摘? 要: 介紹了家庭網絡" title="家庭網絡">家庭網絡系統中使用嵌入式系統" title="嵌入式系統">嵌入式系統作為其控制單元的家用電器組網和接入Internet的幾種典型協議和解決方案，并比較了它們各自的性能和特點。為家庭網絡系統的設計人員提供了一些思路。
關鍵詞: 家電網絡? 嵌入式系統? Internet? TCP/IP" title="TCP/IP">TCP/IP? 現場總線
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“智能住宅”的概念已提出多年，但在其早期方案中實現的功能十分有限，只是通過傳感器和各種輸入設備(按鈕、開關、遙控器、語音識別裝置等)收集環境信息和使用者指令，再根據預先設定的程序，控制家庭內的電器和設備自動完成某些操作，信息交換只局限在很小的范圍內。直到最近幾年，Internet作為20世紀對世界影響最為深遠的發明，開始進入千家萬戶，改變人們的工作和生活方式。單體住宅、小區乃至整個城市的智能化、信息化成為現實。廣域網的出現，不僅使遠程控制家電變得輕而易舉，更重要的是可以提供遠程醫療、遠程教育、視頻會議、網上購物和電子貨幣結算等全新的服務，這極大地擴展了智能住宅的內涵。
住宅的智能化是以執行各項功能的電子設備的信息化網絡化為前提的，而這些設備大多以單片機構成的嵌入式系統為控制核心。也就是說，住宅的智能化很重要的一部分工作就是構建一個嵌入式系統的網絡并將這個網絡與Internet連接。
1 電器設備連入Internet的意義
專用的控制網絡" title="控制網絡">控制網絡在沒有Internet之前就已經存在了。如可以遠程監視現場情況，可以遠程控制設備和診斷問題，并可以預先知道在網絡中將要發生的事情?？墒?，運行專用網絡需要租用專線和撥打長途電話，這會使成本提高，而且，專有的網關也會限制用戶的訪問。專用網絡與Internet連接后，改善了上述狀況，使網絡的成本因而降低，而且能夠在世界所有地方實現設備的遠程連接，還能夠為不同企業共享同一網絡中的信息資源提供標準的平臺。
大樓、工廠或家庭的控制網絡連入Internet之后，可以使之增加許多新的、有價值的、超越局域網的服務功能。連入網絡的設備是新的、巨大的信息資源，它將Internet的應用范圍擴大到了人們的現實生活。這些新的信息能夠與Internet的其他信息組合，激發出新的應用和服務。從經濟角度來說，對于本地設備控制網絡與Internet相連的技術，如果不是由于經濟上的原因，人們將不會產生興趣。對于本地操作網絡，不論對其中數千臺電子設備實行局部控制，還是通過Internet對它們實行遠程控制，都能明顯降低成本。
對于家庭網絡系統而言，家電是其主要成員。家電連入Internet之后，可以實現遠程控制、遠程故障診斷、遠程數據采集等功能。這不但可以提高住宅的智能化水平，降低能源消耗，還可以改善廠商的服務質量，減少售后服務的開銷。
2 家電網絡的特點
構建家庭網絡系統(Home Networked System)的工作分為兩個部分:在家庭內部組成家電(包括保安裝置和能源管理設備等)的局部數據和控制網絡;將這個局域網與Internet相連。
為了解決家庭網絡的組網問題，目前已提出了多種方案。VESA家庭網絡委員會提出了基于IEEE 1394高速串行總線標準和IP協議的家庭網絡;Greaves和Vncos等人提出了基于ATM的家庭網絡技術;互聯網界也在討論擴展IP協議以適應基于IP的家庭網絡。為了免除組網所用的電纜，數字電力線技術正處于標準化和運行的不同階段。另外，專為低功率短距離無線連接而開發的“藍牙”技術能夠在家庭內實現快速靈活、安全、低代價、低功耗的數據和語音通信。為了成為未來家庭網絡系統的標準，這些技術正處于競爭和完善之中。
需要指出，家電網絡只是未來家庭網絡的一個組成部分，與PC機、打印機、數碼相機、語音設備等使用的網絡相比，家電網絡具有以下一些特點:(1)連接的對象是結構和特性完全相異的各種家用電器;(2)家電的信息量小，但對實時性要求較高;(3)家電運行時所處環境有很大差異，對系統的抗干擾性和穩定性要求較高;(4)家庭用戶對價格較為敏感，較低的價格才能被廣泛認可和接受。因此，上述技術和協議并不完全適用于家電網絡。
對于連入Internet的設備來說，最重要的是必須能夠直接執行其特定功能，而且要執行得安全、可靠、并易于操作。以照明開關為例，將Web瀏覽器(無論其大小如何)直接裝入照明開關是毫無意義的。雖然Web發展得很快，但是如果將世界上的每一臺儀器都連入Web，仍然是過分了。另外，對于生活中的日常電器來說，成本也抬高了，且對于照明開關完成其主要工作(開啟和關閉照明設備)也并無幫助。不過，照明開關具有如下功能卻是完全有意義的:
(1)具有足夠的智能自檢;(2)具有足夠的通訊功能向其他設備報告其運行狀態——開或關;(3)具有足夠連通性，能夠實時觀察設備的工作狀態，并且在需要時遠程將其關閉;(4)具備足夠的性能與家庭或社區的信息系統連接;(5)公共的Internet網和專用的指令控制網絡連接，有效地實現以上功能而不會干擾任何其他的網絡或設備。
家電網絡應該具有效率高、成本低、易于使用、功能先進且不需要用戶花費很多精力的特點。而Internet的網絡分布和通訊范圍都很廣，需要將二者相結合。在此過程中需要解決的問題包括:作為局域網的家電網絡采用哪種協議最為有效，家電網絡如何與Internet掛接最為理想。
由于家電大多采用8位甚至4位單片機作為控制器，其運算速度和系統資源都非常有限，因此無論是組成局域網還是連入Internet，家電網絡的軟硬件設計都與一般網絡有所不同，有必要使用專門的解決方案，例如:操作系統采用嵌入式操作系統，又稱實時操作系統(RTOS);局域網采用RS485或各種現場總線;使用運行TCP/IP協議的專用芯片作為單片機和Internet之間的橋梁。
3 家電上網的幾種解決方案
利用MCU實現嵌入式Internet方案的技術難點在于:如何利用MCU自身有限的資源對信息進行TCP/IP協議處理，使之變成可以在Internet上傳輸的IP數據包。從解決這一技術問題出發，目前主要的方案有以下幾種:
3.1 32位MCU+RTOS
采用32位高檔單片機，在RTOS(實時多任務操作系統)平臺上進行軟件開發，在嵌入式系統中實現TCP/IP協議處理。目前國內較為流行的RTOS有VxWorks、pSOS、Nucleus、QNX、Windows CE等，Linux也在向這個領域進軍。網虎國際(XLinux)公司已開發出大小僅為100K、目前世界上最小的Linux內核QUARK(夸克)，和總容量不到2M的嵌入式Linux，并且在Intel公司新推出的芯片strongARM上獲得了成功的應用。這些RTOS各有特點，后三種對圖形界面(GUI)的支持較好。
由于采用高檔單片機，此方案可以完成很多復雜的功能，但成本較高，開發周期較長，需要購買昂貴的RTOS開發軟件，對開發人員的能力要求較高。
3.2 8位MCU+TCP/IP協議芯片
這個方案是由MCU及固化了TCP/IP協議的芯片組成應用系統" title="應用系統">應用系統的核心。應用系統可以直接撥號上網，硬件電路相對簡單。但需要大容量的存儲器，如果使用的TCP/IP協議芯片是軟件固化的，還要求MCU有較高的運行速度。采用這種方案的芯片有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單片機為軟件固化協議，其他芯片則為硬件固化。下面簡單介紹這幾款芯片。
SCENIX單片機基于RISC結構，帶有片上FLASH程序存儲器，具有在系統編程調試功能。由于采用CPU并行流水線方式及單時鐘周期指令，在100MHz晶振驅動下指令執行速度可達100MIPS，所有I/O管腳可以通過編程靈活配置。綜合以上特點，該單片機可以實現虛擬外設(Virtual Peripheral)功能。即CPU通過執行虛擬軟件模塊直接驅動I/O口實現硬件外設功能(如UART、I2C、SPI、Caller ID、FSK等)。最引人注目的是，它可以運行流行的Internet協議棧，如HTTP、SMTP、POP3、TCP、UDP、ICMP、IP、PPP，還可以實現Ethernet IEEE802.3協議。
上述軟件協議棧都是用匯編語言編寫，存儲在單片機的FLASH程序存儲器中。由于采用多任務方式，單片機在進行數據采集或完成I/O控制任務的同時，完成Internet協議處理。在應用層，用戶可以選擇HTTP、SMTP、POP3中的任意一種作為單片機系統與Internet遠程管理終端之間的通訊協議;或者用戶使用自己開發的其它程序作為應用層軟件。在物理層上，用戶可以選擇PPP撥號上網方式，通過MODEM連接到電話線上網;或者外加以太網控制芯片，即可實現Ethernet (IEEE802.3)協議處理，使單片機系統可以直接通過RJ45連到以太網上，通過以太網接入Internet。
SCENIX公司提供從軟件到硬件完整的解決方案，并免費提供各種參考設計及軟件模塊，用戶可以使用現成的原理圖參考設計和TCP/IP協議軟件模塊，只需要修改底層軟件中的IP地址即可，使開發周期大大縮短，開發成本大大降低。用戶也可以自己編寫應用層程序。
Seiko Instruments公司的S7600A和其余幾款芯片則是用硬件實現TCP/IP協議堆棧，作為MCU和Internet之間的加速器。它們大都包括HTTP客戶軟件，支持HTTP、SMTP、POP3、MIME等多種協議，可進行Web瀏覽和收發E-mail。其中iChip還內置無線功能，可與GSM網絡連接。
這個方案的優點是將8位單片機系統直接與Internet相連?？梢允褂肞C機通過Internet遠程訪問單片機系統;也可以使用單片機系統將信息通過Internet發送到遠程PC或其它終端上。但應用系統的設計工程師必須熟悉TCP/IP等協議和相關接口，軟件設計量較大。另外每個電子設備都需要一個IP地址，因此需要擴充IP協議才能得到更好的支持。
3.3 MCU+EMIT協議 + emGateway
利用emWare公司開發的EMIT(Embedded Micro Internetworking Technology，嵌入式微Internet網絡技術)，在應用系統的MCU內部使用emNet協議，再通過emGateway與Internet連接。
emGateway網絡軟件接口可以安裝在計算機、TV機頂盒或專用的家用電器服務器中。它支持TCP/IP協議并運行HTTP服務程序，作為用戶可以通過網絡瀏覽器遠程訪問服務器。EmGateway通過RS-232、RS-485、CAN、紅外及射頻等通信方式與多個嵌入式設備相連。每個嵌入式設備的應用程序包含一個獨立的通信任務，稱為emMicro，監測嵌入式設備中預先定義的各個變量，并將結果反饋到emGateway中，同時emMicro還可以解釋Gateway的命令，修改設備中的變量，或進行某種控制。為了完成網絡連接，emWare公司開發了大量軟件來建立訪問和監控MCU應用系統的接口，這些接口可以用在不同的設備中。EmMicro和emGateway一起為嵌入式設備提供了Internet/Intranet功能。
1998年，EMIT方案對ETI(Embed The Internet，嵌入互聯網)聯盟的成立起了很大的推動作用。1999年ETI成員已達17個公司，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，這樣嵌入互聯網聯盟已經成為世界上推動嵌入式微控制器控制的家電上網的一支重要力量。Microchip公司和Philips公司都在此基礎上有相關的產品開發平臺。
由于復雜的網絡協議是通過emGateway在PC機上實現的，應用系統MCU只使用較簡單的emNet協議，因此對MCU的要求較低。但應用系統設計工程師必須熟悉emNet協議和相關的接口，原來客戶應用系統的MCU也不一定符合要求，并且軟硬件設計的工作量仍然較大。同時，應用系統的單片機處理emNet協議要占用一定的系統資源。
3.4 MCU+Webchip + PC網關
所謂Webchip是獨立于各種微控制器的專用網絡接口芯片。它通過標準的輸入、輸出口與各種MCU相連。MCU通過Webchip與網關連接即可接收并執行經由Internet遠程傳來的命令或將數據交給Webchip發送出去。
以武漢力源公司的PS2000芯片為例，該芯片內部固化了與emGateway和OSGi協議兼容的MCUNet協議，它通過SPI三線串行接口與MCU應用系統連接，通過17條指令與MCU應用系統交換信息。PS2000的另一端以RS-232、RS-485或Modem等接口電路與基于PC平臺的網關接口。MCUNet網絡協議由PS2000完成，這就如同設計UART系統時選用UART接口芯片一樣簡單。
Webchip的主要優點是:對MCU應用系統的設計工程師來說，無需熟悉復雜的網絡協議及其接口;對MCU芯片來說，對運行速度和存儲器容量等方面無特殊要求;軟件設計只需要增加一小段接口程序，其它無需作大的改動，在很大程度上簡化了應用設計的工作量，可以縮短MCU應用系統的設計周期。
3.5 現場總線 + Internet服務器
以上4種方案適用于不同的產品和不同的應用環境。例如，機頂盒或掌上電腦等對功能要求較高的產品可以選擇方案1;網絡空調或家用報警器等使用8位MCU的產品可以選擇方案2;如果有PC可用作網關，想選擇低檔MCU以降低產品成本，可以選擇方案3;如果不想對原來的系統設計做太大改動，并且有PC可用作網關，則可以選擇方案4。
雖然這幾種方案從不同途徑實現了MCU應用系統與Internet的連接，采用這些方案，再加上RS-232、RS-485總線、射頻或紅外控制模塊等擴展方式，就可以構成小型的家電控制網絡。但這只解決了上文提出的兩個問題之一。另一個問題，即采用哪種協議最為有效的問題并未解決。一個好的家電網絡，必須具有清晰的結構、良好的擴展性、易于相互協調，以確保能夠把大量性能各異的電器設備透明和無縫地集成到網絡中來。
目前智能樓宇中廣泛采用的現場總線技術，較為成功地解決了這一問題?，F場總線(Fieldbus)技術是為了解決分布式控制系統(DCS)的缺陷而出現的新一代通信技術。它采用數字信號傳遞信息，可以實現一對電線上傳遞多個信號，同時可為多個設備提供電源，因此可以簡化系統結構，節約硬件設備和連接電纜。同時，現場總線采用公開一致的通信標準，各個廠家設備可以交換信息和互操作，是真正意義上的開放系統。在CAN(Control Area Network，控制局域網)、Profibus(Process fieldbus)、FF((Foundation Fieldbus，基金會總線)、ControlNet等諸多現場總線標準中，LonWorks以其更為顯著的開放性和智能性，在智能樓宇和家庭自動化方面有著得天獨厚的優勢。
Local Operation Network(LON)是美國Echelon公司、Motorola公司和日本東芝公司聯合開發并由Echelon公司于1993年推出的網絡技術。它是一整套含有90多種硬件、軟件產品和服務的完整平臺，其通信協議LonTalk支持OSI的所有七層模型。網絡結構可以是總線型、星型、環型、自由網絡拓撲結構。設備之間以對等的方式通訊，每個LonWorks節點所采集的數據或經過處理的信息都可以網絡共享;任何一個節點都可以調用其他節點的信息。網絡中沒有中央控制器，沒有故障集中點，實現了真正的全分布式智能控制，比傳統的上下、主從式控制結構更靈活、更可靠。它采用面向對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信的設計簡化為參數設置。通信速率從300bps～1.5Mbps，直接通信距離可達2700m(78kbps，雙絞線)。通訊介質支持雙絞線、電力線、同軸電纜、光纖、無線射頻、紅外線等，多種介質可以在同一網絡中混合使用。
LonWorks技術是一套開放式技術，其通訊協議LonTalk也是開放的。為了保證各個廠商不同設備的互操作性，Echelon公司和一些LonWorks用戶在1994年5月成立了LonMark互操作協會，凡是符合LonMark互操作性標準的產品，都可以很容易地與其他滿足該標準的系統實現無縫對接。因此，集成商和用戶可以在數千個廠家中選擇不同的產品，還可以得到許多第三方工具。
LonWorks技術的核心器件是Neuron Chip(神經元芯片)，它是集通信、控制、調度和I/O支持為一體的VLSI器件。包括3個8位CPU，兩個用于網絡通信(其中一個完成OSI模型中1、2層功能，稱為MAC處理器;另一個完成3～6層的功能，稱為網絡處理器)，一個用于應用，這使得復雜的應用不會影響網絡的反應能力。LonTalk協議通過硬件和固件(firmware)集成在Neuron Chip上，一旦Neuron Chip接到LonWorks網絡，MAC處理器和網絡處理器會自動執行網絡通信及控制工作，無需用戶專門進行網絡通信方面的開發。這就大大方便了用戶聯網的工作，只須把精力集中在對象的控制上即可。
LonTalk中有個網絡接口協議，可以實現LonWorks在其他處理器上的應用。神經元芯片作為通信處理器，負責LonTalk協議的1～5層，而主處理器實現第6、7層。用戶可以購買LonWorks控制模塊，方便地插入自己開發的電路板，就可以組成功能強大的LonWorks應用節點，從而大大降低節點的開發成本和風險?？刂颇K支持組態軟件在線下載應用程序，可以方便地修改和調試應用程序。
Echelon公司于2000年3月推出的i.LONTM 1000 Internet服務器采用32位RISC處理器和Virtual Network Interfaces(VIN，虛擬網絡接口)技術，針對LonWorks數據包提供真正的第三層路由(Layer-3 routing)。i.LON 1000將LonWorks控制網絡和基于Internet Protocol(IP)的數據網無縫對接，能夠使任何LonWorks網絡及其中的所有設備有效地成為Internet中的節點，同時不會影響網絡的診斷和維護，以及設備控制的特性。i.LON 1000支持標準的互聯網協議:TCP/IP、UCP、DHCP、SNMP(MB II)、ICMP、SNTP、TOS、MD5和FTP，從而為將LonWorks網絡中數以百萬計的設備連入Internet鋪平了道路。
在構建完整的家電網絡時，可根據實際情況選用或綜合應用上述幾種方案。
據世界半導體貿易統計協會(WSTS)藍皮書的統計，從銷售數量計，包括Intel的Pentium系列，AMD的Athlon，IBM、Motorola的PowerPC等PC處理器只占世界所有處理器市場的6%，嵌入式微處理器則占到94%，達50億個。據估計，目前每個美國家庭即擁有60個嵌入式微處理器。隨著嵌入式微處理器在生活中的廣泛應用，Internet應用將轉向以嵌入式設備為中心。據網絡專家預測，將來在Internet上傳輸的信息中，將有70%的信息來自小型嵌入式系統。 可以預見，未來將出現更多的嵌入式Internet方案，家庭的智能化網絡化程度將不斷提高。
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參考文獻
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