1、第一部分网络与电子技术W e b C h i p 智能网络接口芯片在网络家电中的应用白清利( 深圳和而秦电子科技有限公司，5 1 8 0 5 7 )A p p l i c a t i o no fW e b O f i pi nN e t w o r kH o m eA p p l i a n c e sB a iQ i n g l i( S h e n z h e nH & TE l e c t r o n i cT e c h n o l o g yC o ，L t d ，5 1 8 0 5 7 )摘要：本文回顾了网络家电的发展历程，介绍了构建信息家电网络的必要条件，着重对W e b C
2、h i p 芯片的应用作以详细分析，并提出了利用P S 2 0 0 0 实现网络冰箱系统模型设计方案。关键词：网络家电通信W e b C h i pP S 2 0 0 0A b s t r a c t ：T h i sp a p e rr e v i e w st h ed e v e l o p m e n tc o u r f l eo fN e t w o r kH o m eA p p h a n c e s ，a n dd e s c r i b e st h en e c e s s a r yt e r m si nt h ec o n s t r u c t i o no fI
3、 n f o r m a t i o nH o m eA p U i a n c e sN e t w o r k A f t e rt h a ti ta n a l y s e st h ea p p l i c a t i o no fW e b C h i pp a r t i c u l a r l y ，a n dr e a l i z e st h es c h e m eo fn e t w o r kr e f r i g e r a t o r ys y s t e mm o d e lb yP S 2 0 0 0 1 畸w o r d s ：N e t w o r kH
4、o m eA p p h a n c e s ，C o m m u n i c a t i o n ，W e b C h i p ，P S 2 0 0 0自1 9 9 8 年网络家电在美国问世以来，向全球市场推进的速度极快。1 9 9 9 年3 月微软把机顶盒推人我国市场后，国内信息、家电的顶尖企业，如联想、海尔、T C L 以最快的速度推出了各自的网络家电方案和产品。今年，以联想和海尔为首的两大阵营分别推出闪联、e 家佳家庭网络标准，以期成为国家标准，网络家电市场竞争愈演愈烈。网络家电产品的发展将有两大趋势：一种是通过对传统家用电器的网络化和智能化改造，使传统的冰箱、微波炉、洗衣机等能够与信
5、息高速公路对接，从而实现生活网络化。另一种是信息相互传递的新型终端产品，如各种掌上设备、可穿戴P C 、机顶盒、I n t e r n e t 可视电话等，它们正逐渐代替计算机进行信息处理工作，以提高人们信息传递效率，实现全球的网络化。网络家电目前还没有确切的定义，但一般来说即互联网家电，它的主要特点是数字化、智能化、网络化，是通信、计算机、消费电子技术的结合体。网络家电是计算机技术和现代通信技术与传统家用电器相结合的创新产品，是为网络技术更广泛渗入家庭生活而设计的新型家用电器产品，使之智能化并具有网络终端功能。它既不是传统意义上的家用电器，也不是电脑。网络家电将有许多类型，覆盖广大的应用领域
6、，其中包含传统家电向智能化、数字化、网络化的方向进化而带来的新功能和新应用。形成信息家电网络，使网络家电真正进入用户家庭，必须具备以下四个主要条件：( 1 ) 具有各种丰富多彩的网络家电产品( 如网络冰箱、网络洗衣机、网络微波炉等) 。( 2 ) 具有符合规定标准的家电网络服务器来连接网络家电与I n t e r n e t 。作者简介：白清利，男，1 9 7 9 年生，哈尔滨T - 业大学控制理论与控制工程专业在读研究生，目前在深圳和而泰电子科技有限公司进行毕业实习。32 0 0 4 年中国家用电器技术大会论文集( 3 ) 具有规定的通讯协议( 包括网络家电与网络服务器间和网络服务器与I n
7、 t e r n e t 间) 。( 4 ) 具有配合的网络服务供应机构( I S P ) ，起到远程控制的中转站和管理调配的作用。1 智能家J 占系统的组成智能家居系统又称智能家庭局域网，是适应现代化家庭生活而形成的一个形式多样化的网络结构。智能家居系统主要由家庭网关、物理层系列接口、智能应用终端三大部分组成，如图1所示。图I智能家居系统的组成家庭网关是智能家庭局域网的核心部分，它不仅负责各种不同类型子网之间的协议转换，而且还要完成家居智能控制和I n t e n e t 接入功能。它通过各种途径( 如I n t e n e t 、W A P 、电话等) 从多种多样的外部网络接收通迅信号，根
8、据远程监控用户的指令完成对各种不同智能应用终端的参数设置和控制，完成家庭内部网络不同通迅协议之间的转换和信息共享，以及同外部通信网络之间的数据交换功能，从而实现整个远程交互过程。最原始的家庭网关由电话嵌入M o d e m 、T C P l P 协议栈、t i n vW e b s e r v e r 、家庭控制与管理程序、内部网络协议转换五大部分构成。但此方式只能控制单个或少数家庭智能终端，无法实现对复杂家庭局域网的有效控制。着眼将来，以功能强大的P C 作为网关将是大势所趋。物理层系列接口是实现家庭局域网内部网络结构的底层硬件协议接口，是智能家庭局域网的最基本部件。它的性价比是能最终成为产
9、品的关键。目前国际上流行的物理层系列接口主要包含无线射频( R F ) 、电力载波( P L ) 、双绞线( R S 4 8 5 等) 、蓝牙技术( B l u e t o o t h ) 、无线以太网( 1 E E E 8 0 2 1 1 ) 、X 1 0 、H o m e R F 技术等。新兴的W e b C h i D 网络互连芯片是一颗独立于各种微控制器的通用标准化产品，已在中国、美国申请专利。它的出现将使网络家电得到飞跃性的发展，填补了国内相关领域的空白。它的高性价比将使这一曾高不可攀的贵族产品最终走入寻常百姓家。智能应用终端主要包括网络家电、网络家庭仪表、网络安防设备等三个方面。网
10、络家电主要指如网络窄调、网络冰箱、网络微波炉等与提供舒适生活信息相关的一些网络家用电器；网络家庭仪表主要指以水、电、气三表为代表的，与提供便捷生活环境和智能小区管理密切相关的智能化计最收费系统；网络安防设备则是指以消防安全防入侵系统、异常探测等。在这三部分中，物理层接口是实现智能家居系统的重要一环，W e b C h i p 正是实现这一功能的智能网络接口芯片，其中P S 2 0 0 0 则是W e b C h i p 家族中的重要成员，以下将就P S 2 0 0 0 + P c 这种家电网络控制新思路的优点及实现方案作以介绍。并阐述一个实例的实现过程。2W e b O f i p 方案2 1
11、W e b C h i D 方案原理对所管理的家电建立标准统一的数学模型，所有设备的行为和任务被描述为五种类型的对象。这些对象及用于描述对象的数据在W e b C h i p 中构成对象属性表，对象属性表和W e b C h i p 的设备I D 码以及其他数据映射到网络服务器中的嵌入式数据库，形成设备属性表。通过运行在网络服务器的符合开放系统网关标准( O S G I ) 的网关W e b C h i p S e r v e r ，远程客户端可以对家电进行访4第一部分网络与电子技术问和控制。2 2W e b C h i p 方案的组成由于使用了符合开放式网关服务系统( O S G I ) 的
12、跨平台的W e b C h i p S e r v e r ，从而简化了系统的开发过程和降低了软件开发成本。另一方面，采用W e b C h i p 方案是一个标准的通用解决方案，W e b C h i D 提供了统一的接口，可实现不同厂家的设备与同一个网关互连，从而降低网络设施的投资。网络通信控制器芯片W e b C h i p 与用户M C U 的接I ：1 采用标准S P I 或1 2 C 总线，可与各种M C U 接口。执行开放的M C U n e t 协议，仅使用5 条命令实现对用户M C U 的访问，使M C U 应用系统与W e b C h i D 接口上变得十分简单。即使对于成
13、熟产品的网络化改造，也仅需编写非常小的程序量。W e b C h i D 与W e b C h i p S e r v e r 的接口执行M C U a p 协议，支持R s 一2 3 2 、R S 一4 8 5 、M o d e m 、C A N 等多种通信方式，可以很方便地实现用户产品与I n t e r n e t 的连接，可利用现有家用电脑，在现有电脑上增加与W e b C h i D 芯片的接口电路，易于实现且成本低。2 3W e b C h i p 方案与其他可行方案的分析比较目前关于家电与I n t e m e t 通讯连接有三种可行方案。分析比较各种方案优缺点如下：方案一：通过
14、M C U 应用系统的单片机内部固化T C P I P 协议可以直接拨号上网，硬件电路相对简单，也不需要其他中间环节的支持。但由于单片机使用了T C P I P 协议芯片，因此需要大容量的程序存储器，而且要求M C U 有较高的运行速度。应用系统的设计人员还必须熟悉T C P I P 协议和相关的接口，软件设计复杂，工作量大。另外每一个电子设备都要申请一个I P 地址，而I P 地址资源是有限的，而且使用还要付费，成本较高。方案二：利用e m W a r e 公司开发的E M I T 技术。根据e m W a r e 公司的电子设备网络协议，在应用系统的单片机内部使用e m N e t 协议，
15、再通过e m G a t e w a v 与I n t e r n e t 连接。该方案由于复杂的网络协议是通过e m G a t e w a y 在P c 上实现的，应用系统M C U 只使用较简单的e m N e t 协议，因此对M C U 的要求较低。但应用系统设计工程师必须熟悉e m N e t 协议和相关的接口，原来客户应用系统的M C U 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e m N e t 协议要占用一定的系统资源。方案三：M C U 应用系统通过W e b C h i DP S 2 0 0 0 网络芯片与G a t e w a y 连接
16、，再进入I n t e r n e t 。P S 2 0 0 0 内部固化了M C U N e t 协议，它与e m G a t e w a v 和O S G I 协议兼容。应用系统设计人员完全不必考虑任何网络协议，只需要解释并执行P S 2 0 0 0 传送过来的指令和数据就可以实现与I n t e r n e t 连接，M C U N e t 协议由P S 2 0 0 0 来完成。如同设计一个U A R T 系统中选用U A R T 接口芯片一样，选用P S 2 0 0 0 将电子设备与I n t e r n e t 连接，可以节省M C U 的资源，设计更简单。通过以上比较分析可知，采用
17、第三种方案更简单、方便、成本低。总之，W e b C h i p 方案是一个全新的、低成本的、完整的家电与网络通讯连接方案。2 4 网络通信控制器P S 2 0 0 0P S 2 0 0 0 是用于将M C U 应用系统与网关相连一种网络通信控制器，因此它可以作为家电( 可以是任何含有M C U 的电子设备) 与I n t e r n e t 之间的桥梁。P S 2 0 0 0 系统组成框图如图2 所示。2 5 关于P S 2 0 0 0 的通信2 5 1P S 2 0 0 0 与M C U 之间的通信P S 2 0 0 0 与M C U 之间通信遵守M C U n e tT M1 0P r
18、o t o c o l ，在这个协议下建立的通信网络是一种主从模式，在此种模式下，P S 2 0 0 0 处于主机地位，而M C U 则处于从机地位，P S 2 0 0 0 内部固化了M C U N e t 协议，它与e m G a t e w a v 和O S G l 协议兼容。M C U N e t 协议是M C U 电子设备与计算机平台上的G a t e w a y 建立联系的一种软件协议。M C U N e t 协议首先规定了一种主从关系，G a t e w a y52 0 0 4 年中国家用电器技术大会论文集图2P S 2 0 0 0 系统组成原理框图永远是主叫系统( m a s t
19、 e r ) ，而电子设备永远是从系统( s l a v e ) 。G a t e w a y 可以授权电子设备回拨( c a l l b a c k ) 。其次，M C U N e t 定义了电子设备系统的状态性能参数表( c a p a b i l i t i e s t a b l e ) 和变量表( v a r i a b l e s t a b l e ) 。电子设备与G a t e w a v 之间信息交换的过程是建立在M C U 系统状态性能参数表和变量表基础上的。电子设备的系统状态性能参数表的作用是把电子设备系统的一些特性参数告诉G a t e w a v ，如系统变量表中变量
20、的个数，变量表所占用的字节数，非易失性存储器的大小，字符串的表达类型( A S C I I ，U n i c o d e 或其他) 等。电子设备的系统变量表的作用就是把M C U 与G a t e w a y 之间需要交换的信息罗列出来，通过一个变量表来表达。M C U 与G a t e w a y 之间所有交换的信息都在这个变量表的表达范围之内。超出变量表的信息G a t e w a v 将不予受理。P S 2 0 0 0 与M C U 之间一个完整的通信过程包括两部分：( 1 ) P S 2 0 0 0 发送命令和数据给M C U 。( 2 ) M C U 应用系统对P S 2 0 0 0
21、 作出响应口。在M C U n e tT M1 0 协议中，P S 2 0 0 0 与M C U 之间的通信数据包格式如表1 所示。此数据包为P S 2 0 0 0 发出。表IP S 2 0 0 0 与M C U 之间的通信数据格式数据包长度命令字命令控制符号命令参数数据1 字节1 字节1 字节2 字节N 字节由P S 2 0 0 0 定义的，要求M C U 的发送和接受缓冲区长度在1 6 与6 8 字节之间，P S 2 0 0 0 可以根据M C U 中缓冲区的大小调节数据包中数据字节的长度，因为数据包中前四项长度固定，因此6第一部分网络与电子技术能够调整的只有数据部分。由M C U 发送给
22、P S 2 0 0 0 的数据包格式与上述表规定相同。在P S 2 0 0 0 发送一个请求信号后，M C U 应用系统与P S 2 0 0 0 之间的通信应该在5 0 0 m s 内完成，否则通信将因超时而失败。2 5 2P S 2 0 0 0 与网络服务器之间的通信W e b C h i p 与网络服务器通信遵守M C U a p l 0 协议。P S 2 0 0 0 与服务器应用系统的物理连接是R S 一2 3 2 、R S 一4 8 5 或M O D E M 中的一种，通过配置P S 2 0 0 0 内部寄存器实现。只有当网络服务器发送的识别码与P S 2 0 0 0 内部的识别码相匹
23、配时候，P S 2 0 0 0 才接收服务器的数据包，否则将数据包遗弃。P S 2 0 0 0 与网络服务器通信的数据包格式这里不再详述，收发双方均使用相同的格式。P S 2 0 0 0 与M C U 、网络服务器之间的通信和工作状态受内部的三个寄存器所控制，这三个控制寄存器分别为C H I P C T L 、P H Y S E L 和M O D E S E L 。C H I P C T L 用来控制工作状态，P H Y S E L 和M O D E S E L 用来设定P S 2 0 0 0 通信模式。2 5 3P S 2 0 0 0 对象属性表设计进行网络系统设计时，只需考虑那些需要通过网
24、络来进行远程监视和控制的对象，而对只在本地进行控制的对象则不予考虑，这一过程即为对象属性表设计。对象属性表是一个P S 2 0 0 0 电子设备所有可远程监视和控制对象的属性描述的集合。P S 2 0 0 0 只处理对象属性表中所列的设备对象。根据M C U N e t l 0 协议，设备对象可分为常量( C O N S T A N T ) ，变量( V A R I A B L E ) 、事件( E V E N T ) 、函数( F U N C T I O N ) 和文件( F I L E ) 等5 种对象类型来定义。3 网络冰箱控制系统设计模型实现以家庭P C 机作为主机，与家电M C U
25、通信，实现家电的计算机网络控制。其中选择R S 一2 3 2 通信类型。控制系统连接如图3 所示。图3网络家电控制系统72 0 0 4 年中国家用电器技术大会论文集在系统中，为了确定设计的电子设备的I D 号是惟一的，需要加入一片由D a l l a s 公司生产的电子标签，通过这个惟一I D 号区分不同的电子设备。然后要求确定需要远程控制的变量，我们现设定3 个需要远程控制的变量，即：设定冰箱的开关状态；选择冰箱的工作模式；定时设定。当确定了控制变量后，需要建立一个控制系统的变量表，然后只需通过1 7 条简单的指令编写程序就可以实现家用冰箱与P S 2 0 0 0 之间的信息交换。家用冰箱通
26、过P S 2 0 0 0 和e m G a t e w a y 与I n t e r n e t 方便地连接起来，从而实现通过I n t e r n e t 对家用冰箱进行远程网络控制。3 1P S 2 0 0 0 与M C U 接口冰箱M C U 与P S 2 0 0 0 的连接，其基本控制模块框图如图4 所示。前向通道和前向I O 获得诸如温度等参数，而后向通道和后向I O 控制冰箱各外围器件的运行，在上位机有查询请求的情况下将信息返回，在上位机有控制请求的情况下将信息写入后向I O 。这个控制模块只是家电控制中心的一个部分，其它的家电控制要根据实际的要求设计。I N 一02 1P 0 0
27、I N T lI N TI N I2 2P 0 lP 1 6C SI N 一22 3P 0 2P 2 lC L K2 4P 0 3P 2 2D O2 5P 0 4P 2 3D I2 6P 0 5P 2 42 7P 0 6P 2 50 8 0 92 8P 0 78 9 C 5 1P S 2 0 0 0图4P S 2 0 0 0 与M C U 的连接P S 2 0 0 0 与M C U 之间的通信基于M C U N e t l 0 协议，由此建立的是一种主从方式通信，在此方式下，通信时P S 2 0 0 0 为主器件，M C U 为从器件。两者之间采用S P I 接口连接。分别为：c L K 时钟
28、信号线，该信号是由M C U 输出到P S 2 0 0 0 ，占用M C U 的P 2 1 。D O 数据信号输出端，该信号是由P S 2 0 0 0 输出到M C U ，占用M C U 的P 2 2 。D I 数据信号输入端，该信号由M C U 输出到P S Z 0 0 0 ，占用M C U 的P 2 3 。以上信号遵从S P I 的规定，由M C U 的I O 口通过软件模拟S P I 总线，另外，还有两条传输控制信号线，分别是：I N T w e b C h i D 请求M C U 接收和发送数据的信号线，占用M C U 的I N T I 。c s M C U 选通P S 2 0 0 0
29、 信号线，占用M C U 的P 1 6 。3 2 属性表的下载运行属性表生成和下载工具可方便地生成设备对象属性表并将它下载到P S 2 0 0 0 中。对象属性表也可以通过远程下载，也就是在中心服务器上对属性表进行设置并将其下载到P S 2 0 0 0中。3 3 基于I n t e r n e t 网或局域网的实现以下讨论家电网络控制方法。一般的计算机都含有一到两个串行口，计算机可以通过串行口和家电M C U 通信。家电M C U 检测控制家电设备运行状态，并通过串行口及P S 2 0 0 0 和计算机通信，报告所有的家电控制中心控制下的家电设备的状态，计算机接收并处理这些信息，形成可视的报告
30、显示在计算机的监视器上。计算机也可以向单片机家电测试控制系统发送控制信8第一部分网络与电子技术息，以控制、检测各种家电的运行。我们暂时称这台计算机为主机。如果将上述这台主机接入网络，则可以使得家电的运行信息在网上向其他的计算机发布出来，也可以通过网上的其它计算机来控制和访问家电的运行。其模型如图5 所示。图5实现家电网络控制模型实现家电的网络控制。我们需要在主机上设计主机服务程序，该服务程序负责完成直接和单片机控制系统通信并取得家电的运行状态，也要同时监视网络上是否有用户要求来访问和控制家电的运行。若有，则在经过U s e r I D 和P a s s W o r d 验证后，开放和有需求用户
31、的连接。并根据需求提供家电运行的状态的报告，以及提供远程用户对家电控制的服务。在客户机上可以根据要求和主机产生连接，这种连接使用主机的网络名称或主机的l P 地址，在建立连接后，客户机可以向主机发出要求来获得客户机所需要的家电运行信息，或者向主机发出控制家电运行的命令。( 注意主机和客户机在不同的网络中时需要I S P 开放I P 路由才可以实现以上的模型) 。信息传递流程和软件设计在信息的传递上采用一问一答的方式来控制信息的传递，这种方式比其他具有更高的可靠性。在服务器端和客户端建立连接的情况下，以客户机希望得到家电运行的状态信息为例说明三者的通信情况如图6 所示。G a t e w a y
32、客户机端主机收到并向微M C U + P S 2 0 0 0。控制器发出状态客户机发出、微控制器收到命令信息上传命令访问申请并将目前状态传回主机主机收到信息生成J客户机收到信息并一一，一，报告同时将信息发出可视报告发送到客户端图6信息传输的基本过程图6 是客户机得到家电状态信息的传输过程，客户机控制家电运行的过程基本同上，不过其接收到的数据是微处理器的执行情况报告。服务端和客户机软件均采用在W i n d o w s 操作系统下92 0 0 4 年中国家用电器技术大会论文集编程，使用系统提供的T C P I P 协议，简化了开发过程。从信息传递流程看软件的设计工作量在两个方面：冰箱各外围器件运行控制器、服务器端应用系统。信息的传递流程就是软件的开发流程。这里不作详细论述。参考文献：1 居梯家庭网络和网络化家电综述电子工程师，1 9 9 92 黎明W e b c h i p 智能I n t e r n e t 网络接口芯片及其应用。2 0 0 1l OWebChip智能网络接口芯片在网络家电中的应用WebChip智能网络接口芯片在网络家电中的应用作者：白清利作者单位：深圳和而泰电子科技有限公司,518057 本文链接：http:/
