CEBus家庭網(wǎng)絡(luò)管理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：在介紹了家庭網(wǎng)絡(luò)（HomeNet）發(fā)展概況以及消費(fèi)總線（Consumer Electronic Bus）和公共應(yīng)用語言（Common Application Language-）的基礎(chǔ)上，詳細(xì)描述了基于CEBus的家庭網(wǎng)絡(luò)管理器的硬件接口和軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)在于管理器的軟件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：CEBus 家庭網(wǎng)絡(luò) 用戶界面 個(gè)性化定制

1 家庭網(wǎng)絡(luò)概況

國(guó)外家庭網(wǎng)絡(luò)（總線）的概念始于20世紀(jì)70年代。開始時(shí)各公司自定標(biāo)準(zhǔn)，各自為政，不同公司的產(chǎn)品互不兼容，導(dǎo)致市場(chǎng)的開拓和技術(shù)的步極為緩慢。近十年來，遵循統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)已成為業(yè)內(nèi)的共識(shí)。目前，國(guó)際上公認(rèn)的有影響的家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)有：美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)X10、日本標(biāo)準(zhǔn)家庭總線（HomeBus）、歐洲標(biāo)準(zhǔn)安裝總線（EIB）、澳洲奇勝（Clipsal)公司的C-BUS等，它們都各有側(cè)重，有的總線僅僅限于燈光控制。1984年，美國(guó)電氣工業(yè)協(xié)會(huì)的消費(fèi)電器小組開始著手制定家電互聯(lián)規(guī)范，并于1992年發(fā)布CEBus規(guī)范（EIA600），即消費(fèi)總線[1][2]。1994年，成立了消費(fèi)工業(yè)委員會(huì)，專門負(fù)責(zé)消費(fèi)總線的有關(guān)事宜。CEBus得到了IBM、Honeywell、Microsoft、Intellon、Demosys、Lucent、Philips、Siements、XLSynergy等國(guó)際著名公司的支持。1999年2月，Demosys公司在美國(guó)加州展示基于CEBus的Demosys墻，以展示CEBus的Demosys墻，以展示CEBus即插即用的互操作性能。來自6個(gè)不同公司的幾十個(gè)產(chǎn)品安裝在展示墻上，通過電源線通訊，這些產(chǎn)品構(gòu)成協(xié)調(diào)一致的智能系統(tǒng)，每個(gè)產(chǎn)品都能夠自動(dòng)尋找到它應(yīng)用控制的相應(yīng)產(chǎn)品。由于遵循了統(tǒng)一的CEBus標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家的產(chǎn)品達(dá)到了互聯(lián)互操、即插即用的完美境界，最大限度地滿足了家庭網(wǎng)絡(luò)用戶對(duì)易用性的苛刻要求。

國(guó)內(nèi)家庭網(wǎng)絡(luò)尚處于啟蒙狀態(tài)：方正的卓越Z系列、海信的海景二代、海爾的e家庭和網(wǎng)絡(luò)家電、TCL的家庭信息顯示器（HID）以及初露端倪的聯(lián)想.home等等。這些有益的嘗試，盡管為用戶描述了一幅智能家居的美好前景，但是由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和接口協(xié)議，在更多意義上還只能算是一種概念性產(chǎn)品。

2 CEBus和CAL簡(jiǎn)介

消費(fèi)總線（CEBus）是美國(guó)電氣工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）的消費(fèi)電子小組制定的家用消費(fèi)產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)通訊標(biāo)準(zhǔn)，它描述了一種家庭電子產(chǎn)品之間的通訊方法，通過CEBUS協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)。CEBus采用了簡(jiǎn)化的OSI模型，分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。CEBus是一個(gè)完全面向報(bào)文分組（packet)的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，使用載波偵聽多重訪問和沖突檢測(cè)與沖突分辨協(xié)議（CSMA/CDCR）。

CEBus在應(yīng)用層定義了一種面向?qū)ο蟮摹?yán)格的設(shè)備描述語言CAL（Common Application Language EIA721），簡(jiǎn)稱公共應(yīng)用語言[1]，其內(nèi)容涵蓋了家庭中可能擁有的家電。公共應(yīng)用語言采用了面向?qū)ο蟮姆椒?，把任意一個(gè)家電設(shè)備按照功能分解成幾個(gè)預(yù)定義的對(duì)象模型。在面向?qū)ο蟮木幊陶Z言中，一個(gè)對(duì)象由數(shù)據(jù)和操作這些數(shù)據(jù)的函數(shù)組成。在消費(fèi)總線中，這些對(duì)象也由數(shù)據(jù)（稱為實(shí)例變量）和操作（稱為方法）組成，不同的設(shè)備可以采用相同的對(duì)象，用相同的方法操作，但是控制結(jié)果隨設(shè)備的不同而有不同的意義。

CAL用一種層次關(guān)系描述設(shè)備的功能。如圖1所示。一個(gè)設(shè)備可以分成幾個(gè)上下文，它們代表了這個(gè)設(shè)備按照功能分的子系統(tǒng)。上下文又被分為幾個(gè)對(duì)象，每個(gè)對(duì)象代表了上下文中的一種控制功能，對(duì)象分為若干類，每一類代表一種共有的功能。CAL預(yù)定義了27個(gè)對(duì)象模型[1]。例如，類號(hào)為07的對(duì)象是模擬控制對(duì)象（Analog Control Object），它可以用來代表音量控制、溫度調(diào)節(jié)或調(diào)光器。一個(gè)對(duì)象的具體功能完全由他所屬的上下文決定。每個(gè)對(duì)象包含一定數(shù)量的實(shí)例變量。每個(gè)對(duì)象都能夠解釋執(zhí)行方法，更新實(shí)例變量，并完成實(shí)際操作。

3 基于CEBus的家庭網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)

由浙江大學(xué)系統(tǒng)工程研究所和合作伙伴聯(lián)合開發(fā)的基于CEBus的家庭網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不難發(fā)現(xiàn)，獨(dú)立的、分散的、單體測(cè)量裝置是構(gòu)成CEBus分布式網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，因此CEBus家庭網(wǎng)絡(luò)是一種典型的對(duì)等（peer to peer）模型結(jié)構(gòu)。CEBus摒棄了傳統(tǒng)的控制中心的概念，任一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的失效都不會(huì)引起系統(tǒng)的癱瘓，換言之，系統(tǒng)具備高度自治的優(yōu)良特性。

用戶對(duì)設(shè)備有多種操作方式：通過計(jì)算機(jī)上的家庭網(wǎng)絡(luò)管理器實(shí)現(xiàn)對(duì)所設(shè)備的操作和設(shè)定；用自定義控制面板上按鈕的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)其它設(shè)備的控制；用PDA等手持設(shè)備控制設(shè)備；用語音控制模塊實(shí)現(xiàn)語音控制；可以在遠(yuǎn)程與嵌入式的家庭網(wǎng)關(guān)連接，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。但最方便、最直觀地實(shí)現(xiàn)所有家電的監(jiān)視和控制，還是要使用可定制界面的家庭網(wǎng)絡(luò)管理器。

4 家庭網(wǎng)絡(luò)管理器的硬件接口

家庭網(wǎng)絡(luò)管理是通過一個(gè)CEBus適配器的家庭網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊的。家庭網(wǎng)絡(luò)管理器硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過CEBus適配順，管理器維護(hù)一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的更新和保存。借助于一個(gè)內(nèi)置的定時(shí)器，管理器每隔三分種啟動(dòng)一個(gè)后臺(tái)線程，自動(dòng)從家庭網(wǎng)絡(luò)上面讀取新的設(shè)備信息，來更新數(shù)據(jù)庫和用戶界面。另外，當(dāng)用戶按下刷新按鈕時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)啟動(dòng)刷新線程，來更新數(shù)據(jù)庫和用戶界面。

家庭網(wǎng)絡(luò)管理器通過下述方法實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的更新：

（1）發(fā)送廣播消息，獲取所有設(shè)備的地址。然后根據(jù)設(shè)備個(gè)數(shù)在用戶數(shù)據(jù)的設(shè)備表中增加新記錄，并且將獲得的設(shè)備系統(tǒng)地址和單元地址[1][2]保存到新記錄的sys_ad_dr和unit_addr字段中。

（2）根據(jù)設(shè)備表中每一條記錄對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)地址和單元地址，發(fā)送命令獲取上下文列表實(shí)例變量（Context_List）[1][2]的值。然后根據(jù)上下文的個(gè)數(shù)在上下文表中增加新記錄，同時(shí)將讀取到的各個(gè)上下文的序號(hào)和類號(hào)保存到新生成的上下文記錄相應(yīng)的字段中。

（3）根據(jù)上下文表中的每一條記錄對(duì)應(yīng)的上下文序號(hào)和類號(hào)，發(fā)送命令獲取對(duì)象列表實(shí)例變量（Object_List）[1][2]的值。然后根據(jù)對(duì)象的個(gè)數(shù)在對(duì)象表中增加新記錄，同時(shí)將讀取到的對(duì)象序號(hào)和類號(hào)保存到新生成的對(duì)象記錄相應(yīng)的字段中。

（4）根據(jù)對(duì)象表中的每一條記錄的對(duì)象類號(hào)在標(biāo)準(zhǔn)CEBus數(shù)據(jù)庫中查找所有預(yù)定義的實(shí)例變量，并且為每一個(gè)預(yù)定義實(shí)例變量在實(shí)例變量表中增加新記錄，寫入新記錄的name、label、type字段的值。然后逐個(gè)發(fā)送命令讀取實(shí)例變量的值，并且將讀取到的值保存到實(shí)例變量表中。

5 家庭網(wǎng)絡(luò)管理器的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

這套軟件主要包括兩個(gè)功能界面：虛擬設(shè)備顯示界面、定制設(shè)備顯示界面。

5.1 虛擬設(shè)備顯示界面

在第2節(jié)介紹CAL語言時(shí)已經(jīng)提到，CAL預(yù)定義了27個(gè)對(duì)象模型。筆者給每個(gè)對(duì)象都編寫了多種界面模型，例如圖4中，（a）、（b）是對(duì)象模型二元開關(guān)（Binary Switch）的兩種界觀模型；（c）、(d)、（e）是對(duì)象模型多種元開關(guān)（Multi_state Switch）的三種界面模型。這種就可以用軟件形象地表達(dá)每一種對(duì)象了。

對(duì)于普通用戶來說，虛擬設(shè)備顯示界面是最常用到的功能界面。當(dāng)切換到這個(gè)界面時(shí)，根據(jù)用戶選擇的設(shè)備標(biāo)識(shí)號(hào)，從用戶數(shù)據(jù)庫讀入信息，根據(jù)組成設(shè)備對(duì)象的類型號(hào)，動(dòng)態(tài)地恢復(fù)成為一個(gè)虛擬的設(shè)備控制面板，從而用戶可以對(duì)家電進(jìn)行形象化的監(jiān)視和操作。如圖5（a）所示，這是當(dāng)空調(diào)動(dòng)態(tài)顯示時(shí)的虛擬設(shè)備面板。管理器讀取到的四個(gè)需要顯示的對(duì)象：?jiǎn)?dòng)（二路開關(guān)）、工作模式（多路開關(guān)）、風(fēng)速（多路開關(guān)）、溫度設(shè)定（模擬開關(guān)），根據(jù)四個(gè)對(duì)象的類型號(hào)，取得相應(yīng)的缺省對(duì)象界面模型，從而組合成空調(diào)的虛擬控制面板。

值得一提的是，當(dāng)用戶改變了設(shè)備狀態(tài)的時(shí)候，首先更新用戶數(shù)據(jù)庫的信息，然后，通過數(shù)據(jù)庫的更新事件來實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)上實(shí)際設(shè)備的狀態(tài)控制，而不是直接對(duì)每一個(gè)狀態(tài)更新事件單獨(dú)編寫程序。這樣一方面可以提高代碼的重用率和可調(diào)試性，更為重要的是可以大大增強(qiáng)程序的模塊化水平，從而提高程序的可維護(hù)性。

5.2 定制設(shè)備顯示界面

在上一小節(jié)已經(jīng)提到，對(duì)應(yīng)CEBus預(yù)定義的27種對(duì)象，都編寫了多種顯示模型，并且為每一種對(duì)象都指定了一個(gè)缺省顯示模型，從而系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成缺省設(shè)備控制面板。但是由于系統(tǒng)本身不具有智能，只是根據(jù)對(duì)象的類型號(hào)來選擇對(duì)象顯示模型，因而對(duì)于某個(gè)具體的設(shè)備來說，該缺省對(duì)象顯示模型可能是不恰當(dāng)甚至是不正確的，從而導(dǎo)致缺省設(shè)備顯示面板的機(jī)械性。如圖5中（a）圖所示，由于啟動(dòng)（電源按鈕）本身也是一個(gè)二路開關(guān)，因此在缺省控制面板中的啟動(dòng)對(duì)象顯示為一個(gè)缺省二路開關(guān)，顯得不是很直觀。另外由于工作模式和風(fēng)速對(duì)象都是多路開關(guān)類型，從而在缺省控制面板中，都是以旋鈕開關(guān)顯示的，風(fēng)速對(duì)象不太符合人的習(xí)慣。

定制設(shè)備顯示界面正是為了解決這個(gè)問題。定制設(shè)備顯示界面可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備顯示面板的個(gè)性化定制，用戶可以通過選擇預(yù)定義的對(duì)象界面模型來定制由系統(tǒng)自動(dòng)生成的缺省控制板，從而生成個(gè)性化的設(shè)備顯示面板。如圖5（b）圖所示，通過簡(jiǎn)單的定制，啟動(dòng)按鈕換成了熟悉的電源開關(guān)，而風(fēng)速對(duì)象換成了形象化的垂直調(diào)節(jié)桿，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備控制面板的個(gè)性化定制。

個(gè)人計(jì)算機(jī)正在成為家庭中工作、通信、教育和娛樂的強(qiáng)大平臺(tái)。與此同時(shí)，幾乎在一夜之間,Internet逐漸成為信息交流的基本方式之一。正如把戶外的信息和寬帶娛樂資源（如Internet和有線電視）高速接入的需要不斷增加一樣，在家庭里，把家電設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化連接的需求也在迅速增長(zhǎng)。當(dāng)然可以通過局域網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部的連接，然而，在家中布置一個(gè)局域網(wǎng)成本太高，布線也比較復(fù)雜。于是，人們?cè)O(shè)計(jì)出利用現(xiàn)有的電話線或者電力線，來完成簡(jiǎn)單、高速和廉價(jià)的家庭網(wǎng)絡(luò)。家庭網(wǎng)絡(luò)的興起和推廣應(yīng)用，將會(huì)帶來一場(chǎng)家電市場(chǎng)的革命。