基于MCU系统和无线传输技术的家庭网关设计方案解析

随着科技的进步以及对生产质量要求的不断提高，人们对家电的选择和使用已经从只关心家电的单项功能转向追求家电品位和控制的便捷性。信息技术和网络化技术的发展为家用电器居家环境集中控制和远程调控提供了可能。将信息技术与家电控制技术相融合，在更大程度上实现家庭生活的信息化和自动化，满足人们舒适、高节奏的生活需要，使所有的消费电子产品具有了连入网终的能力，正是消费类电子产品下一步的发展趋势。家电的网络化将给已趋饱和家电消费市场带来新的需求。对这方面的进一步研究使得人们的生活方式、工作方式以及思维方式都发生了巨大的变化，同时也刺激人们对各种数据源和网络服务需求日益增长，为信息社会注入新的生机和活力，具有重要的理论、实用和商用价值。

1、“网络信息家电”领域存在的问题

现有家电网络控制系统在操作方式及方便使用方面离用户的要求还有一定的差距，问题主要表现在：家庭内部各部分的通信协议不同，难以构成一个统一的家庭网络系统，无法在应用层为用户提供方便统一的使用界面，进而延缓了相关市场的普及和家庭网络化的进程。提供一个兼容各种底层协议的面向开发应用的接口技术，从而实现家庭网络的互操作性，是当前技术团体研究的热点，同时也是家庭网络进一步发展的关键。

（1）现有协议和目前的网络家电构想的缺陷与不足

目前没有统一的应用层通信协议标准出现，大多数网络家电产品需要家电厂家的配合，所以在技术上具有较大的依速程度；而家电厂家往往不愿公开自己的技术秘密，网络家电产品的不兼容性造成网络技术推广的障碍。

①目前家电网络控制设备的研制焦点是家电控制中心，并以此促成与多厂家之间的合作关系。这种构想本身仅适合一个厂家。由于它的不开放性，若其他厂家配备该网关，则控制的方式和策略、数据传输的所有格式在相当大的程序上要同该厂家保持一致。这一方面限制了各厂家产品的特点和合作的积极性，另一方面相当于公布了各厂家的传输控制数据格式，不利于厂家之间的竞争。②用户对通信媒质要求的特殊性/多样性带来许多问题。因为成本问题，在家庭内部数据网中传播媒质可能选择RS485；为减轻线连之间的施工和维护等负担，亦可能选择PowerLine或其它无线传输方式。多通信媒质的嵌入式通信系统可适应不同消费者的需求。

（2）利用已有网络设备对非家庭单元的家电控制

在办公室和其他机关等环境中，由于Ethernet局域网络的普及，可直接应用现有的局域网，而不必占用电话线路。局域网中的控制更加快捷、有效和灵活，可以独立编排局域网内部的控制策略，这要求通信媒质是可选的。

（3）各厂家各自为战带来的问题和机会

网络家电应具有网络功能、数字化、信息化、智能化、低成本、稳定性强等特点。但各个公司厂商对网络家电模型的理解各不相同，出现了不同概念的网络家电。若各厂家各自为战，必带来额外的研发费用，提供家电的成本。另外，若没有统一的协议，必须造成设备控制的不兼容问题。这一方面增加了各家庭的经济支出，另一方面多设备不兼容的问题使得网络出口处理起来混乱，不会有很好的应用。

（4）照抄国外标准，不适应我国国情

国外的网络家电也存在类似问题，实践表明照抄国外的标准和产品，是不适应我国的家庭环境的。国外产品的传输层协议遵循的是标准协议，而应用层协议亦无完善的被广泛认可的标准可以遵循。

综上，需要制造统一的标准。一个保持各厂家特色和保护各厂家数据传输格式的，仅须遵从必要从简单的协议即可完成控制的“家庭网关”应该受到各厂家的支持。由此可改变以前的传统控制策略，通过家庭网关建立用户、厂家和特定家电之间的点对点通信方式。

2、应用层通信协议制制原则

为了解决目前网络家电领域存在的问题，本文给出一种基于MCU系统的网络家电全面解决方案。在网络家电的研制和开发过程中，网络协议的制定是关键。为了将产品推向市场，在协议制定时需要注意如下几个方面：

①保持各家电厂家的产品特点；

②保护各家电厂家的数据格式；

③对数字化家电，家庭网络控制器（即家庭网关）仅起信道作用及协助家电厂家服务中心及家电本身的连接功能。

只有如下：才有可能谋求厂家的支持和合作，于是有如下确定应用层的网络控制协议的原则：

①各厂家在最小程序上遵循统一的数据格式的和起始的数据传输协议；

②各厂家家电可自定义/解析数据格式的内容；

③对家电同部的数据格式的确定，在EEROM中合理划分数据区，用于家电控制和反馈参数的保存；

④为保证用户和最终控制对象之间的数据通信原则上需要厂家提供相应软件插件，网关仅起信号通道作用。

3、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IP2022Internet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433MHz，满足无线管制要求，无需使用许可证。

4、结束语

本文应用电力线载波、电话线（双音频解码和调制解调等）及宽带网络无线网络等通信原理，给出了基于多通信媒质的家庭网关设计方案，可满足绝大多数消费者的需求。这种媒质复用技术的应用，可以保证如电力线抄表等功能的集中实现，节省了家庭的总投入。根据家电控制的规律和厂家易于接收的协议形式，我们制定了一套适合数字家电和非数字化家电，而且易于同各家电厂家交流，并易于达成一致的网络数据传输协议。此外，该协议的实现与具体的传输媒体无关，为产品的系列化开发和工业化产生奠定了基础，也为家庭自动化、分布式系统、机器人控制等其它领域应用提供了经济、可靠的网络解决方案。