單片機(jī)IP技術(shù)在智能小區(qū)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1． 引言

住宅小區(qū)智能化（或稱為"智能小區(qū)"）的概念是本世紀(jì)90年代引入國內(nèi)的，它是以家庭智能化為核心，包括遠(yuǎn)程抄表，家庭防盜報警，醫(yī)療救助，家電控制等功能，采用系統(tǒng)集成方法，建立一個溝通小區(qū)內(nèi)部住戶之間、住戶與小區(qū)綜合服務(wù)中心之間、住戶與外部社會的綜合信息交互系統(tǒng)，從而為住戶營造一個安全、舒適、便捷、高效的居住和生活環(huán)境。現(xiàn)行的智能小區(qū)系統(tǒng)多是以RS485、CAN總線、LONWORKS等總線進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，布線復(fù)雜，沖突多，系統(tǒng)不夠穩(wěn)定且涉及到消防安全及成本的考慮。而以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，布線簡單，且實(shí)現(xiàn)也比CAN、LONWOKS等更便宜，也更有利于小區(qū)智能化產(chǎn)品的兼容和統(tǒng)一。在當(dāng)今計算機(jī)技術(shù)及信息技術(shù)不斷發(fā)展的情況下，以及人們對家居生活的需求及觀念上的變化，電話、電視、計算機(jī)三網(wǎng)有合一的趨勢，將來智能小區(qū)的發(fā)展必定是以太網(wǎng)的天下。所以針對當(dāng)前行業(yè)的發(fā)展情況和趨勢，對于基于IP的以太網(wǎng)家庭智能終端的研究順應(yīng)時代發(fā)展的潮流，有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2． 智能小區(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文中提出的小區(qū)智能系統(tǒng)由小區(qū)計算機(jī)管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、家庭智能終端（CDT）三個主要部分組成，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 

圖2 用戶終端結(jié)構(gòu)圖

小區(qū)管理系統(tǒng)是指安裝在小區(qū)管理中心，完成全小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)據(jù)終端數(shù)據(jù)采集和處理的計算機(jī)系統(tǒng)，對于用戶數(shù)較多的系統(tǒng)，可以采用客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）結(jié)構(gòu)。小區(qū)管理系統(tǒng)分為監(jiān)控微機(jī)（Client）和服務(wù)器(Server)兩個部分，客戶端只作數(shù)據(jù)采集使用，數(shù)據(jù)的處理在服務(wù)器端進(jìn)行。小區(qū)管理系統(tǒng)的功能包括：顯示用戶終端的上網(wǎng)狀態(tài)，接受并顯示住戶報警，讀取水電氣表數(shù)據(jù)并產(chǎn)生報表，報警日志處理，系統(tǒng)管理等。用戶數(shù)據(jù)終端：用戶終端用來與管理系統(tǒng)通訊、并完成對各種計量信號和報警信號的采集、應(yīng)答主機(jī)的呼叫、回答上網(wǎng)狀態(tài)，并提供操作面板歡迎用戶查詢。

3． 用戶終端硬件結(jié)構(gòu)及RTL8019的配置

3．1用戶終端結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

系統(tǒng)由兩塊單片機(jī)組成，一塊負(fù)責(zé)五表讀數(shù)、遙控器及安防信號的采集工作，另一塊負(fù)責(zé)驅(qū)動RTL8019通訊，并響應(yīng)鍵盤及驅(qū)動液晶顯示。兩塊MCU之間通過串口通訊。

3．2  RTL8019的配置

RTL8019是一款高度集成的以太網(wǎng)控制芯片，它有兩種operation mode：一種是跳線模式j(luò)umper，一種是非跳線模式 jumperless，后者也支持Plug and Play。在單片機(jī)中一般都采用跳線模式選項。I/O端口的基地址由單片機(jī)和8019之間的接線決定，P2.6=8019CS，低電平有效，則 IO_BASE_ADDRESS＝0xBF00。此外8019還具有8個IRQ接口，本系統(tǒng)中沒用到IRQ，采用查詢方式。

8019輸入輸出地址共32個，地址偏移量為00H--1FH（對應(yīng)于BF00H－－BF1FH）。

其中00H－－0FH共16個地址，為寄存器地址，寄存器分成4頁P(yáng)AGE0--PAGE3，與NE2000兼容的寄存器只有3頁(Page0-Page2)，為了保證驅(qū)動程序?qū)λ蠳e2000的網(wǎng)卡有效，不要去操作第四頁的寄存器。
    10H－－17H共8個地址，為DMA地址。
    18H－－1FH共8個地址，為軟復(fù)位端口。8019的硬件復(fù)位很簡單，只需在上電時對RSTDRV輸出一高電平就可以了。8019復(fù)位的過程將執(zhí)行一些操作，比如將93c46讀入，將內(nèi)部寄存器初始化等，至少需要2毫秒的時間。推薦等待更久的時間之后才對網(wǎng)卡操作，比如100毫秒之后才對它操作，以確保完全復(fù)位。

ICS16B=LOW時采用8位DMA操作模式，上面的地址中只有18個是有用的： 00H－－0FH共16個寄存器地址。10H DMA地址（10H－－17H的8個地址是一樣的，都可以用來做DMA端口，只要用其中的一個就可以了）。1FH 復(fù)位地址（18H到1FH共8個地址都是復(fù)位地址，每個地址的功能都是一樣的，只要其中的一個就可以了，但實(shí)際上只有18H、1AH、1CH、1EH這幾個復(fù)位端口是有效的，其他不要使用，有些兼容卡不支持19H、1BH、1DH等奇數(shù)地址的復(fù)位）。

4． 網(wǎng)卡驅(qū)動及TCP/IP協(xié)議棧的簡化

從程序員的角度來說，對8019的操作是比較簡單的，驅(qū)動程序只需要將要發(fā)送的數(shù)據(jù)按一定的格式寫入芯片并啟動發(fā)送命令，8019會自動把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成物理幀格式在物理信道上傳輸。反之，8019收到物理信號后將其還原成數(shù)據(jù)，按指定格式存放在芯片RAM中以便主機(jī)程序取用。簡言之就是8019完成數(shù)據(jù)包和電信號之間的相互轉(zhuǎn)換：數(shù)據(jù)包<===>電信號。以太網(wǎng)協(xié)議由芯片硬件自動完成，對程序員透明。驅(qū)動程序有3種功能：芯片初始化、收包、發(fā)包。

4． 1發(fā)送子程序
bit Transmit(void)
{
CardCopyDown();
XBYTE[IO_BASE_ADDRESS + NIC_COMMAND] = CR_NO_DMA|CR_STOP|CR_PAGE0;//停止8019
XBYTE[IO_BASE_ADDRESS + NIC_INTR_STATUS] = 0xFF;//屏蔽中斷
XBYTE[IO_BASE_ADDRESS + NIC_XMIT_START] = XMIT_START;//設(shè)置發(fā)送開始地址
XBYTE[IO_BASE_ADDRESS + NIC_XMIT_CONFIG] = TCR_NO_LOOPBACK;//設(shè)置為一般模式
XBYTE[IO_BASE_ADDRESS+NIC_DATA_CONFIG]=      DCR_FIFO_8_BYTE|DCR_NORMAL|DCR_BYTE_WIDE;//設(shè)置8位DMA模式
XBYTE[IO_BASE_ADDRESS + NIC_XMIT_COUNT_LSB] = 100;//設(shè)置發(fā)送字長
XBYTE[IO_BASE_ADDRESS + NIC_XMIT_COUNT_MSB] = 0;
XBYTE[IO_BASE_ADDRESS + NIC_COMMAND] = CR_START|CR_XMIT|CR_PAGE0;//啟動8019
return (TRUE);
}

4．2接收子程序
void Receive(void)
{
XBYTE[IO_BASE_ADDRESS + NIC_COMMAND] = CR_NO_DMA|CR_STOP|CR_PAGE0;//停止8019
Wait_xus();
XBYTE[IO_BASE_ADDRESS + NIC_INTR_STATUS] = 0xFF;//屏蔽中斷
XBYTE[IO_BASE_ADDRESS+NIC_DATA_CONFIG]= DCR_FIFO_8_BYTE|DCR_NORMAL|DCR_BYTE_WIDE;//設(shè)置8位DMA方式
XBYTE[IO_BASE_ADDRESS + NIC_RMT_ADDR_LSB] = 0x00; //設(shè)置目的地址和長度
XBYTE[IO_BASE_ADDRESS + NIC_RMT_ADDR_MSB] = PAGE_START;
XBYTE[IO_BASE_ADDRESS + NIC_RMT_COUNT_LSB] = 56;
XBYTE[IO_BASE_ADDRESS + NIC_RMT_COUNT_MSB] = 0x00;
XBYTE[IO_BASE_ADDRESS + NIC_PAGE_START] = PAGE_START; //設(shè)置接收開始地址
XBYTE[IO_BASE_ADDRESS + NIC_PAGE_STOP] = PAGE_STOP; //設(shè)置接收緩沖區(qū)長度
XBYTE[IO_BASE_ADDRESS + NIC_BOUNDARY] = BOUNDARY;//設(shè)置接收邊界
Wait_xus();
XBYTE[IO_BASE_ADDRESS + NIC_RCV_CONFIG] = RCR_BROADCAST;//設(shè)置接收配置
}

4．3協(xié)議的精簡

單片機(jī)中TCP/IP的實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)不同，在PC里可支持比較完整的TCP/IP協(xié)議，但在單片機(jī)里無法做到，這是因為單片機(jī)根本沒有足夠的代碼空間來支持這些協(xié)議。一般在單片機(jī)里實(shí)現(xiàn)與需要有關(guān)的部分，而不使用的協(xié)議則一概不支持。例如文件共享SMB協(xié)議，在UNIX、WINDOWS都支持，但單片機(jī)上卻沒有必要。一般只能在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)：ARP、IP，ICMP、TCP/UDP這些協(xié)議，而更高層的協(xié)議，HTTP、SMTP、FTP一般是不需要支持的。雖然有些單片機(jī)例如AVR上網(wǎng)方案實(shí)現(xiàn)了這些協(xié)議，但實(shí)用性不太。因為單片機(jī)應(yīng)用的TCP/IP協(xié)議大多是為了完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，而不是網(wǎng)頁瀏覽、文件傳輸這些功能。另外由于單片機(jī)資源的有限性，對某一協(xié)議而言，也有可能要作簡化。本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的協(xié)議只有ARP、IP、ICMP、UDP。

a． ARP：MCU只響應(yīng)主機(jī)對它的ARP請求，但不主動發(fā)送ARP請求。

b． ICMP：只實(shí)現(xiàn)一種ICMP信息，即ICMP回應(yīng)信息。

c． IP：IP包最大可達(dá)65k，單片機(jī)中無法存放如此大的數(shù)據(jù)包，因此一般不支持分段，以發(fā)送小數(shù)據(jù)的方式來避免分段。

5． 結(jié)束語

智能小區(qū)是21世紀(jì)小康住宅發(fā)展的高級形式和主流，它的出現(xiàn)是房地產(chǎn)業(yè)和計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通訊和控制等技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物?；赥CP/IP的以太網(wǎng)技術(shù)更是推動智能小區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字化的關(guān)鍵所在。本文以基于TCP/IP技術(shù)的智能小區(qū)家庭智能終端系統(tǒng)的研究為例，詳細(xì)講述了RTL8019網(wǎng)卡芯片的驅(qū)動方法，并給出了單片機(jī)中TCP/IP協(xié)議的精簡方案。本系統(tǒng)已經(jīng)成功地運(yùn)用于多個小區(qū)，其可行性、可靠性和靈活性已經(jīng)得到證實(shí)，并且基于以太網(wǎng)智能小區(qū)系統(tǒng)低廉的造價、簡潔的布線更使得基于TCP/IP的以太網(wǎng)技術(shù)成為了替代傳統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)的一種重要手段。

參考文獻(xiàn)：
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