（计算机应用技术专业论文）信息家电无线网络的研究与实现.pdf

摘要 信息家电( i a i n f o r m a t i o na p p l i a n c e ) 是指将微型计算机和通信 技术融入到传统的家用电器中，使之智能化并具有网络终端的功能， 可以随时随地获取与处理信息。 家庭网络是计算机网络技术、通讯技术以及信息家电的结合物， 是信息科学技术一个新的典型应用。计算机无线网络的发展与普及， 自动化技术的应用和发展，促使家庭无线网络被越来越多的人们所关 注。 本学位论文主要研究信息家电无线网络的架构及其实现。论文在 分析家庭网络结构的基础上，结合现在主流无线通信技术的优势，提 出了一种基于z i g b e e 和i e e e 8 0 2 1 1 b 技术的家庭内网网络通信的方 案，该家庭内部网络由家庭内网网关、万能遥控器和信息家电终端组 成。同时给出了家庭网关w e b 服务器以及信息家电终端的设计与实 现。 本文首先概述了现阶段主流的无线通信技术，经过分析比较，选 择z i g b e e 和8 0 2 1 l b 技术组建家庭内部网络，使之达到高性能和低成 本的要求。 然后，深入的研究了家庭网络的整体结构，并分别给出了家庭网 关和家庭内网的结构设计。该家庭网络的结构具有集中分布式，扩展 性强的优点。 接着介绍了家庭网关的硬件平台，深入的分析了家庭网关的底层 驱动程序的开发方法。详细描述了针对z i g b e e 接口和i e e e 8 0 2 1l b 接口的一系列驱动程序的开发过程。 接着分析了家庭网关w e b 服务器的功能和运作过程，并采用具 有跨平台运行特性的j s p 技术，在p c 机上面实现了对家庭网关w e b 服务器的模拟。 最后，在统一设备管理协议( u d c p ) 的基础上设计家庭内网网 络的通信模型，着重分析了采用z i g b e e 技术实现信息家电和万能遥 控器与家庭内网网关的通信。 关键词：信息家电，家庭无线网络，家庭网关，w e b 服务器 a b s t r a c t i n f o r m a t i o na p p l i a n c e s ( i a ) r e f e r st ot h ec o m b i n a t i o n o fm i c r o c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi n t ot h e t r a d i t i o n a lh o u s e h o l da p p l i a n c e s i tm a k e sa p p l i a n c e sb e c o m e i n t e l l i g e n ta n dh a v e t h ea b i l i t i e st oo b t a i na n dp r o c e s s i n f o r m a ti o na ta n ym o m e n t h o m en e t w o r ki st h ec o m b i n a t i o no fc o m p u t e rn e t w o r k t e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，a n di a i ti san e w t y p i c a la p p l i c a t i o no f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y t h o u s a n d so f p e o p l ep a ym o r ea t t e n ti o nt oi tb e c a u s eo ft h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rw i r e l e s sn e t w o r ka n da u t o m a t i c s t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h ea r c h i t e c t u r eo fi aw i r e l e s s n e t w o r ka n di t sr e a l i z a t i o n b ya n a l y z i n gt h es t r u c t u r eo fh o m e n e t w o r k s ，c o m b i n i n gt h ea d v a n t a g eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yw h i c hn o wp r e d o m i n a t e s ，t h ep a p e rp u tf o r w a r d ah o m e n e t w o r kp r o g r a mw h i c hi sb a s e do nz i g b e ea n di e e e 8 0 2 1l b t e c h n o l o g y ：t h eh o m en e t w o r ks y s t e mi sc o n s t i t u t e db yh o m e i n t e r i o rg a t e w a y ，v e r s a t i l ec o n t r o l l e ra n di at e r m i n a l s t h e p a p e ra l s og a v et h ed e s i g na n dt h er e a l i z a t i o no fh o m eg a t e w a y w e bs e r v e ra n di at e r m i n a ls t h ep a p e rs u m m a r i z e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya t f i r s t b ya n a l y z i n ga n dc o m p a r i n g ，t h ep a p e rc h o s ez i g b e ea n d i e e e 8 0 2 1l bt e c h n o l o g yt ob u il dah o m en e t w o r ks oa st oa c h i e v e t h er e q u i r e m e n to fh ig hp e r f o r m a n c ea n dl o wc o s t t h e n ，t h ea u t h o rh a da ni n d e p t hs t u d yo nt h ef a m il y n e t w o r k so v e r a l ls t r u c t u r ea n dg a v et h ed e s i g no ft h eh o m e g a t e w a ya n d h o m en e t w o r ks t r u c t u r e t h ef a m il yn e t w o r k s i i i s t r u c t u r eh a sa d v a n t a g e so fc e n t r a l i z e dd i s t r i b u t i o na n dg o o d s c a l a b i l i t y t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e dt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fh o m e g a t e w a y ，a n a l y s i st h em e t h o do f h o wt od e v e l o pu n d e r l y i n g d r i v e r s d e s c r i b e di nd e t a i lf o rt h ed r i v e r so fz i g b e ea n d i e e e 8 0 2 1i bi n t e r f a c e t h e nt h ep a p e ra n a l y z e dt h ef u n c ti o na n dt h er u n n i n g p r o c e s so ft h eh o m eg a t e w a yw e bs e r v e r t h ea u t h o ra d o p t e dj s p t e c h n o l o g yw h i c hh a sac r o s s p l a t f o r mr u n n i n gc h a r a c t e r i s t i c s t osi m u l a t et h ef u n c ti o no fh o m eg a t e w a yw e bs e r v e r f i n a l l y ， o nt h eb a s i so ft h eu n i f i e dd e v i c em a n a g e m e n t p r o t o c o l( u d c p ) ，t h ea u t h o rd e sig n e daf a m il yn e t w o r k c o m m u n i c a ti o nm o d e la n da n a l y z e dh o wt oa d o p tt h ez i g b e e t e c h n o l o g y t o i m p l e m e n t t h ec o m m u n i c a t i o n s b e t w e e ni a ， v e r s a t il ec o n t r o l l e ra n dh o m eg a t e w a y k e yw o r d s ：i n f o r m a t i o na p p l i a n c e ；h o m ew i r e l e s sn e t w o r k ：h o m e g a t e w a y ； w e bs e r v e r w 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：名j ! i 嗲p 。年厂月矽6 日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密留。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 导师签名：。，夕， e l 期：弘o 年y - 月矽6 日 嘲冲r 7 日 信息家电无线网络的研究与实现 1 绪论 信息家电家庭网络是计算机网络技术、通讯技术以及信息家电技 术的结合物，是信息科学技术一个新的典型应用。它具有与外部网络 ( 如局域网、互联网等) 相互通信能力。随着计算机网络的发展与普 及，自动化技术的应用的发展，进一步促成越来越多的人们关注信息 家电家庭网络。 1 1 信息家电 1 1 1 信息家电的概念 信息家电( i n f o r m a t i o n a p p l i a n c e ，简称为i a ) 是一种操作简 便、实用性强、具有网络信息终端功能的智能化家电产品，是利用计 算机、数字通信和电子技术与传统家电相结合的创新产品，是为数 字化与网络技术更广泛地深人家庭生活而设计的新型家用电器【1 1 。 所有信息家电的一个显著的特点是：能够通过网络系统与互联网 上的信息源或者家庭网络中的其他信息家电设备进行信息交互。如个 人电脑、电视机顶盒等等都可以称之为信息家电。信息家电扩充了传 统家电的功能，使传统的家电设备更加便于用户使用，为人们带来更 高品质的生活环境。信息家电的出现必将促使传统的家电产品朝着网 络智能化的方向发展。 也有人将信息家电称为网络家电( i n t e m e t a p p l i a n c e s ) ，即能联 上互联网的家电设备都可叫做信息家科2 1 。信息家电的本质就是将个 人电脑中一些常用的功能与数字技术和网络技术相结合，运用到传统 的家电设备当中，使其成为网络化，智能化的新型家庭信息终端，从 而建立家庭网络环境【3 】。因此，计算机技术和传统家电技术的发展与 信息家电产业的发展是息息相关，相互影响、相互促进的。 硕士学位论文 1 1 2 信息家电的特点 信息家电被称为是一种隐形的电脑。它将复杂的实现技术隐藏起 来，而将自身易于使用的特性展现给用户【4 1 。相比较于传统意义上的 家电设备而言，信息家电主要有两大特点： 信息家电具有一定的智能性 由于信息家电设备拥有嵌入式微处理器，因此它具有一定的智能 性，可以智能的感知家庭网络环境发生的变化，并能够自动做出相应 的反应。 信息家电具有网络通信能力 单独存在的信息家电设备是没有意义的，它需要跟家庭网络中的 其他家电设备交互信息，协同工作。因此，信息家电具必须有网络通 信能力，可以通过家庭网关与其他信息家电交互信息。 1 2 信息家电无线网络 1 2 1家庭网络的概念 家庭网络( h o m en e t w o r k ) 通常是指：在家庭范围内，实现信 息设备、通信设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、照明设 备、保安装置及水电气热表设备的互连和管理，以及数据和多媒 体信息共享的小区域网络【5 】。 从网络连接的角度看，家庭网络是指在家庭内部网络和外部 网络( 如i n t e r n e t ) 连接之前，先将家庭内部所有的信息家电设备 连接起来而形成的网络。家庭网络使在家庭区域中的所有电子设 备互连，使电子设备之间、电子设备与外部环境之间能够相互通 住f 6 1 lr - 1o 信息家电无线网络的研究与实现 1 2 2 家庭网络联网方式的发展趋势 现在两种最流行的家庭网络类型是无线和有线方式组网。相 对于有线技术，使用无线技术连接家庭网络中的信息家电设备更简 单、花钱更少。这种网络使用无线电波代替线缆。由于不使用物 理线缆，因此这种网络非常灵活。例如，可以在房间之间移动笔 记本电脑，而不用调整网线，也不必断开连接。缺点在于无线连 接通常比以太网连接速度慢。 在国内外各个家庭或办公环境中，以8 0 2 1 1 b 的无线以太网 技术连接的笔记本电脑的逐渐普及使用，给人们的办公带来了更 大的灵活性，使员工可以随时与整个公司的计算机网络连接，而 不必选择带有线网络接口的地方上网。个人计算机在国外发达地 区的普及带来了人们在家庭环境中计算机之间、计算机与外设， 如打印机、扫描仪等设备之间进行数据交换的需求。8 0 2 1 1 b 无线 以太网在其中可以扮演重要角色。 但是我们可以看到，无线网络技术发展非常迅猛，现在大多 数家庭无线网络【7 】和无线网卡都使用8 0 2 1 1 b 无线联网，它能够在 家庭区域里达到11 m b s ，足以满足家庭网络的需要。同时较新的 无线标准是8 0 2 1 1 n 也即将出台，8 0 2 1 i n 技术能带来高达6 0 0 m b s 的理论带宽以及更高的无线覆盖能力，使得无线承载多媒体应用，尤 其是视频媒体成为可能。因此家庭网络选择无线联网方式是大势所 趋。 1 3 课题的研究内容及章节安排 本人研究的主要内容是：首先在众多有线及无线通信标准中选择 适合家庭网络的技术组建家庭内部网络，使之达到方便快捷，安全、 廉价与兼容性强等要求。然后，设计家庭网络的整体结构，使该结构 具有集中分布式，扩展性强的优点。接着采用具有跨平台运行特性的 硕士学位论文 j s p 技术设计家庭网关w e b 服务器。最后，设计家庭内网网络的通信 模型，采用z i g b e e 和i e e e 8 0 2 1l b 技术实现家庭内网网关与信息家 电和万能遥控器的通信。 论文结构安排如下： 第一章首先介绍信息家电的特点功能，然后介绍家庭网络的特点 和发展趋势，接着分析了信息家电与家庭无线网络的关系。最后介绍 了本论文的主要研究内容。 第二章主要介绍了家庭网络组网技术，经过分析比较现阶段主流 的无线通信技术，最后选择z i g b e e 和8 0 2 1l b 技术组建家庭内部网 络，使之达到高性能和低成本的要求。 第三章深入的研究了家庭网络的整体结构，将家庭网络分为家庭 网关和家庭内网两个部分，并分别给出了这两个部分的的功能分析和 结构设计。 第四章介绍了家庭网关的硬件平台，深入的分析了家庭网关的底 层驱动程序的开发方法。详细描述了针对z i g b e e 接口和i e e e 8 0 2 1 1 b 接口的一系列驱动程序的开发过程。 第五章分析了家庭网关w e b 服务器的功能和运作过程，并采用 具有跨平台运行特性的j s p 技术，在p c 机上面实现了对家庭网关 w e b 服务器的模拟。 第六章主要分析了在统一设备管理协议( u d c p ) 的基础上设计 家庭内网网络的通信模型，着重分析了采用z i g b e e 技术实现信息家 电和万能遥控器与家庭内网网关的通信。 最后是结束语，对本文的研究内容进行总结，对不足的地方进行 了分析，且对下一步工作进行了展望。 信息家电无线网络的研究与实现 2 家庭网络无线技术的比较与选择 家庭网络可以划分为外部网络、家庭网关和家庭内部网络三个部 分。外部网可以是有线电视网和i n t e m e t 等，大多都采用比较成熟的 组网技术。内部网络则主要用于连接家庭网络内部各种信息家电设 备，由于信息家电设备干差万别，其组建网络的形式也多种多样。家 庭内部网络组网方式通常包括无线和有线两种方式8 1 。 2 1 无线组网技术概述 由于无线组网技术的天然优势，在信息家电家庭网络中采用无线 技术组网已经成为了势不可挡的趋势。现在的无线组网技术主要包括 8 0 2 1 l b 、z i g b e e 、h o m e r f 和蓝牙等。现在分别对这几种主流的无线 技术做简要的介绍和比较。 2 1 1蓝牙 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是1 9 9 4 年由爱立信公司首先提出的一种短距 离无线通信技术规范【9 】。原本是用来取代红外的，与红外技术相比， 蓝牙无需对准就能传输数据，传输距离小于1 0 m ( 红外的传输距离在 几米以内) 。而在信号放大器的帮助下，通信距离甚至可达几十米。 蓝牙系统一般由无线单元、链路控制( 硬件) 单元、链路管理( 软件) 单元和蓝牙软件( 协议栈) 单元等4 个功能单元组成。无线单元射频 部分通过2 4 g h zi s m 频段的微波来实现数据位流的过滤和传输。 蓝牙要求其天线部分体积小巧，质量轻。因此，蓝牙天线属于微 型天线【l o l 。 蓝牙系统主要有以下特点： 工作在2 4 g h z 的i s m 频段，工作频段无须申请许可。 发射功率为1 r o w 时，通信距离可以达到l o m ；发射功率为 l o o m w 时，通信距离不到1 0 0 米。 硕士学位论文 发射功率自适应，低干扰。 采用灵活的无基站组网方式，使得一个蓝牙单元最多同时可以 和7 个其他的蓝牙单元通信，同时支持点对点和一点对多点的连接。 蓝牙的几种典型应用如下： ( 1 ) 三合一电话。蓝牙技术可以使一部手机能在多种场合使用： 在办公室里，这部手机是内部电话，不计电话费；在家里则是无绳电 话，计固定电话费；出门在外又是一部移动电话，按移动电话花费计 费。 ( 2 ) 因特网桥。蓝牙技术可以使便携式电脑在任何地方都能通 过移动电话进入因特网随时随地到网上去“冲浪”。 ( 3 ) 交互性会议。在会议中，蓝牙技术可以使自己的信息迅速 通过便携式电脑、手机、p a d 等与其他与会者共享。 ( 4 ) 数码相机中图像的无线传输。蓝牙技术将数码相机中的图 像发送给其他数码相机、p c 机、p d a 等。 ( 5 ) 各种家用设备的遥控和家电网络。 2 1 2h o m e i 心 h o m e r f 无线技术，h o m e r f 特别兴趣小组在1 9 9 9 发表了共享 无线接入协议规范，该协议规范对h o m e r f 的业务进行了详细说明。 h o m e r f 工作在2 4 g h zi s m 频段。主要是面向笔记本电脑以及一些 消费用电子设备的联网【1 1 1 。 2 1 3 z i g b e e 技术概述 ( 1 ) z i g b e e 技术特点【1 2 】 z i g b e e 是一种低速无线个域网技术，它适用于通讯数据量不大， 数据传输速率相对较低，分布范围较小，但对数据的安全可靠有一定 要求，而且要求成本和功耗非常低，并容易安装适用的场合。它具有 信息家电无线网络的研究与实现 一下几个特点。 比较灵活的工作频段 为了使用户自由地使用z i g b e e 设备，z i g b e e 选用了无须取得许 可即可使用的“免注册”频段，即工业、科学、医疗( i s m ) 频段。为 适应世界各国的不同情况，定义了2 4 g h z 频段和8 6 8 9 15 m h z 频段： 2 4 g h z 频段在全世界范围内是通用的，而8 6 8 9 1 5 m h z 频段分别使 用欧美和北美。在2 4 g h z 频段分配了1 6 个信道，每个信道的带宽为 6 m h z ，数据传输速率为2 5 0 k b s ；8 6 8 m h z 频段有一个信道，数据传 输速率为2 0 k b s ；9 1 5 m h z 频段里有1 0 个信道，数据传输速率为 4 0 k b s 。 我国使用的z i g b e e 设备应该工作在2 4 g h z 频段。免注册 的频段和较多的信道使z i g b e e 的使用更加方便、灵活，特别是选用 2 4 g h z 频段的设备，可以在全世界的任何地方使用。而较多的信道 提高了z i g b e e 的可用性和灵活性，在同一区域内可以有多个不同的 z i g b e e 网络共存而互不干涉，因为它们可以选择不同的信道。 对m c u 的资源要求相对较低 相对于其他的网络技术，z i g b e e 网络协议较为简单，可以在计 算能力和存储能力都非常有限的m c u 上运行，使用于对成本要求非 常苛刻的场合。这对于一些需要布置大量无线传感器网络节点及家用 领域等尤为重要。 安全、可靠的数据传输 z i g b e e 在物理层和媒体访问控制层采用i e e e8 0 2 1 5 4 协议，使 用带时隙或不带时隙的载波检测多址访问与冲突避免( c s m a c a ) 的数据传输方法，并与确认和数据检验等措施结合，可保证数据的可 靠传输。安全性是z i g b e e 的另一个特点。为了提高灵活性和支持在 资源匮乏的m c u 上运行，z i g b e e 支持3 种安全模式。其最低的安全 模式实际上无任何安全措施，而最高级的三级安全模式采用属于高级 加密标准( a e s ) 的对称密码和公布密码。 硕士学位论文 极低的功耗 低功耗是z i g b e e 最重要的特点。为此，引入了几种降低功耗的 方法。主要的方式是采用间接数据传输，即数据的传输是由功能简单、 用电池供电的从节点发起的，而不是由主节点轮询的，这样以来，在 不需要传输数据的大部分时间，从节点可以关闭收发设备，工作在睡 眠状态，从而最大限度地降低功耗。 灵活的网络结构 z i g b e e 既支持星形结构网络，也可以是对等拓扑的网格网络；既可 以单跳，也可以通过路由器实现多跳的数据传输。在一个单独的 z i g b e e 网络内，可以容纳最多2 1 6 个设备。 ( 2 ) z i g b e e 的设备类型 网络中的设备按功能的不同分为两类：具有完整功能的全功能设 备( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) 和只具有部分功能的精简功能设备 ( r e d u c ef u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 。其中r f d 功能非常简单，可以使 用最低端的m c u 实现，在网络里只能作为不需要发送大量数据的终 端设备，只能和某一个特定f f d 进行通信。比如它可以是家庭里的 一只红外传感器或照明开关，也可以是生产车间里的一只压力传感 器。而f f d 可以作为个域网的主协调器、协调器，也可以作为终端 设备使用。在一个网络里至少需要一个主协调器。 ( 3 ) z i g b e e 技术的体系结构 z i g b e e 协议栈的结构【1 3 】虽然是基于标准的7 层开放式系统互联 ( o s i ) 模型，但仅对那些涉及z i g b e e 的层予以定义。i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 标准定义了最下面的两层：物理层( p h y ) 和介质接入 控制子层( m a c ) 。上层的应用层开发由z i g b e e 联盟负责。其各层 之间分布如图2 1 所示： 从图中可以看出，z i g b e e 技术的协议层结构简单，仅有3 层。 在z i g b e e 技术中，物理层层和媒体接入控制层采用i e e e 8 0 2 1 5 4 协 信息家电无线网络的研究与实现 i e e e 组 z i g b e e 联盟 图2 - 1 z i g b e e 技术的协议层结构 议标准，其中，物理层提供了两种类型的服务：即通过物理层管理实 体接口对物理层层数据和物理层层管理提供服务。物理层层数据服务 可以通过无线物理信道发送和接收物理层协议数据单元来实现。 ( 4 ) z i g b e e 技术的应用 z i g b e e 是一种低成本、低功耗、低速率、短距离无线网络技术， 凡是具有上述特征或要求的场合都可以医用。典型的应用如家庭自动 化、智能建筑、医疗领域、现代农业、工业自动化、交通、环境监测 等。下面简单介绍家庭自动化和智能建筑的应用。 家庭自动化应用 在家庭自动化应用方面，z i g b e e 可用于安防自动报警，烟雾、 煤气泄露检测，照明设备的自动控制与遥控，空气环境、节能控制， 门窗检测与控制，水、电、气三表的远程自动抄表，玩具和p c 机周 边设备等。 智能建筑 现代化的智能大厦需要安全方位的信息交换，从计算机网络到通 讯，从门禁控制到消防监控，从空调系统的节能运行到供电保证体系， 无不需要高效、方便的网络。虽然z i g b e e 是一种低速率的网络，不 能用于计算机、通讯等。但由于它成本低、网络容量大，以及可以用 电池供电长期工作，因此在诸如消防监控、空调节能运行、门禁、供 电系统监测等方面都是一种很好的选择。 或蚁固定 e j& 自 吲m z eo 、，lrj 硕士学位论文 ( 5 ) z i g b e e 与i p v 6 z i g b e e 联盟希望建立一种可以连接每个电子设备的无线网，它 预言z i g b e e 将很快成为全球高端的无线技术，2 0 0 7 年z i g b e e 节点达 到3 0 亿个。具有几十个亿节点的网络将很快耗尽己不够用的i p v 4 地 址空间。因此，i p v 6 与i e e e8 0 2 1 5 4 结合是传感器网络的发展趋势。 i p v 6 采用1 2 8 位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。按保守方 法估算，i p v 6 实际可为整个地球的每平方米面积分配1 0 0 0 多个地址。 i p v 6 在设计过程中，除了一劳永逸地解决了地址短缺问题以外，还考 虑了在i p v 4 中解决不好的其他问题，如端到端i p 连接、服务质量 ( q o s ) 、安全性、多播、移动性、即插即用等。因此，在z i g b e e 网 络中使用i p v 6 地址是z i g b e e 的发展趋势【1 4 】。 2 1 48 0 2 1l b 技术简介 i e e e 8 0 2 1l b t l 5 1 发布于1 9 9 9 年9 月。它采用2 4 g h z 的i s m 频段 的无线电波，且采用加强版的d s s s ，可以根据环境的变化在1 1 m b s 、 5 m b s 、2 m b s 和1 m b s 之间动态切换。目前，8 0 2 1l b 协议是当前应 用最为广泛的w l a n 标准。其缺点是速率仍不够高，且所在的2 4 g h z 的i s m 频段带宽比较窄( 仅有8 5 m h z ) ，同时还要受微波、蓝牙等多 种干扰源的干扰。 8 0 2 1 1 b 的主要特点如下表2 1 所示。 8 0 2 1 l b 技术的突出优势在于17 】： ( 1 ) 无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非 常小，半径大约只有5 0 英尺( 约合1 5 m ) ，而8 0 2 1 l b 的半径则可达 3 0 0 英尺( 约合1 0 0 m ) ，办公室自不用说，就是在整栋大楼中也可以 使用。据悉，最近由v i v a t o 公司推出的一款新型交换机能够把目前 8 0 2 1 1 b 无线网络3 0 0 英尺( 接近1 0 0 m ) 的通信距离扩大到4 英里( 约 6 5 k m ) 。 信息家电无线网络的研究与实现 表2 - 18 0 2 1 l b 的主要特点 特点 频率 2 4 g h z 带宽 2 2 m h z 每频点，共8 3 5 y h z 带宽 无线接口直接序列扩频( d s s s ) 速度最大为1l m b p s 的数据传输速率 动态速率当无线环境情况变差时，数据传输速率转换为：1 l 、5 5 、2 、l m b p s 覆盖范围室外为1 0 0 - 3 0 0 米，办公环境中为3 5 1 0 0 米 安全性采用s s i d 和w e p 可伸缩性最多三个访问点( a p ) 可以同时定位于有效使用范围中，以支持更多用户 加载平衡 用户可更改与之连接的访问点，以提高性能( 例如，当前的访问点流量较 拥挤，或发出低质量的信号时) 漫游支持当用户在移动时，允许在访问点之间进行无缝连接 ( 2 ) 虽然由8 0 2 1 1 b 技术传输的无线通信质量不是很好，数据 安全性能比蓝牙差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常块， 可以达到11 m b p s ，符合个人和社会信息化的需求。 ( 3 ) 厂商进入该领域的门槛比较低。厂商只要在机场、车站、 咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点 ，并通过高速线路将 因特网接入上述场所。这样，由于“热点 所发射出的电波可以达到距 接入点半径数十米至1 0 0 m 的地方，用户只要将支持无线l a n 的笔 记本电脑或p d a 拿到该区域内，即可高速接入因特网。也就是说， 厂商不用耗费资金进行网络布线接入，从而节省了大量的成本。 8 0 2 1l b 的主要特点是传输速率高，可靠性高，建网快速，便捷， 可移动性好，网络结构弹性化，组网灵活，组网价格较低等，因此具 有良好的发展前景。 家庭网络是近些年才出现的新事物，随着移动通信技术的发展， 无线家庭联网方案也多种多样，本章的上面部分已经大致介绍了几种 硕士学位论文 现在比较主流的无线联网技术，下表2 1 是这几种无线技术的比较。 从数据传输率和设备成本的角度可以看出，h o m e r f 、8 0 2 1 l b 、 蓝牙适合于数据文件和语音的传输。而z i g b e e 则是低数据传输率的 监测和网络控制的首选技术。 表2 - 1 几种无线技术比较 z i g b e e 8 0 2 1 l b 蓝牙 h o m e r f 使用频段 2 4 g h z 9 1 5 硼z 8 6 8 姗 2 4 g h z2 4 g h z2 4 g h z 调制技术b p s k ，o q p s kq p s k ( c c k ) g f s kf s k 最大数据传输速率2 5 0 k b s 1 1 m b s1 m b s1 6 m b s 功耗极低高中等中等 复杂性简单非常复杂复杂复杂 覆盖距离l o o m l o o ml o m 5 0 m 网络节点数 2 5 55 081 2 7 使用成本低中等中等中等 安装难度简单 难 简单简单 2 2 z i g b e e 与8 0 2 1 l b 相结合的家庭内网无线组网技术 本文选择z ig b e e 和i e e e 8 0 2 1 1 b 这两种无线传输技术应用于家 庭网络中，是因为它们各自都具有显着的优势，而且具有很强的互补 性。 z i g b e e 是一种最新的无线技术之一，它具备很多优良的技术特 性。它的这些特性决定了它非常适合应用于家庭网络中，这些特点主 要包括： ( 1 ) z i g b e e 的传输距离能够达1 0 0 米，在增强功率的情况下， 还可以传输到更远的距离，因此足以满足家庭网络的需要。 ( 2 ) z i g b e e 的抗干扰能力很强，各种信息家电设备采用z i g b e e 技术通信，能够达到互不干扰的正常工作，从而保证家庭内网无线通 信息家电无线网络的研究与实现 信的质量。 ( 3 ) z ig b e e 芯片的成本很低，而且随着技术的进步还在继续下 降，因此可以保证信息家电设备的成本不会太高。 ( 4 ) 虽然目前z i g b e e 的传输速率为不高，仅为2 5 0 k b s ，但是 家庭网络中绝大多数的信息家电只需要发送或接收控制和状态信息 传输的要求，2 5 0 k b s 的速率完全可以满足这样的要求。 ( 5 ) z i g b e e 具有很强的扩展性，可以满足家庭网络将来扩展的 需要。 采用z i g b e e 作为无线传输方式的家庭网络，其网络结构如图2 2 。 万能遥控器 舢 p c 篇 l 懋| 信息家电设备 主翻弼关 内网网关 图2 - 2 基于z i g b e e 的冢庭网络结构 目前，在大多数的家庭网络无线传输技术中，i e e e 8 0 2 1 l b 在市 场上的应用也非常广泛。以下是i e e e8 0 2 1 1 b 技术的主要优势： i e e e8 0 2 1 l b 工作在2 4g h z 的频段，此频段是免费开放 的，且不用申请频率使用许可证，这个优势有利于其在市场的推广和 应用。 e e e8 0 2 1 1 b 的无线电波的覆盖范围广，半径可以达到1 0 0 米， 足以满足家庭网络中各个信息家电之间的互联需求。 i e e e8 0 2 1 1 b 的传输速度非常快，可以达到l1 m b p s ，并且可 以根据环境的变化在1 1 m b s 、5 m b s 、2 m b s 和1 m b s 之间动态切换。 能够满需要占用大量带宽的信息家电设备的要求。 由于i e e e8 0 2 1 1 b 在各个领域的大量应用，而且i e e e8 0 2 1 l b 硕士学位论文 的无线网卡及其相关产品的价格继续保持着下降的趋势，因此促进了 i e e e8 0 2 1 l b 在家庭网络中的普及。 采用i e e e8 0 2 1 l b 作为无线传输方式的家庭网络，其网络结构如 图2 3 所示。 万能遥控器 舢 p c 圄 信息家屯设备 图2 - 3 基于i e e e 8 0 2 1l b 的家庭网络结构 这里需要说明的是，由于现在市面上的家电设备上极少安装有 z i g b e e 和8 0 2 1 1 b 接口，对于图2 2 ，2 3 中，家庭内网网关与信息家 电设备之间的通信现在还不具备实现条件。因此在本学位论文中，采 用笔记本电脑来模拟万能遥控器，实现万能遥控器与家庭内网网关之 间的相互通信。 因此，如果在在信息家电设备上安装了i e e e8 0 2 1 1 b 无线网卡， 并配置了相应的设备驱动程序后，就能够实现信息家电设备与家庭内 网网关的高速率通信。而信息家电设备要能够支持i e e e8 0 2 1 l b 无线 网卡，首先应该在信息家电设备上安装有i e e e8 0 2 1 l b 的接口，接着 在信息家电设备的核心控制平台上扩展一个p c m c i a 插槽即可。 综上所述，z i g b e e 技术建立在i e e e 8 0 2 1 5 4 标准基础上，它是 一种复杂程度低、功耗低、成本低、网络容量大的近距离无线传感网 络技术，主要适合于承载数据流量较小的业务。相对于现有的各种无 线通信技术，z i g b e e 技术是最低功耗和成本的技术，具有广阔的市 场前景。而与z i g b e e 技术相反，8 0 2 il b 是一种远距离、复杂度较高、 高功耗、高数据速率( 达1 1 m b p s ) 、高成本的无线网络技术。目前在 信息家电无线网络的研究与实现 无线局域网中得到了较为广泛的应用，十分便于接入i n t e m e t 。基于 z i g b e e 技术的无线网络有可快速部署、成本低等优点。十分适合于 家庭网关发送对信息家电的控制通信。但是，由于z i g b e e 技术是一 种低数据速率的无线传输技术，它一般传输的数据量较小，而在信息 家电系统中，除了低数据速率的控制数据外，还有需要大量数据传输 率的设备，如手提电脑，家庭无线摄像监控设备，无线打印机，w i f i 手机等，这对于z i g b e e 技术是个难点，很难完成，但是对于8 0 2 1 1 b 则易如反掌。 因此，家庭内网中同时采用这两种具有很强互补特性的无线技术 进行通信。家庭内网网关上既支持z i g b e e 又支持8 0 2 1 1 b 技术的通信， 而对于高数据速率的信息家电设备通过8 0 2 1 1 b 技术与内网网关进行 通信，保证这些设备对于高数据传输率的要求。而低数据速率的信息 家电设备通过z i g b e e 技术与内网网关进行通信，从而降低了信息家 电设备的成本。这两种技术同时运用与家庭网络，使得家庭网络达到 高性能和低成本的要求。 2 3 小结 本章介绍了家庭网络的联网技术，通过分析和比较，得出结论： 无线组网方式是家庭网络未来的发展方向，而无线通信技术中 8 0 2 1 1 b 与z i g b e e 具有很强的互补行，将这两种无线通信技术同时运 用到家庭网络中，可以使家庭网络达到高性能和低成本的要求。本章 详细介绍了这两种无线网络技术，包括他们的技术特点，协议框架等， 为后面家庭网络的组建提供理论基础。 信息家电无线网络的研究与实现 家庭网络结构设计 3 1 在i p v 6 下构建家庭网络 i p v 4 是一个非常成功的协议，它推动了互联网的高速发展，但由 于其最初的设计者对互联网的发展速度估计得不够充分，随着互联网 的普及和新的应用不断出现，i p v 4 的局限性已经非常明显，而i p v 4 最突出的问题是其地址空间不足以及当初地址分的配不合理，直接限 制了i p 技术应用的进一步发展。虽然在i p v 4 协议下构建家庭网络是 可行的，但是家庭网络本身所具有的动态开放等特点都是i p v 4 无法 做的的，因此，我们在i p v 6 t 1 8 】的协议下构建家庭网络是更加适合的 选择。 其一，i p v 6 协议支持信息家电设备即插即用的功能，这里所说的 即插即用功能是指计算机在接入网络时可自动获取登录必要的参数 的自动配置功能和地址检索的功能，无需任何人工干预就可以将一个 节点接入i p v 6 网络并在网络中启动。这样可以大幅度地减少网络管 理者的配置和地址映像管理工作量，移动节点也可以方便地在任何地 方随时接入网络。这样如果在家庭网络中添加新的信息家电设备，几 乎不需要任何手工配置就可以直接对其使用，让用户使用起来感到十 分的方便【1 9 l 。 其二i p v 6 提供1 2 8 位的地址空间。它地址容量巨大，共有2 1 2 8 个不同的i p v 6 地址。地球上的移动电话、汽车、仪表、电子设备， 甚至每一粒沙子都可以具有一个i p 地址，极大地满足那些伴随着网 络智能设备的出现而对地址增长的需求。理论上，i p v 6 地址耗尽的可 能性是很小的。在可预见的很长时期内，i p v 6 的1 2 8 位地址长度形成 的巨大的地址空间，能够为所有可以想象出的网络设备提供一个全球 唯一的i p 地址。 因此，i p v 6 有足够的地址空间，可以为家庭网络各种信息家电设 硕士学位论文 备提供足够多的地址空间，可以为每个家庭设备分配一个或者多个全 局的i p v 6 地址。此外i p v 6 的通信方式有多种，而且如果每个信息家 电设备都有自己唯一的全局i p v 6 地址时，那么就可以从i n t e r n e t 上直 接访问所有的信息家电设备，同时信息家电本身也可以向i n t e r n e t 发 送自己的信息给用户，实现用户和信息家电设备的全双工通信。 其三，i p v 6 能很好的支持q o s 。i p v 6 协议在基本报头和扩展头 中包含了少量与特定q o s 有关的服务元素，可以按不同方式使用并 可综合应用。流量类型( t r a f f i cc l a s s ) 代替了i p v 4 中的t o s 字段， 有助于处理实时数据以及任何需要特别处理的数据。发送节点和转发 路由器可以使用该字段来识别和分辨i p v 6 数据报的类型和优先级。 在i p v 6 报头当中新增加了一个流标签字段，定义如何识别或操纵数 据流，用于区分需要相同处理的数据报，以此来促进实时性流量的处 理。由于在i p v 6 的报头当中就可以识别数据流的特征，所以即使用 数据报经过i p s e c 的加密，也很容易