CN1549520A - 智能家居系统中通用简化的网关设备实现方法 - Google Patents

Abstract

一种智能家居系统中通用简化的网关设备实现方法。该方法采用家庭总线通信控制器、社区网或广域网通讯控制器和单片机控制处理模块构成网关设备。网关设备的工作方式是仅对家庭控制网与社区网或广域网之间传输的信息，按物理层和数据链路层协议进行转换。本发明构建的网关设备，配置很低，基本上只有一台个人计算机百分之五的成本，可使家庭控制网的构建成本大幅度降低，使社区网或互联网用户对家庭控制网内各电器设备进行控制成为现实。本发明具有资源占用少，实施成本低，易于实施，实施效果好的特点，可广泛应用于家庭控制网，远程集中抄表系统，安防集中控制报警系统或类似的集中控制系统中，作为区域的集中远程接入设备。

Description

智能家居系统中通用简化的网关设备实现方法

技术领域

本发明涉及一种智能家居系统的控制方法，特别是一种在社区网或广域网上对家庭控制网中的电器设备进行控制的方法。

背景技术

利用信息化了的电器设备构建的家庭控制网(又称家庭控制系统或智能家居系统)。例如用配置了有单片机的电视机，电冰箱，微波炉，个人计算机，由单片机集中监控的电灯、插座、电炉等设备构建的家庭控制网。由于网内各电器设备具有CPU处理功能(即被信息化了)的特点，因此，通过一个网关设备使社区网或互联网上的用户对家庭控制网内各电器设备进行控制成为可能。但目前的网关设备通常不仅要求具有对不同网络系统间数据格式、传输速率和媒体驱动方式等协议的转换和通信转发的功能，还要具有网络控制器、浏览器或网络服务器的功能。这样的网关设备，其配置很高，基本上具有一台个人计算机的功能，用于智能家居系统中，会使家庭控制网的构建成本很高，难以被广大家庭接受。然而，一种既能满足远程用户对家庭控制网内各电器设备进行监控的要求，仅仅具有网络物理层协议转换和通信转发的功能，而又不需要过多增加家庭控制网用户(即家庭)的开支以实现控制的经济化、大众化的网关设备，目前还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种智能家居系统中通用简化的网关设备实现方法。按本发明构建的网关设备，其配置很低，基本上只有一台个人计算机百分之五的成本，用于智能家居系统中，可使家庭控制网的构建成本大幅度降低，使社区网或互联网用户对家庭控制网内各电器设备进行控制成为现实。

本发明是这样实现的。智能家居系统中通用简化的网关设备实现方法，其特征在于：该方法是采用家庭总线通信控制器、社区网或广域网通讯控制器和单片机控制处理模块构成网关设备。

上述的智能家居系统中通用简化的网关设备实现方法。所述的家庭总线通信控制器采用家庭总线端口收发控制模块及家庭总线接口组成，家庭总线通信控制器是一种串行接口总线通信控制器，家庭总线端口收发控制模块的构成包括接口部分，总线部分和通信逻辑控制部分；接口部分的构成包括接口端串行异步收发单元和与其相接的数据缓冲处理单元1；总线处理部分的构成包括总线端串行异步收发单元和与其相接的数据缓冲处理单元2；通信逻辑控制部分包括通信控制单元、错误计数和错误处理电路，载波监听多路访问冲突监测电路；其中接口部分与单片机的异步串行通信接口连接，实现与单片机收发通信；总线部分与家庭控制总线连接，完成与家庭控制网中的电器设备进行收发通信，并将传输的信息按家庭总线的帧格式进行打包或解包；社区网或广域网通信控制器采用对应的社区网或广域网端口通信收发控制器电路和接口组成，其中，社区网采用对应的社区网通信控制器电路，互联网或电话网采用相应的调制解调电路组成；社区网或广域网端口收发控制器与单片机的并行通信接口连接，实现与单片机收发通信，其网端接口部分与社区网或广域网线连接，实现与远程用户进行收发通信，并将传输的信息按社区网或广域网的帧格式进行打包或解包；单片机控制处理模块采用单片机、外接随机存储器、可擦写的配置存储器及监控电路组成；单片机控制处理模块实现网关设备上电后的自举启动、各个模块的初始化、将家庭总线端口和外部网端口初始化并置于监听状态、随时等待接收两端发来的请求信号。

前述的智能家居系统中通用简化的网关设备实现方法。所述的家庭总线端口收发控制模块中，接口端串行异步收发单元的构成包括接口端串行异步收发器，与收发器相接的串—并转换电路和并—串转换电路；所述的数据缓冲处理单元1的构成包括接口接收数据缓冲区和接口发送数据缓冲区；所述的总线端串行异步收发单元的构成包括总线端串行异步收发器，与其相接的并—串转换电路和串—并转换电路；所述的数据缓冲处理单元2的构成包括总线发送数据缓冲区和总线接收数据缓冲区；所述的通信控制单元包括，发送控制寄存器堆，累加和校验电路，循环冗余码生成电路，接收控制寄存器堆，累加和生成电路，地址检查电路，循环冗余码校验电路，超时检查电路。

前述的智能家居系统中通用简化的网关实现方法。所述的家庭总线端口收发控制模块中；接口接收数据缓冲区包括数据缓冲区1、接口缓冲区控制电路1；接口发送数据缓冲区包括数据缓冲区2、接口缓冲区控制电路2；总线发送数据缓冲区包括数据缓冲区3、总线缓冲区控制电路1；总线接收数据缓冲区包括数据缓冲区4、总线缓冲区控制电路2；接收控制寄存器堆包括帧特征字寄存器堆2、接口发送控制寄存器堆、总线接收控制寄存器堆、应答电路2和应答电路4；发送控制寄存器堆包括帧特征字寄存器堆1、接口接收控制寄存器堆、总线发送控制寄存器堆、应答电路1和应答电路3；接口端串行异步收发器包括接口异步收发器(UART)、帧格式打包电路1、帧格式解包电路1；总线端串行异步收发器包括总线异步收发器(UART)、帧格式打包电路2、帧格式解包电路2。

前述的智能家居系统中通用简化的网关设备实现方法。网关设备的工作方式是，网关设备仅对家庭控制网与社区网或广域网之间传输的信息，按物理层和数据链路层协议进行转换。

与现有技术比较，本发明根据智能家居系统的特点，提供了一种在社区网或广域网上对家庭控制网中的电器设备进行控制的简化方法和产品。这种控制方法既能满足远程用户对家庭控制网内各电器设备进行监控的要求，又不需要过多增加家庭控制网用户的开支，可以实现家庭控制网远程控制的经济化、大众化。应用本发明，现有的智能家居系统较容易实现在远程的浏览器上对家庭控制网内的电器设备进行直观的控制操作。本发明具有资源占用少，实施成本低，易于实施，实施效果好的特点，可广泛应用于家庭控制网，远程集中抄表系统，安防集中控制报警系统或类似的集中控制系统中，作为区域的集中远程接入设备。

附图说明

附图1是实施本发明的网关设备构成及网络构建示意图；

附图2本发明的网关设备结构框图；

附图3是家庭总线端口收发控制模块的电路结构框图1；

附图4是家庭总线端口收发控制模块的电路结构框图2；

附图5是家庭总线端口收发控制模块的电路结构框图3；

附图6是网关设备的电路原理图；

附图7是本发明的设备初始化程序流程框图；

附图8是本发明的通信过程程序流程框图。

具体实施方式

实施例：智能家居系统中通用简化的网关设备实现方法，如附图1所示，该方法采用家庭总线通信控制器、社区网或广域网通信控制器和单片机控制处理模块构成网关设备。以实现家庭控制网与社区网或广域网之间的信息传输。

如附图2所示，家庭总线通信控制器采用家庭总线端口收发控制模块及家庭总线接口组成。家庭总线通信控制器是一种串行接口总线通信控制器，家庭总线端口收发控制模块的构成包括接口部分，总线部分和通信逻辑控制部分。如附图3所示，接口部分的构成包括接口端串行异步收发单元和与其相接的数据缓冲处理单元1；总线处理部分的构成包括总线端串行异步收发单元和与其相接的数据缓冲处理单元2；通信逻辑控制部分包括通信控制单元、错误计数和错误处理电路，载波监听多路访问冲突监测电路；其中接口部分与单片机的异步串行通信接口连接，实现与单片机收发通信；总线部分与家庭控制总线连接，完成与家庭控制网中的电器设备进行收发通信，并将传输的信息按家庭总线的帧格式进行打包或解包。社区网或广域网通信控制器采用对应的网络通信控制器电路和接口组成。如社区网采用以太网(本例即采用以太网)，对应的社区网通信控制器则采用以太网通信控制器电路构成；互联网或电话网的通信控制器则采用相应的调制解调电路组成。社区网或广域网端口收发控制器与单片机的并行通信接口连接，实现与单片机收发通信，其网端接口部分与社区网或广域网线连接，实现与远程用户进行收发通信，并将传输的信息按社区网或广域网的帧格式进行打包或解包；单片机控制处理模块采用单片机、外接随机存储器、可擦写的配置存储器及监控电路组成；单片机控制处理模块实现网关设备上电后的自举启动、各个模块的初始化、将家庭总线端口和外部网端口初始化并置于监听状态、随时等待接收两端发来的请求信号。

如附图4所示，家庭总线端口收发控制模块的接口端串行异步收发单元的构成包括接口端串行异步收发器，与收发器相接的串—并转换电路和并—串转换电路；数据缓冲处理单元1的构成包括接口接收数据缓冲区和接口发送数据缓冲区；总线端串行异步收发单元的构成包括总线端串行异步收发器，与其相接的并—串转换电路和串—并转换电路；数据缓冲处理单元2的构成包括总线发送数据缓冲区和总线接收数据缓冲区；通信控制单元包括，发送控制寄存器堆，累加和校验电路，循环冗余码生成电路，接收控制寄存器堆，累加和生成电路，地址检查电路，循环冗余码校验电路，超时检查电路。

如附图5所示，家庭总线端口收发控制模块的接口接收数据缓冲区包括数据缓冲区1、接口缓冲区控制电路1；接口发送数据缓冲区包括数据缓冲区2、接口缓冲区控制电路2；总线发送数据缓冲区包括数据缓冲区3、总线缓冲区控制电路1；总线接收数据缓冲区包括数据缓冲区4、总线缓冲区控制电路2；接收控制寄存器堆包括帧特征字寄存器堆2、接口发送控制寄存器堆、总线接收控制寄存器堆、应答电路2和应答电路4；发送控制寄存器堆包括帧特征字寄存器堆1、接口接收控制寄存器堆、总线发送控制寄存器堆、应答电路1和应答电路3；接口端串行异步收发器包括接口异步收发器(UART)、帧格式打包电路1、帧格式解包电路1；总线端串行异步收发器包括总线异步收发器(UART)、帧格式打包电路2、帧格式解包电路2。

附图6是本发明的一种网关设备的电路原理图，图中的芯片U4即为家庭总线端口收发控制模块，它是一种串行接口总线通信控制器。

网关设备的工作方式是，网关设备仅对家庭控制网与社区网或广域网之间传输的信息，按物理层和数据链路层协议进行转换。

由于现有家庭控制系统中，各控制对象的单片机中都有一个可编程的具有UART(异步收发器)功能的全双工串行通信接口闲置未用，因此将串行接口总线通信控制器与此通信接口相接，既不用改造现有控制对象，又利用了控制对象闲置的资源，并且采用串行接口通信方式，连线只有几根，而采用并行接口通信方式，则需要十几根。

家庭总线通信控制器的工作原理：家庭总线采用通用异步串行通信的方式向家庭总线通信控制器的异步串行接口IRX发送含有起始符、数据长度、控制命令字、目标地址、数据块、校验和以及结束符的帧序列。经过串行接口总线通信控制器内部接口端串行异步收发器，还原成8位的位流，由串—并转换电路变为并行数据存入接口接收数据缓冲区。同时，送累加和校验电路，确定传输数据是否正确无误，将结果送发送控制寄存器堆。发送控制寄存器堆从接口接收数据缓冲区中提取控制命令字、目标地址和传输数据，并存入总线发送数据缓冲区，加入本地地址，同时通过循环冗余码生成电路把校验码存入校验字段，并组织总线传输帧。(总线传输帧是具有起始符、目标地址、本地地址、控制命令字、长度、数据块、校验字段和结束符的帧序列。)发送控制寄存器堆根据不同的控制字决定将数据发送到总线是采用广播方式还是信息传递方式，启动发送。根据载波侦听多址访问冲突检测提供的信号，当为总线空闲，允许发送，则启动发送。总线发送数据缓冲区将数据送并—串转换电路形成串行序列。最后由总线端串行异步收发器经异步串行总线接口BTX向通信总线发送总线传输帧。发送过程中采用“边说边听”的方式确定是否发送成功，具体是由异步串行总线接口的BRX收到发送到总线的位序列和发送的位序列输入到载波侦听多址访问冲突检测电路比较是否一致。如果一致，则继续发送；如果不一致则立即通知发送控制寄存器堆和错误计数错误处理电路，停止发送。如果错误计数溢出，则进行错误处理，停止发送、产生出错标志等。

相反，如果通信总线发来一传输帧序列，首先经过异步串行总线接口BRX输入到总线端串行异步收发器，还原为8位的位流，送串并转换电路、循环冗余码校验电路、超时检查电路。串—并转换后则存入总线接收数据缓冲区；循环冗余码检验电路得到结果后送接收控制寄存器堆，确定传输帧是否有效；超时检查电路则提供帧序列是否结束的信号，使整个接收电路能够准确复位，进入新的等待接收状态。地址检查电路则从总线接收数据缓冲区中提取目标地址字段与本地地址比较，确定是发往本地的传输帧。由接收控制寄存器堆拷贝总线接收数据缓冲区中目标地址、控制命令字和数据块存入接口发送数据缓冲区。同时由累加和生成电路得到校验和，也存入接口发送数据缓冲区。接收控制寄存器堆启动接口发送，接口发送数据缓冲区数据经并串转换电路形成8位位流，送入接口端串行异步收发器经异步串行接口ITX发往设备。

帧特征字寄存器堆1是根据帧解包的结果，将代表帧的特征字存储到相应的寄存器堆，如命令字、帧长度、源地址、目的地址、本地更新地址、本地更新控制寄存器等。接口发送控制寄存器堆是控制接口发送接口缓冲区控制电路2何时启动工作；判断接口发送条件，启动发送；控制累加和生成(累加和生成模块)；控制接口帧格式打包(帧格式打包1)。总线接收控制寄存器堆是校验接收帧正误，判断帧头、帧尾，判断循环冗余码(循环冗余码校验模块)，判断信息位长度，判断接收超时(超时检查模块)，通过源地址、目的地址，判断帧发送方向；监察接口状态，判断是否向接口搬移帧信息；控制总线接收数据缓冲区控制模块2何时启动工作。帧特征字寄存器堆模块2根据帧解包的结果，将代表帧的特征字存储到相应的寄存器堆，如命令字、帧长度、源地址、目的地址、本地更新地址、本地更新控制寄存器等。接口接收控制寄存器堆是校验接收帧正误，判断帧头、帧尾，判断累加和(累加和检查模块)，判断帧长度，判断接收超时(超时检查模块)；监察总线状态，判断是否向总线搬移帧信息；控制接口缓冲区控制电路1何时启动工作。总线发送控制寄存器堆是控制总线缓冲区控制模块1何时启动工作；判断总线发送条件，启动发送；控制循环冗余码生成(循环冗余码生成模块)；控制总线帧格式打包(帧格式打包模块)。数据缓冲区包含接口接收数据缓冲区、接口发送数据缓冲区、总线接收数据缓冲区、总线发送数据缓冲区4块RAM，每块大小为8*32bit。缓冲区控制电路用于产生数据缓冲区(RAM)的读写控制信号、读写地址和清空缓冲区信号。帧结构解包模块是根据不同类型帧结构的特点，对帧数据进行解包。帧结构打包模块是根据不同类型帧结构的特点，对帧数据进行打包。异步收发器(UART)模块是接收和发送标准起止式字符结构，一个起始位、8位数据位和一个停止位。采样频率为接口波特率的十六分之一。如果字符结构错误，接口端自动丢弃；总线端则进行致命错误检测(致命错误检测模块)应答判断模块：对接收的应答帧进行相应的处理；对非应答帧的校验结果进行相应的应答处理；对芯片设置帧进行应答和软复位(只有接口有此功能)；根据总线应答情况控制接口启动发送传输应答帧(只有总线有此功能)。载波监听、冲突检测模块用于实时监听总线，冲突检测，判断地址优先级。致命错误检测电路是当固定格式的字符结构含有一个或多个非法位时，则检测到一个形式错误，当累计到128个形式错误时产生总线错误(致命错误)。并控制接口发送控制寄存器堆启动接口发送传输致命错误帧。

网关设备的工作过程：网关设备仅对家庭控制网与社区网或广域网之间传输的信息按物理层和数据链路层协议转换。每个家庭控制网中信息化了的电器设备的各种信息代码，传至网关设备时，网关设备可以不对这些信息进行处理和分类，而是将其按社区网或广域网的物理层和数据链路层协议进行转换，传送给社区服务器或广域网用户，由社区服务器或广域网用户自己转换为网页代码和浏览器的主页面；用户在浏览器的控制页面上选定明确的控制操作后，将链接的设备控制特征信息和控制代码传送至该网关设备，网关设备将这些控制特征信息和控制代码，按物理层和数据链路层协议进行转换后转发至被选定的电器设备，并将所选定电器设备执行结果的信息代码，转发到远程用户，由远程用户转换成网页代码和用户的浏览器页面信息。当然，网关设备也可根据需要，对所转换的信息进行一些处理和分类及存储。

上电后，如附图7所示，首先对设备各模块进行初始化：

CPU从配置EEPROM中读入初始化参数，对相关模块和端口进行初始化：

初始化单片机系统的串行口，定时器，中断系统。

初始化以太网通信控制器。

设置家庭总线端的IP地址及端口号；设置以太网通信控制器端的IP地址、子网掩码及以太网端端口号。

设置家庭总线通信控制器芯片U4的串口和总线的波特率。初始化通信接口芯片的写工作ID，开放总线，局部广播允许。

初始化家庭总线端串口使其处于监听状态。

初始化后，如附图8所示，设备发出请求的通信过程如下：

单片机首先判断是否收到从家庭总线控制器芯片发来的数据帧，如果收到一帧数据，先判断接收到的数据帧是否正确，如果接收正确，(接收错误发出错应答帧)立即要申请和以太网远端用户PC建立一个连接，在连接建立后，(如果建立连接失败，则丢弃这一帧数据)把数据帧传送到远端；这时再检测是否收到从远端发来的数据帧如果有的话，在接收后转发到家庭总线通信控制器。在转发完之后再检测家庭总线端串口是否收到新的数据帧。如果收到新的数据帧，接下来就要把新收到的数据帧也发送到远端用户PC，在延时一段时间后确认家庭总线端串口接收缓冲区内无数据后，关闭已建立的连接。

在监听端口的过程中，如果有以太网远端用户PC发来的建立连接的请求，则响应这个连接请求。在这时检测是否收到远端用户PC发来的数据帧，如果收到，立即转发到家庭总线通信控制器的串口，转发完之后，把收到发自家庭总线控制器的回应帧转发给远端用户PC。同时检测串口是否收到从家庭总线通信控制器发来的数据帧，如果有则立即转发到远端PC。在执行完这一步后等待远端PC关闭这个连接。

Claims (5)

1、智能家居系统中通用简化的网关设备实现方法，其特征在于：该方法是采用家庭总线通信控制器、社区网或广域网通讯控制器和单片机控制处理模块构成网关设备。

2、根据权利要求1所述的智能家居系统中通用简化的网关设备实现方法，其特征在于：所述的家庭总线通信控制器采用家庭总线端口收发控制模块及家庭总线接口组成，家庭总线通信控制器是一种串行接口总线通信控制器，家庭总线端口收发控制模块的构成包括接口部分，总线部分和通信逻辑控制部分；接口部分的构成包括接口端串行异步收发单元和与其相接的数据缓冲处理单元1；总线处理部分的构成包括总线端串行异步收发单元和与其相接的数据缓冲处理单元2；通信逻辑控制部分包括通信控制单元、错误计数和错误处理电路，载波监听多路访问冲突监测电路；其中接口部分与单片机的异步串行通信接口连接，实现与单片机收发通信；总线部分与家庭控制总线连接，完成与家庭控制网中的电器设备进行收发通信，并将传输的信息按家庭总线的帧格式进行打包或解包；社区网或广域网通信控制器采用对应的社区网或广域网端口通信收发控制器电路和接口组成，其中，社区网采用对应的社区网通信控制器电路，互联网或电话网采用相应的调制解调电路组成；社区网或广域网端口收发控制器与单片机的并行通信接口连接，实现与单片机收发通信，其网端接口部分与社区网或广域网线连接，实现与远程用户进行收发通信，并将传输的信息按社区网或广域网的帧格式进行打包或解包；单片机控制处理模块采用单片机、外接随机存储器、可擦写的配置存储器及监控电路组成；单片机控制处理模块实现网关设备上电后的自举启动、各个模块的初始化、将家庭总线端口和外部网端口初始化并置于监听状态、随时等待接收两端发来的请求信号。

3、根据权利要求2所述的智能家居系统中通用简化的网关设备实现方法，其特征在于：所述的家庭总线端口收发控制模块中，接口端串行异步收发单元的构成包括接口端串行异步收发器，与收发器相接的串-并转换电路和并-串转换电路；所述的数据缓冲处理单元1的构成包括接口接收数据缓冲区和接口发送数据缓冲区；所述的总线端串行异步收发单元的构成包括总线端串行异步收发器，与其相接的并-串转换电路和串-并转换电路；所述的数据缓冲处理单元2的构成包括总线发送数据缓冲区和总线接收数据缓冲区；所述的通信控制单元包括，发送控制寄存器堆，累加和校验电路，循环冗余码生成电路，接收控制寄存器堆，累加和生成电路，地址检查电路，循环冗余码校验电路，超时检查电路。

4、根据权利要求3所述的智能家居系统中通用简化的网关实现方法，其特征在于：所述的家庭总线端口收发控制模块中；接口接收数据缓冲区包括数据缓冲区1、接口缓冲区控制电路1；接口发送数据缓冲区包括数据缓冲区2、接口缓冲区控制电路2；总线发送数据缓冲区包括数据缓冲区3、总线缓冲区控制电路1；总线接收数据缓冲区包括数据缓冲区4、总线缓冲区控制电路2；接收控制寄存器堆包括帧特征字寄存器堆2、接口发送控制寄存器堆、总线接收控制寄存器堆、应答电路2和应答电路4；发送控制寄存器堆包括帧特征字寄存器堆1、接口接收控制寄存器堆、总线发送控制寄存器堆、应答电路1和应答电路3；接口端串行异步收发器包括接口异步收发器(UART)、帧格式打包电路1、帧格式解包电路1；总线端串行异步收发器包括总线异步收发器(UART)、帧格式打包电路2、帧格式解包电路2。

5、根据权利要求1至4中任一权利要求所述的智能家居系统中通用简化的网关设备实现方法，其特征在于：网关设备的工作方式是，网关设备仅对家庭控制网与社区网或广域网之间传输的信息，按物理层和数据链路层协议进行转换。

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