基于USB的家电自动化设计

1、基于 USB 的家电自动化设计近年来，通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）的 使用为家电自动化引入了一种更为简单的实现途径。 本文介绍 了建立在 USB 基础之上的、创新的家电自动化应用，并以基 于 USB 的照明控制为例， 讲解了基于 USB 的家电自动化的基 础知识。最后，本文比较了 USB 和其他用于家电自动化的主 流无线技术（如 ZigBee 通信协议和 Bluetooth 无线通信协议 等）的异同。 即插即用（Plug-n-play） 的简单操作就是当家电插入 PC 上的 USB 端口，就会与 PC 交换 USB 家电参数，从而消 除了对家电接口进行设置的

2、繁琐工作。根据经由 USB 端口传 送至 PC 的家电描述符， 自动把家电配置为“就绪”状态。 此外， 在家电网络上添加或删除新家电，只要将它们简单地插拔即 可。 随着功能丰富的新型半导体器件的高速发展， 同时其价格 也随之达到消费者可以承受的水平， 我们正在见证一场家电行 业中的自动化风暴。在这些技术进步中就包括了 PC 上 USB 的演化。现在，我们的日常生活中方方面面都会用到 PC 机。 我们与周围环境的互动， 很大程度上是通过 PC 机进行控制的。 此外， PC 的角度看， 从 USB 使外围设备初始化方面发生 了巨大的变化， 不再需要用户与 PC 机进行交互或关注 PC 机。 USB

3、 协议非常智能，它能自动检测并驱动多达 127 个连接在 其总线上的设备。可以预见，USB 将能够最终控制和驱动绝 大部分家电。 由于 USB 能实现家电自动化， 它对于最终用户是有用的， 包括 USB 自动洗衣机、烘干机、咖啡机、安保系统以及家电 控制台，如图 1 所示。不仅如此，对于家电制造商而言，在新 产品测试方面，USB 也非常有用。 USB 的演化发展，使得家电的即插即用成为现实，而这 促使了操作系统供应商对标准 USB 驱动程序提供支持。比如 说，Microsoft 在其 Windows 操作系统（OS）的各版本中， 提供了 USB 驱动程序支持，支持诸如人机接口设备（Human

4、Interface Device， HID）通信设备类 、 （Communication Device Class， CDC） 和大容量存储设备 （Mass Storage Device， MSD） 驱动程序。 USB 的另一项重要用途与预付费设施有关。比如说，自 动洗衣店可以向客户发行洗衣卡，洗衣卡可以通过 USB 端口 进行读取，从而通过 USB 总线对洗衣机进行控制。USB 总线 提供了充足的数据率， 用于记录设施数据和记录家电用电量明 细。 对于具有 USB 总线的家电而言， 这类大容量存储 USB 特 别适用于数据记录与控制。 USB 还可以用在家电的安全使用上。例如，父母能够通 过

5、 USB 端口对家电锁定和解锁， 防止孩子自己开启某些家电。 这样能让人放心许多， 在没有监护人的情况下， 孩子无法去操 作有潜在危险的家电。 USB 总线架构 USB 是每条总线支持一个主机的一种主机控制架构。 大部分的 PC 上都有多个 USB 主机。设备能用集线器以菊花 链方式连接到主机上。多个集线器能够以菊花链方式连接起 来， 支持多达 127 个不同设备， 每个菊花链段长度不能超过五 英尺。 这种菊花链式连接，形成了称为层式星状（Tiered Star） 的拓扑结构,它与 10-Base T 以太网类似。与以太网拓扑结构 相比，USB 有一些优点，因为 USB 集线器能为连接在其上的

6、 设备供电，并在发生过流现象时关闭设备。USB 集线器还能 适当过滤主机和设备间的数据，实现低速（LS）、全速（FS） 和高速（HS）设备的无缝集成。 USB 是即插即用型协议，能动态加载和卸载 USB 驱动程 序。 要加载 USB 驱动程序， 必须有 USB 提供商标识符 （VID） 和产品标识符（PID）。 VID 用来识别 USB 总线的制造商。 通常， VID 由名为“通 用串行总线开发者论坛”（USB Implementers Forum， USB-IF， ） 组织分配， 申请者需要支付注册 VID 费用。与 VID 类似，PID 是一个 16 位数字，PID

7、标识的是产 品，设备制造商提供 PID 号。不同于 VID，对于 PID 来说， USB-IF 对其没有任何管理上的限制。 USB 的另一个重要特性是它支持不同类型的数据传输方 式。例如，USB V2.0 支持四种不同类型的数据传输： 控制传输方式。 控制传输在设备插入时对其进行配置， 并 能用于其他的设备特定用途， 诸如对设备上的其他通道进行控 制等。 批量传输方式。 在数据的产生和使用量相对较大时采用批 量传输方式。 中断传输方式。 中断传输用于及时且可靠的数据传送。 例 如，具有人类可感知反应或反馈响应特征的字符或坐标等。 同步传输方式。 同步传输方式在预先约定的传输延迟时间 占用预定的

8、 USB 带宽，同步传输也称为“流实时传输”。 A 型 USB 连接器专用于数据下行传输，即数据从设备传 输到主机，所以，A 型连接器位于设备上。 B 型 USB 连接器专用于数据上行传输，即数据从 USB 主 机传输到设备或从集线器传输到设备， 型连接器位于主机和 B 集线器上，如图 2 所示。有时为了使占用空间更小，可以使 用微型 USB 连接器。 USB 设备通过拉高 D+或 D-端线电平来指示其速度，最高为 3.3 伏。 全速设备在 D+端接一个上拉电阻表明它是全速设备， 如图 3 所示。 如果没有上拉电阻，USB 就假定总线上没有连接任何东 西。 有些设备中， 上拉电阻是内置的， 能

9、通过固件开启和关闭。 另一些设备则需要外部上拉电阻。 在这种情况下， 通过固件进 行速度控制会受到限制， 并且要求另外对外部中继服务进行实 现与编码。 低速设备在 D-端连接上拉电阻，表明其为低速设备，如图 4 所示。 最开始， 高速设备被当作全速设备进行连接 （D+1.5k 至 3.3V）。初始连接之后，设备在复位时将发出高速的啁啾 声， 然后与主机建立高速连接。 一旦设备经初始化进入高速模 式，上拉电阻就被禁用。 USB 数据流模式 在设备可以与应用进行通信前，USB 主机需要了解设 备状态并给它分配设备驱动程序， 实现这一初始信息交换的过 程就叫作枚举。在枚举过程中，根据 USB V2.

10、0 规范的定义， 设备将经历以下设备状态： 上电状态（Powered） 缺省状态（Default） 地址状态（Address） 配置状态（Configured） 另外还有两个 USB 设备状态，“连接状态”（Attached） 和“挂起状态”（Suspended）。枚举过程的具体细节超出了本 文的范围；不过，在设备配置中使用的命令与结构是相关的。 描述符是让 USB 主机能获取设备信息的数据结构。在枚举过 程中，主机请求描述符，从最上层设备描述符开始，一直到最 低层端点描述符，顺序如图 5 所示。 枚举过程 下面概述一下 USB 设备的枚举过程所包含的步骤， 并 讲解设备在枚举过程如何经历从上

11、电到缺省、 地址以及配置这 几个状态。 用户将一个 USB 设备插入 USB 端口，主机为端口供电， 设备此时处于上电状态。 主机检测设备。 集线器使用中断通道将事件报告给主机。 主机发送 Get_Port_Status（读端口状态）请求，以获取 更多的设备信息。 集线器检测设备是低速运行还是高速运行， 并将此信息送 给主机，这是对 Get_Port_Status 请求的响应。 主机发送 Set_Port_Feature 写端口状态） （ 请求给集线器， 要求它复位端口。 集线器对设备复位。 主机使用 Chirp K 信号来了解全速设备是否支持高速运 行。 主机发送另一个 Get_Port_S

12、tatus 请求， 确定设备是否已 经从复位状态退出。 设备此时处于缺省状态， 且已准备好在零端点通过缺省通 道响应主机控制传输。缺省地址为 00h，设备能从总线获取 高达 100mA 的电流。 主机发送 Get_Descriptor（读设备描述符）报文，以便确 定最大数据包大小。设备描述符的八个字节是 bMaxPacketSize。 通过发送 Set_Address（写地址）请求，主机分配地址， 设备此时处于地址状态。 主机发送 Get_Descriptor 报文，以获取更多的设备信息。 主机通过发送描述符响应设备请求， 随后发送全部的次级描述 符。 主机分配并加载设备驱动程序。 通过发送

13、Set_Configuration（写配置）请求，主机的设 备驱动程序选择一个有效配置，设备此时处于配置状态。 主机为复合设备接口分配驱动程序。 如果集线器检测到有过流现象， 或者主机要求集线器关闭 电源，则 USB 总线切断设备供电电源。在这种情况下，设备 与主机无法通信，但设备处于连接状态。 如果在 3 毫秒内设备在总线上未见任何动作， 则它将进入 挂起状态，在挂起状态设备消耗的总线电能最少。 USB 协议层 控制传输使主机和设备之间可以交换设备配置信息和其他控 制信息。控制传输在低速和全速传输运行时占用 10%的带宽， 在高速运行时占用 20%的带宽。控制传输由设置阶段、可选 的数据阶段

14、和状态阶段组成，下面详细描述每个阶段的包。 标记包。USB 中所有事务都是由主机（PC）来完成的。 IN 表示数据被读入 PC，OUT 表示数据由主机送出至设备， 如图 6 所示。 数据包（可选）。USB 主机有两个数据包DATA0 和 DATA1。每一个包的容量为 1024 字节。 状态包。在诸如应答（ACK）、否定应答（NACK）以及 停止（Stall）等事务中，状态包用来跟踪 USB 状态。 帧起始包（SOF）。每一毫秒，USB 主机都将发送一帧 SOF，每帧有 11 位数据。 基于 USB 的家电网络 在基于 USB 的家电网络中， 可以以菊花链式连接 6 个 USB 集线器，为多达

15、127 台家电设备提供接口。所有的集线 器能安放在一个集线盒中， 集线盒则通过控制电缆连接到设备 上。这也可以由带 USB 端口、运行 Windows OS 的单板机进 行控制，最终将为家中每个房间配备一个家电控制台。 通过 USB 自动化， 您在与朋友聊天的同时， 可以通过 PC 控制洗衣机的运行时间、衣服类型、清洗剂类型以及水温等。 您也可以为每项任务添加音频特征，这样当每项任务完成时， 您可以在某个特定的地方（卧室、客厅、游泳池或厨房等）收 到音频提示。此外，烘干机可以通过 USB 自动接收指令，从 洗衣机处装入衣服，设置烘干时间，然后自动计时烘干，在每 项任务成功完成后均有音频提示。

16、通过 USB 自动化，您可以在办公桌上控制咖啡机，不仅 仅是煮咖啡，还能检测咖啡壶中还剩多少咖啡，USB 自动化 甚至可以使您能煮出符合自己口味的咖啡。USB 还可以使您 看到冰箱内部的情况，设置特定的触发开关来检测剩余的牛 奶、饮料、奶酪以及蔬菜量。根据这些信息，当您计划去商场 时，可以从 PC 中快速汇总食品采购清单。照明自动化是居家 的基本需求。通过 USB 自动化，能够检查全屋的照明情况， 并通过 PC 对其进行控制。 USB 与温度传感器配合使用，能够自动控制房屋某处电 风扇和空调的运行。这样，可以使不同的房间或“区域”保持不 同的温度，以便节能。此外，电风扇和空调可以自动地分担制

17、冷负荷。而在家庭安保方面，使用 USB 自动化，可以通过 PC 控制门锁、查看门锁状态，在卧室就可以关闭或打开房门。 此外，USB 自动可视门铃能用于防止入侵者进入房屋。 USB 自动化也使您能通过 PC 打开和关闭窗户及窗帘。家电 USB 自动化的潜力是无穷的，采用现代技术，USB 自动化就 是把家电或设备与 PC 上 USB 端口连接，如图 7 所示。 超宽带 USB 的优点 超宽带（Ultra Wide Band，UWB）USB 也称为“无线 USB”，它是一种短距离无线通信的推荐标准，有望在不久的 将来取代蓝牙技术。蓝牙是目前短距离无线连接的行业标准， 但由于蓝牙与 Wi-Fi（802.11g 标准）使用相同的频段，因此 可能存在干扰问题。 另外，UWB 使用 3.110.6GHz 的频段，它的每个无线 电信道均超过 500MHz，美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）对