基于“网络通”的以太网家庭数据终端*

    摘要：以社区综合服务系统为例，介绍一种新型的基于“网络通”的以太网家庭数据终端。系统以以太网为通信媒介，利用“网络通”进行家庭内外信息交换，采用分时操作系统对家庭的各种信息进行实时、有效的管理和调度，为现代家庭生活提供智能服务。

    关键词：以太网 家庭数据终端 社区综合服务系统 分时操作系统

随着互联网技术的发展，IP宽带城域网和宽带社区网的建设正在全国范围内迅速推广。许多城市已将以太网布到了家庭、办公室、车站、码头、大楼和车间。如何利用这现成的稳定。廉价的以太网作为信息传输的媒介，将以太网和小区管理、家庭安全防护、家用电器控制、数据传输等联系起来，级建社区综合服务系统是项非常意义的课题。

1 基于以太网的社区综合服务系统

基于以太网的社区综合服务系统如图1所示。它实际是由深入到小区每家每户的宽带以太网和挂在其上每个家庭的家庭数据终端、小区PC管理服务器和小区安防、门禁、收费等服务设施组成的以太网测控系统。它们组成一个小区虚拟网。PC管理服务器位于智能小区的值班室，是系统的管理和调度机构。它运行社区数据系统的上位机管理软件，可以方便地进行小区的户籍管理、物业管理、电子地图显示；通过以太网和家庭数据终端，可响应和监测每的安全状况；同时，又和外部Internet进行信息交换，接受佥用户查询自己家的安全状况和其它信息、对家电等设备进行远程控制。

智能小区中，每个家庭安装一台家庭数据终端。家庭数据终端是这个家庭全部安全监控、抄三表、家电控制、门禁等的接入终端。它安装在每个用户的居室中，是相对独立的智能测控设备，可以直接挂接在社区数据系统的以太网上。家庭数据终端通过对家居环境进行信号的采集和算是来判别其安全性，具有友好的人机界面；能接受用户的键盘控制，可以和值班室进行及时、有效的沟通；同时、它能接受外部互联网和小区值班室的PC管理机的远程控制，为现代家庭生活提供安全、便利、齐全的服务。

2 家庭数据终端工作原理

我们在基于以太网的社区综合服务系统，着重研制了HX-301型家庭数据终端。该家庭服务终端是基于以太网的每个家庭所有测控设备的管理机构。它采用模块化的多CPU的硬件设计，由时钟、黑匣子、键盘、网络接口模块、LCD显示模块和若干个应用接口模块组成。这种结构为系统的安全、安装、调试、维护和扩展提供了很大的机动性。主控MCU装有分时操作系统，把挂接在系统内部部线上的各个智能模块都作为一个个外设来进行调度和管理。HX-301家庭数据终端改变选用的应用接口模块，也可广泛地用于各种基于宽带网的数据传输。HX-301家庭数据终端的结构如图2所示。

2.1 网络接口模块

网络接口模块是一个基于“网络通”的通用的接口模块，相当于一个以太网网关，负责以太网与用户的家庭数据终端之间的信息交换。它通常由以太网接口芯征和微处理器系统组成，其结构如图3所示。

目前在以太网网关中，微处理器商家多采用嵌入式系统，内装WINDOWS CE等通用操作系统。这种结构开发周期短、功能强、信息交换速率高，但致命的缺点是成本太高，这也是一直在国内难于推广的主要问题。

在本应用场合，家庭用户终端对信息交换的速率要求并不高（如1Mb/s以下），所以可以采用价廉的高速单片微查，写入TCP/IP协议，从而将网络接口的商品价格降低到数百元，使其成为既能满足要求，价格又能接受的网络接口模块。在HX-301家庭数据终端口要用的就是种设计思想，它采用条例IEEE 802.3协议的10 Base-T以太网终接口芯片，选用高速通用单片微机，用汇编语言写入的TCP/IP协议，完成内部系统总线与以太网之间的信息交换。“网络通”和主控单片机之间通过双口RAM交换数据。由于采用的是10 Base-T以太网接口芯片和双口RAM，其数据交换速度远在于MCU的数据处理速度，所以该网络接口模块的信息处理速度将主要取决于MCU的处理速度。现在设计的网络接口模块的处理速度已达到1 Mb/s，如有必要，还可以通过选用更高速的单片机来继续提升其速度。

2.2 LCD显示模块

LCD显示模块也设计成通用的接口模块。它拥有自己的汉字点阵库，规范了一套比较完整的显示控制命令代码，可以方便地进行各种信息的显示，能直接应用于其它系统中，其结构如图4所示。LCD接口模块将通过系统内部总线与主控MCU连接，能及时地接受主控MCU的显示命令并进行解释执行，读取汉字字库中的相应点阵信息，按设定的显示方式去控制LCD进行信息的显示和刷新。LCD接口模块还有显示互联网上收中文短信息的功能，方便用户用家庭数据终端与外界进行沟通。

2.3 应用接口模块

根据用户的使用特点，将应用接口模块设计成多种型号，以供用户选择。它们都是相对独立的单元，主要负责各种信号的采集和处理，其结构如图5所示。应用接口模块各用I/O、比较器、RS485等多种接口，可以挂接烟雾、红外、玻璃破碎、门窗开关、温度、火焰、煤气等传感器；可以挂接水、电、煤气等自动抄表智能模块；还可以挂接电视、电冰箱、空调等家用电器进行监测和远程控制。

2.4 时钟、键盘与黑匣子

时钟和键盘是家庭数据终端必不可少的组成部分，而黑匣子是家庭数据终端利用非易失性存储器来记录系统的运行状态。黑匣子能及时记录应用接口模块的报警信息以及系统正常运行时的用户操作、值班室的PC管理机和外部互联网的远程控制等信息，其记录可以保留一段时期。每条记录包含系统运行的状态和发生的时间，管理者可以把这些信息读出作为故障和事故的分析依据。

3 主控MCU的分时操作系统

主控MCU是家庭数据终端的核心，有专门的分时操作系统，实现有效的信息调度和管理。

（1）任务的分解

主控MCU要完成键盘的扫描和处理、接口模块的管理和控制等多项复杂的作业。根据系统的运行特点，将信息的传递和作业的处理划分时钟信息的读取、显示信息的传递、读取PC管理机的远程控制命令、控制应用接口模块进行某项操作、接收应用模块上传信息、写黑匣子、向PC管理机发送信息等多个任务。

（2）“时间片”的选择

将主控CPU的时间划分成长度基本相同的“时间片”，使绝大多数任务能在一个“时间片”内完成。若有少数任务的处理时间比较长，可将此任务分成几个进程，使之在几个“时间片”里依次执行。

（3）任务的调度和管理

把CPU的“时间片”依次轮流地分配给各个任务，根据经重缓急，系统给其赋予不同的优先权。当有多个任务同时等待处理时，操作系统将根据任务的优先极进行调度，先处理那些优先极高重要、急迫的任务，再处理那些优先极低的任务。

（4）系统的可扩充性

应用接口模块采用系统内部总线结构，用户可以在一定的裕度范围内自由扩展其个数。按照不同的需求，我们设计了多种不同接口功能的应用6接口模块，用户可以根据自己的特定家居环境进行选用。操作系统能自动识别应用接口模块的类型和个数并对它们进行有效的管理。

4 社区综合服务功能

基于以太网的社区综合服务系统是新型的管理和服务方式。通过值班室的PC管理机进行响应和调度，用户的家庭数据终端配合进行家庭内信息管理和远程控制响应，将为小区的管理和家庭的现代生活提供极大的便利和更齐全的服务。

（1）智能小区的管理功能

①小区管理功能。系统利用以太网进行小区管理，如发布通知，收费；系统的户籍登记库记录小区各家庭成员情况，以利于小区的安全管理。

②外部连网和远程控制功能。通过外部互联网，可以接收互联网的中文短消息、用户的信息查询和其它远程控制。远程抄表可以及时读取和记录每户的水、电、煤气用量信息，并进行相应控制。

③家居安全防护功能。系统具有报警响应、线路检测功能；PC管理机能及时记录和响应用户的报信息和紧急呼叫信息，通过电子地图显示报警地点和类型。PC管理机将定时对各家庭数据终端进行线路检测，对收不到应答的数据终端，进行线路报警，显示故障位置，通知值班人员进行检查。

（2）家庭数据终端的服务功能

①系统维护功能。终端具有线路检测、调试、黑匣子功能；能对PC管理机的线路检测命令进行应答；可根据用户的需要主动地与PC管理机作线路检测和其它调试；记录报警信息和运行状态，提供故障或事故的分析依据。

②家居安防功能。终端可挂接近需的各种防盗、防火、防煤气泄漏检测传感器；具有紧急呼叫和设防、撤防功能；异常情况会自动通知小区值班室或采取其它应急措施。

③抄三表功能。能接受PC管理机的远程控制，对水、电、煤气进行抄表及供应控制。

④远程控制功能。通过外部互联网，合法用户可对自家进行远程操作，如设防、撤防、家用电器的控制等。

⑤模块化功能。用户可以根据自身的需求选择相应的应用接口模块，还可以在以后选用应用接口模块对自己的家庭数据终端进行功能扩充。

结束语

随着以太网的普及，有了更稳定和便利的媒介，用基于“网络通”的以太网家庭数据终端组建社区综合服务系统定会拥有广阔的应用前景。采用模块化的硬件设计和分布时操作系统的软件调度和管理，将大大降低系统的成本，提高系统的性能价格比。