【导读】随着现代4C技术（计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术）的迅速发展以及人们生活水平的不断提高，本文旨在设计一种成本低廉、面向普通家庭的、集本地控制和远程控制于一体的智能家居控制器，用于控制室内家电的运行状态和环境参数的采集。
以太网智能家居控制器的硬件设计
智能家居控制器采用8位单片机W78E58B作为系统的核心处理单元，系统硬件框图如图1所示。
本地端以红外通信技术为基础，发射端采用NB9148红外编码模块，接收端采用SJ1838进行接收解调，并将控制信号传送给W78E58B.外部扩展RAM 62256以提高单片机的数据传输速度和复杂的TCP/IP协议的处理。RS232串口通讯主要用于程序的下载和调试，以及通讯转换接口。GAL器件ATF16V8B用于片选，以节约系统空间资源。
DS18B20用于环境温度采集
远程控制的硬件平台由W78E58B和以太网控制器RTL8019AS等器件组成。RTL8019AS是针对ISA总线设计的，用于实现网络的物理层协议的专用以太网控制芯片。RTL8019AS内置了10BASE-T收发器，使用跳线方式，通过可提高网络通信的抗干扰能力的网络滤波器20F-01，再与RJ-45相连。E2PROM AT24C512用于实现嵌入式Web服务器访问的网页文件存储，同时也用于存储用户的一些设置，如IP地址、网关以及网卡芯片MAC地址等参数。
以太网智能家居控制器的软件设计
以太网智能家居控制器的软件实现是在单片机上完成的，主要包括虚拟I2C总线读写程序、红外接收和控制程序、温度采集程序、网卡芯片RTL8019AS驱动程序、嵌入式Web服务器的实现以及其他处理程序。本文中只讨论网卡芯片的驱动程序和嵌入式Web服务器的实现。
以太网控制器RTL8019AS的驱动程序
RTL8019AS的驱动程序是TCP/IP协议与底层物理设备的程序接口，它屏蔽了底层硬件处理的细节，并向上层软件提供与硬件无关的接口。TCP/IP协议只要调用以太网驱动程序即可完成以太网数据的接收和发送。网卡芯片RTL8019AS的驱动程序包括RTL8019AS初始化程序、数据包接收程序和数据包发送程序。
RTL8019AS初始化
RTL8019AS通过RSTDRV管脚进行复位操作。复位后，先对RTL8019AS初始化。初始化操作包含设置PSTART=0x4c，PSTOP=0x80，使0x40～0x4b为网卡的发送缓冲区，0x4c～0x7f为网卡的接收缓冲区；设置RCR=0xcc，仅接收目标物理地址和设置物理地址一致的数据包、广播地址数据包和多点播送地址包；设置TCR=0xe0，工作在正常模式；设置DCR=0xc8，使用FIFO缓存及8位数据DMA；设置IMR=0x00，屏蔽所有中断；组播地址寄存器MAR0～MAR7，均设置为0x00；设置网卡物理地址寄存器PAR0～PAR5；设置CR=0x22，选择页0的寄存器，进入正常工作状态；设置ISR＝0xff，清除所有中断标志位。
RTL8019AS数据发送
首先将待发送的数据按以太网数据帧格式封装后，再置CR寄存器为12H，启动远程写DMA，RTL8019AS会自动将这帧数据送至RTL8019AS的数据发送缓冲区，并将结果写入状态寄存器。最后将CR置为3EH，启动本地写DMA后将数据送入FIFO寄存器，并发送到以太网上。
接收数据时，接收缓冲区构成一个循环FIFO队列。PSTART、PSTOP两个寄存器限定了循环队列的开始和结束页；CURR为写入指针，受芯片控制；BNRY为读出指针，由主机程序控制。程序通过查询CURR和BNRY两个寄存器的值来判断是否收到一帧数据。程序流程见图2所示。
嵌入式Web服务器的实现
设计中采用的是W78E58B型8位单片机，由于单片机存储空间有限、处理速度相对较慢，且在整个远程控制中不需要实现完整的TCP/IP协议。因此，可以在远程控制的网络连接和访问技术中采用精简TCP/IP协议。要实现交互功能，就要在精简TCP/IP协议的基础上实现HTTP协议，构建嵌入式Web服务器。本设计中的精简TCP/IP协议具有同TCP/IP协议一样的四层结构，各层实现的功能如下：
①链路层。设计中通过以太网接入到Internet，因此物理层和数据链路层要符合以太网的IEEE802.3标准。然而，以太网控制器RTL8019AS的硬件组成部分已经实现了CSMA/CD控制机制，屏蔽了底层硬件处理的细节，并向上层软件提供与硬件无关的接口，最终完成了数据在以太网中的接收和发送。因此，设计中物理层与数据链路层的设计是通过RTL8019AS硬件和驱动程序共同实现的。
②网络层实现了ARP协议、ICMP协议和IP协议。ARP是地址解析协议，具体处理过程是当接收到ARP数据包，处理器就查看IP地址是请求还是响应。如果是响应，则将响应中的网卡地址存到ARP高速缓存表中；如果是请求，处理器将返回自己的网卡物理地址给对方。ICMP是调试响应PING的请求，检测网路是否通顺。依照系统实际应用的要求，IP协议只需实现对数据报传送和接收，无须实现路由选择算法和差错控制，同时也不需支持IP数据报的分片和重组。
③传输层实现TCP协议。TCP协议是面向连接的、端对端的可靠通信协议。设计中采取了TCP连接的建立与关闭机制、超时重传机制、数据包确认机制、流量控制机制来保证它的可靠性。在超时重传机制中，如果超时重传定时器溢出后还没有收到确认，则重传该数据包，并复位重传定时器。为简单起见，程序里每次只发送一个TCP数据包，然后等待它的确认，只有收到确认后才会继续发送下面的TCP数据包。在本设计，程序重传的间隔时间是固定的，没有采用TCP协议中的标准算法，当达到一定的次数后，发送方还没有收到确认，则会放弃该包的发送并关闭TCP连接。TCP的流量控制是为了协调通信双方的收发
速率不均衡而设计的。设计中考虑到系统在使用TCP协议时，只设置了一个中等IP包大小接收缓存，因此接收窗口恒定设为1024.这样远端主机就会以较慢的传输速率与本端的Web服务器进行通信，不会导致死机。
④应用层实现了HTTP协议。HTTP是在Web服务器和浏览器之间通信的协议。为了
简化，设计中采用固定的HTTP报文头封装HTTP应答数据报文。格式如下：
char code html_header[ ] //客户端访问主页时候服务器的响应头部
= {"HTTP/1.1 200 OKn" //响应行（Respond Line），状态为OK，表示文件可以读取
"Cache-control： no-cachen" //没有高速缓存控制
"Connection： Keep-Aliven" //HTTP/1.1的可持续链接
"Content-Length： TAG：LEN1n" //文件长度
"Content-Type： text/htmlrnrn" }；//客户端GET请求的文件格式
在响应HTTP请求时，由于以太网数据包的数据部分不能超过1500字节，因此当发送
数据超过1500字节，需要分组发送。
以太网智能家居控制器远程控制运行结果
智能家居控制器接入以太网后，用户只需在浏览器中输入控制器的IP地址，便可登录远程控制界面。当正确输入用户名和密码后，便进入控制页面，用户可以访问并控制各子系统。
图3为智能家电的控制页面，系统使用GIF格式图片表示智能家电开关的状态。当单击控制页面中相应的开关后，智能家居Web服务器收到HTTP请求，执行CGI程序，将相反状态的图片嵌入到网页相应的位置中。与此同时，单片机会在相应家电的控制端口，输出一个与之前状态相反的电平，此时继电器动作，家电运行状态改变。最后智能家居Web服务器将新的HTML页面回送给用户端，浏览器更新页面，并显示改变后的家电状态。
智能家居Web服务器的软件系统还启用了定时机制，当用户在规定的时间内未执行任何操作，系统将退出控制页面，返回到登录页面。用户必须重新输入验证信息，并登录后才可再次进入控制页面执行操作，大大提高了整个智能家居控制系统的安全性。
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