數字家園系統的研究與設計

摘　要：分析了國內外主要信息家電產(chǎn)品以及家庭組網(wǎng)解決方案、模型的缺點(diǎn)與不足,有針對性地提出了一套低成本的數字家園系統(DHNS)解決方案,描述了本系統的總體構架、社會(huì )服務(wù)體系和QoS需求,設計了系統的核心技術(shù)平臺——家居服務(wù)器,并對其原理、構架、軟硬件模塊組成以及通訊協(xié)議作了比較詳盡的闡述。本系統可靈活地進(jìn)行高、中、低各種不同的配置,最高配置可覆蓋整個(gè)家庭和社會(huì )服務(wù)體系,最低可配置成一個(gè)單臺的DVD播放機,具有較大的市場(chǎng)前景。指出了本系統存在的問(wèn)題和進(jìn)一步的研究目標。
 
關(guān)鍵詞：數字家園系統 家居服務(wù)器 信息家電

數字家園是一個(gè)龐大的系統工程,涉及到計算機、通訊、控制、消費電子、住宅建設、金融業(yè)等及人類(lèi)社會(huì )生活的方方面面。為了實(shí)現各種家用電氣設備以及對社會(huì )生活的互通互聯(lián),一個(gè)統一、放開(kāi)、透明、可靠的標準、協(xié)議、網(wǎng)絡(luò )構架和低成本的實(shí)現是推動(dòng)數字家園系統發(fā)展的關(guān)鍵。

自信息家電技術(shù)問(wèn)世以來(lái),其組網(wǎng)的標準和協(xié)議按主導企業(yè)技術(shù)背景差異劃分,基本上有兩大類(lèi),一是以計算機通信企業(yè)為主導的,二是以家用電器企業(yè)為主導的。

第一類(lèi)的代表是開(kāi)放業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)OSG(Open Service Gateway),其基本目標是以PC為基礎,建立包括其它非PC(后PC)類(lèi)黑色家電、白色家電在內的通信,甚至于水、電、氣表等的全家庭網(wǎng)絡(luò )體制,基本思想是以業(yè)務(wù)為主線(xiàn)建立體系。第二類(lèi)很多,由主要的數字視音頻產(chǎn)品制造商和部分通信計算機制造商組成,基本目標是建立非PC的家庭多媒體網(wǎng)絡(luò )體系。工作的主線(xiàn)是設備間的互聯(lián)性。其比較著(zhù)名的有Havi、Jini、HomePNA、HomePnP、HomeRF、HomeAPI等。各個(gè)標準的側重點(diǎn)不同,目前誰(shuí)是主流體制尚不明朗。

從國內外發(fā)展情況來(lái)看,信息家電將是日后家電發(fā)展的一大方向,可以說(shuō)是主方向[1]。但是,迄今過(guò)去多年了,信息家電依然難以投入實(shí)用,究其原因,除了紛繁的規范和標準讓人無(wú)以適從外,在具體的實(shí)現技術(shù)路線(xiàn)上也存在不足,其主要表現在如下五個(gè)方面:(1)在網(wǎng)絡(luò )構架方面,目前的規范和標準還只側重于家庭內部的網(wǎng)絡(luò )互聯(lián),缺乏對社會(huì )服務(wù)體系的研究、規劃與建立;(2)在技術(shù)上采用胖客戶(hù)機、瘦服務(wù)器方案,導致技術(shù)過(guò)于復雜、成本過(guò)高,例如,按照目前的技術(shù)路線(xiàn),即網(wǎng)絡(luò )冰箱=電腦(PC)+冰箱,其代價(jià)相當高昂;(3)設備上網(wǎng)協(xié)調性差,部分信息產(chǎn)品自成體系,缺乏完整的系統支持及統一的技術(shù)規范,協(xié)調性、互連性、共存性很差,家用電腦、冰箱、微波爐、洗衣機等設備的上網(wǎng)缺乏交換設備(Switcher),需要很多外網(wǎng)接口或者出口,無(wú)法同時(shí)使用;(4)人機協(xié)調性差,對目前的信息家電來(lái)說(shuō),要么只解決了人員上網(wǎng)的問(wèn)題,要么只解決設備上網(wǎng)的問(wèn)題,人機無(wú)法同時(shí)上網(wǎng);(5)功能比較簡(jiǎn)單,難以適應各種不同的需求。例如,目前的機頂盒只有一些簡(jiǎn)單的上網(wǎng)功能,難以滿(mǎn)足人們對高品質(zhì)數字生活的追求。

鑒于上述原因,本項目提出了一套以家居服務(wù)器為核心的新型數字化家園體系結構DHNS(Digital Home Network System),用以建立相對合理、完善的家庭內部網(wǎng)絡(luò )以及社會(huì )服務(wù)體系,以解決家庭人員和各種設備的本地和遠程控制、監測、檢測、協(xié)調上網(wǎng),尤其是大幅度降低整體信息家電成本以及技術(shù)難度等問(wèn)題,實(shí)現家居生活的數字化。

1 DHNS數字家園系統總體構架 DHNS數字家園系統總體構架如圖1所示。

圖1 DHNS數字家園系統總體構

(1)采用基于智能代理技術(shù)的胖服務(wù)器、瘦客戶(hù)機設計方案,以大幅度降低信息家電整體成本。

現有白色(功能性)信息家電(如網(wǎng)絡(luò )冰箱、微波爐、洗衣機等)的設計方案基本上是:電腦(PC)+家電,即在白色家電中嵌入一臺PC,它們都擁有各自獨立的高檔CPU(如X86、PowerPC)、顯示器、復雜的操作系統、網(wǎng)絡(luò )調制器、硬盤(pán)等組件,因此技術(shù)復雜、成本不菲。采用本方案,可將這些信息家電的大部分功能遷移至家居服務(wù)器,形成胖服務(wù)器、瘦客戶(hù)機體系。采用移動(dòng)Agent技術(shù),各種信息家電通過(guò)家居服務(wù)器的集中管理,對外統一連網(wǎng)、對內協(xié)調工作,所有信息(包括程序代碼、數據等)均存放在服務(wù)器中,瀏覽也可在家居服務(wù)器上完成。而這部分信息家電只需用簡(jiǎn)單、廉價(jià)的單片機進(jìn)行自身管理以及與家居服務(wù)器通訊即可完成上網(wǎng)任務(wù)。因此,可完全卸除其復雜、昂貴的高檔組件,從而達到大幅度降低成本的目的。

(2)采用多功能、模塊化設計方案,以適應不同用戶(hù)的需求,解決人員、設備的上網(wǎng)以及機頂盒功能簡(jiǎn)單等問(wèn)題。

多功能設計主要體現在家居服務(wù)器的設計上,它主要由三大類(lèi)服務(wù)模塊組成,即娛樂(lè )服務(wù)模塊、網(wǎng)關(guān)服務(wù)器模塊、通訊與監控服務(wù)模塊等。各個(gè)模塊由不同的軟硬件組件組成,即插即用、靈活配置,可滿(mǎn)足不同層次消費需求。

①娛樂(lè )服務(wù)模塊
該模塊由在線(xiàn)服務(wù)模塊和獨立服務(wù)模塊組成。在線(xiàn)服務(wù)模塊可實(shí)現網(wǎng)絡(luò )電影、電視、廣播等音視頻流媒體的實(shí)時(shí)播放和錄制以及定時(shí)錄制;獨立服務(wù)模塊指在缺乏社會(huì )服務(wù)體系服務(wù)(即無(wú)外網(wǎng)聯(lián)通)的狀態(tài)下可獨立播放DVD、VCD碟片、播放下載的DVD、VCD、DVB、DAB、MP3、流媒體以及其它文件。

②網(wǎng)關(guān)服務(wù)器模塊
該模塊是數字家園的基本服務(wù)模塊,對內可駁接家庭網(wǎng)絡(luò ),對外作為網(wǎng)關(guān)使用,連接社會(huì )服務(wù)體系,支持如下服務(wù):網(wǎng)絡(luò )連接、防火墻、數據存儲、家用電器的智能主體代理、文件管理、Internet等,解決設備及人員上網(wǎng)問(wèn)題。

③通訊與監控服務(wù)模塊
該模塊主要支持以下服務(wù):電話(huà)監控、來(lái)電顯示、錄音、IP電話(huà)、傳真;家庭監控:防盜、火災、煤氣等災害的監測和報警,水、電、氣數據的檢測,燈光、窗簾、電飯鍋、門(mén)窗等家庭低端設備的本地和遠程控制等。

(3)采用簡(jiǎn)單的人性化操作界面設計方案,以實(shí)現“一開(kāi)就用、一學(xué)就會(huì )”的目標,解決大眾使用難題。

用可編程藍牙掌上電腦為技術(shù)平臺取代服務(wù)器鍵盤(pán),將其界面定制成簡(jiǎn)單、易學(xué)、易用的形式,它通過(guò)與服務(wù)器的無(wú)線(xiàn)通訊,即可實(shí)現遙控服務(wù)器的目的,界面可由用戶(hù)獨立定制,也可從遠程服務(wù)中心下載定制的PDA遙控新菜單。

(4)建立完善的社會(huì )服務(wù)體系(如圖1所示)。

DHNS構架的數字家園網(wǎng)絡(luò )系統的抽象特征是:以基于智能代理技術(shù)的胖(fat)服務(wù)器為核心技術(shù)平臺,支持如下服務(wù):(1)完善的社會(huì )服務(wù)體系;(2)高質(zhì)量、多功能語(yǔ)音通訊;(3)Internet沖浪;(4)音視頻娛樂(lè );

(5)傳統數據網(wǎng)絡(luò );(6)網(wǎng)絡(luò )游戲;(7)安全監控與報警、各種數據的監測與檢測等;(8)各種家庭電氣設備的本地、遠程控制以及自動(dòng)控制。它與普通PC網(wǎng)絡(luò )最根本的區別就是:一開(kāi)就用、一學(xué)就會(huì ),而PC難學(xué)難用。
 
支持上述業(yè)務(wù)或者部分業(yè)務(wù)的家庭網(wǎng)絡(luò )系統均可定義為DHNS構架信息家居系統。

2 家居服務(wù)器的設計與研制

家居服務(wù)器作為數字家園系統的核心技術(shù)平臺,對于該構架的實(shí)現起著(zhù)至關(guān)重要的作用。家居服務(wù)器主要由軟件和硬件部分組成。

2.1 硬件研制
 
(1) 硬件模塊組成

家居服務(wù)器硬件總體結構如圖2所示,主要由5大功能模塊共12個(gè)子模塊組成,即廣域網(wǎng)接口模塊(電話(huà)Modem、ADSL Modem、Cable Modem、以太網(wǎng)適配器)、中央處理系統、內網(wǎng)數字總線(xiàn)接口模塊(高、中、低速通訊總線(xiàn))、模擬音視頻模塊、外部設備模塊(包括DVD驅動(dòng)器、硬盤(pán)、內存、RS232、RGB接口等)、遙控模塊(專(zhuān)用藍牙遙控收發(fā)器模塊、藍牙掌上遙控器)等組成。
 
(2) 硬件模塊基本描述

圖2 家居服務(wù)器硬件結構

中央處理系統:該單元是服務(wù)器的關(guān)鍵模塊,它以X86 CPU為核心,完成對整個(gè)系統的管理、監控、計算與調度等功能。

廣域網(wǎng)接口組件:該模塊由電話(huà)Modem、ADSL Modem、Cable Modem、以太網(wǎng)適配器等組成,其中電話(huà)Modem是必備模塊,其余三種適配器是可選安裝模塊。系統通過(guò)廣域網(wǎng)組件可實(shí)現對家庭外部網(wǎng)絡(luò )的駁接,連接社區、Internet、電話(huà)網(wǎng)絡(luò )等社會(huì )服務(wù)體系,并組成電話(huà)監控子系統。

內網(wǎng)數字總線(xiàn)接口組件:它由高、中、低速三個(gè)總線(xiàn)接口模塊組成。高速模塊由IEEE1394模塊和以太網(wǎng)適配器組成,IEEE1394最大傳輸速率可達400Mbps,傳輸距離為4.5m,可駁接未來(lái)的HDTV、SDTV、DVD、數字音響、可視電話(huà)、數字攝像機等;中速模塊采用藍牙模塊和USB,藍牙異步通訊速率最大可達為723kbps,同步語(yǔ)音速率為64kbps,USB最大速率為12Mbps,可駁接網(wǎng)絡(luò )冰箱、洗衣機、空調、家用機器人、電腦、IP電話(huà)及其外設等設備;低速總線(xiàn)系統模塊采用無(wú)線(xiàn)FSK編碼技術(shù),最大數據傳輸速率為4.096kbps,可駁接煤氣、防盜、火災等各種傳感器以及對燈光、門(mén)窗等設備的控制,組成家庭低端設備網(wǎng)絡(luò )子系統。

模擬音視頻接口組件:分別為一路由雙聲道和5.1聲道解碼器、AV視頻接口組件、S-Video視頻接口組件等組成,可駁接現有主要的音視頻終端。

外部設備模塊組件:主要有硬盤(pán)、內存、DVD驅動(dòng)器、RGB適配器、RS232、I/O等。

遙控組件:由藍牙掌上遙控器和藍牙收發(fā)器組成:藍牙掌上遙控器是在一個(gè)具有藍牙無(wú)線(xiàn)傳輸功能的可編程掌上電腦開(kāi)發(fā)的,操作系統為WinCE。它可輕松完成對各種復雜功能的家居系統的控制,其程序可由用戶(hù)自行編制,也可在廠(chǎng)商服務(wù)網(wǎng)站里下載定制,具有“一開(kāi)即用、一學(xué)就會(huì )”的特點(diǎn)。

2.2 系統軟件設計

2.2.1 軟件體系結構

系統軟件結構及其組件如圖3所示,共由五層組成,即應用層、管理決策層、中間件/環(huán)境運行層、信息資源層、操作系統層和驅動(dòng)程序層組成。

圖3 家居服務(wù)器軟件結構

2.2.2 軟件結構基本描述

(1) 應用層
應用層以Java的應用開(kāi)發(fā)平臺為主,它包括DVD、VCD、流媒體(實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )廣播、電視、電影、音樂(lè ))的播放與錄制、定時(shí)錄制、IP電話(huà)和電話(huà)、可視電話(huà)、監控監測、小區熱線(xiàn)聯(lián)系、移動(dòng)Agent、網(wǎng)頁(yè)瀏覽、設備注冊、文件管理等各種應用。

(2) 中間件/運行環(huán)境層
介于應用與操作系統平臺之間,為應用程序提供一個(gè)相對統一的開(kāi)發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境,插入Java解釋器、HTML解釋器、防火墻、MySQL數據庫系統。

中間件技術(shù)是軟件的關(guān)鍵環(huán)節之一,本系統開(kāi)發(fā)了Jini技術(shù)中間件。實(shí)施各種設備網(wǎng)絡(luò )互連和管理,集成了音視頻設備、Modem、網(wǎng)關(guān)防火墻、報警監控檢測、家用電腦、白色家電、各種軟件服務(wù)等應用的控制檢測機制,將這些設備連接到控制決策系統,提供各種服務(wù)的發(fā)現、注冊、租借、查找和控制等事務(wù)。

(3) 邏輯資源層
處于這一層的軟件均為可選擇安裝的模塊,可以根據特定的環(huán)境選用,這一層中主要的模塊有中文環(huán)境、界面系統、TCP/IP模塊。
 
(4) 操作系統層
基本操作系統層。目前的嵌入式操作系統有Linux、PSOS、OSopen、WinCE、QAX等,嵌入式操作系統應當完成普通OS的大部分功能如進(jìn)程管理、線(xiàn)程管理、內存管理、文件系統等,本系統選用了Linux操作系統。

(5) 通訊API層
通訊API層是對家居服務(wù)器平臺根據不同系統的設備驅動(dòng)規則,為應用程序提供透明的、規范的控制機制所采用的軟件接口,其實(shí)現方式由操作系統的核心完成,一方面完成相應設備控制寄存器、中斷的設置,另一方面完成設備的數據處理和存儲空間管理。系統提供了大量的設備驅動(dòng),包括RS232、USB、IEEE1394、ADSL、Cable Modem、電話(huà)Modem、Bluetooth、以太網(wǎng)、磁盤(pán)、光驅、顯示器等設備驅動(dòng),并且具有可擴展性。

3 內網(wǎng)通訊協(xié)議

3.1 低速總線(xiàn)系統通訊協(xié)議

3.1.1 接口規范

低速無(wú)線(xiàn)通訊機工作在40.68MHz,采用二進(jìn)制調頻(FM)、單向單工傳輸模式以降低收發(fā)信機的復雜性,帶寬為1MHz。數據以速率4.096kbps傳輸,使用高斯二進(jìn)制FSK模式,二進(jìn)制1代表正頻偏,0代表負頻偏,最大頻偏20kHz?？罩薪涌谝幏督⒃谔炀€(xiàn)電平0dbm基礎上,理想連接范圍為0.1～10m,所發(fā)射的電場(chǎng)強度在距設備3m處不超過(guò)1000μV/m(采用平均值檢波)。信號發(fā)射間隔:防盜熱線(xiàn)信號每1.5min隨機發(fā)射一次,其它熱線(xiàn)信號發(fā)射間隔為每10min隨機發(fā)射一次,數據信號每24h隨機發(fā)射一次,持續時(shí)間不大于1s。

3.1.2 分組數據格式

在低端總線(xiàn)系統中的分組和消息全部遵循Little Endian格式,其規則為:b0代表最低標識位(LSB),LSB是第一個(gè)發(fā)送位,MSB是最后發(fā)送位。數據在網(wǎng)絡(luò )中以分組形式傳輸,其標準格式如圖4所示。

圖4 低端設備數據分組標準格式

(1) 功能識別碼
最低3位分別表示:000-注冊,001-數據發(fā)送,010-熱線(xiàn)信號,011-設備撤除,100-報警,其余保留。該信息用1/3的前向糾錯碼編碼形成9位編碼格式。

(2) 頭
分組頭包含鏈路控制信息,由5個(gè)字段組成,如圖5所示。

圖5 頭字段分組數據格式

設備地址碼:48位,形成全球唯一地址碼,通過(guò)對地址碼的識別,系統可有效地抵御來(lái)自左鄰右舍無(wú)線(xiàn)同頻信號的干擾;設備類(lèi)型碼:4位,定義設備種類(lèi);優(yōu)先權碼:4位,定義信息的優(yōu)先權;數據類(lèi)型碼:1位,0表示開(kāi)關(guān)量,1表示模擬量,對于開(kāi)關(guān)量數據,用000表示邏輯0,111表示邏輯1;HEC:7位,頭錯誤校驗。分組頭用1/3的前向糾錯碼編碼形成192位編碼格式。頭信息中的前4個(gè)字段在系統初始化時(shí)產(chǎn)生。

(3) 有效載荷
有效載荷長(cháng)度為0～240位,當功能識別碼為:00、10、11時(shí),無(wú)有效載荷;當功能識別碼為01時(shí),有效載荷由2個(gè)字段組成,即頭和凈荷。頭:長(cháng)度8位;凈荷:長(cháng)度0～24位。有效載荷用1/3的前向糾錯碼編碼形成最大96位的編碼格式。

3.2 高中速總線(xiàn)系統通訊協(xié)議

3.2.1 接口規范

內網(wǎng)高、中速總線(xiàn)接口規范分別遵循IEEE1394、CSMA/CD、USB、Bluetooth、IPv4等標準及接口規范。高、中速通訊是雙向雙工通訊模式。

3.2.2 信源編碼格式

在高、中速總線(xiàn)系統里的分組和消息全部遵循Little Endian格式。數據在系統中以分組形式傳輸,其標準格式如圖6所示。由于這部分通訊模塊中,數據的傳輸得到了IEEE1394、CSMA/CD、USB、Bluetooth等標準的質(zhì)量保障,因此,分組不加額外保護。

圖6 高、中速總線(xiàn)系統分組標準格式

(1)功能識別碼
長(cháng)度為一個(gè)字節(8位),高4位保留,最低4位分別表示:000-注冊;0001-數據發(fā)送;0010-熱線(xiàn)信號;0011-設備撤除;0100-報警,報警內容在有效載荷中指出;0101-網(wǎng)上維修請求,故障內容在有效載荷中指出;網(wǎng)上定購請求,定購內容在有效載荷中指出;0110-設備運行狀態(tài),運行狀態(tài)在有效載荷中指出;0111-設備控制狀態(tài)報告,設備控制狀態(tài)在有效載荷中指出,有效載荷中000為設備開(kāi)、001為設備停機、010為設備休眠;其余全部保留。

(2)頭
頭字段包含設備本身信息,由優(yōu)先權碼(4位)、設備編碼(28位)、設備型號(8位)、出廠(chǎng)日期(8位)組成。

(3)有效載荷
該字段由長(cháng)度字段(16位)、凈荷(0～65519位)組成。

4 問(wèn)題與不足

本系統作為第一代基本產(chǎn)品和巨大的社會(huì )系統工程,依然存在著(zhù)為數不少的不足和亟待改進(jìn)的問(wèn)題,主要體現在如下幾方面:其一,在微觀(guān)上,Linux盡管是實(shí)時(shí)操作系統,但它本身卻是基于優(yōu)先權的分時(shí)操作系統,內核本身不涉及到線(xiàn)程,而是以進(jìn)程為處理調度單位,其同步、互斥、通訊機制還比較粗糙,難以滿(mǎn)足該系統滿(mǎn)負荷實(shí)時(shí)任務(wù)的執行;Linux的Ext2文件系統主要是為小文件處理而設計的,在處理小文件時(shí)有很高的效率,但是當處理如視頻文件這樣的巨型文件時(shí),效率相當低;另外,可支持Linux的語(yǔ)言和控件遠遠不如Windows豐富;隨著(zhù)IPv6技術(shù)的發(fā)展,使用IPv6地址作為嵌入式設備全球惟一地址的技術(shù)也亟待開(kāi)發(fā);系統軟件結構尚有不足,如中間件(Jini)中的服務(wù)發(fā)現協(xié)議與藍牙中的服務(wù)發(fā)現協(xié)議有功能上的重疊。這些都需要進(jìn)一步完善。其二,在宏觀(guān)上,中間件技術(shù)、系統標準與協(xié)議只是初步雛形,尚未形成全國公認的、統一的規范,這需要進(jìn)一步的努力及加大全國內范圍的協(xié)作。其三,社會(huì )服務(wù)體系尚待社會(huì )各界的認同、支持、建立和完善。

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