智能家居系统等。在美国，目前 占据智能家居系统市场主流的产品是x - 1 0 ，销售已超过1 亿个，仅在美国便有超 过4 0 0 万个家庭在使用；在新加坡已有3 0 个住宅小区近5 0 0 0 户家庭采用了。未 来之家”这种新加坡模式的家庭智能化系统；三星公司也在中、韩两国推出了通 过机顶盒和网络，将家居自动化控制、信息家电、安防设备以及娱乐和信息中心 这四部分集成一个全面的，面向宽带互联网的家居控制网络。 我国在智能家居系统领域的起步较晚，直到年代末才有较大的发展。虽然 近几年来，在北京、上海、广州等大城市，相继建起了数幢具有相当水平的智能 建筑，比如北京的发展大厦、上海的金茂大厦、青岛的中银大厦等，但是，国内 从事智能家居系统研究的企业只有零星几家或是刚刚起步，市场上能见到的相关 产品很少，而且大多数还是国外产品的代销或是o e m ( o r i g i n a le q u i p m e n t m a n u f a c t u r e r ) 生产，真正有自主知识产权的产品很少。随着越来越多的智能住宅 项目的上马，国内在数字社区、智能家居方面的需求日趋旺盛。因此，开发具有 独立自主知识产权、具有中国特色的智能家居系统已是当务之急。一些有发展眼 光的大中型企业已经投入到智能家居产品的开发研制中，比如科龙集团研制的“智 能网络家居系统”、海信的“智能家居控制系统”、清华同方的“e h o m e 数字家园”、 方正“卓越3 0 0 0 ”的“家用电器智能控制”。我国教育部也成立了数字社区工程 研究中心，这对我国智能家居系统技术的发展将起到巨大的推进作用。 1 3 本论文研究的主要内容 本论文主要的工作是研究智能家居系统，设计开发用于监视和控制各种家用 电器、安防设备的操作和运行的基于u s b 技术的智能家居控制卡，并对智能家居 系统的组网进行研究。 1 、学习和研究了智能家居系统的基本知识和相关理论 基于u s b 的智能家居系统及组网研究涉及很多领域的专业知识，本文从智能 第一章绪论 3 家居系统的基本概念、设计方法分类及发展趋势入手，研究了设计实现智能家居 系统的基本理论和方法。 2 、嵌入式系统与u s b 技术在智能家居系统中的应用分析 分析了嵌入式和u s b 技术在智能家居系统中的应用及其优点，同时介绍了嵌 入式系统的基本知识和u s b 数据传输协议。 3 、基于u s b 的智能家居系统的硬件设计 基于u s b 的智能家居系统的硬件设计主要实现多路模拟量、开关量输入检 测，就地液晶显示，数字量及p w m ( 脉宽调制) 输出控制以及u s b 总线通讯。 其中微处理器采用p h e l p s 公司的基于a r m 7 t d m i s t m c p u 的微控制器l p c 2 2 1 4 ， u s b 接口芯片采用p h i l i p s 公司的符合通用串行总线2 0 规范的接口芯片 珞p 1 1 6 1 a 1 。 4 、基于u s b 的智能家居系统的软件设计 基于u s b 的智能家居系统的软件设计主要完成i s p l l 6 1 a 1 的固件程序设计、 驱动程序设计和上位机用户界面程序。固件程序实现模拟量、数字量的输入，a d ( a n a l o g - d i g i t a l ) 转换，数字量和p w m 输出控制，液晶显示和u s b 数据传输。 驱动程序实现上位机和智能家居控制卡的数据通讯，并为用户端程序提供数据交 换的旬柄。上位机用户界面程序实现提供给用户的良好操作界面和智能家居控制 卡监测控制数据的实时显示。 5 、智能家居系统组网研究 研究了组网的基本概念、基本原理和方法，在对智能家居网络系统进行分析 的基础上，提出了基于智能控制卡的智能家居系统组网方案。 4 基于u s b 接口的智能家居系统设计及组网研究 第二章智能家居系统基本理论 2 1 1 智能家居的概念 2 1 智能家居系统 智能家居( i n t e l l i g e n th o m e ) ，也可以称为智能住宅、电子家庭( e l e c l o n i c h o m e ) 、数字家园( d i g i t a lf a m i l y ) 、家庭自动化( h o m e a u t o m a t i o n ) 、家庭网络 ( h o m en e t n e t w o r k sf o rh o m e ) 网络家居( n e t w o r kh o m e ) 、智能家居建筑 ( i n t e l l i g e n th o m e b u i l d i n g ) 等等。尽管名称五花八门，但它们的含义和所要完成 的功能大体是相同的：第一，它们都要在一个家居建立一个通讯网络，为家庭信 息提供必要的通路，在家庭网络操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构， 实现对所有家庭两络上的家电和设备的控制和监测。第二，它们都要通过一定的 媒介，构成与外界的通讯通道，以实现与家庭以外的世界沟通信息，满足远程控 制、监测和交换信息的需求。第三，它们的最终目的都是满足人们对安全、舒适、 方便和符合绿色环境保护的需求。 因此，我们也可以这样说：智能家居是一个典型的集计算机、通讯和消费在 一起的3 c ( c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n 和c o n s u m e r ) 系统，是整个世界形成的一 个巨型网络的末端。 2 1 2 智能家居系统的主要功能 1 、家电控制功能 控制、调节和监测家庭中的各种家电，比如电视、音响、空调、冰箱、微波 炉、洗衣机、电动窗帘、烤箱、电热水器、照明系统、水、电、气阀门等，实现 定时控制、场景控制和远程、联动控制。 2 、防盗、防灾、报警、求助等功能 通过设置红外探头、门磁开关等防盗报警器，快速揉知并警告闯入的不法分 子，保卫人们的生命和财产安全；通过连接自动烟雾探测器、有害气体检测装置、 温度和湿度控制器、风量调节器。全天候2 4 小时监控可能发生的火灾、煤气泄漏 等事故，并在发生报警时根据情况采取适当措施，为家庭构建坚实的安全屏障； 通过安装求助按钮、紧急呼叫按钮等，帮助家中的老人小孩在遇到紧急情况时快 速进行现场报警和远程报警，及时获得各种帮助。 第二章智能家居系统基本理论 5 3 、信息服务和远程控制功能 通过对外接口，如u s b 、网口、电话线、有线电视电缆和无线通讯等方式， 实现远程控制和信息交换。一方面，通过智能家居控制卡的h u b 功能，组建家 庭局域网，享受各种网络信息和网络服务，如宽带上网、信息浏览、电子邮件、 网上订票、网上购物、视频点播、远程教育、远程医疗等；另一方面，通过与i n t e m e t 的连接，实现家居系统的远程监测和控制。 2 1 3 智能家居系统的组成部分 从功能角度看，智能家居系统可分为三部分：智能控制单元、智能家居控制 卡和家庭网关。智能家居系统的体系结构总体框图如图2 1 所示。 吲倒围倒凼凼倒 图2 1 智能家居系统体系结构总体框图 1 、智能控制单元 作为智能家居系统的底层实簏者，智能控制单元包括： ( 1 ) 照明控制单元：根据不同性质灯具的要求可以实现单控、双控、联控 和连续调光； ( 2 ) 家电控制单元：对空调、电视、音响等家电进行开关、调温、更换频 道、调节音量； ( 3 ) 防盗报警单元：利用红外探头、门磁系统、摄像头等监控室内安全； ( 4 ) 防灾报警单元：使用煤气、烟雾火灾等传感器，用于探测煤气有无泄 漏、是否有火灾发生、监控室内空气中的有害气体含量及报警； ( 5 ) 紧急求助单元：通过紧急求助按钮发送求助信息给外界； ( 6 ) 信息服务单元：提供通信、网络、和公共信息等服务； ( 7 ) 其他控制单元：无线接收单元可远距离接收遥控器信号，实现灯光、 6 基于u s b 接口的智能家居系统设计及组网研究 电器的远程控制；红外遥控单元可通过电话网络远程控制空调、电动 窗帘等电器的启，停；多功能遥控器不仅可以控制灯光、电器及防盗报 警系统，而且可以通过红外线控制电视、录像机、影碟机、音响、卫 星接收器等影音设备； ( 8 ) 网络通信协议和传输介质单元：针对智能家居系统的特点，选择基于 网络通信协议的家居网络控制技术和传输介质进行组网，以搭建不同 的家居智能化子系统的数据传输通道，实现各种家电之间的控制信息 和数据信息的传递； ( 9 )智能家居综合布线单元：选择恰当的智能住宅布线标准设计布线方案 作为各种智能控制单元的传输媒介，同时也为各种智能控制单元的综 合维护、统一管理提供了性能优良的系统平台； ( 1 0 ) 系统软件单元：用于提供配置、诊断、维护、控制家居网络中联网的 家电设备的软件平台。 2 、智能家居控制卡 如果将整个智能家居系统比作一支军队的话，那么智能家居控制卡就是指挥 作战的将军。作为智能家居系统的灵魂，智能家居控制卡不仅为各个智能控制单 元提供进入系统的接口，通过家庭总线与各个控制单元相连构成智能家居系统， 同时也为外部网络访问和控制家庭内部状态提供了接口，并实现了数据处理与就 地显示等功能。 3 、家庭网关 作为智能家居网络系统对外的控制接口，家庭网关实现智能家居系统内部网 络协议与家庭外部i n t e r a c t 网络协议之间转换的桥梁作用，使智能家居系统不再 是“信息孤岛”。 2 2 嵌入式技术在智能家居系统中的应用 2 2 1 基于嵌入式技术的智能家居系统的优点 嵌入式系统( e m b e m d e ds y s t e m ) 是指嵌入各种设备及应用产品内部的计算机 系统，多用于实时控制、监视、管理和辅助其他设备设施运行的设备，可以是硬 件或软件。硬件的嵌入式系统多以芯片、模板、组件、控制器形式埋藏于设备内 部；软件的嵌入式系统则主要是实时多任务操作系统和各种专用的控制软件系统， 一般固化在r o m 或闪存中。一种典型的嵌入式系统的结构方式如图2 2 所示。 第二章智能家居系统基本理论 7 嵌入式系统 应用软件系统 嵌入式操作系统 硬件指令系统 嵌入式处理嚣 图2 2 典型的嵌入式系统结构框图 嵌入式系统主要用于各种信号处理与控制，目前已在国防、国民经济及社会 生活各领域得到广泛应用。嵌入式系统消除了传统的单片机的某些限制和连接弊 病，有利于板级和系统级的设计、制造、编程和升级。 在智能家居系统中，大量的开关量和模拟量输入监测、数字量和p w m 量输 出控制、液晶接口控制、j t a g 接口、u a 耵d 接口、以太网接口和u s b 接口设计 均通过嵌入式微控制器l p c 2 2 1 4 和嵌入式操作系统1 1c o s 实现，不仅简化了 电路设计、降低了设计成本、提高了系统可靠性，而且为智能家居系统的设计方 式带来了革命性的变化。 采用嵌入式技术设计的智能家居系统具有以下优点： 1 、架构简单，功能强大：一般只有一颗主处理芯片，所实现的系统结构紧凑且处 理能力强大，可以实现逼真的图像、真实的语音等多种信息传输； 2 、设计灵活，升级方便：基于嵌入式技术的智能家居系统，可以在设计和调试过 程的任何阶段对其硬件和所有软件进行修改，为产品的后续升级与维护提供方 便，这是传统的基于5 1 单片机的解决方案无法做到的； 3 、高效低耗，安全可靠：高速低耗的微处理器配上大容量的s d r a m 和f l a s h ， 轻松实现t c p i p 等功能；高度的单片集成减少了印制板上芯片的数量及相互 问的连线，增加了智能家居系统的平均寿命和抗干扰能力，使得输出信号安全、 稳定、可靠； 4 、可扩展性强，实时性好：嵌入式微控制器硬件接口丰富，如液晶、串口、u s b 、 1 2 c 等，可以实现多种功能，应用范围很大；将每个功能设计成一个任务，由 操作系统完成复杂的调度，从而完成实时监控； 5 、开发周期缩短，开发成本降低：高度集成减少了系统测试与装配的工作量，避 免了改变功能带来的设计修改问题，有效降低成本；根据系统定制的实时操作 系统最大限度的利用了硬件资源，避免了过于庞大的系统造成的系统冗余；软 件采用分层设计大大提高了代码利用率，缩短了开发周期； 6 、可实现加密功能：选择具有加密功能的嵌入式微控制器可以有效的防止系统固 件被抄袭，从而使智能家居系统具有保密性。 8 基于u s b 接口的智能家居系统设计及组网研究 2 2 2 嵌入式处理器 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式系统硬件，即嵌入式处理器。据 不完全统计，全球嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行的体系结构 有3 0 几种。嵌入式处理器大致可以分为四类：嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、 嵌入式d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 和嵌入式片上系统。嵌入式微处理器是指 与通用计算机微处理器相对应的c p u ：嵌入式微控制器将c p u 、存储器和其他外 设封装在一片集成电路中，又称为单片机；嵌入式d s p 专门用来对离散信号进行 快速的计算处理，以提高编译效率和执行速度；随着v l s i 设计的普及和半导体 工艺的迅速发展，在一个硅片上实现更为复杂的系统就形成了嵌入式片上系统。 2 2 3 嵌入式操作系统| c o s 操作系统是软硬件资源的控制中心，它以尽量合理有效的方法组织多个用户 共享计算机的资源。实时操作系统r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ) 是指能支 持实时控制系统工作的操作系统，它采用优先级可剥夺的调度策略和特殊的中断 处理程序保证任务实时、有效完成。当前主要的嵌入式实时操作系统有pc o s i i 、l i n u x 、v x w o r k s 、q n x 、p s o s 等，智能家居系统采用pc o s 1 i 操作系统。 pc o s i i 是一个完整、可移植、可固化、可剪裁的占先式实时多任务内核， 目前己应用于诸多设备控制领域，如照相机、医疗器械、音响设备、发动机控制、 高速公路电话系统、自动提款机等。其特点如下： 1 、 有源代码：源代码有清晰的注释，可读性强，使用方便； 2 、可移植性：大部分采用移植性很强的a n s ic 编写，与硬件相关的部分采用 汇编语言编写且压缩到最低限度，便于移植到其他微处理器上； 3 、可固化：只要有固化手段，如编译器、连接器、下载和固化软件，即可嵌入 到产品中成为产品的一部分； 4 、 可剪裁：使用条件编译实现可剪裁，以减少对代码空间和数据空间的占用； 5 、 可剥夺：总是运行在就绪条件下优先级最高的任务； 6 、多任务与任务栈：可以管理6 4 个任务，留给用户应用程序最多5 6 个任务， 且每个任务都有自己独立的栈； 7 、 可确定性：绝大多数l lc o s i i 的函数调用和服务的执行时间有确定性； 8 、系统服务：提供例如信号量、互斥信号量、时间标志、消息邮箱、数据队列 等系统服务； 9 、 中断管理：中断可以使正在执行的任务暂时挂起，如果优先级更高的任务被 第二章智能家居系统基本理论 9 中断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中断嵌套层 数可达2 5 5 层； 1 0 、稳定性与可靠性：基于1 1c o s ，有数百个商业应用，可以在任何应用中使用。 2 3u s b 接口技术在智能家居系统中的应用 2 3 1 基于u s b 的智能家居系统的优点 在智能家居领域，越来越复杂的家电设备和控制单元需要接入系统，大量的 系统运行状态需要实时、有效的处理，单纯的单片机的速度和功能已无法满足要 求，因此可以通过高速接口电路将系统运行状态传送给计算机，让计算机进行复 杂而有效的判断和处理并发送处理命令，同时可以通过i n t e r n e t 将系统的运行状 态传送到外界，并将外界的控制处理命令发送给智能家居系统。传统的计算机与 外部设备的接口无法完全满足智能家居系统的要求，例如串口和并口不能满足传 输量大、实时要求高的数据处理要求，而p c i 接口受计算机插槽、资源等限制， 加上价格高，可扩展性差的影响，无法在实际中投入使用。 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 是一种应用在计算机领域的新型 接口技术，具有可热插拔、即插即用、无需提供电源、节省系统资源、成本低、 性能可靠等特点。u s b 不仅可以作为电脑外设的接口，还能作为家用电脑功能升 级的接入端子。它将家庭中的电脑、影音设备、安防单元等数字化电器进行连接， 并通过家用电脑与i n t e r n e t 相连，成为智能家居管理和控制的信息平台。u s b 的 传输速度完全可以满足智能家居系统运行状态和控制命令的数据传输要求，其主 要优点如下： 1 、速度快：支持高速、全速、低速三种模式，其传输速率分别为4 8 0 m b i t s 、 1 2 m b i t s 、1 5 m b i 临，可以满足不同系统的传输要求； 2 、性能可靠：通过硬件设计和数据传输协议保证传输可靠性； 3 、使用简单：支持即插即用、自动配置，无需占用系统中断等资源；可采用总线 供电，提供最大5 v ，5 0 0 m a 的电源： 4 、应用灵活：控制传输、中断传输、同步传输、批量传输这四种传输类型和三种 传输速度，使其适用于多种类型的外设； 5 、可扩展性好；接口模式单一，采用“菊花瓣”式连接方式，通过u s b 集线器， 一个主控制器最多可以连接1 2 6 个外设，解决了外设增加与计算机插槽有限之 间的矛盾； 6 、兼容性：规范具有良好的向下兼容性。 加 基于u s b 接口的智能家居系统设计及组网研究 2 3 2u s b 2 0 数据传输协议 u s b 数据传输的基本单位是u s b 事务处理，由一系列具有特定格式的信息 包组成，如s e t u p 包、a c k 包等。一个事务处理可以分为三个阶段，如图2 3 所示。无论如何，所有的事务处理必须以令牌包开始，但可以不包含数据包和握 手包。各阶段功能如下： ( 1 ) 令牌阶段：表示事务处理的开始，并定义传输类型； ( 2 ) 数据阶段：负责传输相关的数据，最大长度为1 0 2 4 字节； ( 3 ) 握手阶段：用于报告事务处理的状态，以表明数据接收是否成功。 令牌阶段 主机 数据阶段 主机u s b 设备 i 旱耋 数据包 e o p 握手阶段 u s b i 设备主机 图乞3 典型的事务处理 每次数据传输的开始，由主机控制器发送一个描述传输类型、方向、设备地 址和端点号的令牌包，然后发送端开始发送包含信息的数据包或表明没有数据传 输，接收端发送相应的握手包以表明是否传输成功。为保证数据传输的正确，在 提供硬件、软件手段的基础上，在每个数据包加入了循环冗余校验码c r c ( c y c l i c r e d u n d a n c yc h e c k ) 作为检测位对数据进行校验，并提供硬件和软件错误处理。 硬件错误处理包括汇报错误和重新传输( 最多进行三次) ，软件错误处理是通过 客户端软件实现的。 信息包是u s b 总线上数据传输的最小单位，包含进行u s b 通信所需的全部 信息，由一系列的字段构成，下面简单介绍数据传输协议的具体内容。 1 、字段格式 ( 1 ) 同步字段( s y n c ) 所有信息包必须以一个同步字段开始。经过n r z i 编码后，以8 个“”对 和2 个k 的形式出现在总线上。u s b 总线从空闲状态到k 状态的转交表示新信 息包的到达，即s o p ；k 、j 状态的交替为总线提供了时钟，以使接收方能和传输 的数据保持同步；最后两个k 状态作为同步字段的结束，并表示p i d 的开始。 ( 2 ) 包标示字段( p d ) 如图2 4 ，包标示字段由4 位类型字段和4 位校验字段组成，指明该信息包的 类型、格式和所采用的差错控制机制，其中校验字段是类型字段的二进制补码。 图2 4 包标示字段 第二章智能家居系统基本理论 1 1 主机和设备都要对接收到的p i d 字段正确译码。若校验字段错，则认为p i d 已被破坏，忽略其余部分。若接收到不支持的p i d 字段，则不应予以应答。表2 1 列出了所有p i d 字段的类型、代码和说明。 表2 1 p i d 字段的类型 p i d 类型p i d 名称p i d 1说明 o u t0 0 0 t l b 用于主机向u s b 设备发送数据 令牌 1 伽b l b 用于u s b 设备向主机发送数据 s o f0 1 0 1 b表示帧，j 、帧的开始 s 聊p1 1 0 1 b用于主机向u s b 设各发送配置信息 d a i a o优j l l b偶数据包 数据d 姒l 1 0 1 1 b 奇数据包 d 觚a 20 1 1 1 b高速同步事务专用数据包 m d m1 1 1 1 b 高速同步事务和s p l i t 事务专用数据包 a c k1 表示接收方成功的接收数据 握手 n a k 1 0 1 0 b表示接收方不能接收数据，或发送方不能发送数据 翻r a i i 1 1 1 0 b 表示指定端点被挂起，或不支持的控制管道请求 n y e t0 l l 勘 表示接收方将无任何响应 p r e 1 1 0 0 b( 令牌) 主机发出的前导包，以使能低速通信 专用 e r r0 1 0 0 b ( 握手) 用于s p u r 事务的错误握手 s p u f r1 0 b ( 令牌) 用于高速s p l i t 事务的令牌。， p d 4 g0 1 0 0 b( 令牌) 用于块j 空制端点的高速数据流量控制监测 注：1 该字段以高位在前的顺序给出，当在u s b 总线上传输时，位0 将被第一个发送。 ( 3 ) 地址字段( a d d r ) 地址字段指定u s b 系统中的一个u s b 设备，如图2 5 。a d d r 【6 0 1 最多可以指 定2 7 = 1 2 8 个地址，其中地址0 只能用作缺省地址，不能分配给u s b 设备，因此 一个u s b 主机最多可以连接1 2 7 个u s b 设备。上电和复位时，u s b 设备使用缺 省地址0 与主机进行通信；在配置过程中，主机为其分配一个唯一的设备地址。 i l s b 、 f m s b ) 图2 5 地址字段 ( 4 ) 端点字段( e n d p ) 如图2 6 所示，端点字段由4 位构成，高速全速设备最多可含有1 6 个端点， 低速设备最多只能含有3 个端点。所有u s b 设备必须含有一个0 号控制端点，以 完成与主机问的配置通信。 匝( l s 丑b j 亘丑匦咽( m s b ) 图2 6 端点字段 ( 5 ) 帧号字段 如图2 7 所示，帧号字段由1 1 位构成，在每帧，j 、帧开始的s o f 令牌包中被 基于u s b 接口的智能家居系统设计及组网研究 发送。每传输1 帧，主机将其内容加1 ，达到最大值7 f f h 时归零。 o - s b )m s b ) 图2 7 帧号字段 ( 6 ) 数据字段 包含主机与u s b 设备间需要传输的数据，长度为整数字节，大小与传输类型 有关，最大长度为1 0 2 4 字节，图2 8 为多字节数据字段的格式，在每个字节中都 是最低有效位( l s b ) 最先被传输。 冒进正旺描目 字节n 1 字节n 磊 图2 8 数据字段 ( 7 ) 循环冗余检验字段( c r c ) 由于p i d 字段有自己的校验码，因此c r c 字段用于对令牌和数据包中所有 非p i d 字段进行保护，可以百分之百识别出信息包中的一位或两位错误。例如： 令牌包c r c ( 5 位) ： a ( x ) 。x 5 + 工2 + 1 ( 式2 - 1 ) 式2 - 1 代表的位模型为0 0 1 0 1 b ，即如果令牌包中的所有数据位都被接收方正 确接收，则其5 位余项应该是0 1 1 0 0 b 。 数据包c r c ( 1 6 位) ：g 伍) - z “+ z “+ z 2 + 1( 式2 - 2 ) 式2 - 2 代表的位模型为1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 b ，即如果令牌包中的所有数据位 都被接收方正确接收，则其1 6 位余项应该是1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 b 。 2 、信息包格式 ( 1 ) 令牌包 在u s b 系统中，只有主机才能发出令牌包。它是事务处理的第一个阶段，定 义了数据传输的类型。u s b 中包含七种令牌包：i n 、o u t 、s e t u p 、s o f 、s p l i t 和p i n g ，格式如图2 9 所示。所有的信息包在其长度之后若没有e o p 信号则接 收方会认为该包无效，并将忽略该包。 i n 、o u t 、s e t u p 和p i n g ：p i d 字段定义了数据传输的类型和方向，a d d r 字段和e n d p 字段指明了唯一的接收，发送端点，5 位的c r c 字段对a d d r 字段和e d n p 字段进行循环冗余检验。 s o f ：主机以每1 o o m s _ o 0 0 0 5 m s ( 全速) 和1 2 5i ls + o 0 6 2 5i is ( 高速) 的额定时间间隔发出s o f 令牌包，以表示帧小帧的开始，不需要接收方 做出任何响应。c r c 字段对1 1 位帧号字段进行循环冗余检验。 p r e ：表明其后将以低速传输一个信息包，相应的集线器会激活其低速端 口准备低速传输。 第二章智能家居系统基本理论 s s p l l t 与c s p l i t ：通过这两个令牌包，主机能把低速全速传输从高速 传输中分离出来。h u ba d d r 和p o r t 字段指明需进行低速全速传输的高速 集线器设备地址和端口号；s c 表示令牌包的开始与结束；s 、e 和e t 用 于说明数据传输的具体类型。 i n 0 u r 、孵n 职御m 晒令牌包s ( 謦令j 铸咆h 吧令牌包 i 字段名 p d帧号字段觚 l 位数 81 l5 图2 9 令牌包格式， ( 2 ) 数据包 如图2 1 0 所示，根据p i d 的不同，数据包可分为d a t a 0 、d a t a l 、d a t a 2 和m d a t a 。数据字段的长度为0 1 0 2 4 个字节。c r c 对数据字段进行1 6 位的 循环冗余检验。 i 字段名p m数据字段c r c l 6 l 位数 8m 8 1 9 21 6 图2 1 0 数据包格式 ( 3 ) 握手包 用于报告事务处理的状态，以表明数据接收成功、指定端点被停止、不能响 应命令等情况。只有支持流量控制功能的事务处理才需使用握手包，且它一般在 握手阶段被返回，但有时也可能在数据阶段代替数据被返回。 a c k ：表示主机或u s b 设备接收到的数据包没有位填充和c r c 检验错误， 且其p i d 字段被正确译码。通常发生在接收方和发送方的数据触发位相互 匹配且数据被接收方正确接收时、或数据触发位不匹配而发送方和接收方 需要重新同步时。 n a k ：表示u s b 设备不能接收从主机发送来的数据或当前没有数据要发 送给主机，但是最终在不需要主机干涉的情况下能完成事务处理。主机永 远不会发出n a k 。 s t a l l ：表示u s b 设备没有能力发送或接收数据，或u s b 设备不支持某 1 4 基于u s b 接口的智能家居系统设计及组网研究 个控制请求。主机永远不会发出s t a l l ，它仅可能由u s b 设备在玳事 务的数据阶段、或在o u t 事务的握手阶段返回。 n y e t ：仅适用于高速传输，通常作为p i n g 协议的一部分由高速端点返回。 在s p l i t 事务处理中，当低速，全速事务不能正确结束或集线器不能处理 该s p l i t 事务时，集线器也会返回n y e t 。 e r r ：仅适用于高速传输，且只能作为s p l i t 事务协议的一部分由高速集 线器返回，表明低速，全速总线上有一个错误。 3 、 事务处理 ( 1 ) i n 事务处理 用于完成u s b 设备到主机的数据传输。u s b 设备对主机发出的玳令牌包的 响应可以分为表2 2 所列出的各种情况。主机在接收到u s b 设备发送来的数据包 后只可能返回a c k 一种类型的握手包，如表2 3 所示。 表2 2 u s b 设备在m 事务中的响应 矾令牌包是否已损坏 矾端点是否被停止u s b 设备是否u s b 设备采取的响应 能发送数据 是不应答 否是 发送s 1 脯u ，握手包 否 否否发送n a k 握手包 否否是发送数据包 表2 3 主机在事务中的响应 数据包是否已损坏 主机是否能发送数据主机采取的响应 是 丢弃数据，不应答 否 否丢弃数据，不应答 否是发送数据包 表2 4u s b 设备在o u t 事务中的响应 o u t 令牌包或数o u t 端点是数据触发位u s b 设备是否u s b 设备采取的响 据包是否已损坏否被停止是否匹配 能接收数据 应 是 不应答 否是发送s t a l l 握手包 否 否否丢弃数据，发送 a c k 握手包 否否 是否发送n a k 握手包 否否是 是接收数据，发送 a c k 握手包 第二章智能家居系统基本理论 ( 2 ) o u t 事务处理 用于完成主机到u s b 设备的数据传输。u s b 设备对主机发出的o u t 令牌包 和数据包的响应情况如表2 4 所示。 ( 3 ) s e t u p 事务处理 作为一种特殊的主机到u s b 设备的数据传输，仅适用于u s b 控制传输的建 立阶段。若u s b 设备接收到s e t u p 令牌包有错误，则会忽略该信息包，并不做 任何响应。但u s b 设备一旦接收了s e t u p 令牌包，则一定要接收其后的数据包， 并必须向主机返回a c k 握手包。u s b 设备永远不能对s e n j p 事务处理以s t a i l 和n a k 握手包来响应。 ( 4 ) 其他事务处理 除了上述三种常用事务处理外，u s b 数据传输协议中还有p i n g 、s e t u p 、 s o f 、s p l i t 、p i l e 等专用事务处理。各个事务处理的具体描述详见参考文献【9 】。 基于u s b 接口的智能家居系统设计及组网研究 第三章智能家居系统硬件设计 3 1 系统工作原理及硬件总框图 智能家居系统是由实现系统主要功能的智能控制卡组成监控网络而构成的。 联网方式分为两种：一种是通过智能控制卡上的网口功能直接实现，另一种是智 能控制卡通过u s b 接口与p c 机相连，通过p c 机接入网络。系统硬件总框图如 图3 1 所示。 图3 1 智能家居系统硬件总框图 图3 2 智能控制卡硬件总框图 智能家居系统硬件主要是智能控制卡，它负责完成家庭内电器、通讯、安防 等设备运行状态的监测与控制，包括多路模拟量和开关量的监测，并将这些设备 的运行状态通过u s b 接口传送给上位机，上位机通过对这些数据进行监测与分 析，再将输出控制命令传送给智能控制卡，从而控制各个设备的输出状态。智能 控制卡硬件总框图如图3 2 所示。 在图3 2 中，系统的输入即各种家电设备的运行状态可分为开关量和模拟量， 多路模拟信号通过嵌入式微控制器内部的a d 模块转换成数字量，与多路开关量 第三章智能家居系统硬件设计 1 7 一起由嵌入式微控制器进行监测。在嵌入式微控制器中还实现了液晶显示接口控 制和输出控制。嵌入式微控制器采用p h i l i p s 公司的l p c 2 2 1 4 。u s b 接e l 芯片 i s p l l 6 1 a 1 实现了1 2 m ，b i t 的全速u s b 设备接口 考虑到还可以将智能控制卡直接作为接入网络的信息单元，采用r e a l t e k 公司的r t l s 0 1 9 a s 网络接口芯片设计了基于t l 洲口的网口功能；考虑到调试的 便利，在智能控制卡上还设计了串行