数字家园系统的技术研究与设计

数字家园系统的研究与设计分析了国内外主要信息家电产品以及家庭组网解决方案、模型的缺点与缺乏,有针对性地提出了一套低本钱的数字家园系统(DHNＳ)解决方案,描述了本系统的总体构架、社会效劳体系和QoＳ需求,设计了系统的核心技术平台——家居效劳器,并对其原理、构架、软硬件模块组成以及通讯协议作了比较详尽的阐述。本系统可灵活地进展高、中、低各种不同的配置，最高配置可覆盖整个家庭和社会效劳体系,最低可配置成一个单台的DVD播放机，具有较大的市场前景。指出了本系统存在的问题和进一步的研究目标。数字家园是一个庞大的系统工程,涉及到计算机、通讯、控制、消费电子、住宅建立、金融业等及人类社会生活的方方面面。为了实现各种家用电气设备以及对社会生活的互通互联,一个统一、放开、透明、可靠的标准、协议、网络构架和低本钱的实现是推动数字家园系统开展的关键。

自信息家电技术问世以来,其组网的标准和协议按主导企业技术背景差异划分,根本上有两大类，一是以计算机通信企业为主导的，二是以家用电器企业为主导的。ﻫ第一类的代表是开放业务网关OSG(ＯpｅｎServiceGａｔeway),其根本目标是以PC为根底，建立包括其它非PC(后ＰC)类黑色家电、白色家电在内的通信，甚至于水、电、气表等的全家庭网络体制,根本思想是以业务为主线建立体系。第二类很多,由主要的数字视音频产品制造商和局部通信计算机制造商组成,根本目标是建立非PC的家庭多媒体网络体系。工作的主线是设备间的互联性。其比较著名的有Hａvi、Ｊｉnｉ、HomｅＰNA、HｏmePｎP、HomeRＦ、HomeAPI等。各个标准的侧重点不同,目前谁是主流体制尚不明朗。ﻫ从国内外开展情况来看，信息家电将是日后家电开展的一大方向,可以说是主方向[１]。但是，迄今过去多年了，信息家电依然难以投入实用,究其原因,除了纷繁的标准和标准让人无以适从外,在具体的实现技术路线上也存在缺乏,其主要表现在如下五个方面：(１)在网络构架方面,目前的标准和标准还只侧重于家庭内部的网络互联,缺乏对社会效劳体系的研究、规划与建立；(２)在技术上采用胖客户机、瘦效劳器方案,导致技术过于复杂、本钱过高,例如，按照目前的技术路线,即网络冰箱=电脑(PC)+冰箱,其代价相当高昂；(３)设备上网协调性差,局部信息产品自成体系,缺乏完整的系统支持及统一的技术标准,协调性、互连性、共存性很差,家用电脑、冰箱、微波炉、洗衣机等设备的上网缺乏交换设备(Swiｔｃheｒ〕，需要很多外网接口或者出口，无法同时使用；〔４〕人机协调性差,对目前的信息家电来说,要么只解决了人员上网的问题,要么只解决设备上网的问题,人机无法同时上网；(５)功能比较简单,难以适应各种不同的需求。例如,目前的机顶盒只有一些简单的上网功能,难以满足人们对高品质数字生活的追求。ﻫ鉴于上述原因,本工程提出了一套以家居效劳器为核心的新型数字化家园体系构造ＤHＮS(DｉgitalHｏmｅNetｗorkSysｔeｍ),用以建立相对合理、完善的家庭内部网络以及社会效劳体系,以解决家庭人员和各种设备的本地和远程控制、监测、检测、协调上网,尤其是大幅度降低整体信息家电本钱以及技术难度等问题，实现家居生活的数字化。ﻫ１ＤHNS数字家园系统总体构架ＤHNＳ数字家园系统总体构架如图１所示。ﻫ图１DHNS数字家园系统总体构ﻫ〔１)采用基于智能代理技术的胖效劳器、瘦客户机设计方案,以大幅度降低信息家电整体本钱。

现有白色(功能性〕信息家电(如网络冰箱、微波炉、洗衣机等〕的设计方案根本上是：电脑〔PC)+家电，即在白色家电中嵌入一台ＰＣ,它们都拥有各自独立的高档CＰU(如X８６、ＰoｗerPC)、显示器、复杂的操作系统、网络调制器、硬盘等组件,因此技术复杂、本钱不菲。采用本方案,可将这些信息家电的大局部功能迁移至家居效劳器,形成胖效劳器、瘦客户机体系。采用移动Aｇenｔ技术，各种信息家电通过家居效劳器的集中管理，对外统一连网、对内协调工作,所有信息(包括程序代码、数据等)均存放在效劳器中,浏览也可在家居效劳器上完成。而这局部信息家电只需用简单、廉价的单片机进展自身管理以及与家居效劳器通讯即可完成上网任务。因此,可完全卸除其复杂、昂贵的高档组件,从而到达大幅度降低本钱的目的。

(２)采用多功能、模块化设计方案,以适应不同用户的需求,解决人员、设备的上网以及机顶盒功能简单等问题。ﻫ多功能设计主要表达在家居效劳器的设计上,它主要由三大类效劳模块组成，即娱乐效劳模块、网关效劳器模块、通讯与监控效劳模块等。各个模块由不同的软硬件组件组成,即插即用、灵活配置,可满足不同层次消费需求。ﻫ①娱乐效劳模块

该模块由在线效劳模块和独立效劳模块组成。在线效劳模块可实现网络电影、电视、播送等音视频流媒体的实时播放和录制以及定时录制；独立效劳模块指在缺乏社会效劳体系效劳(即无外网联通〕的状态下可独立播放DＶＤ、VCＤ碟片、播放下载的DVＤ、VCＤ、DVＢ、DAＢ、MP３、流媒体以及其它文件。

②网关效劳器模块ﻫ该模块是数字家园的根本效劳模块，对内可驳接家庭网络,对外作为网关使用,连接社会效劳体系，支持如下效劳：网络连接、防火墙、数据存储、家用电器的智能主体代理、文件管理、Intｅrnｅt等,解决设备及人员上网问题。ﻫ③通讯与监控效劳模块ﻫ该模块主要支持以下效劳：监控、来电显示、录音、ＩP、；家庭监控：防盗、火灾、煤气等灾害的监测和报警,水、电、气数据的检测,灯光、窗帘、电饭锅、门窗等家庭低端设备的本地和远程控制等。

(３〕采用简单的人性化操作界面设计方案,以实现“一开就用、一学就会〞的目标,解决群众使用难题。ﻫ用可编程蓝牙掌上电脑为技术平台取代效劳器键盘,将其界面定制成简单、易学、易用的形式,它通过与效劳器的无线通讯，即可实现遥控效劳器的目的,界面可由用户独立定制,也可从远程效劳中心下载定制的PＤA遥控新菜单。

(４)建立完善的社会效劳体系(如图１所示)。ﻫDHＮS构架的数字家园网络系统的抽象特征是：以基于智能代理技术的胖(fat)效劳器为核心技术平台,支持如下效劳：〔１)完善的社会效劳体系；〔２)高质量、多功能语音通讯；(３)Inｔeｒnet冲浪；〔４)音视频娱乐；(５〕传统数据网络；(６)网络游戏；〔７)平安监控与报警、各种数据的监测与检测等；(８)各种家庭电气设备的本地、远程控制以及自动控制。它与普通ＰC网络最根本的区别就是：一开就用、一学就会,而PC难学难用。

支持上述业务或者局部业务的家庭网络系统均可定义为DＨＮS构架信息家居系统。

２家居效劳器的设计与研制ﻫ家居效劳器作为数字家园系统的核心技术平台,对于该构架的实现起着至关重要的作用。家居效劳器主要由软件和硬件局部组成。ﻫ２.１硬件研制

(１)硬件模块组成ﻫ家居效劳器硬件总体构造如图２所示,主要由５大功能模块共１２个子模块组成,即广域网接口模块(Ｍoｄem、ADSLModem、ＣablｅMoｄeｍ、以太网适配器)、中央处理系统、内网数字总线接口模块(高、中、低速通讯总线)、模拟音视频模块、外部设备模块〔包括DＶD驱动器、硬盘、内存、RS２３２、RGB接口等)、遥控模块(专用蓝牙遥控收发器模块、蓝牙掌上遥控器〕等组成。

(２)硬件模块根本描述ﻫ图２家居效劳器硬件构造

中央处理系统：该单元是效劳器的关键模块,它以Ｘ８６CＰＵ为核心,完成对整个系统的管理、监控、计算与调度等功能。ﻫ广域网接口组件：该模块由Ｍodem、ＡDSLModem、CablｅModem、以太网适配器等组成，其中Ｍodem是必备模块,其余三种适配器是可选安装模块。系统通过广域网组件可实现对家庭外部网络的驳接,连接社区、Inteｒnｅt、网络等社会效劳体系,并组成监控子系统。ﻫ内网数字总线接口组件：它由高、中、低速三个总线接口模块组成。高速模块由IEEE１３９４模块和以太网适配器组成，IEＥＥ１３９４最大传输速率可达４００Mｂｐs,传输距离为４．５ｍ,可驳接未来的HDTＶ、ＳＤTV、DVＤ、数字音响、可视、数字摄像机等；中速模块采用蓝牙模块和USB,蓝牙异步通讯速率最大可达为７２３ｋbps,同步语音速率为６４kｂps,USB最大速率为１２Mbps,可驳接网络冰箱、洗衣机、空调、家用机器人、电脑、IP及其外设等设备；低速总线系统模块采用无线FSＫ编码技术，最大数据传输速率为４.０９６kbpｓ,可驳接煤气、防盗、火灾等各种传感器以及对灯光、门窗等设备的控制,组成家庭低端设备网络子系统。

模拟音视频接口组件：分别为一路由双声道和５.１声道解码器、AV视频接口组件、S-Vｉｄeo视频接口组件等组成,可驳接现有主要的音视频终端。ﻫ外部设备模块组件：主要有硬盘、内存、DＶD驱动器、RGＢ适配器、ＲＳ２３２、Ｉ／O等。

遥控组件：由蓝牙掌上遥控器和蓝牙收发器组成：蓝牙掌上遥控器是在一个具有蓝牙无线传输功能的可编程掌上电脑开发的，操作系统为ＷｉnCE。它可轻松完成对各种复杂功能的家居系统的控制，其程序可由用户自行编制,也可在厂商效劳网站里下载定制，具有“一开即用、一学就会〞的特点。

２.２系统软件设计ﻫ２．２.１软件体系构造ﻫ系统软件构造及其组件如图３所示,共由五层组成,即应用层、管理决策层、中间件/环境运行层、信息资源层、操作系统层和驱动程序层组成。ﻫ图３家居效劳器软件构造ﻫ２.２．２软件构造根本描述ﻫ(１)应用层

应用层以Java的应用开发平台为主,它包括DＶＤ、ＶCＤ、流媒体(实时网络播送、电视、电影、音乐)的播放与录制、定时录制、IＰ和、可视、监控监测、小区热线联系、移动Ａgeｎt、网页浏览、设备注册、文件管理等各种应用。

(２)中间件/运行环境层

介于应用与操作系统平台之间,为应用程序提供一个相对统一的开发环境和运行环境,插入Java解释器、ＨTMＬ解释器、防火墙、MyＳQL数据库系统。

中间件技术是软件的关键环节之一,本系统开发了Jini技术中间件。实施各种设备网络互连和管理,集成了音视频设备、Ｍodeｍ、网关防火墙、报警监控检测、家用电脑、白色家电、各种软件效劳等应用的控制检测机制,将这些设备连接到控制决策系统,提供各种效劳的发现、注册、租借、查找和控制等事务。ﻫ(３)逻辑资源层ﻫ处于这一层的软件均为可选择安装的模块,可以根据特定的环境选用,这一层中主要的模块有中文环境、界面系统、TＣＰ／ＩP模块。

(４〕操作系统层ﻫ根本操作系统层。目前的嵌入式操作系统有Lｉnux、PSOS、OSoｐen、WiｎＣE、QAＸ等,嵌入式操作系统应当完成普通OS的大局部功能如进程管理、线程管理、内存管理、文件系统等,本系统选用了Linｕx操作系统。

(５)通讯API层ﻫ通讯API层是对家居效劳器平台根据不同系统的设备驱动规那么,为应用程序提供透明的、标准的控制机制所采用的软件接口,其实现方式由操作系统的核心完成,一方面完成相应设备控制存放器、中断的设置,另一方面完成设备的数据处理和存储空间管理。系统提供了大量的设备驱动,包括RＳ２３２、UＳＢ、IEEE１３９４、AＤSL、CableModｅm、Mｏdｅm、Bluetooｔh、以太网、磁盘、光驱、显示器等设备驱动,并且具有可扩展性。

３内网通讯协议

３.１低速总线系统通讯协议ﻫ３.１.１接口标准

低速无线通讯机工作在４０．６８MＨz,采用二进制调频(ＦM)、单向单工传输模式以降低收发信机的复杂性,带宽为１MHｚ。数据以速率４.０９６kbpｓ传输,使用高斯二进制FSＫ模式,二进制１代表正频偏，０代表负频偏,最大频偏２０kＨz。空中接口标准建立在天线电平０dｂm根底上,理想连接范围为０.１～１０m,所发射的电场强度在距设备３m处不超过１０００μV/m〔采用平均值检波)。信号发射间隔：防盗热线信号每１.５miｎ随机发射一次,其它热线信号发射间隔为每１０min随机发射一次,数据信号每２４h随机发射一次,持续时间不大于１s。ﻫ３.１．２分组数据格式

在低端总线系统中的分组和消息全部遵循ＬittleＥnｄｉaｎ格式,其规那么为：b０代表最低标识位〔LSB),LＳB是第一个发送位,MSB是最后发送位。数据在网络中以分组形式传输,其标准格式如图４所示。

图４低端设备数据分组标准格式

(１)功能识别码

最低３位分别表示：０００-注册,００１-数据发送,０１０-热线信号,０１１-设备撤除,１００-报警,其余保存。该信息用１/３的前向纠错码编码形成９位编码格式。ﻫ(２)头

分组头包含链路控制信息,由５个字段组成,如图５所示。

图５头字段分组数据格式ﻫ设备地址码：４８位,形成全球唯一地址码，通过对地址码的识别,系统可有效地抵御来自左邻右舍无线同频信号的干扰；设备类型码：４位，定义设备种类；优先权码：４位,定义信息的优先权；数据类型码：１位，０表示开关量，１表示模拟量,对于开关量数据,用０００表示逻辑０,１１１表示逻辑１；HEC：７位,头错误校验。分组头用１/３的前向纠错码编码形成１９２位编码格式。头信息中的前４个字段在系统初始化时产生。ﻫ〔３)有效载荷

有效载荷长度为０～２４０位,当功能识别码为：００、１０、１１时,无有效载荷；当功能识别码为０１时,有效载荷由２个字段组成，即头和净荷。头：长度８位；净荷：长度０～２４位。有效载荷用１／３的前向纠错码编码形成最大９６位的编码格式。

３.２高中速总线系统通讯协议

３.２．１接口标准

内网高、中速总线接口标准分别遵循IＥEE１３９４、CSMA/CD、ＵSB、Bｌuｅtooth、IPv４等标准及接口标准。高、中速通讯是双向双工通讯模式。ﻫ３．２.２信源编码格式

在高、中速总线系统里的分组和消息全部遵循LｉttｌeEndian格式。数据在系统中以分组形式传输,其标准格式如图６所示。由于这局部通讯模块中，数据的传输得到了IEEE１３９４、CSＭA／CD、USB、Bluetoｏｔh等标准的质量保障,因此，分组不加额外保护。

图６高、中速总线系统分组标准格式ﻫ(１〕功能识别码ﻫ长度为一个字节〔８位),高４位保存,最低４位分别表示：０００-注册；０００１-数据发送；００１０-热线信号；００１１-设备撤除；０１００-报警,报警内容在有效载荷中指出；０１０１-网上维修请求，故障内容在有效载荷中指出；