數(shù)字家園系統(tǒng)的研究與設(shè)計

數(shù)字家園是一個龐大的系統(tǒng)工程,涉及到計算機(jī)、通訊、控制、消費(fèi)電子、住宅建設(shè)、金融業(yè)等及人類社會生活的方方面面。為了實現(xiàn)各種家用電氣設(shè)備以及對社會生活的互通互聯(lián),一個統(tǒng)一、放開、透明、可靠的標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和低成本的實現(xiàn)是推動數(shù)字家園系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵。

自信息家電技術(shù)問世以來,其組網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議按主導(dǎo)企業(yè)技術(shù)背景差異劃分,基本上有兩大類,一是以計算機(jī)通信企業(yè)為主導(dǎo)的,二是以家用電器企業(yè)為主導(dǎo)的。

第一類的代表是開放業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)osg(open service gateway),其基本目標(biāo)是以pc為基礎(chǔ),建立包括其它非pc(后pc)類黑色家電、白色家電在內(nèi)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)為主線建立體系。第二類很多,由主要的數(shù)字視音頻產(chǎn)品制造商和部分通信計算機(jī)制造商組成,基本目標(biāo)是建立非pc的家庭多媒體網(wǎng)絡(luò)體系。工作的主線是設(shè)備間的互聯(lián)性。其比較著名的有havi、jini、homepna、homepnp、homerf、homeapi等。各個標(biāo)準(zhǔn)的側(cè)重點不同,目前誰是主流體制尚不明朗。

從國內(nèi)外發(fā)展情況來看,信息家電將是日后家電發(fā)展的一大方向,可以說是主方向[1]。但是,迄今過去多年了,信息家電依然難以投入實用,究其原因,除了紛繁的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)讓人無以適從外,在具體的實現(xiàn)技術(shù)路線上也存在不足,其主要表現(xiàn)在如下五個方面:(1)在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架方面,目前的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)還只側(cè)重于家庭內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),缺乏對社會服務(wù)體系的研究、規(guī)劃與建立;(2)在技術(shù)上采用胖客戶機(jī)、瘦服務(wù)器方案,導(dǎo)致技術(shù)過于復(fù)雜、成本過高,例如,按照目前的技術(shù)路線,即網(wǎng)絡(luò)冰箱=電腦(pc)+冰箱,其代價相當(dāng)高昂;(3)設(shè)備上網(wǎng)協(xié)調(diào)性差,部分信息產(chǎn)品自成體系,缺乏完整的系統(tǒng)支持及統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范,協(xié)調(diào)性、互連性、共存性很差,家用電腦、冰箱、微波爐、洗衣機(jī)等設(shè)備的上網(wǎng)缺乏交換設(shè)備(switcher),需要很多外網(wǎng)接口或者出口,無法同時使用;(4)人機(jī)協(xié)調(diào)性差,對目前的信息家電來說,要么只解決了人員上網(wǎng)的問題,要么只解決設(shè)備上網(wǎng)的問題,人機(jī)無法同時上網(wǎng);(5)功能比較簡單,難以適應(yīng)各種不同的需求。例如,目前的機(jī)頂盒只有一些簡單的上網(wǎng)功能,難以滿足人們對高品質(zhì)數(shù)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(shù)字化家園體系結(jié)構(gòu)dhns(digital home network system),用以建立相對合理、完善的家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)以及社會服務(wù)體系,以解決家庭人員和各種設(shè)備的本地和遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測、檢測、協(xié)調(diào)上網(wǎng),尤其是大幅度降低整體信息家電成本以及技術(shù)難度等問題,實現(xiàn)家居生活的數(shù)字化。

1 dhns數(shù)字家園系統(tǒng)總體構(gòu)架 dhns數(shù)字家園系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 dhns數(shù)字家園系統(tǒng)總體構(gòu)

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

現(xiàn)有白色(功能性)信息家電(如網(wǎng)絡(luò)冰箱、微波爐、洗衣機(jī)等)的設(shè)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(fù)雜的操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)調(diào)制器、硬盤等組件,因此技術(shù)復(fù)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、瘦客戶機(jī)體系。采用移動agent技術(shù),各種信息家電通過家居服務(wù)器的集中管理,對外統(tǒng)一連網(wǎng)、對內(nèi)協(xié)調(diào)工作,所有信息(包括程序代碼、數(shù)據(jù)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單、廉價的單片機(jī)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(fù)雜、昂貴的高檔組件,從而達(dá)到大幅度降低成本的目的。

(2)采用多功能、模塊化設(shè)計方案,以適應(yīng)不同用戶的需求,解決人員、設(shè)備的上網(wǎng)以及機(jī)頂盒功能簡單等問題。

多功能設(shè)計主要體現(xiàn)在家居服務(wù)器的設(shè)計上,它主要由三大類服務(wù)模塊組成,即娛樂服務(wù)模塊、網(wǎng)關(guān)服務(wù)器模塊、通訊與監(jiān)控服務(wù)模塊等。各個模塊由不同的軟硬件組件組成,即插即用、靈活配置,可滿足不同層次消費(fèi)需求。

①娛樂服務(wù)模塊

該模塊由在線服務(wù)模塊和獨立服務(wù)模塊組成。在線服務(wù)模塊可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)電影、電視、廣播等音視頻流媒體的實時播放和錄制以及定時錄制;獨立服務(wù)模塊指在缺乏社會服務(wù)體系服務(wù)(即無外網(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(shù)字家園的基本服務(wù)模塊,對內(nèi)可駁接家庭網(wǎng)絡(luò),對外作為網(wǎng)關(guān)使用,連接社會服務(wù)體系,支持如下服務(wù):網(wǎng)絡(luò)連接、防火墻、數(shù)據(jù)存儲、家用電器的智能主體代理、文件管理、internet等,解決設(shè)備及人員上網(wǎng)問題。

③通訊與監(jiān)控服務(wù)模塊

該模塊主要支持以下服務(wù):電話監(jiān)控、來電顯示、錄音、ip電話、傳真;家庭監(jiān)控:防盜、火災(zāi)、煤氣等災(zāi)害的監(jiān)測和報警,水、電、氣數(shù)據(jù)的檢測,燈光、窗簾、電飯鍋、門窗等家庭低端設(shè)備的本地和遠(yuǎn)程控制等。

(3)采用簡單的人性化操作界面設(shè)計方案,以實現(xiàn)“一開就用、一學(xué)就會”的目標(biāo),解決大眾使用難題。

用可編程藍(lán)牙掌上電腦為技術(shù)平臺取代服務(wù)器鍵盤,將其界面定制成簡單、易學(xué)、易用的形式,它通過與服務(wù)器的無線通訊,即可實現(xiàn)遙控服務(wù)器的目的,界面可由用戶獨立定制,也可從遠(yuǎn)程服務(wù)中心下載定制的pda遙控新菜單。

(4)建立完善的社會服務(wù)體系(如圖1所示)。

dhns構(gòu)架的數(shù)字家園網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)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)完善的社會服務(wù)體系;(2)高質(zhì)量、多功能語音通訊;(3)internet沖浪;(4)音視頻娛樂;(5)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò);(6)網(wǎng)絡(luò)游戲;(7)安全監(jiān)控與報警、各種數(shù)據(jù)的監(jiān)測與檢測等;(8)各種家庭電氣設(shè)備的本地、遠(yuǎn)程控制以及自動控制。它與普通pc網(wǎng)絡(luò)最根本的區(qū)別就是:一開就用、一學(xué)就會,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(tǒng)均可定義為dhns構(gòu)架信息家居系統(tǒng)。

2 家居服務(wù)器的設(shè)計與研制

家居服務(wù)器作為數(shù)字家園系統(tǒng)的核心技術(shù)平臺,對于該構(gòu)架的實現(xiàn)起著至關(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(jié)構(gòu)如圖2所示,主要由5大功能模塊共12個子模塊組成,即廣域網(wǎng)接口模塊(電話modem、adsl modem、cable modem、以太網(wǎng)適配器)、中央處理系統(tǒng)、內(nèi)網(wǎng)數(shù)字總線接口模塊(高、中、低速通訊總線)、模擬音視頻模塊、外部設(shè)備模塊(包括dvd驅(qū)動器、硬盤、內(nèi)存、rs232、rgb接口等)、遙控模塊(專用藍(lán)牙遙控收發(fā)器模塊、藍(lán)牙掌上遙控器)等組成。

(2) 硬件模塊基本描述

中央處理系統(tǒng):該單元是服務(wù)器的關(guān)鍵模塊,它以x86 cpu為核心,完成對整個系統(tǒng)的管理、監(jiān)控、計算與調(diào)度等功能。

廣域網(wǎng)接口組件:該模塊由電話modem、adsl modem、cable modem、以太網(wǎng)適配器等組成,其中電話modem是必備模塊,其余三種適配器是可選安裝模塊。系統(tǒng)通過廣域網(wǎng)組件可實現(xiàn)對家庭外部網(wǎng)絡(luò)的駁接,連接社區(qū)、internet、電話網(wǎng)絡(luò)等社會服務(wù)體系,并組成電話監(jiān)控子系統(tǒng)。

內(nèi)網(wǎng)數(shù)字總線接口組件:它由高、中、低速三個總線接口模塊組成。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(dá)400mbps,傳輸距離為4.5m,可駁接未來的hdtv、sdtv、dvd、數(shù)字音響、可視電話、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等;中速模塊采用藍(lán)牙模塊和usb,藍(lán)牙異步通訊速率最大可達(dá)為723kbps,同步語音速率為64kbps,usb最大速率為12mbps,可駁接網(wǎng)絡(luò)冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)、家用機(jī)器人、電腦、ip電話及其外設(shè)等設(shè)備;低速總線系統(tǒng)模塊采用無線fsk編碼技術(shù),最大數(shù)據(jù)傳輸速率為4.096kbps,可駁接煤氣、防盜、火災(zāi)等各種傳感器以及對燈光、門窗等設(shè)備的控制,組成家庭低端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。

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(xiàn)有主要的音視頻終端。

外部設(shè)備模塊組件:主要有硬盤、內(nèi)存、dvd驅(qū)動器、rgb適配器、rs232、i/o等。

遙控組件:由藍(lán)牙掌上遙控器和藍(lán)牙收發(fā)器組成:藍(lán)牙掌上遙控器是在一個具有藍(lán)牙無線傳輸功能的可編程掌上電腦開發(fā)的,操作系統(tǒng)為wince。它可輕松完成對各種復(fù)雜功能的家居系統(tǒng)的控制,其程序可由用戶自行編制,也可在廠商服務(wù)網(wǎng)站里下載定制,具有“一開即用、一學(xué)就會”的特點。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.2.1 軟件體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及其組件如圖3所示,共由五層組成,即應(yīng)用層、管理決策層、中間件/環(huán)境運(yùn)行層、信息資源層、操作系統(tǒng)層和驅(qū)動程序?qū)咏M成。

2.2.2 軟件結(jié)構(gòu)基本描述

(1) 應(yīng)用層

應(yīng)用層以java的應(yīng)用開發(fā)平臺為主,它包括dvd、vcd、流媒體(實時網(wǎng)絡(luò)廣播、電視、電影、音樂)的播放與錄制、定時錄制、ip電話和電話、可視電話、監(jiān)控監(jiān)測、小區(qū)熱線聯(lián)系、移動agent、網(wǎng)頁瀏覽、設(shè)備注冊、文件管理等各種應(yīng)用。

(2) 中間件/運(yùn)行環(huán)境層

介于應(yīng)用與操作系統(tǒng)平臺之間,為應(yīng)用程序提供一個相對統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境,插入java解釋器、html解釋器、防火墻、mysql數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

中間件技術(shù)是軟件的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,本系統(tǒng)開發(fā)了jini技術(shù)中間件。實施各種設(shè)備網(wǎng)絡(luò)互連和管理,集成了音視頻設(shè)備、modem、網(wǎng)關(guān)防火墻、報警監(jiān)控檢測、家用電腦、白色家電、各種軟件服務(wù)等應(yīng)用的控制檢測機(jī)制,將這些設(shè)備連接到控制決策系統(tǒng),提供各種服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、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(jù)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(tǒng)、tcp/ip模塊。
　　(4) 操作系統(tǒng)層
　　基本操作系統(tǒng)層。目前的嵌入式操作系統(tǒng)有l(wèi)inux、psos、osopen、wince、qax等,嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)完成普通os的大部分功能如進(jìn)程管理、線程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)等,本系統(tǒng)選用了linux操作系統(tǒng)。
　　(5) 通訊api層
　　通訊api層是對家居服務(wù)器平臺根據(jù)不同系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動規(guī)則,為應(yīng)用程序提供透明的、規(guī)范的控制機(jī)制所采用的軟件接口,其實現(xiàn)方式由操作系統(tǒng)的核心完成,一方面完成相應(yīng)設(shè)備控制寄存器、中斷的設(shè)置,另一方面完成設(shè)備的數(shù)據(jù)處理和存儲空間管理。系統(tǒng)提供了大量的設(shè)備驅(qū)動,包括rs232、usb、ieee1394、adsl、cable modem、電話modem、bluetooth、以太網(wǎng)、磁盤、光驅(qū)、顯示器等設(shè)備驅(qū)動,并且具有可擴(kuò)展性。
3 內(nèi)網(wǎng)通訊協(xié)議
3.1 低速總線系統(tǒng)通訊協(xié)議
3.1.1 接口規(guī)范
　　低速無線通訊機(jī)工作在40.68mhz,采用二進(jìn)制調(diào)頻(fm)、單向單工傳輸模式以降低收發(fā)信機(jī)的復(fù)雜性,帶寬為1mhz。數(shù)據(jù)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(fù)頻偏,最大頻偏20khz?？罩薪涌谝?guī)范建立在天線電平0dbm基礎(chǔ)上,理想連接范圍為0.1～10m,所發(fā)射的電場強(qiáng)度在距設(shè)備3m處不超過1000μv/m(采用平均值檢波)。信號發(fā)射間隔:防盜熱線信號每1.5min隨機(jī)發(fā)射一次,其它熱線信號發(fā)射間隔為每10min隨機(jī)發(fā)射一次,數(shù)據(jù)信號每24h隨機(jī)發(fā)射一次,持續(xù)時間不大于1s。
3.1.2 分組數(shù)據(jù)格式
　　在低端總線系統(tǒng)中的分組和消息全部遵循little endian格式,其規(guī)則為:b0代表最低標(biāo)識位(lsb),lsb是第一個發(fā)送位,msb是最后發(fā)送位。數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中以分組形式傳輸,其標(biāo)準(zhǔn)格式如圖4所示。

(1) 功能識別碼
　　最低3位分別表示:000-注冊,001-數(shù)據(jù)發(fā)送,010-熱線信號,011-設(shè)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個字段組成,如圖5所示。

設(shè)備地址碼:48位,形成全球唯一地址碼,通過對地址碼的識別,系統(tǒng)可有效地抵御來自左鄰右舍無線同頻信號的干擾;設(shè)備類型碼:4位,定義設(shè)備種類;優(yōu)先權(quán)碼:4位,定義信息的優(yōu)先權(quán);數(shù)據(jù)類型碼:1位,0表示開關(guān)量,1表示模擬量,對于開關(guān)量數(shù)據(jù),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個字段在系統(tǒng)初始化時產(chǎn)生。

(3) 有效載荷

有效載荷長度為0～240位,當(dāng)功能識別碼為:00、10、11時,無有效載荷;當(dāng)功能識別碼為01時,有效載荷由2個字段組成,即頭和凈荷。頭:長度8位;凈荷:長度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 高中速總線系統(tǒng)通訊協(xié)議

3.2.1 接口規(guī)范

內(nèi)網(wǎng)高、中速總線接口規(guī)范分別遵循ieee1394、csma/cd、usb、bluetooth、ipv4等標(biāo)準(zhǔn)及接口規(guī)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、中速總線系統(tǒng)里的分組和消息全部遵循little endian格式。數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中以分組形式傳輸,其標(biāo)準(zhǔn)格式如圖6所示。由于這部分通訊模塊中,數(shù)據(jù)的傳輸?shù)玫搅薸eee1394、csma/cd、usb、bluetooth等標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量保障,因此,分組不加額外保護(hù)。

(1)功能識別碼

長度為一個字節(jié)(8位),高4位保留,最低4位分別表示:000-注冊;0001-數(shù)據(jù)發(fā)送;0010-熱線信號;0011-設(shè)備撤除;0100-報警,報警內(nèi)容在有效載荷中指出;0101-網(wǎng)上維修請求,故障內(nèi)容在有效載荷中指出;網(wǎng)上定購請求,定購內(nèi)容在有效載荷中指出;0110-設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),運(yùn)行狀態(tài)在有效載荷中指出;0111-設(shè)備控制狀態(tài)報告,設(shè)備控制狀態(tài)在有效載荷中指出,有效載荷中000為設(shè)備開、001為設(shè)備停機(jī)、010為設(shè)備休眠;其余全部保留。

(2)頭

頭字段包含設(shè)備本身信息,由優(yōu)先權(quán)碼(4位)、設(shè)備編碼(28位)、設(shè)備型號(8位)、出廠日期(8位)組成。

(3)有效載荷

該字段由長度字段(16位)、凈荷(0～65519位)組成。

4 問題與不足

本系統(tǒng)作為第一代基本產(chǎn)品和巨大的社會系統(tǒng)工程,依然存在著為數(shù)不少的不足和亟待改進(jìn)的問題,主要體現(xiàn)在如下幾方面:其一,在微觀上,linux盡管是實時操作系統(tǒng),但它本身卻是基于優(yōu)先權(quán)的分時操作系統(tǒng),內(nèi)核本身不涉及到線程,而是以進(jìn)程為處理調(diào)度單位,其同步、互斥、通訊機(jī)制還比較粗糙,難以滿足該系統(tǒng)滿負(fù)荷實時任務(wù)的執(zhí)行;linux的ext2文件系統(tǒng)主要是為小文件處理而設(shè)計的,在處理小文件時有很高的效率,但是當(dāng)處理如視頻文件這樣的巨型文件時,效率相當(dāng)?shù)?另外,可支持linux的語言和控件遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如windows豐富;隨著ipv6技術(shù)的發(fā)展,使用ipv6地址作為嵌入式設(shè)備全球惟一地址的技術(shù)也亟待開發(fā);系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)尚有不足,如中間件(jini)中的服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議與藍(lán)牙中的服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議有功能上的重疊。這些都需要進(jìn)一步完善。其二,在宏觀上,中間件技術(shù)、系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議只是初步雛形,尚未形成全國公認(rèn)的、統(tǒng)一的規(guī)范,這需要進(jìn)一步的努力及加大全國內(nèi)范圍的協(xié)作。其三,社會服務(wù)體系尚待社會各界的認(rèn)同、支持、建立和完善。