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住宅小區智能化（或稱(chēng)為"智能小區"）的概念是本世紀90年代引入國內的，它是以家庭智能化為核心，包括遠程抄表，家庭防盜報警，醫療救助，家電控制等功能，采用系統集成方法，建立一個(gè)溝通小區內部住戶(hù)之間、住戶(hù)與小區綜合服務(wù)中心之間、住戶(hù)與外部社會(huì )的綜合信息交互系統，從而為住戶(hù)營(yíng)造一個(gè)安全、舒適、便捷、高效的居住和生活環(huán)境�，F行的智能小區系統多是以RS485、CAN總線(xiàn)、LONWORKS等總線(xiàn)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，布線(xiàn)復雜，沖突多，系統不夠穩定且涉及到消防安全及成本的考慮。而以太網(wǎng)實(shí)現聯(lián)網(wǎng)，布線(xiàn)簡(jiǎn)單，且也比CAN、LONWOKS等更便宜，更有利于小區智能化產(chǎn)品的兼容和統一。在當今計算機技術(shù)及信息技術(shù)不斷發(fā)展的情況下，以及人們對家居生活的需求及觀(guān)念上的變化，電話(huà)、電視、計算機三網(wǎng)有合一的趨勢，將來(lái)智能小區的發(fā)展必定是以太網(wǎng)的天下。所以針對當前行業(yè)的發(fā)展情況和趨勢，對于基于IP的以太網(wǎng)家庭智能終端的研究順應時(shí)代發(fā)展的潮流，有一定的現實(shí)意義。 智能小區系統結構 本文中提出的小區智能系統由小區計算機管理系統、網(wǎng)絡(luò )交換設備、家庭智能終端（CDT）三個(gè)主要部分組成，網(wǎng)絡(luò )結構如圖1所示。 小區管理系統是指安裝在小區管理中心，完成全小區內用戶(hù)數據終端數據采集和處理的計算機系統，對于用戶(hù)數較多的系統，可以采用客戶(hù)機/服務(wù)器（C/S）結構。小區管理系統分為監控微機（Client）和服務(wù)器(Server)兩個(gè)部分，客戶(hù)端只作數據采集使用，數據的處理在服務(wù)器端進(jìn)行。小區管理系統的功能包括：顯示用戶(hù)終端的上網(wǎng)狀態(tài)，接受并顯示住戶(hù)報警，讀取水電氣表數據并產(chǎn)生報表，報警日志處理，系統管理等。用戶(hù)數據終端：用戶(hù)終端用來(lái)與管理系統通訊、并完成對各種計量信號和報警信號的采集、應答主機的呼叫、回答上網(wǎng)狀態(tài)，并提供操作面板歡迎用戶(hù)查詢(xún)。 用戶(hù)終端硬件結構及RTL8019的配置 1、用戶(hù)終端結構硬件結構圖如圖2所示：系統由兩塊單片機組成，一塊負責五表讀數、安防紅外遙控器及安防信號的采集工作，另一塊負責驅動(dòng)RTL8019通訊、家電控制，并響應鍵盤(pán)及驅動(dòng)液晶顯示。兩塊MCU之間通過(guò)串口交換數據。 2、RTL8019的配置RTL8019是一款高度集成的以太網(wǎng)控制芯片，它有兩種工作模式：一種是跳線(xiàn)模式j(luò )umper，一種是非跳線(xiàn)模式 jumperless，后者也支持Plug and Play。在單片機中一般都采用跳線(xiàn)模式選項。I/O端口的基地址IO_BASE_ADDRESS由單片機和8019之間的接線(xiàn)決定。此外8019還具有8個(gè)IRQ接口，本系統中沒(méi)用到IRQ，采用查詢(xún)方式。 8019輸入輸出地址共32個(gè)，地址偏移量為00H――1FH：其中00H－－0FH共16個(gè)地址，為寄存器地址，寄存器分成4頁(yè)PAGE0――PAGE3，與NE2000兼容的寄存器只有3頁(yè)(Page0－Page2)，為了保證驅動(dòng)程序對所有Ne2000的網(wǎng)卡有效，不要去操作第四頁(yè)的寄存器。 10H－－17H共8個(gè)地址，為DMA地址。18H－－1FH共8個(gè)地址，為軟復位端口。8019的硬件復位很簡(jiǎn)單，只需在上電時(shí)對RSTDRV輸出一高電平就可以了。8019復位的過(guò)程將執行一些操作，比如將93c46讀入，將內部寄存器初始化等，至少需要2毫秒的時(shí)間。推薦等待更久的時(shí)間之后才對網(wǎng)卡操作，比如100毫秒之后才對它操作，以確保完全復位。 ICS16B＝LOW時(shí)采用8位DMA操作模式，上面的地址中只有18個(gè)是有用的： 00H－－0FH共16個(gè)寄存器地址。10H DMA地址 （10H－－17H的8個(gè)地址是一樣的，都可以用來(lái)做DMA端口，只要用其中的一個(gè)就可以了）。1FH 復位地址（18H到1FH共8個(gè)地址都是復位地址，每個(gè)地址的功能都是一樣的，只要其中的一個(gè)就可以了，但實(shí)際上只有18H、1AH、1CH、1EH這幾個(gè)復位端口是有效的，其他不要使用，有些兼容卡不支持19H、1BH、1DH等奇數地址的復位）。 網(wǎng)卡驅動(dòng)及TCP/IP協(xié)議棧的簡(jiǎn)化 從程序員的角度來(lái)說(shuō)，對8019的操作是比較簡(jiǎn)單的，驅動(dòng)程序只需要將要發(fā)送的數據按一定的格式寫(xiě)入芯片并啟動(dòng)發(fā)送命令，8019會(huì )自動(dòng)添加接收狀態(tài)、下一頁(yè)指針、以太網(wǎng)幀長(cháng)度和校驗FCS段，并將數據包轉換成物理幀格式在物理信道上傳輸。反之，8019收到物理信號后將其還原成數據，按指定格式存放在芯片RAM中以便主機程序取用。簡(jiǎn)言之就是8019完成數據包和電信號之間的相互轉換：數據包＜===＞電信號。以太網(wǎng)協(xié)議由芯片硬件自動(dòng)完成，對程序員透明。驅動(dòng)程序有3種功能：芯片初始化、收包、發(fā)包。發(fā)送數據包是先將待發(fā)送的數據包通過(guò)DMA寫(xiě)操作存入網(wǎng)卡芯片RAM，并給出發(fā)送緩沖區首地址(TPSR0、TPSR1)和數據包長(cháng)度(TBCR0,TBCR1)，啟動(dòng)發(fā)送命令，網(wǎng)卡芯片會(huì )自動(dòng)按以太網(wǎng)協(xié)議完成發(fā)送并將結果寫(xiě)入狀態(tài)寄存器。接收數據包時(shí)，采用查詢(xún)的方式，根據CURR＝＝BNRY＋1?可以判斷是否收到新的數據包，如果有則通過(guò)DMA讀操作從網(wǎng)卡芯片RAM讀出數據。發(fā)送、接收子程序如下所示： 3 協(xié)議棧的精簡(jiǎn) 單片機中TCP/IP的實(shí)現與PC機不同，在PC里可支持比較完整的TCP/IP協(xié)議組，但在單片機里無(wú)法做到，這是因為單片機根本沒(méi)有足夠的代碼空間來(lái)支持這些協(xié)議。一般在單片機里實(shí)現與需要有關(guān)的部分，而不使用的協(xié)議則一概不支持。例如文件共享SMB協(xié)議，在UNIX、WINDOWS都支持，但單片機上卻沒(méi)有必要。一般只能在單片機中實(shí)現：ARP、IP，ICMP、TCP/UDP這些協(xié)議，而更高層的協(xié)議，HTTP、SMTP、FTP一般是不需要支持的。雖然有些單片機例如AVR上網(wǎng)方案實(shí)現了這些協(xié)議，但實(shí)用性不大。因為單片機應用的TCP/IP協(xié)議大多是為了完成數據采集和數據傳輸，而不是網(wǎng)頁(yè)瀏覽、文件傳輸這些功能。另外由于單片機資源的有限性，對某一協(xié)議而言，也有可能要作簡(jiǎn)化。本系統中實(shí)現的協(xié)議只有ARP、IP、ICMP、UDP。在選擇傳輸層協(xié)議時(shí)我們放棄了面向鏈接的TCP，因為T(mén)CP為了保證數據的可靠性采用一問(wèn)一答的方式，這在數據量并不大的嵌入式系統中，反而增加了網(wǎng)絡(luò )的負擔；另外TCP的很多機制，如分段機制、窗口機制等都適合于數據量大、處理能力強的PC機網(wǎng)絡(luò )，并不適合于嵌入式系統。UDP雖然不提供面向鏈接的、可靠的服務(wù)，但是協(xié)議簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性更強，應用層也可以做相應的定時(shí)等待、重發(fā)處理等輔助性的操作來(lái)彌補它的缺陷。 a．ARP：ARP的本質(zhì)就是實(shí)現IP地址到MAC地址的轉換，抓住了這一點(diǎn)實(shí)現就比較簡(jiǎn)單。嵌入式系統中沒(méi)有必要實(shí)現PC機網(wǎng)絡(luò )中地址表的更新功能，只需完成地址轉換。管理中心機在初始化CDT時(shí)發(fā)送ARP請求，CDT只需響應中心對它的ARP請求，但不主動(dòng)發(fā)送ARP請求。 b．ICMP：ICMP的種類(lèi)很多，在本系統中只要實(shí)現ICMP信息回顯功能。管理中心在執行PING命 令 時(shí)，發(fā)送ICMP請求信息，CDT中只需實(shí)現ICMP回應信息。 c．IP：IP包最大可達65k，單片機中無(wú)法存放如此大的數據包，因此一般不支持分段，以發(fā)送小數據的方式來(lái)避免分段。另外IP層的選項功能都可以完全忽略，IP層只需要根據協(xié)議類(lèi)型分包。d．應用層：應用層采用自己的數據協(xié)議格式為： 頭部＋命令字段＋布防字段＋報警字段＋五表參數字段＋五表讀數字段＋家電控制字段接收方根據命令段的含義來(lái)分別實(shí)現布防、報警、五表參數設置、五表讀書(shū)、家電控制等功能。 結束語(yǔ) 本文以基于TCP/IP技術(shù)的智能小區家庭智能終端系統的研究為例，詳細講述了RTL8019網(wǎng)卡芯片的驅動(dòng)方法，并給出了單片機中TCP/IP協(xié)議的精簡(jiǎn)方案。本系統已經(jīng)成功地運用于多個(gè)小區，其可行性、可靠性和靈活性已經(jīng)得到證實(shí)，并且基于以太網(wǎng)智能小區系統低廉的造價(jià)、簡(jiǎn)潔的布線(xiàn)更使得基于TCP/IP的以太網(wǎng)技術(shù)成為了替代傳統現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的一種重要手段。 |
