數(shù)字家園系統(tǒng)的研究與設(shè)計

摘　要：分析了國內(nèi)外主要信息家電產(chǎn)品以及家庭組網(wǎng)解決方案、模型的缺點與不足,有針對性地提出了一套低成本的數(shù)字家園系統(tǒng)(DHNS)解決方案,描述了本系統(tǒng)的總體構(gòu)架、社會服務(wù)體系和QoS需求,設(shè)計了系統(tǒng)的核心技術(shù)平臺——家居服務(wù)器,并對其原理、構(gòu)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(tǒng)可靈活地進行高、中、低各種不同的配置,最高配置可覆蓋整個家庭和社會服務(wù)體系,最低可配置成一個單臺的DVD播放機,具有較大的市場前景。指出了本系統(tǒng)存在的問題和進一步的研究目標。
 
關(guān)鍵詞：數(shù)字家園系統(tǒng) 家居服務(wù)器 信息家電

數(shù)字家園是一個龐大的系統(tǒng)工程,涉及到計算機、通訊、控制、消費電子、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、可靠的標準、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)的標準和協(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。各個標準的側(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)范和標準讓人無以適從外,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)范和標準還只側(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、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、廉價的單片機進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,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,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(jié)構(gòu)

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(diào)、家用機器人、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具有藍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)境運行層、信息資源層、操作系統(tǒng)層和驅(qū)動程序?qū)咏M成。

圖3 家居服務(wù)器軟件結(jié)構(gòu)

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Linux、PSOS、OSopen、WinCE、QAX等,嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)當完成普通OS的大部分功能如進程管理、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

低速無線通訊機工作在40.68MHz,采用二進制調(diào)頻(FM)、單向單工傳輸模式以降低收發(fā)信機的復(fù)雜性,帶寬為1MHz。數(shù)據(jù)以速率4.096kbps傳輸,使用高斯二進制FSK模式,二進制1代表正頻偏,0代表負頻偏,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隨機發(fā)射一次,其它熱線信號發(fā)射間隔為每10min隨機發(fā)射一次,數(shù)據(jù)信號每24h隨機發(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,其標準格式如圖4所示。

圖4 低端設(shè)備數(shù)據(jù)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(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。

圖5 頭字段分組數(shù)據(jù)格式

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,當功能識別碼為:00、10、11時,無有效載荷;當功能識別碼為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等標準及接口規(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,其標準格式如圖6所示。由于這部分通訊模塊中,數(shù)據(jù)的傳輸?shù)玫搅薎EEE1394、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、中速總線系統(tǒng)分組標準格式

(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)備運行狀態(tài),運行狀態(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、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,而是以進程為處理調(diào)度單位,其同步、互斥、通訊機制還比較粗糙,難以滿足該系統(tǒng)滿負荷實時任務(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,但是當處理如視頻文件這樣的巨型文件時,效率相當?shù)?另外,可支持Linux的語言和控件遠遠不如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。這些都需要進一步完善。其二,在宏觀上,中間件技術(shù)、系統(tǒng)標準與協(xié)議只是初步雛形,尚未形成全國公認的、統(tǒng)一的規(guī)范,這需要進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同、支持、建立和完善。

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