CN103281323A

CN103281323A - 一种基于HomePlug协议与WiFi协议集成的智能家电通讯芯片

Info

Publication number: CN103281323A
Application number: CN2013102116845A
Authority: CN
Inventors: 杨俊杰; 杨柳
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2013-09-04

Abstract

本发明公开了一种基于HomePlug协议与WiFi协议集成的智能家电通讯芯片，其特征在于：所述智能家电通讯芯片由HomePlug协议通讯模块，WiFi协议通讯模块，MPU微处理器模块组成，其中所述HomePlug协议通讯模块和WiFi协议通讯模块一体集成于所述智能家电通讯芯片，用以通过有线和无线通讯方式互补传输数据，所述MPU微处理器模块实现通讯接口所需的软件处理功能。提供了一种上层家电应用软件通过接口函数直接调用的高度集成芯片，嵌入该芯片可以帮助家居电器快速低成本地实现智能化和网络化，通过网络软件功能的更新和完善拓展家电功能，实现智能家居与智能家电一体化，推进IPV6技术应用，使家庭成为物联网的终端。

Description

一种基于HomePlug协议与WiFi协议集成的智能家电通讯芯片

技术领域

本发明涉及电子工程中的微电子技术和网络通讯领域中的HomePlug标准的电力载波通讯和WiFi无线通讯技术的集成，具体涉及一种基于HomePlug协议与WiFi协议集成的智能家电通讯芯片。

背景技术

目前智能家居通讯领域采用的技术纷繁杂冗，主要有POWER-BUS技术、X10电力载波、WiFi、红外、蓝牙、Zigbee等等，各种技术难以互通，统一的智能家居解决方案没有形成，阻碍了智能家居的普及。

目前智能家电通讯主要采用单一WiFi，少数采用单一HomePlugAV。采用WiFi通讯导致智能家电存在通讯不稳定、不可靠、容易受微波炉等电器影响和墙壁楼层阻隔影响；采用HomeplugAV导致产品成本高企，无法为广大用户接受。

现有技术已经实现500Mbps的HomePlugAV产品和9.8Mbps的HomePlugGP；但将WiFi与HomePlugAV、HomePlugGP集成的电子设备还没有出现。

传统家电智能化和网络化无法普及，除了[0002]所述通讯技术不统一的原因外，家电厂商实现智能化也面临开发周期长，硬件成本高的困难。

发明内容

本发明提供一一种基于HomePlug协议与WiFi协议集成的智能家电通讯芯片，以解决现有智能家电通讯技术不稳定不可靠、无法互联互通、不便管理维护或成本高企难以普及的缺点。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案包括：

一种基于HomePlug协议与WiFi协议集成的智能家电通讯芯片，其特征在于：所述智能家电通讯芯片由HomePlug协议通讯模块，WiFi协议通讯模块，MPU微处理器模块组成，其中所述HomePlug协议通讯模块和WiFi协议通讯模块一体集成于所述智能家电通讯芯片，用以通过有线和无线通讯方式互补传输数据，所述MPU微处理器模块实现通讯接口所需的软件处理功能。 WiFi作为在PLC通信异常下的自适应补充通信，在非标准家居电力线系统（有两条或三条分离的电力线，而有的电力线被开关或特殊装置断开）或电力线通信工作不正常（如吹风机，吸尘器造成噪声太大）的情况下，立即取代PLC进行通信；

MPU微处理器模块的集成：MPU微处理器实现通讯接口所需的软件处理功能，所有软件都有接口函数以便上层家电应用软件进行调用。

优选的，所述MPU微处理器模块留有代码和数据存储空间，用以不需额外MPU或存储器件便可直接编程来对传统家电进行智能化和网络通讯化的升级。

优选的，所述HomePlug协议通讯模块采用的协议为高带宽协议和中低带宽协议，所述高带宽协议和中低带宽协议在同一电力线上共存并通信。使得所有不同带宽需求的智能家电和智能家居产品共享同一电力线并相互控制，互不干扰。HomePlugAV与WiFi的集成通信芯片，用于高带宽（＞200Mbps）电子系统接入家居网络，如IP电视，电脑，监视摄像头，IP音响等；该集成装置也用于家庭网关/路由器和家居系统的连接； HomePlugGP与WiFi的集成通信芯片，用于中低带宽（2--9.8Mbps）电子系统家居网络，如洗衣机，冰箱，空调，电子门锁，LED灯光系统，自来水电子阀门，煤气电子阀门，电子温度计，太阳能面板，智能面板等。

优选的，所述HomePlug协议通讯模块包括PLC模拟前端，PLC物理层，PLC数据链路层，所述WiFi通协议通讯模块包括：WiFi模拟前端，WiFi物理层，WiFi数据链路层；其中在所述PLC数据链路层和所述WiFi数据链路层上共享同一TCP/IP网络层。这样的好处在于：

1) 不需要分离的网络层以节省硬件；

2) 对单一的家电单元，生成的有效数据在网络层便于处理；

3) 使得在PLC和WiFi之间的数据转发比较容易，使得该通用芯片可以作为通讯桥架的功能使用；

4) TCP/IP的格式方便与家电接入因特网。

优选的，所述智能家电通讯芯片还包括一软件模块，所述软件模块包括通用芯片软件接口函数以及家电相关的应用软件。其中所述通用芯片软件接口函数作为通用芯片已完成的一部分提供给传统家电厂商；在协议堆栈的最高一层，家电厂商利用芯片已有的微处理器（MPU）和代码/数据存储器（ROM/RAM）开发家电相关的应用；大部分家电产品的设计电路板已包括老的MPU和RAM/ROM以及老的软件，使用该通用芯片可以省下老的MPU以及存贮器RAM/ROM，而且可以将大部分传统的应用程序移植到通用芯片。

优选的，还包括一电子单元模块，所述电子单元模块与所述智能家电通讯芯片同属于同一家庭网络，所述电子单元模块的任何电子单元都存在开放接口，用以接收并发送信号；所述电子单元模块的任一单元接收多个其它单元发来的信号并同时发送信号。

优选的，还包括一电子单元模块，所述电子单元模块与所述智能家电通讯芯片同属于同一家庭网络，所述电子单元模块的任何电子单元都存在开放接口，任一电子单元向系统外部远程目标发送或接收信号。

优选的，所述电子单元之间的数据交换使用TCP/IP的格式，同时与Internet进行数据交换。

优选的，所述数据交换通过远程控制器件设置或所述电子单元的控制界面上进行本地设置。

本发明芯片的软件部分包括通用芯片软件接口函数以及家电相关的应用软件；其中通用芯片软件接口函数是作为通用芯片已完成的一部分提供给传统家电厂商；家电厂商在此基础上利用通用芯片已有的微处理器（MPU）和代码/数据存储器（ROM/RAM）开发家电相关的应用，这属于协议堆栈的最高一层。对于大部分传统家电厂商来说，大部分设计电路板已包括老的MPU和RAM/ROM以及老的软件，使用该通用芯片他们可以省下老的MPU以及存贮器RAM/ROM，而且可以将大部分传统的应用程序移植到通用芯片；为了使得不同要求的传统家电厂商都能使用通用芯片的MPU以及存贮资源，对于MPU的代码存储器和数据存储器作如下设置：

1) 代码存储器（ROM）和数据存储器（RAM）有各自的地址空间和分离的总线以及寻址方式；

2) 根启动程序（Bootloader）由通用芯片一起提供，Bootloader的开始地址为0x000000;

3) 家电应用程序从根启动程序（Bootloader）结束后的地址开始；所以家电应用程序总共可以使用的地址空间为：总的代码存贮器空间--Bootloader所占用的代码空间。

4) 通用芯片提供一段例行程序作为主程序（Main），该例行程序可用于家电厂商最初始调试时使用，以用于验证通讯信道的畅通以及和主机之间的通讯；家电厂商开发的家电应用程序将覆盖该例行程序；家电应用程序的主函数（Main）也将覆盖该例行程序的主函数；覆盖后家电程序主函数（Main）入口地址和原例行程序的主函数入口地址一致，这样Bootloader跳转地址固定不变。

附图说明

图1为本发明智能家电通讯芯片内部模块结构示意图。

图2为本发明智能家电通讯芯片和家电控制应用之间的接口示意图。

图3为本发明智能家电通讯芯片的存贮空间的管理和分配示意图。

图4 为由智能家电通讯芯片所构成的家居电子交换系统示意图。

如下具体实施方式将结合附图进行说明。

具体实施方式

本发明的核心为：将PLC与WiFi集成通信技术应用于智能家居和智能家电上，通过HomePlugAV解决高速率家电的通信，通过HomePlugGP解决中低速率家电的通信，通过WiFi自适应补充通信来实现家庭网与因特网的无缝交流和远程控制，大幅度兼容通信设备，降低通信成本，提高通信性能的目的。

为实现该集成的智能家电通讯芯片，在通讯部分该芯片包含HomePlug协议和WiFi协议的模块。如图1显示PLC HomePlug协议的模块包括：PLC模拟前端（AFE 101），PLC物理层（PHY 102），PLC数据链路层（MAC 103）；在同一芯片内部实现的WiFi通讯协议的模块包括：WiFi模拟前端（AFE 104），WiFi物理层（PHY 105），WiFi数据链路层（MAC 106）；在PLC数据链路层（MAC 103）和WiFi数据链路层上（MAC 106）共享同一TCP/IP网络层（107）。

图1中除了协议层的硬件外，还有微处理器（111)和存贮器(110)，提供软件函数的接口(108)和高层家电应用软件(109)的实现。微处理器（111）和存贮器（110）都使用标准接口，在保证通讯协议处理资源的同时也便于家电厂商编程使用。

图2 显示了传统家电商利用该通用芯片进行通讯智能化升级所必需进行的修改。该通用芯片通过PLC通讯模块（201）和WiFi通讯模块（203）提供直接的电力线（204）和无线（205）的接口，和家电用户端则直接和家电驱动硬件（208）接口；而对于MPU微处理器和存贮器（202），直接由芯片提供的通讯软件接口模块（206）驱动，在此基础上该软件接口模块（206）为家电应用程序（207）提供服务。

图3 显示了通用芯片内部MPU的代码存储器和数据存储器设置如下：

1）代码存储器（ROM）和数据存储器（RAM）有各自的地址空间和分离的总线以及寻址方式；

2）根启动程序（Bootloader 301）由通用芯片一起提供，Bootloader的开始地址为0x000000;

3）家电应用程序（303）从根启动程序（Bootloader）结束后的地址开始；所以家电应用程序总共可以使用的地址空间（303）为：总的代码存贮器空间-Bootloader所占用的代码空间

4）通用芯片提供一段例行程序作为主程序（Main），该例行程序可用于家电厂商最初始调试时使用，以用于验证通讯信道的畅通以及和主机之间的通讯；家电厂商开发的家电应用程序将覆盖该例行程序；家电应用程序（303）的主函数（Main）也将覆盖该例行程序的主函数；覆盖后家电程序主函数（Main）入口地址和原例行程序的主函数入口地址一致，这样Bootloader跳转地址可以固定不变。

使用该通用芯片构成的整个交互式家居系统的连接如图4所示。所有的家居电子单元通过SPI标准总线接口连接到PLC/WiFi通讯模块（401），然后连接到电力线（416）。PLC/WiFi通讯模块通过GP或AV字符来指明是HomePlugGP还是HomePlugAV模块。路由器/网关通过HomePlugAV/WiFi模块连接到电力线，提供家居系统到因特网的接口。每个家居电子系统根据其自身特性选用合适带宽的集成模块（HomePlugAV/WiFi或HomePlugGP/WiFi模块）。在该图中显示了一些典型的家用电子系统的带宽选择：

监控摄像机（402）使用HomePlugAV/WiFi；

电子门锁（403）使用HomePlugGP/WiFi；

IP电视（404）使用HomePlugAV/WiFi；

IP音响（405）使用HomePlugAV/WiFi；

LED灯光系统（406）使用HomePlugGP/WiFi；

电子温度计（407）使用HomePlugGP/WiFi；

空调（408）使用HomePlugGP/WiFi；

煤气探测器（409）使用HomePlugGP/WiFi；

自来水电子阀门（410）使用HomePlugGP/WiFi；

煤气电子阀门（411）使用HomePlugGP/WiFi；

路由器/网关（413）使用HomePlugAV/WiFi；

系统初始化时，HomePlugAV和HomePlugGP器件会根据HomePlug协议按先后顺序或用户指定选择一个通讯模块节点作为中央控制单元（CCO），中央控制单元能对电力线上的交流信号进行过零探测，并按此发送信标信号（Beacon）到各节点进行时钟同步。然后电力线通讯资源分配按照时分/优先级的方式来进行。基本上来说，HomePlugGP通讯占据电力线信道时间不超过7%，而大部分时间由HomePlugAV节点使用，以满足高带宽家居电子系统在服务质量（QoS）上的要求。

远程控制通过如下方式来进行（图4）：手机或电脑控制终端（415）软件程序在指定时间点发出指令，该指令会被解释并通过因特网（414）到达家庭路由器（413）然后送到相应的电子单元节点。有些电子单元设定为发送信号主体（如404），而有些电子单元则为接受/被控制单元（如405和406）；发送单元送出的信号通过PLC/WiFi信道的传输到达接收电子单元来完成一个控制指令的操作；这样通过一系列时序点的操作来实现家居电子系统点对点之间的通讯和控制。

为了保证任何电子单元之间都能相互通信，所以每个电子单元都实行开放的接口，既能接收也能发送信号（但发送接收不能同时进行）；一个单元可以接收多个其他单元发来的信号（分时），也可以同时向多个目标发送信号。为了实现远程控制和交互，每个单元也可以想远程目标单元发送或接收信号（如邻居或办公室电子系统）；

虽然结合附图对本发明的实施方式进行说明，但本领域技术人员可以在所附权利要求范围内作出各种变形或修改来构成类似产品。

Claims

1.一种基于HomePlug协议与WiFi协议集成的智能家电通讯芯片，其特征在于：所述智能家电通讯芯片由HomePlug协议通讯模块，WiFi协议通讯模块，MPU微处理器模块组成，其中所述HomePlug协议通讯模块和WiFi协议通讯模块一体集成于所述智能家电通讯芯片，用以通过有线和无线通讯方式互补传输数据，所述MPU微处理器模块实现通讯接口所需的软件处理功能。

2.如权利要求1所述的一种基于HomePlug协议与WiFi协议集成的智能家电通讯芯片，其特征在于：所述MPU微处理器模块留有代码和数据存储空间，用以不需额外MPU或存储器件便可直接编程来对传统家电进行智能化和网络通讯化的升级。

3.如权利要求1所述的一种基于HomePlug协议与WiFi协议集成的智能家电通讯芯片，其特征在于：所述HomePlug协议通讯模块采用的协议为高带宽协议和中低带宽协议，所述高带宽协议和中低带宽协议在同一电力线上共存并通信。

4.如权利要求3所述的一种基于HomePlug协议与WiFi协议集成的智能家电通讯芯片，其特征在于：所述HomePlug协议通讯模块包括PLC模拟前端，PLC物理层，PLC数据链路层，所述WiFi通协议通讯模块包括：WiFi模拟前端，WiFi物理层，WiFi数据链路层；其中在所述PLC数据链路层和所述WiFi数据链路层上共享同一TCP/IP网络层。

5.如权利要求3所述的一种基于HomePlug协议与WiFi协议集成的智能家电通讯芯片，其特征在于：所述智能家电通讯芯片还包括一软件模块，所述软件模块包括通用芯片软件接口函数以及家电相关的应用软件。

6.如权利要求3所述的一种基于HomePlug协议与WiFi协议集成的智能家电通讯芯片，其特征在于：还包括一电子单元模块，所述电子单元模块与所述智能家电通讯芯片同属于同一家庭网络，所述电子单元模块的任何电子单元都存在开放接口，用以接收并发送信号；所述电子单元模块的任一单元接收多个其它单元发来的信号并同时发送信号。

7.如权利要求3所述的一种基于HomePlug协议与WiFi协议集成的智能家电通讯芯片，其特征在于：还包括一电子单元模块，所述电子单元模块与所述智能家电通讯芯片同属于同一家庭网络，所述电子单元模块的任何电子单元都存在开放接口，任一电子单元向系统外部远程目标发送或接收信号。

8.如权利要求6或7所述的一种基于HomePlug协议与WiFi协议集成的智能家电通讯芯片，其特征在于：所述电子单元之间的数据交换使用TCP/IP的格式，同时与Internet进行数据交换。

9.如权利要求8所述的一种基于HomePlug协议与WiFi协议集成的智能家电通讯芯片，其特征在于：所述数据交换通过远程控制器件设置或所述电子单元的控制界面上进行本地设置。