基于多通信媒质的家庭网关设计
3.1 家庭网络控制器总体结构
在我国,网络家电的主要功能在于建立家庭成员和家电之间方便的链接关系,便于远程家电状态预置和异地对家电行为的方便控制;建立家电和厂家服务中心的链接关系,完成诸如远程在线故障诊断、程序远程下载和参数在线更改等功能(如产品的Bug在线修改和按地域性质调整不合理的参数等);具备火警自动报警、智能楼宇的信息传递和电力抄表等功能。家庭网络控制器总体框图如图1所示。图2为网络家电的应用示意图。
用户可通过A、B、C3种途径与家庭网关进行。家庭网关有A‘、B’、C‘3种与家电相联系的方式。用户通过轮途径A,在Internet的节点上与小区域各个服务器通信,经过服务器身份认证后可以与相应的家庭网关通信,浏览家电运行情况,并且可以远程控制预置家电的行为。应用该方式用户也可以直接在局域网内进行控制。途径B是通过PC机与Modem相连,同相应家庭网关通信进行数据传递。途径C是用户直接用电话按键通过DTMF解码为家庭网关提供命令,而网关则为用户提供直观的语音界面。从网关到家电的信息传递,途径A’是应用电力线载波技术,利用现有的电力线作为信号传输通道,无需额外布线;途径B‘的数据是通过无线通信方式进行传递的,因而也无需布线;途径C’是直接用通信线缆将网关和家电连接起来,该方式成本虽低但需要额外的施工和布线。另外,为避免复杂的按键控制和LCD显示,采用计算机通过RS232对家庭网关进行参数设置和控制策略编辑。
3.2 家庭网关原理
家庭网关的原理框图如图3所示,各构成部分主要与图1的网关应用相结合,各通信接口是嵌入式的。选用美国Ubicom公司新产品IP2022 Internet处理器作为家庭网关控制主芯片。Ubicom公司的IP2022在1个芯片上可包含通信物理层(PHY)、Internet协议栈、特殊器件应用和特殊器件外设,并且可通过Internet配置,耦电仅100mA。IP2022内含全双工串行器/解串器(Ser/Des)硬件功能,能含全双工串行器/解串器(Ser/Des)硬件功能,能直接与各种常用网络接口相连,这种功能使其能够实现片内10BaseT以太网(MAC和PHY)、USB以及其它各种快速串行协议。由于IP2022片内含2个SerDes部件,便于从一种格式转换到另一种格式,因而也能用作协议转换器。IP2022的工作频率为100MHz,大多数指令均为单周期执行,使吞吐量能满足各种新型网络连接应用的要求,因而该网关可用于控制声、视频设备,还可以通过Internet浏览器用网页方式进行浏览和家电设备运行,除此之外,还为将来的应用提供了Bluetooth和USB的接口。
3.3 家庭网关设计的关键技术
对家电来说,成本问题是关键。诸如空调、冰箱、洗衣机等家电的控制芯片多为谦价、专用的CPU,这些CPU绝大多数都具有UART通信接口,即使不具备也可以通过软件模拟;而具有其它接口(如USB等)的CPU一般都价格不菲,是家电望尘莫及的。将多种通信协议统一于UART,使家电设备仅需要改部分程序就可具备网络功能,是本文设计的出发点。下面简要介绍一下网关设计中涉及的几个关键技术。
(1)电力线载波Modem
电力线网络的一个最大优势是使用家庭中现有的电力线连接家电的设备,无需额外布线。最新的技术可以实现非常高的数据传输速率与容错性。目前应用的电力载波控制芯片主要有:LM1893。ST7536、SSCP200、PLT-22等等。根据家庭网络的特点和不同电力载波Modem的性能,我们采用了Intellon公司的SSCP200作为电力载波控制芯片,设计了性能良好的扩频载波电力线Modem,运行可靠,抗干扰性很强。
(2)DTMF解码技术
基于CM8870和ISD2590的电话远程遥控系统框图,如图4所示。目前,大多数电话均通过双音频信号进行按键信息的传送。在发送端,电话机对按键信息进行双音频编码;在接收端,通过解码获得相应的按键信息,从而实现按键信息在电话线上的传递。利用电话按键可实现简单、方便、廉价的远程控制。
CM8870是CMD公司生产的用于双音频接收的专用芯片,主要包括输入端运算放大器、频带分割滤波器、数字解码器和输出控制单元第4个部分。在输入端,运算放大器部分对输入信号进行必要的增益处理,输出的信号通过基于开关电容技术的频带分割滤波器进行滤波和频带分割,提取出高频组信号和低频组信号,再将高频组信号和低频组信号进行特征提取,最后确定出组成按键的2个频率。将这2个频率值送到相应的输出口进行解码,输出相应的按键代码,这样就完成了一个按键的检测。
(3)低成本远程Modem控制技术
TI、TDK等公司已有成熟的解决方案,在此从略。
(4)低成本以太网控制的单片机解决方案
“宽带”已经走进了家门,以太网不仅便于建立,“技术上的简单、可靠和低成本”更是以太网的过人之处。以太网控制单片机解决方案的基本原理是通过IP2022协议栈解析TCP/IP、UDP等协议,用低成本单片机与该协议栈通过UART进行通信、解析并执行相关的命令操作,原理如图5所示。
(5)无线网络的解决方案
目前关于该技术有很多产品的标准,如Butterfly、Diamond等公司的产品。Bluetooth的优势在于全球标准的统一,具有互操作性,以及能非常方便地实现快速、灵活、安全、低成本、低功耗的数据和语音通信。目前,由于成本问题Bluetooth还未能真正走入家庭,对此我们采用了成本较低的nRF401作为无线通信模块,其特点是无需曼彻斯特编码、且可直接收/发标准串口数据,工作频率为国际通用的数传频段433 MHz,满足无线管制要求,无需使用许可证。
基于多通信媒质的家庭网关设计
3.1 家庭网络控制器总体结构
在我国,网络家电的主要功能在于建立家庭成员和家电之间方便的链接关系,便于远程家电状态预置和异地对家电行为的方便控制;建立家电和厂家服务中心的链接关系,完成诸如远程在线故障诊断、程序远程下载和参数在线更改等功能(如产品的Bug在线修改和按地域性质调整不合理的参数等);具备火警自动报警、智能楼宇的信息传递和电力抄表等功能。家庭网络控制器总体框图如图1所示。图2为网络家电的应用示意图。
用户可通过A、B、C3种途径与家庭网关进行。家庭网关有A‘、B’、C‘3种与家电相联系的方式。用户通过轮途径A,在Internet的节点上与小区域各个服务器通信,经过服务器身份认证后可以与相应的家庭网关通信,浏览家电运行情况,并且可以远程控制预置家电的行为。应用该方式用户也可以直接在局域网内进行控制。途径B是通过PC机与Modem相连,同相应家庭网关通信进行数据传递。途径C是用户直接用电话按键通过DTMF解码为家庭网关提供命令,而网关则为用户提供直观的语音界面。从网关到家电的信息传递,途径A’是应用电力线载波技术,利用现有的电力线作为信号传输通道,无需额外布线;途径B‘的数据是通过无线通信方式进行传递的,因而也无需布线;途径C’是直接用通信线缆将网关和家电连接起来,该方式成本虽低但需要额外的施工和布线。另外,为避免复杂的按键控制和LCD显示,采用计算机通过RS232对家庭网关进行参数设置和控制策略编辑。
3.2 家庭网关原理
家庭网关的原理框图如图3所示,各构成部分主要与图1的网关应用相结合,各通信接口是嵌入式的。选用美国Ubicom公司新产品IP2022 Internet处理器作为家庭网关控制主芯片。Ubicom公司的IP2022在1个芯片上可包含通信物理层(PHY)、Internet协议栈、特殊器件应用和特殊器件外设,并且可通过Internet配置,耦电仅100mA。IP2022内含全双工串行器/解串器(Ser/Des)硬件功能,能含全双工串行器/解串器(Ser/Des)硬件功能,能直接与各种常用网络接口相连,这种功能使其能够实现片内10BaseT以太网(MAC和PHY)、USB以及其它各种快速串行协议。由于IP2022片内含2个SerDes部件,便于从一种格式转换到另一种格式,因而也能用作协议转换器。IP2022的工作频率为100MHz,大多数指令均为单周期执行,使吞吐量能满足各种新型网络连接应用的要求,因而该网关可用于控制声、视频设备,还可以通过Internet浏览器用网页方式进行浏览和家电设备运行,除此之外,还为将来的应用提供了Bluetooth和USB的接口。
3.3 家庭网关设计的关键技术
对家电来说,成本问题是关键。诸如空调、冰箱、洗衣机等家电的控制芯片多为谦价、专用的CPU,这些CPU绝大多数都具有UART通信接口,即使不具备也可以通过软件模拟;而具有其它接口(如USB等)的CPU一般都价格不菲,是家电望尘莫及的。将多种通信协议统一于UART,使家电设备仅需要改部分程序就可具备网络功能,是本文设计的出发点。下面简要介绍一下网关设计中涉及的几个关键技术。
(1)电力线载波Modem
电力线网络的一个最大优势是使用家庭中现有的电力线连接家电的设备,无需额外布线。最新的技术可以实现非常高的数据传输速率与容错性。目前应用的电力载波控制芯片主要有:LM1893。ST7536、SSCP200、PLT-22等等。根据家庭网络的特点和不同电力载波Modem的性能,我们采用了Intellon公司的SSCP200作为电力载波控制芯片,设计了性能良好的扩频载波电力线Modem,运行可靠,抗干扰性很强。
(2)DTMF解码技术
基于CM8870和ISD2590的电话远程遥控系统框图,如图4所示。目前,大多数电话均通过双音频信号进行按键信息的传送。在发送端,电话机对按键信息进行双音频编码;在接收端,通过解码获得相应的按键信息,从而实现按键信息在电话线上的传递。利用电话按键可实现简单、方便、廉价的远程控制。
CM8870是CMD公司生产的用于双音频接收的专用芯片,主要包括输入端运算放大器、频带分割滤波器、数字解码器和输出控制单元第4个部分。在输入端,运算放大器部分对输入信号进行必要的增益处理,输出的信号通过基于开关电容技术的频带分割滤波器进行滤波和频带分割,提取出高频组信号和低频组信号,再将高频组信号和低频组信号进行特征提取,最后确定出组成按键的2个频率。将这2个频率值送到相应的输出口进行解码,输出相应的按键代码,这样就完成了一个按键的检测。
(3)低成本远程Modem控制技术
TI、TDK等公司已有成熟的解决方案,在此从略。
(4)低成本以太网控制的单片机解决方案
“宽带”已经走进了家门,以太网不仅便于建立,“技术上的简单、可靠和低成本”更是以太网的过人之处。以太网控制单片机解决方案的基本原理是通过IP2022协议栈解析TCP/IP、UDP等协议,用低成本单片机与该协议栈通过UART进行通信、解析并执行相关的命令操作,原理如图5所示。
(5)无线网络的解决方案
目前关于该技术有很多产品的标准,如Butterfly、Diamond等公司的产品。Bluetooth的优势在于全球标准的统一,具有互操作性,以及能非常方便地实现快速、灵活、安全、低成本、低功耗的数据和语音通信。目前,由于成本问题Bluetooth还未能真正走入家庭,对此我们采用了成本较低的nRF401作为无线通信模块,其特点是无需曼彻斯特编码、且可直接收/发标准串口数据,工作频率为国际通用的数传频段433 MHz,满足无线管制要求,无需使用许可证。
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