基于web的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（軟件部分）

PAGE第一章智能家居簡介智能家居，或稱智能住宅，在英文中常用SmartHome。與智能家居的含義近似的還有家庭自動化（HomeAutomation）、電子家庭（ElectronicHome、E-home）、數(shù)字家園（Digitalfamily）、家庭網(wǎng)絡(luò)（Homenet/NetworksforHome）、網(wǎng)絡(luò)家居（NetworkHome）,智能家庭/建筑（Inte1ligenthome/building）、在香港、臺灣等地區(qū)還有數(shù)碼家庭、數(shù)碼家居等稱法。

智能家居是以住宅為平臺，兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。

智能家居可以定義為一個(gè)過程或者一個(gè)系統(tǒng)。利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)、將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)，有機(jī)地結(jié)合在一起，通過統(tǒng)籌管理，讓家居生活更加舒適、安全、有效。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，提供舒適安全、高品位且宜人的家庭生活空間；還由原來的被動靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ?，提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時(shí)間，增強(qiáng)家居生活的安全性，甚至為各種能源費(fèi)用節(jié)約資金。要完整地理解智能家居，有必要先對幾個(gè)智能家居發(fā)展過程中有著重大影響的系統(tǒng)進(jìn)行介紹。1.1家庭自動化（HomeAutomation）

家庭自動化系指利用微處理電子技術(shù)，來集成或控制家中的電子電器產(chǎn)品或系統(tǒng)，例如：照明燈、咖啡爐、電腦設(shè)備、保安系統(tǒng)、暖氣及冷氣系統(tǒng)、視訊及音響系統(tǒng)等。家庭自動化系統(tǒng)主要是以一個(gè)中央微處理機(jī)（CentralProcessorUnit，CPU）接收來自相關(guān)電子電器產(chǎn)品（外界環(huán)境因素的變化，如太陽初升或西落等所造成的光線變化等）的訊息后，再以既定的程序發(fā)送適當(dāng)?shù)男畔⒔o其它電子電器產(chǎn)品。中央微處理機(jī)必須透過許多界面來控制家中的電器產(chǎn)品，這些界面可以是鍵盤，也可以是觸摸式熒幕、按鈕、電腦、電話機(jī)、遙控器等；消費(fèi)者可發(fā)送信號至中央微處理機(jī)，或接收來自中央微處理機(jī)的訊號。

家庭自動化是智能家居的一個(gè)重要系統(tǒng)，在智能家居剛出現(xiàn)時(shí)，家庭自動化甚至就等同于智能家居，今天它仍是智能家居的核心之一，但隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有智能家居的普遍應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)家電/信息家電的成熟，家庭自動化的許多產(chǎn)品功能將融入到這些新產(chǎn)品中去，從而使單純的家庭自動化產(chǎn)品在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中越來越少，其核心地位也將被子家庭網(wǎng)絡(luò)/家庭信息系統(tǒng)所代替。它將作為家庭網(wǎng)絡(luò)中的控制網(wǎng)絡(luò)部份在智能家居中發(fā)揮作用。目前最有名的家庭自動化系統(tǒng)為美國的X-10。1.2家庭網(wǎng)絡(luò)(Homenetworking)首先大家要把家庭網(wǎng)絡(luò)和純粹的“家庭局域網(wǎng)”分開來，我們還會提到“家庭局域網(wǎng)/家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)”這一名稱，它是指連接家庭里的PC、各種外設(shè)及與因特網(wǎng)互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它只是家庭網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部份。家庭網(wǎng)絡(luò)是在家庭范圍內(nèi)(可擴(kuò)展至鄰居，小區(qū))將PC、家電、安全系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和廣域網(wǎng)相連接的一種新技術(shù)。當(dāng)前在家庭網(wǎng)絡(luò)所采用的連接技術(shù)可以分為“有線”和“無線”兩大類。有線方案主要包括：雙絞線或同軸電纜連接、電話線連接、電力線連接等；無線方案主要包括：紅外線連接、無線電連接、基于RF技術(shù)的連接和基于PC的無線連接等。

家庭網(wǎng)絡(luò)相比起傳統(tǒng)的辦公網(wǎng)絡(luò)來說，加入了很多家庭應(yīng)用產(chǎn)品和系統(tǒng)，如家電設(shè)備、照明系統(tǒng)，因此相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也錯綜復(fù)雜，這里面也牽涉太多知名的網(wǎng)絡(luò)廠家和家電廠家的利益，我們在智能家居技術(shù)一章中將對各種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)作詳細(xì)介紹。家庭網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢是將智能家居中其它系統(tǒng)融合進(jìn)去，最終一統(tǒng)天下。1.3網(wǎng)絡(luò)家電

網(wǎng)絡(luò)家電是將普通家用電器利用數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及智能控制技術(shù)設(shè)計(jì)改進(jìn)的新型家電產(chǎn)品。網(wǎng)絡(luò)家電可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)組成一個(gè)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)這個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)又可以與外部互聯(lián)網(wǎng)相連接。

可見，網(wǎng)絡(luò)家電技術(shù)包括兩個(gè)層面：首先就是家電之間的互連問題，也就是使不同家電之間能夠互相識別，協(xié)同工作。第二個(gè)層面是解決家電網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的通信，使家庭中的家電網(wǎng)絡(luò)真正成為外部網(wǎng)絡(luò)的延伸。要實(shí)現(xiàn)家電間互聯(lián)和信息交換，就需要解決：描述家電的工作特性的產(chǎn)品模型，使得數(shù)據(jù)的交換具有特定含義；

信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)媒介。在解決網(wǎng)絡(luò)媒介這一難點(diǎn)中，可選擇的方案有：電力線、無線射頻、雙絞線、同軸電纜、紅外線、光纖。

目前認(rèn)為比較可行的網(wǎng)絡(luò)家電包括網(wǎng)絡(luò)冰箱、網(wǎng)絡(luò)空調(diào)、網(wǎng)絡(luò)洗衣機(jī)、網(wǎng)絡(luò)熱水器、網(wǎng)絡(luò)微波爐、網(wǎng)絡(luò)炊具等。網(wǎng)絡(luò)家電未來的方向也是充分融合到家庭網(wǎng)絡(luò)中去。1.4信息家電(3C或者說IA)

信息家電應(yīng)該是一種價(jià)格低廉、操作簡便、實(shí)用性強(qiáng)、帶有PC主要功能的家電產(chǎn)品。利用電腦、電信和電子技術(shù)與傳統(tǒng)家電（包括白色家電：電冰箱、洗衣機(jī)、微波爐等和黑色家電：電視機(jī)、錄像機(jī)、音響、VCD、DVD等）相結(jié)合的創(chuàng)新產(chǎn)品，是為數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更廣泛地深人家庭生活而設(shè)計(jì)的新型家用電器，信息家電包括PC、機(jī)頂盒、HPC、DVD、超級VCD、無線數(shù)據(jù)通信設(shè)備、視頻游戲設(shè)備、WEBTV、INTERNE電話等等，所有能夠通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)交互信息的家電產(chǎn)品，都可以稱之為信息家電。目前，音頻、視頻和通信設(shè)備是信息家電的主要組成部分。另一方面,在目前的傳統(tǒng)家電的基礎(chǔ)上，將信息技術(shù)融人傳統(tǒng)的家電當(dāng)中，使其功能更加強(qiáng)大，使用更加簡單、方便和實(shí)用，為家庭生活創(chuàng)造更高品質(zhì)的生活環(huán)境，比如模擬電視發(fā)展成數(shù)字電視，VCD變成DVD，電冰箱、洗衣機(jī)、微波爐等也將會變成數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的信息家電。從廣義的分類來看，信息家電產(chǎn)品實(shí)際上包含了網(wǎng)絡(luò)家電產(chǎn)品，但如果從狹義的定義來界定，我們可以這樣做一簡單分類：信息家電更多的指帶有嵌入式處理器的小型家用(個(gè)人用)信息設(shè)備，它的基本特征是與網(wǎng)絡(luò)(主要指互聯(lián)網(wǎng))相連而有一些具體功能，可以是成套產(chǎn)品，也可以是一個(gè)輔助配件。而網(wǎng)絡(luò)家電則指一個(gè)具有網(wǎng)絡(luò)操作功能的家電類產(chǎn)品，這種家電可以理解是我們原來普通家電產(chǎn)品的升級。信息家電由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件（如顯示卡、存儲介質(zhì)、IC卡或信用卡等讀取設(shè)備）、嵌入式操作系統(tǒng)以及應(yīng)用層的軟件包組成。

信息家電把PC的某些功能分解出來，設(shè)計(jì)成應(yīng)用性更強(qiáng)、更家電化的產(chǎn)品，使普通居民步人信息時(shí)代的步伐更為快速，是具備高性能、低價(jià)格、易操作特點(diǎn)的lnternet工具。信息家電的出現(xiàn)將推動家庭網(wǎng)絡(luò)市場的興起，同時(shí)家庭網(wǎng)絡(luò)市場的發(fā)展又反過來推動信息家電的普及和深人應(yīng)用。

我們可以看出，實(shí)際上家庭自動化產(chǎn)品、家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)家電產(chǎn)品、信息家電產(chǎn)品都只是智能家居系統(tǒng)產(chǎn)品里的一種，它們有各自不同的產(chǎn)品特征，不能簡單地將它們劃等號。當(dāng)然也有許多概念交叉的產(chǎn)品，如機(jī)頂盒你可以理解為是一個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、但同時(shí)又是一個(gè)信息家電產(chǎn)品。第二章設(shè)計(jì)概述基于Motorola多元化的DigitalDNATM技術(shù)，我們開發(fā)出應(yīng)用于家庭的一系列智能化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

網(wǎng)絡(luò)化的智能家居系統(tǒng)由智能家庭總線以及總線上掛接的多種功能模塊(節(jié)點(diǎn))構(gòu)成。在一個(gè)對等型的網(wǎng)絡(luò)上眾多節(jié)點(diǎn)可以交換數(shù)據(jù)和相互控制，通過專門開發(fā)的ECHomePro軟件，可以設(shè)定各節(jié)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)聯(lián)和工作模式。圖1網(wǎng)絡(luò)化智能家居系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成在解決智能住宅中的設(shè)備互聯(lián)問題時(shí)，采用了分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)這一方

案，它非常適合眾多的嵌入式智能設(shè)備發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)，更容易擴(kuò)充和維護(hù)。由于采用了對等網(wǎng)、單一總線方式，使得系統(tǒng)的布線簡潔、安裝方便。所有

的終端設(shè)備可隨時(shí)接入總線或脫離總線；

作為一套成本敏感的消費(fèi)電子產(chǎn)品，應(yīng)以提供實(shí)用化功能為原則，將其控制

在合理的價(jià)格范圍。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)不同的功能需求，選擇MC68HC08系列

的某一款微控制器。例如，在“以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)終端”和“智能燈光控制器”中，采

用了MC68HC908SR12；而在“紅外家電控制器”、“智能電話控制器”等資源

要求相對較多的節(jié)點(diǎn)，采用MC68HC908GP32作為核心。本論文將選擇最具有代表性的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)情況進(jìn)行深入介紹：以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)終端（ESWeb）該網(wǎng)關(guān)終端一端連接在小區(qū)的以太網(wǎng)上，另一端連接在家庭內(nèi)的控制總線上。它可以提供三表傳送、安防報(bào)警、緊急求助、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制等功能。該終端采用MC68HC908SR12設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議棧及WebServer。智能燈光控制器（ESLight）

它是智能網(wǎng)絡(luò)上一個(gè)典型的節(jié)點(diǎn)。具有輕觸式調(diào)光控制、網(wǎng)絡(luò)場景控制、紅外遙控、預(yù)設(shè)存儲等豐富功能。通過面板上的輕觸按鈕，可以控制燈光的開關(guān)和亮度，或者使多盞燈光進(jìn)入某種預(yù)設(shè)的場景；也可以通過手持遙控器來控制住宅內(nèi)所的燈光。通過遙控器上的場景設(shè)置按鍵，可以方便地設(shè)定燈光場景和迅速切換。在網(wǎng)絡(luò)智能家居系統(tǒng)中，具有代表性的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是“以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)終端”和“智能燈光控制器”。如下圖所示，通過智能燈光控制器，可以對各盞燈光進(jìn)行直接控制；通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)終端，可以實(shí)現(xiàn)對燈光亮度的遠(yuǎn)程控制和查詢。圖2簡單的控制網(wǎng)絡(luò)框圖下面將分別介紹它們的設(shè)計(jì)方案。2.1以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)終端2.1.1背景信息隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，寬帶網(wǎng)絡(luò)在全國范圍內(nèi)迅速發(fā)展。許多新建住宅小

區(qū)都將以太網(wǎng)鋪設(shè)到了用戶家庭，使得整個(gè)小區(qū)的居民通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)寬帶上網(wǎng)

成為可能。同時(shí)，隨著社區(qū)服務(wù)的完善，智能小區(qū)需要通過一個(gè)安裝在每個(gè)家庭的終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息發(fā)布、物業(yè)管理、三表傳送、緊急求助等功能。以往，這樣的信息終端和社區(qū)服務(wù)中心通過鋪設(shè)專線，如485總線來進(jìn)行連接，工程量大，故障率高，且由于只能采取主機(jī)輪循方式而效率較低。如果能夠利用已經(jīng)鋪設(shè)到用戶家庭的、現(xiàn)成的、穩(wěn)定的以太網(wǎng)絡(luò)組建社區(qū)綜合服務(wù)體系是一項(xiàng)非常有意義的事情。而目前基于以太網(wǎng)的信息終端通常采用32-bit的微處理器和WindowsCE等通用操作系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)開發(fā)周期短、功能強(qiáng)、信息交換速率高、但致命的缺點(diǎn)是成本太高，這也是一直在國內(nèi)無法推廣的主要問題。因此，向智能小區(qū)的每個(gè)住宅提供一個(gè)基于8位MCU連接Ethernet的低成本信息終端，不僅具有實(shí)用價(jià)值，而且市場前景也相當(dāng)廣闊。2.1.2設(shè)計(jì)目標(biāo)在本方案中，設(shè)計(jì)了一臺家庭信息終端，安裝在智能小區(qū)的每個(gè)家庭中，提供三表傳送、安防報(bào)警、緊急求助、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制等功能。它是相對獨(dú)立的智能測控設(shè)備，可以直接與小區(qū)的以太網(wǎng)相連接。作為一個(gè)成本敏感的消費(fèi)電子產(chǎn)品，應(yīng)以提供實(shí)用化功能為原則，將其控制在一個(gè)適當(dāng)合理的價(jià)格范圍。在此應(yīng)用中，信息終端對數(shù)據(jù)交換的速率要求并不高（如1Mb/s以下），所以可采用價(jià)格低廉的高速M(fèi)CU，寫入TCP/IP協(xié)議.經(jīng)過分析，我選擇了MC68HC908SR12作為設(shè)計(jì)核心，并利用10M以太網(wǎng)芯片RTL8019AS建立Ethernet網(wǎng)絡(luò)連接。在軟件設(shè)計(jì)方面的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，由于RAM和FLASH空間的限制，必需設(shè)計(jì)出相當(dāng)精煉的網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議棧，同時(shí)又需要保證其可靠性?；贗P的設(shè)計(jì)使它能通過一個(gè)開放的網(wǎng)絡(luò)平臺相互通訊。68HC908是具備FLASH在線編程能力的MCU，為了滿足調(diào)試、升級的需要，我們設(shè)計(jì)了利用以太網(wǎng)進(jìn)行在線程序升級的代碼，使得信息終端可以通過下載新的應(yīng)用程序來獲得更豐富的功能。

由于信息終端是一臺嵌入式WWW服務(wù)器，使得用戶在世界任何地方隨時(shí)可

以上網(wǎng)通過WWW瀏覽器了解家中情況并簡單控制家中電器，進(jìn)行設(shè)防/撤防；

真正讓用戶每天都能感受到家庭智能化的強(qiáng)大魅力。2.1.3功能特性1.MCU采用Motorola的MC68HC908SR12（7.4MHzBusFrequency，512byteRAM，12KBFLASH）；

2.10MEthernet采用RTL8019AS以太網(wǎng)芯片；

3.軟件上實(shí)現(xiàn)協(xié)議：ARP,ICMP,TFTP,UDP,TCP,IP,TELNET,HTTP,CGI等；

4.網(wǎng)絡(luò)類型：Ethernet通訊介質(zhì)：UTP（非屏蔽雙絞線）；

5.網(wǎng)絡(luò)帶寬：10Mbit，由于處理器限制，實(shí)際只能達(dá)到50Kbit/s左右的傳輸速率；

6.輸入：4路光電隔離，可以配接傳感器，緊急求助按鈕等；

7.輸出：4路光電隔離輸出，可配接功率驅(qū)動模塊；

8.鍵盤：16鍵，功能：智能終端配置、設(shè)防/撤防等；實(shí)際上，在68HC908系列MCU上實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議棧之后，其應(yīng)用領(lǐng)域

是相當(dāng)廣泛的：1.網(wǎng)絡(luò)化控制：電機(jī)、燈光、工業(yè)自動化、家庭自動化……2.網(wǎng)絡(luò)儀表：遠(yuǎn)程分布式數(shù)據(jù)采集……3.網(wǎng)絡(luò)家電：智能家電、WWW方式監(jiān)控界面、在線更新……4.網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)：在遠(yuǎn)程瀏覽器上可以進(jìn)行視頻監(jiān)控；5.家庭網(wǎng)關(guān)：非INTERNET協(xié)議的輕量級設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的轉(zhuǎn)換器；2.2智能燈光控制器2.2.1背景信息隨著人們生活質(zhì)量的提高，燈具已不單純是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)基本照明的工具，而且是建筑裝飾的一種實(shí)用藝術(shù)品。當(dāng)家里有各式各樣的燈具之后，將它們精心地搭配在一起，并且達(dá)到最適合氣氛的效果是高品質(zhì)生活的需要。同時(shí)目前燈光的控制主要還是手動形式，逐個(gè)地去控制所有的燈具，這樣不僅麻煩而且效率低下，也不符合現(xiàn)代舒適生活的標(biāo)準(zhǔn)。因此，一個(gè)可以對燈光進(jìn)行方便的控制，同時(shí)提供場景組合等功能的智能化

燈光系統(tǒng)不僅具有實(shí)用價(jià)值，而且市場前景也相當(dāng)廣闊。2.2.2設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)智能化燈光控制器，安裝在家中的各個(gè)房間，提供輕觸式燈光控制、紅外遙控、場景組合、預(yù)設(shè)存儲等豐富功能。通過面板上的輕觸按鈕，可以控制燈光的開關(guān)和亮度，或者使多盞燈光進(jìn)入某種預(yù)設(shè)的場景；也可以通過手持遙控器來控制住宅內(nèi)所有的燈光。通過遙控器上的場景設(shè)置按鍵，可以方便地設(shè)定燈光場景和迅速切換。系統(tǒng)分為接收外來控制信號和執(zhí)行控制操作兩部分。為了接收控制信號，系統(tǒng)需具備紅外接收功能，按鍵輸入面板。為了對燈具執(zhí)行控制，需要設(shè)計(jì)220V調(diào)光控制電路。利用MC68HC908SR12的FLASH在線刷新(ISP)能力，我們設(shè)計(jì)了一套可重用的內(nèi)核（包含BIOS與OS），通過與內(nèi)核的交互可以方便地在線下載應(yīng)用層的程序。

應(yīng)用層的程序包括以下功能：開關(guān)面板按鍵輸入判斷、紅外遙控器接收、預(yù)設(shè)場景存儲、調(diào)光可控硅控制。由于MC68HC908SR12具有豐富的外圍接口資源，并有著很高的可靠性和運(yùn)算速度，非常適合于該款產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。2.2.3功能特性1.MCU采用Motorola的MC68HC908SR12；

2.RS485總線型網(wǎng)絡(luò)，通訊波特率19200；

3.輸入：輕觸按鍵，紅外遙控器。

4.輸出：開關(guān)輸出，調(diào)光輸出；

5.采用簡單的實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核；

6.網(wǎng)絡(luò)化的開關(guān)按鈕控制，可以通過Windows版本軟件任意設(shè)定；

7.多種場景的設(shè)置，存儲，及執(zhí)行。第三章硬件描述

整個(gè)系統(tǒng)的核心由MC68HC908SR12構(gòu)成。它的內(nèi)部框圖如圖3所示：圖3MC68HC908SR12內(nèi)部框圖對于以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)終端（ESWeb）和智能燈光控制器（ESLight）的設(shè)計(jì)，選擇MC68HC908SR12作為核心處理器是基于以下理由：1.較低的成本：由于是家用設(shè)備，對成本非常敏感；而SR12的價(jià)格，單芯片的解決方案，使得整體成本可以降低；

2.適用的功能：通過ESWeb實(shí)現(xiàn)基于Web瀏覽器的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制界面相對簡單，用高端處理器或者PC來實(shí)現(xiàn)顯得不夠經(jīng)濟(jì)；我們編寫的TCP/IP協(xié)議棧約占用7KBFLASH和380BytesRAM，SR12完全可以滿足這一需求并有富余。此外，高達(dá)8MHz的總線頻率使得它和其他MCU相比具有較強(qiáng)的處理能力，經(jīng)過實(shí)測，在以太網(wǎng)上傳輸HTML頁面并沒有感到特別的延遲；對于ESLight來說，需要10KB～12KB的空間來存儲代碼和配置信息，SR12恰好能滿足這一需求。

3.在線升級能力：對于ESWeb，由于每個(gè)家庭的設(shè)備情況不一樣，要能根據(jù)實(shí)際情況形成不同的網(wǎng)頁控制頁面；而MC68HC908系列的芯片均支持FLASH的在線編程能力，我們設(shè)計(jì)了一套運(yùn)行在Windows環(huán)境的配置軟件，可以根據(jù)每個(gè)家庭的情況定制不同的HTML頁面下載到SR12芯片上；對于ESLight，可以在線下載關(guān)聯(lián)定義、場景配置、遙控器接收定義等信息，這些信息可以在掉電后存儲。

4.足夠的器件資源：SR12具有多達(dá)31個(gè)GPIO，可以很方便地和以太網(wǎng)控制器RTL8019AS相連接；剩余接口可以用來擴(kuò)展傳感器、鍵盤、功率輸出等接口；內(nèi)置的溫度傳感器和10-bitAD轉(zhuǎn)換器可以用來采集溫度和模擬量數(shù)據(jù)；通過時(shí)鐘單元的輸入捕獲功能，還可以實(shí)現(xiàn)對水、電、氣三表的脈沖輸出采集。在ESLight的設(shè)計(jì)中，由于需要對可控硅進(jìn)行控制，一方面，需要精確地獲取220V交流電中的過零信息，另一方面，也需要通過定時(shí)器控制可控硅的開關(guān)時(shí)間，SR12的兩個(gè)IRQ以及兩個(gè)定時(shí)器能很好地滿足兩路調(diào)光控制器的設(shè)計(jì)要求。

5.安全可靠：系統(tǒng)要有非常高的可靠性，不易出現(xiàn)誤動作，例如，在燈光系統(tǒng)中，由于和220V交流電距離很近，不能受到交流電的影響。由于MC68HC908系列的芯片在穩(wěn)定性和抗干擾能力方面表現(xiàn)不俗，所以能極好地滿足這一要求。接下來，將分別描述兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。3.1以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)終端3.1圖4信息終端模塊硬件系統(tǒng)框圖硬件由以下幾部分組成：

1.單片機(jī)及其外圍器件，主要是：MC68HC908SR12、PLL（32.768KHz晶體等）、LED指示燈；

2.以太網(wǎng)控制器部分，主要是RTL8019AS、耦合變壓器、RJ45插座、20MHz晶體；

3.外置存儲器，由一片接口的EEPROM構(gòu)成。通過SR12內(nèi)置的接口連接；4.家庭控制網(wǎng)絡(luò)連接部分，由MAXIM公司的MAX487、RJ11插座構(gòu)成。

5.外部接口，16鍵按鍵鍵盤、4路模擬量輸入、4路數(shù)字量輸入、2路脈沖量輸入；

6.電源部分，由一片7805提供5V的直流電壓。3.1圖5RTL8019AS部分電路圖6RS485電平轉(zhuǎn)換部分的電路圖3.2智能燈光控制器3.3.1硬件框圖圖7智能燈光控制器的原理框圖硬件由以下幾部分組成：

1.單片機(jī)及其外圍器件，主要是：MC68HC908SR12、PLL（32.768KHz晶體等）、LED指示燈、蜂鳴器；

2.按鍵輸入接口，在面板上，提供6鍵的按鈕，作為調(diào)光控制或場景控制；

3.紅外遙控接口，在面板上有一個(gè)紅外遙控器接收窗口，可以實(shí)現(xiàn)紅外遙

控信號的接收；

4.調(diào)光驅(qū)動部分，使用兩片可控硅（SCR，Silicon-ControlledRectifier，又稱硅控整流器）進(jìn)行調(diào)光控制。通過一片光藕（MOC3021），從220V交流電上取出過零點(diǎn)信號作為同步，過零信號表現(xiàn)為一個(gè)低電平脈沖，連接到SR12的IRQ1、2上作為中斷輸入；

5.家庭控制網(wǎng)絡(luò)連接部分，由MAXIM公司的MAX487、RJ11插座構(gòu)成。

6.電源部分，由控制總線可提供12V直流電壓，由一片7805提供5V的直流電壓。第四章軟件描述

我們用匯編語言實(shí)現(xiàn)了一段啟動代碼（BootCode），而全部的應(yīng)用程序則采

用C語言編程，編譯環(huán)境為HiwareC。以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)終端的軟件框圖如下：圖8以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)終端的軟件框圖智能燈光控制器的軟件框圖如下：圖9智能燈光控制器軟件框圖4.1啟動代碼（BootCode）Motorola的MC68HC908SR12是片內(nèi)集成FLASH的8位單片機(jī)，F(xiàn)LASH擦寫速度快，可靠性高，可獨(dú)立擦寫至少1萬次以上，所以在需周期修改存儲的數(shù)據(jù)和代碼的場合，都是理想的選擇。同時(shí)，表貼工藝（SMD）因其使相同集成度的器件封裝性能更好、尺寸更小等優(yōu)點(diǎn)，越來越得到推廣。但是這也給嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)帶來了新的問題：表貼的芯片一旦焊接到PCB板上，就很難再取下來，如果事先寫入的程序錯誤或者丟失，則會給修改或恢復(fù)帶來諸多的麻煩。在本項(xiàng)目中，包括SR12在內(nèi)的大部分器件選擇了貼片形式的，因此需要實(shí)現(xiàn)程序的在系統(tǒng)編程。如果通過Monitor方式在線編程，那么需要在PCB板設(shè)

計(jì)時(shí)預(yù)留相應(yīng)的管腿和跳線。但在本設(shè)計(jì)中由于體積限制無法預(yù)留。因此，我們采用了固定BOOT代碼的方式。BOOT代碼的工作流程如圖10所示。

我們將燒寫了BOOT代碼的芯片直接焊接到目標(biāo)板上，通過串口通訊就可以

隨時(shí)更新目標(biāo)板上的程序，無需設(shè)置任何跳線，非常方便。Boot代碼約為1.5K，如果去掉其中的CRC校驗(yàn)計(jì)算部分，改為Checksum校驗(yàn)和，代碼將更簡潔。圖10BOOT代碼工作流程圖有了Boot代碼，調(diào)試的過程為：

1.通過串口連接目標(biāo)板；

2.編譯程序，生成SX格式文件；

3.復(fù)位目標(biāo)板，在3秒鐘的延時(shí)時(shí)間內(nèi)，通過自行編寫的DLS19工具，將S19格式文件下載到目標(biāo)板上；

4.程序?qū)⒆詣影凑照９ぷ鳡顟B(tài)開始執(zhí)行。此時(shí)，可以通過串口打印信息，在DLS19工具中進(jìn)行調(diào)試。4.2TCP/IP協(xié)議棧設(shè)計(jì)4.2.1現(xiàn)有的8-bitMCU連接網(wǎng)絡(luò)的方案比較利用8位MCU通過精簡的TCP/IP協(xié)議棧來連接以太網(wǎng)，現(xiàn)在已有的方案

的如表格1所示。表格1常見的MCU連接網(wǎng)絡(luò)的方案比較可見，目前尚無運(yùn)行在Motorola8-bitMCU上的具備以太網(wǎng)連接功能、支持TCP/IP協(xié)議的解決方案。因此，在本項(xiàng)目中，希望能夠在Motorola典型的8位單片機(jī)MC68HC908SR12上做到以太網(wǎng)協(xié)議棧的支持。4.2.2現(xiàn)有的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的比較TCP/IP最先是在UNIX系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)的，后來的LINUX、DOS、WINDOWS也實(shí)現(xiàn)了TCP/IP，隨后TCP/IP協(xié)議也被移植到其它嵌入式的處理器上，

由于指令以及資源上的原因，在UNIX上實(shí)現(xiàn)的TCP/IP協(xié)議的原代碼并不能夠直接移植到8位的單片機(jī)上。單片機(jī)的程序空間是極為有限的，直接尋址的空間僅64K字節(jié)，可用的內(nèi)存RAM也是非常小的，最多只能擴(kuò)64K的RAM。

單片機(jī)的運(yùn)算速度也極為有限，一般只有2MIPS，而電腦上的處理能力在

100MIPS以上。

因此，嵌入式系統(tǒng)尤其是8位單片機(jī)上的TCP/IP協(xié)議棧需要高度簡化專門設(shè)計(jì)?？梢杂脕韰⒖嫉膮f(xié)議棧包括如下表所示。表格2常見嵌入式TCP/IP協(xié)議棧比較在本方案中，選擇了TinyTCP、uIP0.6作為參考設(shè)計(jì)。4.2.3TCP/IP原理簡述網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通常分不同層次進(jìn)行開發(fā)，每一層分別負(fù)責(zé)不同的通信功能。TCP/IP通常被認(rèn)為是一個(gè)四層協(xié)議系統(tǒng)，如圖11所示。每一層負(fù)責(zé)不同的功能。圖11網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層（1）數(shù)據(jù)鏈路層，有時(shí)也稱為網(wǎng)絡(luò)接口層。通常包括操作系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動程序和計(jì)算機(jī)中對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口卡。它們一起處理與電纜（或其他任何傳輸媒介）的物理接口細(xì)節(jié)。（2）網(wǎng)絡(luò)層，有時(shí)也稱作互聯(lián)網(wǎng)層。處理分組在網(wǎng)絡(luò)中的活動，例如分組的選路。在TCP/IP協(xié)議族中，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議包括IP協(xié)議（網(wǎng)際協(xié)議）、ICMP協(xié)

議（Internet互聯(lián)網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議）以及IGMP協(xié)議（Internet組管理協(xié)議）。這里主要討論IP協(xié)議。（3）傳輸層主要為兩臺主機(jī)上的應(yīng)用程序提供端到端的通信。TCP為兩臺

主機(jī)提供高可靠性的數(shù)據(jù)通信。它所做的工作包括把應(yīng)用程序交給它的數(shù)據(jù)分成合適的小塊交給下面的網(wǎng)絡(luò)層，確認(rèn)接收到的分組，設(shè)置發(fā)送最后確認(rèn)分組的超時(shí)時(shí)鐘等。由于運(yùn)輸層提供了高可靠性的端到端的通信，因此應(yīng)用層可以忽略所有這些細(xì)節(jié)。（4）應(yīng)用層負(fù)責(zé)處理特定的應(yīng)用程序細(xì)節(jié)。幾乎各種不同的TCP/IP實(shí)現(xiàn)都

會提供下面這些應(yīng)用：1.HTTP超文本傳輸控制協(xié)議；2.TELNET遠(yuǎn)程登錄；3.FTP文件傳輸協(xié)議；4.SMTP簡單郵件傳送協(xié)議；5.SNMP簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議。由于8位嵌入式網(wǎng)絡(luò)通常面向?qū)ｉT的、小數(shù)據(jù)量的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)FTP、SMTP

等協(xié)議棧并沒有太大意義。因此，這里主要討論HTTP協(xié)議。

因?yàn)閿?shù)據(jù)鏈路層主要是網(wǎng)絡(luò)接口卡及驅(qū)動，由RTL8019AS來實(shí)現(xiàn)，所以下

面討論網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)。在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)文中，各個(gè)層次的協(xié)議棧都會添加自己的首部和尾部數(shù)據(jù)。如圖12所示。圖12各協(xié)議棧對HTTP數(shù)據(jù)報(bào)文的貢獻(xiàn).1網(wǎng)絡(luò)層IP是TCP/IP協(xié)議族中最為核心的協(xié)議。Internet所有的數(shù)據(jù)都以IP數(shù)據(jù)報(bào)格式傳輸。IP協(xié)議最大的特點(diǎn)是提供不可靠的和無連接的數(shù)據(jù)包傳送服務(wù)。IP數(shù)據(jù)包的格式如圖13所示。圖13IP數(shù)據(jù)包的格式.2傳輸層傳輸層中包括TCP（傳輸控制協(xié)議）、UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）等。

用TCP協(xié)議傳輸?shù)乃^數(shù)據(jù)實(shí)際指的是數(shù)據(jù)流中的段，而用UDP協(xié)議傳輸?shù)乃^數(shù)據(jù)指的是數(shù)據(jù)包。IP所提供的是非可靠的、無連接能力的、向指定主機(jī)地址的包傳送的協(xié)議。TCP和UDP都屬于IP上層的傳輸層協(xié)議。二者都使用端口號作為送往主機(jī)的解碼地址。端口號由各個(gè)具體應(yīng)用所確定，同時(shí)使用多個(gè)端口號能完成“一機(jī)多網(wǎng)”的操作。每個(gè)UDP數(shù)據(jù)包和TCP數(shù)據(jù)段中都含源端口號和目的端口號。為接收遠(yuǎn)端的輸入而等待著執(zhí)行接入操作的主機(jī)是所謂的服務(wù)器，發(fā)起接入請求的主機(jī)就是所謂的客戶機(jī)。

服務(wù)器為最常服務(wù)的應(yīng)用如FTP（文件傳輸協(xié)議）、Email和HTTP，分配了知名的端口號并對其進(jìn)行持續(xù)地監(jiān)聽。作為傳輸源的客戶機(jī)通常選擇隨機(jī)的端口號，并向已分配了知名端口號的服務(wù)器發(fā)出接入請求?？蛻魬?yīng)用所取的端口號應(yīng)大于1024，因1024以下的端口號是為知名應(yīng)用而預(yù)留的。(1)TCP協(xié)議TCP提供一種面向連接的、可靠的字節(jié)流傳送服務(wù)。TCP數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)如圖14所示。圖14TCP數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)(2)UDP協(xié)議UDP被認(rèn)為是一個(gè)應(yīng)用程序和IP間的接口，因?yàn)閼?yīng)用程序從不直接使用IP。UDP層很小，包含8個(gè)字節(jié)的頭。但需要應(yīng)用層來負(fù)責(zé)錯誤恢復(fù)，重傳等等。UDP不夠可靠，當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)目標(biāo)時(shí)沒有確認(rèn)。它不處理以混亂順序到來的報(bào)文，也不提供反饋來控制主機(jī)間的信息流。因此UDP消息會丟失、重復(fù)或順序混亂。這意味著使用UDP的程序應(yīng)該讓傳輸可靠。UDP主要用在傳輸視頻和音頻。.3應(yīng)用層HTTP是WWW上的協(xié)議。當(dāng)用戶要瀏覽服務(wù)器上的一個(gè)網(wǎng)頁時(shí)，一個(gè)HTTP請求就會從用戶的瀏覽器發(fā)到HTTP服務(wù)器。服務(wù)器響應(yīng)這個(gè)請求，把指定的網(wǎng)頁傳送回來，用戶才看到了網(wǎng)頁。下面是一個(gè)典型的客戶端向服務(wù)器發(fā)送請求的例子：

GETDestination_IP/index.htmlhttp/1.0GET代表客戶端的請求命令，而服務(wù)器也受理這個(gè)命令；Destination_IP代表遠(yuǎn)程主機(jī)的IP地址；index