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摘 要:嵌入式系統是指嵌入到各种产品或工程应用中,以微处理器或微控制器为核心的软硬件系统,近几年嵌入式系统与因特网技术相结合,形成的嵌入式因特网技术是这些年随着网络时代的到来而发展起来的一项新兴技术,各种电子产品通过植入因特网而变的智能,特别是使用嵌入式网关实现互联,是网络的热点之一,对于8位微处理器或嵌入式TCP/IP协议栈组成的互联网关,在智能家电有一定的价值,本文通过嵌入式系统的因特网技术的构成分析了家用电器组网接入因特网的方法。
关键词:嵌入式 Internet 智能家电
中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)04(b)-0034-01
1 引言
随着互联网技术的普及和发展,各种电子设备都与互联网技术相结合,于是形成了嵌入式互联网技术,通过现有的嵌入式系统,新加了网络接口来扩展其功能,使得一些家用电器和便携式电子设备能方便的介入互联网。
2 家用电器连接互联网的分析
基于嵌入式的互联网技术以及控制器局域网总线技术的控制系统,该系统具有因特网的以太网接口,同时也能够通过控制器包括局域网总线与其他的智能设备相连接,这样通过因特网可以远程访问家庭的一切设备并进行控制。嵌入式系统能够连接因特网应具备两个条件,第一是要具有连接因特网络的物理接口,第二是实现因特网上通用的传输控制协议/因特网互联协议。在连接因特网物理接口的选择上,可以选用局域网连接因特网。
该系统的硬件:MUC模块;以太网接口电路;控制器局域网络总线接口;与上位机接口电路;电源电路;工作状态指示电路。MUC资源扩展电路。
3 嵌入式因特网技术实现的形式
利用以太网作为信息的传输媒介,同时利用它巨大的资源实现最佳控制,在最大范围内实现资源共享,传统使用方式是采用PC机+网卡+数据采集卡,进行协议转换,将家电设备采集的数据经过现场测控网接入以太网,把管理的PC机放到以太网中,组成一个自动化的网络控制系统,由于家用对成本的考虑,所以可以以微处理器取代PC机,用网卡控制芯片取代网卡,并且需要一台计算机进行监控,使控制网的成本下降,从而使分布式控制系统而成,由于微处理器的处理能力与存储有限,要实现TCP/IP协议是比较困难的,因此,要对TCP/IP协议进行改进,对上层协议可以进行简化,即可实现原来的TCP.IP协议转变成嵌入式TCP/IP协议,
就目前的情况来看,8/16位的嵌入式系统实现因特网技术主要有三种形式:
1)MCU+专用网络芯片。8位MCU通过精简的TCP/IP连接以太网的方案有AN212O,8052.LPHARD.CZ TCP/IP lean sever等几种方案,通过比较8位MCU作为成熟的微处理器,应用广泛,而且性能价格比较高,开发简单;lwip是免费的软件,用成功移植的先例,因此选用8位MCU和lwip进行硬件和软件的卡发设计。2)ECU直接实现形式。优点:设计灵活,成本低,适应性强.3)EMIT技术。EMIT技术采用桌面计算机或高性能的嵌入式处理器为网关,称为emGateway,上面支持传输控制协议/因特网互联协议运行HTTP服务程序,形成一个用户可以通过浏览器来进行远程访问。emGateway通过RS485,RS232,控制器局域网络等轻量级总线与外设联系起来,每个外设的应用程序中包含一个独立的通信任务,称为emMicro,监测嵌入式设备中预先定义的各个变量,并将结果反馈到emGateway中;同时emMicro还可以解释emGateway的命令,修改设备中的变量或进行某种控制。
4 整体系统框架设计
1)家庭内部网络的构建,内部组建什么样的网络。2)设备采用何种物理接口接入因特网,如今联入因特网的方式有许多种,选择一个合适的连接方式,这是系统设计要解决的又一关键问题。3)设备控制系统采用什么协议接入因特网,因特网发展如此快,主要因为它采用一套开放的通信协议,以提供不同网络上节点计算机之间的通信,这就是 传输控制协议/因特网互联协议,传输控制协议/因特网互联的协议族中选择合适的协议。4)目前家庭联网的方式有很多,从介质传输的形式来分有:有线方式主要电话线,电力线,电缆等;无线方式主要有现在流行的蓝牙技术等,但鉴于家庭电器设备的多样性和复杂性,以及可靠性和低成本的考虑,家电内部联网采用控制器局域网络总线架构,这种总线具有以下特点:控制器局域网络总线为多主方式工作,网络上任以节点均可在任意时刻主动的向网络上其他节点发送信息,不分主次;控制器局域网络总线在仲裁方式上有一定的优先级,级别低的会给级别高的主动让位,防止网络堵塞;控制器局域网络总线在距离上和家庭电子设备比较合适,速率也较快;控制器局域网络总线结构简单,成本较低,而且技术容易掌握。
5 接入因特网方式
以太网对于嵌入式系统具有很强的适应性。首先是稳定性很高,以太网采用的介质是光纤,速度快,性能稳定。其次是实时性强,对于CSMA/CD通信协议所带来的不确定问题,随着以太网的速率提高而得到解决。
传输控制协议/因特网互联协议的封装。传输控制协议/因特网互联协议是分层结构的,每个协议都有自己特定的数据格式,发送数据时,首先添加传输控制协议/因特网互联协议的首部信息并将数据交给下层,下层也要添加自己的首部信息并送交下层,依次直至最后以层协议。这样数据就封装起来了。应用层数据要在以太网进行传输,就必须按照以太网的帧格式进行封装,并且逐级封装,因为UDP,TCP,ICMP等协议都可以向网络的IP协议传送数据,因此,IP数据包中必须对IP的上层协议进行不同的标识。网络层的IP协议,以及地址解析协议ARP都可以向链路层传送数据,因此也必须在以太网的帧首部中加入指明数据来源的类型域。
小型范围内的家电内部组网我们采用控制器局域网络总线,控制器局域网络总线具有实时性强,灵活性高,成本低和可靠性好等特点。因特网的接入方式采用以太网接入因特网,并且以太网技术非常成熟,已经成为了小型局域网的一个标准,也符合小型嵌入式系统的实现。
6 软件设计
软件设计包括神经元芯片和单片机的程序设计,神经元芯片采用Neuron C语言,单片机采用C语言,神经元芯片的程序设计;Neuron C是一种专门为Neuron芯片的程序设计语言,它在标准的C基础上进行了自然扩展,是一个开发LonWorks的有力工具,单片机的程序设计包括网卡驱动程序,移植lwip 协议栈,单片机和神经元芯片的通信程序,用C51语言设计,一网卡驱动程序,二移植lwip协议栈,三网关的软件设计。
关键词:嵌入式 Internet 智能家电
中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)04(b)-0034-01
1 引言
随着互联网技术的普及和发展,各种电子设备都与互联网技术相结合,于是形成了嵌入式互联网技术,通过现有的嵌入式系统,新加了网络接口来扩展其功能,使得一些家用电器和便携式电子设备能方便的介入互联网。
2 家用电器连接互联网的分析
基于嵌入式的互联网技术以及控制器局域网总线技术的控制系统,该系统具有因特网的以太网接口,同时也能够通过控制器包括局域网总线与其他的智能设备相连接,这样通过因特网可以远程访问家庭的一切设备并进行控制。嵌入式系统能够连接因特网应具备两个条件,第一是要具有连接因特网络的物理接口,第二是实现因特网上通用的传输控制协议/因特网互联协议。在连接因特网物理接口的选择上,可以选用局域网连接因特网。
该系统的硬件:MUC模块;以太网接口电路;控制器局域网络总线接口;与上位机接口电路;电源电路;工作状态指示电路。MUC资源扩展电路。
3 嵌入式因特网技术实现的形式
利用以太网作为信息的传输媒介,同时利用它巨大的资源实现最佳控制,在最大范围内实现资源共享,传统使用方式是采用PC机+网卡+数据采集卡,进行协议转换,将家电设备采集的数据经过现场测控网接入以太网,把管理的PC机放到以太网中,组成一个自动化的网络控制系统,由于家用对成本的考虑,所以可以以微处理器取代PC机,用网卡控制芯片取代网卡,并且需要一台计算机进行监控,使控制网的成本下降,从而使分布式控制系统而成,由于微处理器的处理能力与存储有限,要实现TCP/IP协议是比较困难的,因此,要对TCP/IP协议进行改进,对上层协议可以进行简化,即可实现原来的TCP.IP协议转变成嵌入式TCP/IP协议,
就目前的情况来看,8/16位的嵌入式系统实现因特网技术主要有三种形式:
1)MCU+专用网络芯片。8位MCU通过精简的TCP/IP连接以太网的方案有AN212O,8052.LPHARD.CZ TCP/IP lean sever等几种方案,通过比较8位MCU作为成熟的微处理器,应用广泛,而且性能价格比较高,开发简单;lwip是免费的软件,用成功移植的先例,因此选用8位MCU和lwip进行硬件和软件的卡发设计。2)ECU直接实现形式。优点:设计灵活,成本低,适应性强.3)EMIT技术。EMIT技术采用桌面计算机或高性能的嵌入式处理器为网关,称为emGateway,上面支持传输控制协议/因特网互联协议运行HTTP服务程序,形成一个用户可以通过浏览器来进行远程访问。emGateway通过RS485,RS232,控制器局域网络等轻量级总线与外设联系起来,每个外设的应用程序中包含一个独立的通信任务,称为emMicro,监测嵌入式设备中预先定义的各个变量,并将结果反馈到emGateway中;同时emMicro还可以解释emGateway的命令,修改设备中的变量或进行某种控制。
4 整体系统框架设计
1)家庭内部网络的构建,内部组建什么样的网络。2)设备采用何种物理接口接入因特网,如今联入因特网的方式有许多种,选择一个合适的连接方式,这是系统设计要解决的又一关键问题。3)设备控制系统采用什么协议接入因特网,因特网发展如此快,主要因为它采用一套开放的通信协议,以提供不同网络上节点计算机之间的通信,这就是 传输控制协议/因特网互联协议,传输控制协议/因特网互联的协议族中选择合适的协议。4)目前家庭联网的方式有很多,从介质传输的形式来分有:有线方式主要电话线,电力线,电缆等;无线方式主要有现在流行的蓝牙技术等,但鉴于家庭电器设备的多样性和复杂性,以及可靠性和低成本的考虑,家电内部联网采用控制器局域网络总线架构,这种总线具有以下特点:控制器局域网络总线为多主方式工作,网络上任以节点均可在任意时刻主动的向网络上其他节点发送信息,不分主次;控制器局域网络总线在仲裁方式上有一定的优先级,级别低的会给级别高的主动让位,防止网络堵塞;控制器局域网络总线在距离上和家庭电子设备比较合适,速率也较快;控制器局域网络总线结构简单,成本较低,而且技术容易掌握。
5 接入因特网方式
以太网对于嵌入式系统具有很强的适应性。首先是稳定性很高,以太网采用的介质是光纤,速度快,性能稳定。其次是实时性强,对于CSMA/CD通信协议所带来的不确定问题,随着以太网的速率提高而得到解决。
传输控制协议/因特网互联协议的封装。传输控制协议/因特网互联协议是分层结构的,每个协议都有自己特定的数据格式,发送数据时,首先添加传输控制协议/因特网互联协议的首部信息并将数据交给下层,下层也要添加自己的首部信息并送交下层,依次直至最后以层协议。这样数据就封装起来了。应用层数据要在以太网进行传输,就必须按照以太网的帧格式进行封装,并且逐级封装,因为UDP,TCP,ICMP等协议都可以向网络的IP协议传送数据,因此,IP数据包中必须对IP的上层协议进行不同的标识。网络层的IP协议,以及地址解析协议ARP都可以向链路层传送数据,因此也必须在以太网的帧首部中加入指明数据来源的类型域。
小型范围内的家电内部组网我们采用控制器局域网络总线,控制器局域网络总线具有实时性强,灵活性高,成本低和可靠性好等特点。因特网的接入方式采用以太网接入因特网,并且以太网技术非常成熟,已经成为了小型局域网的一个标准,也符合小型嵌入式系统的实现。
6 软件设计
软件设计包括神经元芯片和单片机的程序设计,神经元芯片采用Neuron C语言,单片机采用C语言,神经元芯片的程序设计;Neuron C是一种专门为Neuron芯片的程序设计语言,它在标准的C基础上进行了自然扩展,是一个开发LonWorks的有力工具,单片机的程序设计包括网卡驱动程序,移植lwip 协议栈,单片机和神经元芯片的通信程序,用C51语言设计,一网卡驱动程序,二移植lwip协议栈,三网关的软件设计。