近年来，跟着操控技能、核算机技能和宽带网络技能的快速开展，测控技能和通讯范畴的结合运用已经成为大势所趋。传统的操控体系都是专用网络，操控设备及软件也是专用的，敞开程度不行，给体系维护及晋级带来不便利[1]。在因特网遍及全球，各种先进网络技能一日千里的今日，运用网络技能完结长途操控天然成为首选。
本文以全主动电饭煲为例，规划一种根据TCP/IP协议的全主动电饭煲长途操控体系，该体系分为三个部分：一是运用网卡芯片完结网络通讯接口与因特网服务器之间的通讯；二是红外通讯电路的规划，完结网卡芯片与电饭煲微操控器的通讯；三是电饭煲的改造，运用微操控器完结电饭煲机电一体化。该体系的完结，为家用电器全面接入因特网进行长途操控奠定了根底。
1规划计划
本文规划的全主动电饭煲长途操控体系参照物联网模型将体系分为三层：感知层、网络层和运用层[2]，每层履行特定的使命。该体系的全体结构如图1所示。运用层包含网站运用程序和网络运用程序，其功用是用户运用核算机或手机经过因特网长途操控电饭煲或扩展的其他电器[3]。其间，网站运用程序首要完结人机接口，是用户进行账户办理和电饭煲操控的归纳体系。网络运用程序运用线程池处理来自网络层通讯芯片的TCP/IP数据包，一同将用户恳求经过TCP协议发送给网络层的网卡芯片ENC28J60。这种分层结构将很多用户的操控恳求转由服务器CPU进行处理，然后大大降低了网络层MCU的负荷。网络层处理来自运用层的TCP/IP数据包和来自感知层的红外数据包。该层以单片机STC89C58RD+为中心处理芯片，构建TCP/IP协议栈，并用网卡芯片ENC28J60收发来自运用层的TCP/IP数据包，最终将此数据进行调制解调。感知层的功用是对电饭煲进行状况监控，并将其实时监控数据传送到网络层。详细地说，该层是以AT89S52单片机作为微操控器，用红外一体化接纳头接纳网络层的红外载波信号，并对该信号解调以操控电饭煲，一同将电饭煲的状况信息调制后经过红外一体化的发送头传送给网络层；感知层还能够衔接多个扩展电器，然后完结多用户操控多电器的计划。
2 硬件规划
全主动电饭煲长途操控体系的中心是网络层接口电路和电饭煲机械体系的规划。网卡芯片与现场操控单片机AT89S52的数据通讯运用红外传输，选用NEC编码方法[4]，接纳端经过一体化红外接纳头HS0038，对信号进行扩大、检波、整形和解调等，得到TTL电平的编码信号。HS0038将此编码信号传送至AT89S52的P3.2(INT0)引脚，经AT89S52解码后根据指令履行相关的操控程序。全主动电饭煲体系包含操控体系和机械体系[5]。以AT89S52单片机为中心构建全主动电饭煲的操控体系。用户经过网站用户程序输入操控指令，经过网络传输到现场，现场操控单片机AT89S52接纳到这些指令后，判别指令的详细需求，再调用相关程序以操控机械设备及电饭煲履行相应动作。
2.1 接口电路规划
网络层选用增强型的STC89C58RD+单片机作为微控芯片。STC89C58RD+内部仅有1.28 KB的存储空间，不能满意处理TCP/IP数据包所需的10 KB左右的存储空间。因而运用数据存储器62256将其外部存储器外扩至32 KB，这样也有利于进步数据的接纳与发送速度。
在网络层中，红外信号的接纳、发送与感知层的规划相似，其不同点在于选用STC89C58RD+的INT1引脚的中止方法处理来自外部的红外信号，见图2。网卡芯片ENC28J60是由Microchip推出的以太网操控器，运用串行外设接口（SPI）的引脚（SO、SI、SCK、CS）和两个中止引脚（INT和WOL）与主操控器进行通讯，最高速度可到达10 Mb/s。该芯片内部有一个DMA模块，能够完结数据的快速吞吐和硬件支撑IP校验和的核算。该芯片的两个引脚LEDA、LEAB用于衔接LED，用于显现衔接、发送、接纳、抵触和全/半双工等状况。STC89C58RD+内部不带SPI接口，运用4个I/O引脚模仿SPI输入输出时序与ENC28J60进行通讯。ENC28J60的SPI有7条指令集用以完结读操控寄存器、写操控寄存器、读缓冲器、写缓冲器、位域置1、位域清零和软件复位。ENC28J60中有操控寄存器、以太网缓冲器和PHY寄存器。SPI接口是STC89C58RD+与ENC28J60的通讯通道，由总线接口对其接纳的数据和指令进行解析，能够直接对操控寄存器进行读写，并对ENC28J60进行装备、操控和状况获取。以太网缓冲器包含供以太网操控器运用的发送和接纳存储器，该缓冲器巨细为 8 KB，分红独立的接纳和发送缓冲空间。PHY寄存器用于对 PHY模块进行装备、操控和状况获取。ENC28J60需求经过MCU的中止处理来操控事情中止INT和LAN,触发中止时会占用STC89C58RD+的外部中止口INT0。ENC28J60的差分输入、输出引脚（TPIN+/-和TPOUT+/-）在以太网变压器效果下经RJ45接口与因特网通讯，以完结网络层以太网操控器与运用层服务器物理线路的联通。
2.2 电饭煲机械体系规划
为了完结电饭煲机电一体化，在传统电饭煲的根底上，添加规划了电饭煲机械体系，包含储米设备、取米设备、淘米设备、放米设备以及加水设备。机械体系总体规划如图3所示。储米设备为结构顶端的储米漏斗，直径30 cm，高10 cm，可一次性寄存7.5 kg大米。取米设备由储米漏斗底端的电磁铁完结，电磁铁选用直流电磁铁HCNE1-1039，因为卡槽选用45°歪斜规划，大大减小了电磁铁启闭时米粒的摩擦阻力。淘米设备由拌和电机和淘米漏斗构成。其间拌和电机选用TN-40.180/HC685G100618。放米设备由电磁铁和旋转臂构成，电磁铁相同选用HCNE1-1039。旋转臂由两个可逆电机操控，能够升降和旋转，选用行程开关限位，完结电饭煲锅盖的开闭。加水设备由电磁阀和进水管构成，电磁阀选用2W160-15。
3 软件规划
体系软件规划包含运用层的网站程序和网络程序、网络层的TCP/IP数据包收发程序和红外通讯程序，以及感知层的红外收发程序和全主动电饭煲操控程序。在运用层，体系选用MVC形式[6]进行软件规划。操控器的Servlet程序分为两部分：一部分与网站程序一同处理来自浏览器的事务逻辑，包含用户注册、登录和操控电器等操作；别的一部分构建一个独立的线程池，以便监听到指定端口，等候来自网络层中各个设备的TCP衔接，完结与网络层的会话。在感知层，考虑到红外通讯的不安稳性， 服务器和微操控器之间的通讯数据选用自定义的特别格局，以防止因数据丢掉或冗余而形成的体系过错[7]。因而在对电饭煲进行操控时，选用自定义协议对电饭煲信息进行封包解包。此协议的规划包含两方面：电饭煲数据包和通讯会话流程。全主动电饭煲操控程序依照取米、淘米、放米、加水、烧饭的流程进行，完结电饭煲作业全主动化。
本文要点论述网络层的软件规划。如图4所示，微操控器首要进行体系初始化，包含ARP、TCP、内存、守时器和网卡芯片初始化。初始化完结后，设置网卡芯片ENC28J60的IP地址、子网掩码、默许网关和本地监听的端口。接着敞开中止，以便主动衔接服务器，其间外部中止0处理来自ENC28J60的恳求,以便收发来自因特网的数据包；外部中止1则处理来自HS0038的恳求以便接纳来自感知层的红外信号，若中止没有发生则进入节电形式。
微操控器与服务器之间的通讯需求在单片机内部完结TCP/IP协议，当8位MCU接入以太网时，因为体系资源的有限性很难完结完好的TCP／IP协议。网络层微操控器的功用首要包含传输现场数据和接纳长途操控指令，数据量较少且格局简略，故对TCP／IP协议进行削减。精简协议栈时只保存链路层的地址解析协议、网络层的IP协议、过失报文操控协议和传输层的TCP协议，且对需求完结的协议只完结必需的算法部分。TCP/IP协议选用了4层结构：运用层、传输层、网络层和链路层。图5描绘了输入输出数据包流程和精简的TCP/IP协议[8]。
4 体系测验
全主动电饭煲长途操控体系硬件和软件规划完结后，需求对体系进行测验，以验证本规划计划的有效性 [9]。网络层ENC28J60芯片的RJ45接口经过网线与路由器衔接。网卡设置IP为192.168.1.101,子网掩码为255.255.255.0，网关为192.168.1.1，本地端口1001。核算机运用网线与路由器衔接，设置为主动获取IP，确保网络层设备IP与核算机IP处于同一网段。路由器WAN端口衔接类型设置为动态IP，LAN端口IP设置为192.168.1.1。意图服务器设置B类IP为202.115.176.195，操作体系为Windows Server 2003服务器。微操控器STC89C58RD+在运用12 MHz晶振时，用Sniffer抓包软件测得其与服务器最高通讯速度可达25 KB/s。运用ping指令，向192.168.1.101发送500个包，无丢包现象。这500个数据包中，回来速度最快为41 ms，最慢为93 ms,平均速度为53 ms,完全能满意电饭煲长途操控的实时性要求。
感知层的被控目标为经过改造的全主动电饭煲。经过网站挑选操控电器为全主动电饭煲，并设置米量和水量，发送发动指令。感知层的单片机AT89S52收到操控指令后，完结取米、淘米、放米、加水及烧饭的悉数流程，并把操控流程中每一个运转状况反馈给运用层的核算机。本文规划的电饭煲长途操控体系对米量和水量的计量是经过单片机对电磁铁和电磁阀守时操控完结的，因而，米量和水量的计量是否精确，是操控体系测验的要点。测验时设置米量400~1 000 g，距离100 g，水量设定为米量的2倍，即米量为400 g时，水量为800 ml，顺次类推。米量和水量各测验3次，测验值和设定值如表1所示。从表1能够看出，米量、水量的设定值与测验值比较挨近，阐明运用守时操控进行计量是精确的。经过对电饭煲长途操控体系的屡次试验，体系均能按要求完结一切动作，并且米量、水量的计量也是精确的，阐明该体系长途通讯杰出，电饭煲作业安稳，计量精确。
从试验成果来看，本文规划的全主动电饭煲长途操控体系的计划是可行的。在该计划中，经过强化MCU的操控功用来弱化构建Web服务器的运用，将杂乱事务逻辑转移到因特网的服务器上，这样就发挥了因特网服务器多线程处理才能，支撑多用户对多个家电的实时操控。红外通讯使体系在室内操控便利且易于扩展，然后使悉数家用电器接入因特网络成为可能。在传统电饭煲的根底上，添加规划了机械体系，完结了电饭煲机电一体化。米量和水量的计量选用单片机守时操控代替了杂乱的流量操控设备，使得操作愈加简略，进步了体系的安稳性，一同也使得体系本钱更低。
经过本体系，用户运用核算机或手机就能够长途操控全主动电饭煲，并且经过网站程序还能实时把握电饭煲的运转状况。本文规划的长途操控体系还具有很强的扩展性。网络层单片机经过红外通讯的方法能够扩展操控多个其他家用电器，如冰箱、洗衣机、空调、热水器等。当然每一个电器有必要装备一个能收发红外信号和操控电器的微操控器。跟着物联网技能的开展及手机的遍及，家用电器接入因特网成为一种必然趋势。本文提出的多用户长途操控多个家电的计划，本钱低，运转安稳，扩展性强，必将在智能家居中得到很多的运用。相同，该体系也可广泛运用于工业、农业的长途操控，如机器人、智能温室等。因为因特网技能的介入，长途操控技能将得到进一步开展，这必然对人类日子及工业、农业操控发生巨大影响。跟着网络技能开展和物联网规范的拟定，长途操控体系必将具有宽广的运用远景。
参考文献
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