家庭网络中的嵌入式Internet方案

2006-05-07 15:50:12来源: 电子技术应用

家庭网络系统中使用嵌入式系统作为其控制单元的家用电器组网和接入Internet的几种典型协议和解决方案,北比较了它们各自的性能和特点。为家庭网络系统的设计人员提供了一些思想。

嵌入式系统 Internet TCP/IP 现场总线

“智能住宅”的概念已提出多年,但在其早期方案中实现的功能十分有限,只是通过传感器和各种输入设备(按钮、开关、遥控器、语音识别装置等)收集环境信息和使用者指令,再根据预先设定的程序,控制家庭内的电器和设备自动完成某些操作,信息交换只局限在很小的范围内。直到最近几年,Internet作为20世纪对世界影响最为深远的发明,开始进入千家万户,改变人们的工作和生活方式。单体住宅、小区乃至整个城市的智能化、信息化成为现实。广域网的出现,不仅使远程控制家电变得轻而易举,更重要的是可以提供远程医疗、远程教育、视频会议、网上购物和电子货币结算等全新的服务,这极大地扩展了智能住宅的内涵。

住宅的智能化是以执行各项功能的电子设备的信息化网络化为前提的,而这些设备大多以单片机构成的嵌入式系统为控制核心。也就是说,住宅的智能化很重要的一部分工和就是构建一个嵌入式系统的网络并将这个网络与Internet连接。

1 电器设备连入Internet的意义

专用的控制网络在没有Internet之前就已经存在了。如何以远程监视现场情况,可以远程控制设备和诊断问题,并可以预先知道在网络中将要发生的事情。可是,运行专用网络需要利用专用和拨打长途电话,这会使成本提高,而且,专有的网关也会限制用户访问。专用网络与Internet连接后,改善了上述状况,使网络的成本因而降低,而且能够在世界所有地方实现设备的的远程连接,还能够为不同企业共享同一网络中的信息资源提供标准的平台。

大楼、工厂或家庭的控制网络连入Internet之后,可以使之增加许多新的、有价值的、超越局域网的服务功能。连入网络的设备是新的、巨大的信息资源,它将Internet的应用范围扩大到了人们的现实生活。这些新的信息能够与Internet的其他信息组合,激发出新的应用和服务。从经济角度来说,对于本地设备控制网络与Internet相连的技术,如果不是由于经济上的原因,人们将不会产生兴趣。对于本地操作网络,不讼对其中数千台电子设备实行局部控制,还是通过Internet对它们实现远程控制,都能明显降低成本。

对于家庭网络系统而言,家电是其主要成员。家电连入Internet之后,可以实现远程控制、远程故障诊断、远程数据采集等功能。这不但可以提高住宅的智能化水平,降低能源消耗,还可以改善厂商的服务质量,减少售后服务的开销。

2 家电网络的特点

构建家庭网络系统(Home Networked System)的工作分为两个部分:在家庭内部组成家电(包括保安装置和能源管理设备等)的局部数据和控制网络;将这个局域网与Internet相连。

为了解决家庭网络的组网问题,目前已提出多种方案。VESA家庭网络委员会提出了基于IEEE1394高速串行总线标准和IP协议的家庭网络;Greaves和Vncos等人提出了基于ATM的家庭网络技术;互联网界面也在讨论扩展IP协议以适应基于IP的家庭网络。为了免除组网所用的电缆,数字电力线技术正在处于标准化和运行的同阶段。另外,专为低功率短距离无线连接而开发的“蓝牙”技术能够在家庭内实现快速灵活、安全、低代价、低功耗的数据和语音通信。为了成为未来家庭网络系统的标准,这些技术正处于竞争和完善之中。

需要指出:家电网络只是未来家庭网络的一个组成部分,与PC机、打印机、数码相机、语音设备等使用的网络相比,家电网络具有以下一些特点:(1)连接的对象是结构和特性完全相异的各种家用电器;(2)家电信息量小,但对实时性要求较高;(3)家电运行时所处环境有很大差异,对系统的抗干扰性和稳性要求较高;(4)家庭用户对价格较为敏感,较低的价格才能被广泛认可和接受。因此,上述技术和协议并不完全适用于家电网络。

对于连入Internet的设备来说,最重要的是必须能够直接执行其特定功能,而且要执行得安全、可靠、并易于操作。以照明开关为例,将Web浏览器(无论其大小如何)直接装入照明开关是毫无意义的。虽然Web发展得很快,但是如果将世界上的每一台仪器都连入Web,仍然是过分了。另外,对于生活中的日常电器来说,成本也抬高了,且对于照明开关完成其主要工作(开启和关闭照明设备)也并无帮助。不过,照明开关具有如下功能却是完全有意义的。

(1)具有足够的智能自检:(2)具有足够的通讯功能向其他设备报告其运行状态——开或关;(3)具有足够连通性,能够实时观察设备的工作状态,并且在需要时远程将其关闭;(4)具备足够的性能与家庭或社区的信息系统连接;(5)公共的Internet网和专用的指令控制网络连接,有效地实现以上功能而不会干扰任何其他的网络或设备。

家电网络应该具有效率高、成本低、易于使用、功能先进且不需要用户花费很多精力的特点。而Internet的网络分布和通讯范围都很广,需要将二者相结合。在此过程中需要解决的问题包括:作为局域网的家电网络采用哪种协议最为有效,家庭网络如何与Internet挂接最为理想。

由于家电大多采用8位甚至4位单片机作为控制器,其运算速度和系统资源都非常有限,因此无论是组成局域网还是连入Internet,家电网络的软硬件设计都与一般网络有所不同,有必要使用专用的解决方案,例如:操作系统采用嵌入操作系统,又称实时操作系统(RTOS);局域网采用RS485或各种现场总线;使用运行TCP/IP协议的专用芯片作为单片机和Internet之间的桥梁。

3 家电上网的几种解决方案

利用MCU实现嵌入式Internet方案的技术难点在于:如何利用MCU自身有限的资源对信息进行TCP/IP协议处理,使之变成可以在Internet上传输的IP数据包。从解决这一技术问题出去,目前主要的方案有以下几种。

3.1 32位MCU+ROS

采用32位高档单片机,在RTOS(实时多任务操作系统)平台上进行软件开发,在嵌入式系统中实现TCP/IP协议处理。目前国内较为流行的RTOS有VxWorks、pSOS、Nucleus、QNX、Windows CE等,Linux也在向这个领域进军。网虎国际(Xlinux)公司已开发出大小仅为100K、目前世界上最小的Linux内核QUARK(夸克),和总容量不到2M的嵌入式Linux,并且在Intel公司新推出的芯片strongARM上获得了成功的应用。这些RTOS各有特点,后三种对图形界面(GUI)的支持较好。

由于采用高档单片机,此方案可以完成很多复杂的功能,但成本较高,开发周期较长,需要购买昂贵的RTOS开发软件,对开发人员的能力要求较高。

3.2 8位MCU+TCP/IP协议芯片

这个方案是由MCU及固化了TCP/IP协议的芯片组成应用系统的核心。应用系统可以直接拨号上网,硬件电路相对简单。但需要大容量的存储器,如果健用的TCP/IP协议芯片是软件固化的,还要求MCU有较高的运行速度。采用这种方案的芯片有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单片机为软件固化协议,其他芯片则为硬件固化。下面简单介绍这几款芯片。

SCENIX单片机基于RISC结构,带有片上FLASH程序存储器,具有在系统编程周期功能。由于采用CPU并行流水线方式及单时钟周期指令,在100MHz晶振驱动下指令执行速度可达100MIPS,所有I/O管脚可以通过编程灵活配置。综合以上特点,该单片机可以实现虚拟外设(Virtual Peripheral)功能。即CPU通过执行虚拟软件模块直接驱动I/O口实现硬件外设功能(如UART、I2C、SPI、Caller ID、FSK等)。最引人注目的是,它可以运行流行的Internet协议栈,如HTTP、SMTP、POP3、TCP、UDP、ICMP、IP、PPP,还可以实现Ethernet IEEE802.3协议。

上述软件协议栈都是用汇编语言编写,存储在单片机的FLASH程序存储器中。由于采用多任务方式,单片机在进行数据采集或完成I/O控制任务的同时,完成Internet协议处理。在应用层,用户可以选择HTTP、SMTP、POP3中的任意一种作为单片机系统与Internet远程管理终端之间的通讯协议;或者用户使用自己开发的其它程序作为应用层软件。在物理层上,用户可以选择PPP拨号上网方式,通过MODEM连接到电话线上网;或者外加以太网控制芯片,即可实现Ethernet(IEEE802.3)协议处理,使单片机系统可以直接通过RJ45连到以太网上,通过以太网接入Internet。

SCENIX公司提供从软件到硬件完整的解决方案,并免费提供各种参考设计及软件模块,用户可以使用现成的原理图参考设计和TCP/IP协议软件模块,只需要修改底层软件中的IP地址即可,使开发周期大大缩短,开发成本大大降低。用户也可以自己编写应用层程序。

Seiko Instruments公司的S7600A和其余几款芯片则是用硬件TCP/IP协议堆栈,作为MCU和Internet之间的加速器。它们大都包括HTTP客户软件,支持HTTP、SMTP、POP3、MIME等多种协议,可进行Web浏览的收发E-mail。其中iChip还内置无线功能,可与GSM网络连接。

这个方案的优点是将8位单片机系统直接与Internet相连。可以使用PC机通过Internet远程访问单片机系统;也可以使用单片机系统将信息通过Internet发送到远程PC或其它终端上。但应用系统的设计工程师必须熟悉TCP/IP等协议和相关接口,软件设计量较大。另外每个电子设备都需要一个IP地址,因此需要扩充IP协议才能到更好的支持。

3.3 MCU+EMIT协议+emGateway

利用emWare公司开发的EMIT(Embedded Micro Internetworking Technology),嵌入式微Internet网络技术),在应用系统的MCU内部使用emNet协议,再通过emGateway与Internet连接。

EmGateway网络软件接口可以安装在计算机、TV机顶盒或专用的家用电器服务器中,它支持TCP/IP协议并运行HTTP服务程序,作为用户可以通过网络浏览浏览器远程访问服务器。EmGateway通过RS-232、RS-485、CAN、红外及射频等通信方式与多个嵌入式设备相连。每个嵌入式设备的应用程序包含的一个独立的通信任务,称为emMicro,监测嵌入式设备中预先定义的各个变量,并将结果反馈到emGateway中,同时emMicro还可以解释Gateway的命令,修改设备中的变量,或进行某种控制。为了完成网络连接,emWare公司开发了大量软件来建立访问和监控MCU应用系统的接口,这些接口可以用在不同的设备中。EmMicro和emGateway一起为嵌入式设备提供了Internet/Internet功能。

1998年,EMIT方案对ETI(Embed The Internet,嵌入互联网)联盟的成立起了很大的推动作用。1999年ETI成员已达17个公司,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,这样嵌入互联网联盟已经成为世界上推动嵌入式微控制器控制的家电上网的一支重要力量。Microchip公司和Philips公司都在此基础上有相关的产品开发平台。

由于复杂的网络协议是通过emGat6eway在PC机上实现的,应用系统MCU只使用较简单的emNet协议,因此对MCU的要求较低。但应用系统设计工程师必须熟悉emNet协议和相关的接口,原来客户应用系统的MCU也不一定符合要求,并且软硬件设计的工作量仍然较大。同时,应用系统的单片机处理emNet协议要占用一定的系统资源。

3.4 MCU+Webchip+PC网关

所谓Webchip是独立于各种微控制器的专用网络接口芯片。它通过标准的输入、输出口与各种MCU相连。MCU通过Webchip与网关连接即可接收并执行经由Internet远程传来的命令或将数据交给Webchip发送出去。

以武汉力源公司的PS2000芯片为例,该芯片内部固化了与emGateway和OSGi协议兼容的MCUNet协议,它通过SPI三线串行接口与MCU应用系统连接,通过17条指令与MCU应用系统交换信息。PS2000的另一端以RS-232、RS-485或Modem等接口电路与基于PC平台的网关接口。MCUNet网络协议由PS2000完成,这就如同设计UART系统时选用UART接口芯片一样简单。

Webchip的主要优点是:对MCU应用系统的设计工程师来说,无需熟悉复杂的网络协议及其接口;对MCU芯片来说,对运行速度和存储器容量等方面无特殊要求;软件设计只需要增加一小段接口程序,其它无需作大的改动,在大程序上简化了应用设计的工作量,可以缩短MCU应用系统的设计周期。

3.5 现场总线+Internet服务器

以上4种方案适用于不同的产品和不同的应用环境。例如,机顶盒或掌上电脑等对功能要求较高的产品可以选择方案1;网络空调或家用报警器等使用8位MCU的产品可以选择方案2;如果有PC可用作网关,想选择低档MCU以降低产品成本,可以选择方案3;如果不想对原来的系统设计做太大改动,并且有PC可用作网关,则可以选择方案4。

虽然这几种方案从不同途径实现了MCU应用系统与Internet的连接,采用这种方案,再加上RS-232、RS-485总线、射频或红外控制模块等扩展方案,就可以构成小型的家电控制网络。但这只解决了上文提出的两个问题之一。另一个问题,即采用哪种协议最为有效的问题并未解决。一个好的家电网络,必须具有清晰的结构、良好的扩展性、易于相互协调,以确保能够把大量性能各异的电器设备透明和无缝地集成到网络中来。

目前智能楼宇中广泛采用的现场总线技术,较为成功地解决这一问题。现场总线(Fieldbus)技术是为了解决分布式控制系统(DCS)的缺陷而出现的新一代通信技术。它采用数字信号传送信息,可以实现一对电缆上传递多个信号,同时可为多个设备提供电源,因此可以简化系统结构,节约硬件设备和连接电缆。同时,现场总线采用公开一致的通信标准,各个厂家设备可以交换信息和互操作,是真正意义的的开放系统。在CAN(Control Area Network,控制局域网)、Profibus(Process fieldbus)、FF(Foundation Fieldbus,基金会总线)、ControlNet等诸多现场总线标准中,LonWorks以其更为显著的开放性和智能性,在智能楼宇和家庭自动化方面有着得天独厚的优势。

Local Operation Network(LON)是美国Echelon公司、Motroola公司和日本东芝公司联合开发并由Echelon公司于1993年推出的网络技术。它是一整套含有90多种硬件、软件产品和服务的完整平台,其通信协议LonTalk支持OSI的所有七层模型。网络结构可以是总线型、星型、环型、自由网络拓扑结构。设备之间以对等的方式通讯,每个LonWorks节点采集的数据或经过处理信息都可以网络共享;任何一个节点都可以调用其他节点的信息。网络中没有中央控制器,没有故障集中点,实现了真正的全分布式智能控制,比传统的上下、主从式控制结构更灵活、更可靠。它采用面向对象的设计方法,通过网络变量把网络通信的设计简化为参数设置。通信速率从300bps~1.5Mbps,直接通信距离可达2700m(78kbps,双绞线)。通信介质支持双绞线、电力线、同轴电缆、光纤、无线射频、红外线等,多种介质可以在同一网络中混合使用。

LonWorks技术是一套开放式技术,其通讯协议LonTalk也是开放的。为了保证各个厂商不同设备的互操作性,Echelon公司和一些LonWorks用户在1994年5月成立了LonMark互操作协会,凡是符合LonMark互操作性标准的产品,都可以很容易地与其他满足该标准的系统实现无缝对接。因此,集成商和用户可以在数千个厂家中选择不同的产品,还可以得到许多第三方工具。

LonWorks技术的核心器件是Neuron Chip(神经元芯片),它是集通信、控制、调度和I/O支持一体的VLSI器件。包括3个8位CPU,两个用于网络通信(其中一个完成OSI模型中1、2层功能,称为MAC处理器;另一个完成3~6层的功能,称为网络处理器),一个用于应用,这使得复杂的应用不会影响网络的反应能力。LonTalk协议通过硬件和固件(firmware)集成在Neuron Chip上,一旦Neuron Chip接到LonWorks网络,MAC处理器和网络处理器会自动执行网络通信及控制作,无需用户专用专用进行网络通信方面的开发。这就大大方便了用户联网的工作,只须把精力集中在对象的控制上即可。

LonTalk中饿个网络接口协议,可以实现LonWorks在其他处理器上的应用。神经元芯片作为通信处理器,负责LonTalk协议的1~5层,而主处理器实现第6、7层。用户可以购买LonWorks控制模块,方便地插入自己开发的电路板,就可以组成功能强大的LonWorks应用节点,从而大大降低节点的开发成本和风险。控制模块支持组态软件在线下载应用程序,可以方便地修改和调试应用程序。

Echelon公司于2000年3月推出的i.LON TM 1000Internet服务器采用32位RISC处理器和Virtual Network Interfaces (VIN,虚拟网络接口)技术,针对LonWorks数据包提供真正的第三层路由(Layer-3 routing)。i.LON 1000将LonWorks控制网络和基于Internet Protocol(IP)的数据网无缝对接,能够使任何LonWorks网络及其中的所有设备有效地成为Internet中的节点,同时不会影响网络的诊断和维护,以及设备控制的特性。i.LON 1000支持标准的互联网协议:TCP/IP、UCP、DHCP、SNMP(MB II)、ICMP、SNTP、TOS、MD5和FTP,从而为将LonWorks网络中数以百万计的设备连入Internnet铺平了道路。

在构建完整的家电网络时,可根据实际情况选用或综合应用上述几种方案。

据世界半导体贸易统计协会(WSTS)蓝皮书的统计,从销售数量计,包括Interl的Pentium系列,AMD的Athlon,IBM、Motorola的PowerPC等PC处理器只占世界所有处理器市场的6%,嵌入式微处理器则占到94%,达50亿个。据估计,目前每个美国家庭即拥有60个嵌入式微处理器。随着嵌入式微处理器在生活中的广泛应用,Internet应用将转向以嵌入式设备为中心。据网络专家预测,将来在Internet上传输的信息中,将有70%的信息来自小型嵌入式系统。可以预见,未来将出现更多的嵌入式Internet方案,家庭的智能化网络化程序将不能提高。

关键字:家庭  家庭网络  网络  嵌入式

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