Home.Net模型/架構研究

關(guān)鍵詞：Home.Net 模型/架構 信息家電 網(wǎng)絡(luò )體系

一、問(wèn)題提出

　　1.信息家電與嵌入式系統　

　　技術(shù)是應用科學(xué)之母。過(guò)去，人們的視野局限于PC、服務(wù)器、交換機、路由器等；近來(lái)，在硬件設備功能日益增強、價(jià)格越來(lái)越便宜的情況下，人們開(kāi)始注意到技術(shù)如何與家居生活更貼近的問(wèn)題。1999年底，所謂的信息家電吸引了人們的目光，特別是那些國內家電企業(yè)，在國內已經(jīng)成熟的家電市場(chǎng)沒(méi)有太大發(fā)展空間的情況下，找到了增強企業(yè)繼續發(fā)展的動(dòng)力。信息家電的概念最早為國人所知是由微軟的“維納斯”計劃開(kāi)始的?！熬S納斯信息家電”實(shí)際上是將家用電腦、網(wǎng)絡(luò )應用、娛樂(lè )教育三大應用集中在一體。由于微軟擺脫不了電腦的概念，最后沒(méi)能成功。但微軟推出的嵌入式操作系統WinCE經(jīng)過(guò)幾年的改進(jìn)，已成為現在許多信息家電的軟件平臺。當時(shí)，國人擔心微軟會(huì )統治國內的嵌入式操作系統市場(chǎng)；但不久，中科院下的凱思公司適時(shí)推出了嵌入式操作系統“女?huà)z”，獲得國人的喝彩。

　　從概念來(lái)看，信息家電IA（Information Appliance ）可準確譯為信息電器，是計算機通信技術(shù)與傳統家用電器相結合的創(chuàng )新產(chǎn)品；是為數字化與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)廣泛深入家庭生活而設計的新型家用電器。信息家電應具有網(wǎng)絡(luò )功能、數字化、信息化、智能化、低成本、穩定性強等特點(diǎn)。但各個(gè)公司廠(chǎng)商對信息家電模型的理解各不相同，出現了不同概念的信息家電?？梢孕蜗蟮卣f(shuō)，現在是信息家電的戰國時(shí)代?，F在出現的有WebTV、IPTV、機頂盒、PDA、VOD、網(wǎng)絡(luò )空調、網(wǎng)絡(luò )冰箱，還有網(wǎng)絡(luò )VCD、DVD等，大多是概念，市場(chǎng)還未成熟，也未被廣大消費者接受，但PDA卻比較火爆。其實(shí)，信息電器的提法最好。因為在企業(yè)中也有信息產(chǎn)品，如1999年底SUN公司推出的一項具有重大革新意義的軟件技術(shù)“Hot Desk”，體現了網(wǎng)絡(luò )門(mén)戶(hù)的計算思想，其產(chǎn)品是SUN公司的SUN Ray I信息電器。它打破了以往的瘦客戶(hù)機架構，成為真正的企業(yè)信息電器。該產(chǎn)品不運行任何應用程序或系統源代碼，不須配置或管理桌面，復雜的事務(wù)放置在網(wǎng)絡(luò )內部（后臺）解決，使一種類(lèi)似于電話(huà)設施的計算模型成為可能。SUN的信息電器雖然與微軟的“維納斯”計劃將近同時(shí)推出，但沒(méi)能給人們留下深刻的影響。所以，人們習慣用信息家電的概念統稱(chēng)信息電器。據權威部門(mén)預測，未來(lái)10年后，信息家電的銷(xiāo)量將是PC的10倍。信息家電具有廣闊的市場(chǎng)，所以許多IT廠(chǎng)商和家電企業(yè)投入相當多的人力與資金研究與開(kāi)發(fā)信息家電。

　　由于快速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)，使得信息家電的市場(chǎng)比傳統的計算機市場(chǎng)大得多；使嵌入式軟件將成為21世紀信息產(chǎn)業(yè)的支柱之一。嵌入式系統是以應用為中心，軟硬件可裁減的專(zhuān)用計算機系統。它主要由嵌入式處理器、相關(guān)支持硬件、嵌入式操作系統及應用軟件組成，是集軟、硬件于一體的可獨立工作的“器件”。嵌入式操作系統通常包括與硬件相關(guān)的底層驅動(dòng)軟件、系統內核、設備驅動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器Browser等。據統計，僅應用于信息電器的嵌入式操作系統就有40種左右，如Windows CE、Palm OS、Real-Time Linux、VxWorks、pSOS、OS-9等。Windows CE、Palm OS當前應用較廣；VxWorks、pSOS、OS-9是傳統的系統代表，但應用并不廣泛，需要在網(wǎng)絡(luò )化等方面擴展；Linux系統，是現在嵌入式操作系統發(fā)展的熱點(diǎn)，它具有開(kāi)放源代碼，系統內核小、效益高、內核網(wǎng)絡(luò )結構完整，裁減后的系統符合信息家電的開(kāi)發(fā)。嵌入式微處理器主要有X86、PA-RISC、Power PC、ARM、Strong ARM、MIPS、68XXX等。嵌入式操作系統一般與嵌入式微處理器硬件平臺相配合。

2.家用電腦的發(fā)展趨向

　　回顧PC的發(fā)展歷程，家用電腦的歷史在某種意義上并不長(cháng)。聯(lián)想于1992年首倡家用電腦的概念；1997年推出功能電腦；1999年底又推出因特網(wǎng)電腦。到了2000年下半年，各種家用因特網(wǎng)電腦紛紛出現，包括體現“應用網(wǎng)電腦”理念的方正電腦；詮釋“家庭服務(wù)器”設計理念的海信電腦；強調增值服務(wù)與整體應用解決方案的TCL新概念電腦；體現“因特網(wǎng)生命”價(jià)值與“互聯(lián)的個(gè)性電腦”的聯(lián)想電腦等等。聯(lián)想是國內典型代表，注重發(fā)展因特網(wǎng)電腦和個(gè)性化電腦；方正與海信重在家庭智能控制，使家用電腦以“家庭服務(wù)器”的身份出現，以無(wú)線(xiàn)與有線(xiàn)的方式與家庭內各種家用電器、通信設備以及其他數字化產(chǎn)品連接，完成對它們的操控。與國內大多數PC廠(chǎng)商不同，國外如IBM新推出的NetVista電腦，其含義是用戶(hù)通過(guò)IBM新的個(gè)人計算設備可對網(wǎng)絡(luò )（net）風(fēng)景（vista）一覽無(wú)余，倡導將家用電腦與商用電腦相結合的理念，提出網(wǎng)絡(luò )邊際的概念，針對不同的網(wǎng)絡(luò )應用環(huán)境進(jìn)行細分。

　　從總體上來(lái)看，各主要家用電腦廠(chǎng)商在家用電腦的發(fā)展策略與設計思想上幾乎都體現了：網(wǎng)絡(luò )化、智能化、個(gè)性化。網(wǎng)絡(luò )化將不再是簡(jiǎn)單的一鍵上網(wǎng)和瀏覽，而是重在更全面的網(wǎng)絡(luò )應用整體解決方案，包括無(wú)縫整合的深層次網(wǎng)絡(luò )應用，如寬帶接入、網(wǎng)絡(luò )安全等。智能化重在智能家居控制，實(shí)現遠程與近程智能控制家居中的各種信息家電。但計算機與各種信息家電之間的接口尚無(wú)通行的標準，這方面一旦有需求推動(dòng)就會(huì )有發(fā)展。個(gè)性化體現在現代社會(huì )對個(gè)性的需求，對不同的用戶(hù)提供不同的產(chǎn)品。未來(lái)，家用電腦會(huì )各種各樣，但發(fā)展趨向將是網(wǎng)絡(luò )化、智能化、個(gè)性化的綜合。須要提出一點(diǎn)的是，家用電腦在某種意義上也是信息家電。

3.家居網(wǎng)絡(luò )的現狀與未來(lái)

　　家居網(wǎng)絡(luò )是指在集成協(xié)同環(huán)境中把計算機、音頻、視頻設備以及其他各種家用電器和自動(dòng)子系統，包括能量管理、保險、加熱、通信、安全等連在一起，以實(shí)現家居資源的共享與管理，組成一個(gè)家電網(wǎng)絡(luò )。也就是把具有各種能力的產(chǎn)品混合在一起，確保不同技術(shù)實(shí)現透明地無(wú)縫集成。

　　目前家居自動(dòng)化有幾種方式，如歐洲家居系統、歐洲設備總線(xiàn)等，提供的是網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，從而使家用電器組成網(wǎng)絡(luò )。近年來(lái)，有些采用標準總線(xiàn)，如IEEE1394和IP協(xié)議組建家居網(wǎng)絡(luò )，或基于A(yíng)TM的家居網(wǎng)絡(luò )，目的在于提供方便可靠的訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )的集成方式?；ヂ?lián)網(wǎng)界也在研究擴展IP協(xié)議，適合基于IP的家居網(wǎng)絡(luò )。目前最成功的是美國的ECHELON公司，提出采用現場(chǎng)總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )――LON Works，組建家居網(wǎng)絡(luò )，再通過(guò)網(wǎng)關(guān)和互聯(lián)網(wǎng)相連，使家電組成局部網(wǎng)，但要求家電控制器采用帶有專(zhuān)用協(xié)議的芯片?？偟膩?lái)看，家居網(wǎng)絡(luò )由于家庭電器的對象結構與特性完全不同，沒(méi)有統一的標準。組建局部網(wǎng)采用何種協(xié)議，如何與互聯(lián)網(wǎng)相連；家電易受各種環(huán)境干預，采用何種較低價(jià)位的組網(wǎng)物理結構；與現在的家電如何接口等，這些問(wèn)題限制了家居網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展。在家居網(wǎng)絡(luò )的研究與開(kāi)發(fā)中，國內投入力量不多，而國外一直在軟件與硬件上優(yōu)先，并提出了許多模型。用發(fā)展的觀(guān)點(diǎn)看，家居網(wǎng)絡(luò )應該采用開(kāi)放分布處理模型和多種物理連網(wǎng)方式，借用互聯(lián)網(wǎng)的IP協(xié)議，同時(shí)要兼顧現在的家居電器的情況。

4.Home.Net模型/架構的提出

　　隨著(zhù)Internet的普及與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展以及各種信息家電的出現，可以估計在未來(lái)的5年內家居生活需要一個(gè)嶄新的工作與管理平臺，即以網(wǎng)絡(luò )為中心的信息平臺。我們稱(chēng)之為Home.Net平臺。在這里，智能家居管理平臺具有很大的市場(chǎng)，每家每戶(hù)都有可能是潛在的用戶(hù)，現在主要的是如何設計與構造符合家居生活的平臺。我們認為Home.Net平臺可由家居網(wǎng)絡(luò )中心HNC（Home Networks Center）和普通家用電腦組成。家居網(wǎng)絡(luò )中心是一個(gè)多功能網(wǎng)絡(luò )管理與控制中心，主要管理由信息家電以及家居中具有簡(jiǎn)單聯(lián)網(wǎng)功能的電器，使它們通過(guò)不同通信媒介組成家居網(wǎng)，相互交換信息，并實(shí)現信息資源共享；同時(shí)又具有安全路由器和安全網(wǎng)關(guān)功能，將家居網(wǎng)通過(guò)寬帶接入與Internet互聯(lián)，實(shí)現遠程管理與維護家用電器，實(shí)時(shí)監控與獲取家居信息。普通家用電腦與家居網(wǎng)絡(luò )中心通過(guò)接口連接，作為家居智能控制中心。智能控制中心用圖形化方式，利用電腦良好的交互式界面，自動(dòng)完成用戶(hù)預設或即時(shí)的各種操控，管理與控制家居電器，同時(shí)配置家居網(wǎng)絡(luò )中心的各種控制參數。

　　前面提到的未來(lái)家用電腦，實(shí)際上也是向家居信息平臺的方向發(fā)展，但它未能重點(diǎn)突出網(wǎng)絡(luò )中心的作用，而且功能集成太多，過(guò)于復雜，反而影響了使用性能。Home.Net平臺將網(wǎng)絡(luò )管理功能從家用電腦中分離，突出強調未來(lái)網(wǎng)絡(luò )管理在家居中的重要性。只要配置好參數，家居網(wǎng)絡(luò )中心可自行管理家居網(wǎng)絡(luò )；如果要控制與管理家用電器，只需要一臺普通家用電腦，配以相宜的軟件，即可構成家庭智能控制中心。這樣方便使用，并可應用在不同情況。

二、模型/架構體系

1. 總體框圖

　　Home.Net模型/架構的總體框圖如圖1所示。從大的方面看，可由2部分組成：家居網(wǎng)絡(luò )中心（HNC）和普通家用電腦（PC）。本文將重點(diǎn)討論家居網(wǎng)絡(luò )中心的模型/架構，即如何構造適合現代家居的網(wǎng)絡(luò )體系結構（至于普通家用電腦，需要一般硬件配置即可）；著(zhù)重于應用軟件的功能，即如何充分發(fā)揮與利用Home.Net平臺的功能資源，以及采用何種方式與家居網(wǎng)絡(luò )中心接口最好。

該模型/架構的最終目的：① 家居網(wǎng)絡(luò )中心突出網(wǎng)絡(luò )功能，是一個(gè)信息交換，資源共享中心；② 提供多種通信媒介接口，包括有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)，高速與低速通信，高價(jià)位與低價(jià)位的組網(wǎng)物理結構，盡量滿(mǎn)足現在家用電器的連網(wǎng)方式，適合不同家用電器的對象結構與特性；③ 對于不同的通信媒介網(wǎng)絡(luò )，提出一個(gè)開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò )體系結構，能夠包容不同協(xié)議，使不同家用電器能夠實(shí)現透明地無(wú)縫通信；④ 提供Internet單一寬帶接入口，使家居網(wǎng)絡(luò )中的家用電器都能與Internet連接，同時(shí)對家居網(wǎng)絡(luò )與Internet連接時(shí)進(jìn)行安全管理與認證，控制訪(fǎng)問(wèn)Internet的信息流,相當于路由器與網(wǎng)關(guān)功能；⑤ 只需普通家用電腦與家居網(wǎng)絡(luò )中心平臺接口，利用電腦的圖形化、交互式界面環(huán)境，實(shí)現對家居電器的管理與控制。

　　從圖1看，普通家用電腦部分很簡(jiǎn)單，主要是與家居網(wǎng)絡(luò )中心的接口。家居網(wǎng)絡(luò )中心包括幾大部分：主控單元；簡(jiǎn)單的LCD顯示與人機接口；與普通家用電腦的接口以及網(wǎng)絡(luò )接口。下面重點(diǎn)討論網(wǎng)絡(luò )接口部分。

　　網(wǎng)絡(luò )接口包括5個(gè)方面：① Internet寬帶接入。Internet的深入發(fā)展，使家居生活對網(wǎng)絡(luò )帶寬的需求加大。各種寬帶接入技術(shù)的出現，未來(lái)在家居寬帶Internet接入方面會(huì )出現很大的市場(chǎng)。至于家居采用何種寬帶接入技術(shù)，如ISDN、ADSL、光纖、CATV等，現在還無(wú)統一方式，這里也不提出具體接入方式。采用Internet接入，對未來(lái)網(wǎng)絡(luò )安全將非常重要，須要提供網(wǎng)絡(luò )安全管理和訪(fǎng)問(wèn)信息資源的控制，以及遠程訪(fǎng)問(wèn)控制家居電器時(shí)如何保證安全確認等。② 家居無(wú)線(xiàn)網(wǎng)?，F有無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)大多是紅外技術(shù)（IrDA），只能同時(shí)一對一直線(xiàn)傳輸，中間不能有阻擋；而于1998年5月推出的新型通信技術(shù)――藍牙技術(shù)，是未來(lái)組建家居無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的最佳選擇。其作用在于簡(jiǎn)化小型網(wǎng)絡(luò )設備之間的通信，連接距離達100m，不限制在直線(xiàn)傳輸，并且可連接多個(gè)設備，適合構造個(gè)人區域的網(wǎng)絡(luò )。一旦其芯片價(jià)格下降到3~4美元以下，其應用前景將十分廣闊。③ 家居LAN總線(xiàn)網(wǎng)。一般在高價(jià)位的信息家電中可配以10M網(wǎng)卡，組建家居網(wǎng)絡(luò )。④ 家居USB總線(xiàn)網(wǎng)。USB總線(xiàn)是通用串行總線(xiàn)，速度較快。USB總線(xiàn)估計有時(shí)在家用數字相機等高檔電器中使用，可不重點(diǎn)考慮。⑤ 家居其他通信媒介網(wǎng)與接口。一般如RS232、RS485口，由于價(jià)格低，在小型家用電器中使用相當廣。提供這方面接口，是為滿(mǎn)足低價(jià)位的組網(wǎng)方式。另外可提供一些模擬接口，如仿真Modem口等，主要考慮到其他電器接口方式。

2.硬件平臺

　　家居網(wǎng)絡(luò )中心的主要功能在于網(wǎng)絡(luò )，因而可選擇具有較強通信處理能力、價(jià)格適當的微處理器作為主要的控制器，如Power PC、ARM等，配以各個(gè)網(wǎng)絡(luò )接口芯片，如Internet寬帶接入、藍牙技術(shù)、LAN總線(xiàn)等?，F在，這些功能是組合的，未來(lái)的發(fā)展方向應是系統芯片SOC（System on Chip）。

3.軟件模塊

　　 軟件包括2部分:家居網(wǎng)絡(luò )中心的系統軟件和運行于家用電腦上的家居智能控制軟件。家居網(wǎng)絡(luò )中心的軟件平臺有2種：一是購買(mǎi)通用操作系統軟件；二是利用Linux軟件進(jìn)行裁減開(kāi)發(fā)。最好采用Linux，因源代碼開(kāi)放，可以按照需要對系統結構進(jìn)行改動(dòng)，形成專(zhuān)用的操作系統，更能發(fā)揮系統硬件功能。

4.網(wǎng)絡(luò )體系結構

　　家居網(wǎng)絡(luò )中心的目標是組建一個(gè)開(kāi)放式的網(wǎng)絡(luò )管理與數據交換平臺，應該有一個(gè)開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò )體系結構。按照OSI模型與TCP/IP協(xié)議模型，對于家居網(wǎng)絡(luò )存在多種不同網(wǎng)絡(luò )通信媒介。我們提出一個(gè)類(lèi)似于IP協(xié)議的家居網(wǎng)絡(luò )體系。家居網(wǎng)絡(luò )體系可分三層，即應用層、網(wǎng)絡(luò )層、鏈路層。應用層負責處理控制網(wǎng)絡(luò )中各個(gè)家用電器的數據流向，提供特定應用；網(wǎng)絡(luò )層處理數據分組在不同媒介中的選擇通路，確定數據流通媒介，可通過(guò)地址識別或其他方式；鏈路層包括操作系統中的設備驅動(dòng)程序和對應的網(wǎng)絡(luò )接口卡，處理物理接口細節。網(wǎng)絡(luò )層的協(xié)議可借鑒IP協(xié)議模型，實(shí)現不同通信媒介的數據統一交換。另外，還要注意解決家居網(wǎng)與Internet的TCP/IP協(xié)議實(shí)現數據交換。

三、總結

　　Home.Net模型/架構體系只是提出一個(gè)大概的開(kāi)放的模型/架構網(wǎng)絡(luò )體系結構構思，無(wú)論在硬件與軟件平臺上都很淺顯，須要更進(jìn)一步在技術(shù)上、結構上等多方面進(jìn)行補充、提高、充實(shí)。本文希望能夠在這方面做一個(gè)拋磚引玉的作用。

　　Home.Net模型/架構包含內容較多，主要是有關(guān)網(wǎng)絡(luò )方面的技術(shù)。有些技術(shù)還正在發(fā)展，而且系統包括硬件平臺與軟件平臺的開(kāi)發(fā)。如何在現有條件下，保證項目資金來(lái)源、人力資源、技術(shù)資源、開(kāi)發(fā)設備資源、開(kāi)發(fā)時(shí)間要求等，都要考慮到。如要開(kāi)發(fā)，該項目可分4大步驟：① 調研國內外的有關(guān)技術(shù)情況，分析市場(chǎng)需求情況，消化技術(shù)，包括硬件與軟件、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)等，在此基礎上提出完整的模型/架構，論證可行性。② 選定與設計硬件平臺，并制作調試平臺，編寫(xiě)各個(gè)設備的驅動(dòng)程序，為下一步軟件開(kāi)發(fā)做準備。③ 軟件操作系統的開(kāi)發(fā)，采用何種系統，以及系統內部特別是網(wǎng)絡(luò )軟件如何設計等。④ 在硬件與軟件平臺上，編寫(xiě)應用程序，包括普通電腦部分的應用程序。