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1、数字家园园系统的的研究与与设计分析了国国内外主主要信息息家电产产品以及及家庭组组网解决决方案、模型的的缺点与与不足,有针对对性地提提出了一一套低成成本的数数字家园园系统(DHNNS)解解决方案案,描述述了本系系统的总总体构架架、社会会服务体体系和QQoS需需求,设设计了系系统的核核心技术术平台家居居服务器器,并对对其原理理、构架架、软硬硬件模块块组成以以及通讯讯协议作作了比较较详尽的的阐述。本系统统可灵活活地进行行高、中中、低各各种不同同的配置置,最高高配置可可覆盖整整个家庭庭和社会会服务体体系,最最低可配配置成一一个单台台的DVVD播放放机,具具有较大大的市场场前景。指出了了本系统统存在的的
2、问题和和进一步步的研究究目标。数字家园园是一个个庞大的的系统工工程,涉涉及到计计算机、通讯、控制、消费电电子、住住宅建设设、金融融业等及及人类社社会生活活的方方方面面。为了实实现各种种家用电电气设备备以及对对社会生生活的互互通互联联,一个个统一、放开、透明、可靠的的标准、协议、网络构构架和低低成本的的实现是是推动数数字家园园系统发发展的关关键。 自自信息家家电技术术问世以以来,其其组网的的标准和和协议按按主导企企业技术术背景差差异划分分,基本本上有两两大类,一是以以计算机机通信企企业为主主导的,二是以以家用电电器企业业为主导导的。 第第一类的的代表是是开放业业务网关关OSGG(Oppen Se
3、rrvicce GGateewayy),其其基本目目标是以以PC为为基础,建立包包括其它它非PCC(后PPC)类类黑色家家电、白白色家电电在内的的通信,甚至于于水、电电、气表表等的全全家庭网网络体制制,基本本思想是是以业务务为主线线建立体体系。第第二类很很多,由由主要的的数字视视音频产产品制造造商和部部分通信信计算机机制造商商组成,基本目目标是建建立非PPC的家家庭多媒媒体网络络体系。工作的的主线是是设备间间的互联联性。其其比较著著名的有有Havvi、JJinii、HoomePPNA、HommePnnP、HHomeeRF、HommeAPPI等。各个标标准的侧侧重点不不同,目目前谁是是主流体体制
4、尚不不明朗。 从国内内外发展展情况来来看,信信息家电电将是日日后家电电发展的的一大方方向,可可以说是是主方向向1。但是是,迄今今过去多多年了,信息家家电依然然难以投投入实用用,究其其原因,除了纷纷繁的规规范和标标准让人人无以适适从外,在具体体的实现现技术路路线上也也存在不不足,其其主要表表现在如如下五个个方面:(1)在网络络构架方方面,目目前的规规范和标标准还只只侧重于于家庭内内部的网网络互联联,缺乏乏对社会会服务体体系的研研究、规规划与建建立;(2)在在技术上上采用胖胖客户机机、瘦服服务器方方案,导导致技术术过于复复杂、成成本过高高,例如如,按照照目前的的技术路路线,即即网络冰冰箱=电电脑(
5、PPC)+冰箱,其代价价相当高高昂;(3)设设备上网网协调性性差,部部分信息息产品自自成体系系,缺乏乏完整的的系统支支持及统统一的技技术规范范,协调调性、互互连性、共存性性很差,家用电电脑、冰冰箱、微微波炉、洗衣机机等设备备的上网网缺乏交交换设备备(Swwitccherr),需需要很多多外网接接口或者者出口,无法同同时使用用;(44)人机机协调性性差,对对目前的的信息家家电来说说,要么么只解决决了人员员上网的的问题,要么只只解决设设备上网网的问题题,人机机无法同同时上网网;(55)功能能比较简简单,难难以适应应各种不不同的需需求。例例如,目目前的机机顶盒只只有一些些简单的的上网功功能,难难以满
6、足足人们对对高品质质数字生生活的追追求。 鉴鉴于上述述原因,本项目目提出了了一套以以家居服服务器为为核心的的新型数数字化家家园体系系结构DDHNSS(Diigittal Homme NNetwworkk Syysteem),用以建建立相对对合理、完善的的家庭内内部网络络以及社社会服务务体系,以解决决家庭人人员和各各种设备备的本地地和远程程控制、监测、检测、协调上上网,尤尤其是大大幅度降降低整体体信息家家电成本本以及技技术难度度等问题题,实现现家居生生活的数数字化。 1 DHNNS数字字家园系系统总体体构架 DHNNS数字字家园系系统总体体构架如如图1所所示。 图1 DDHNSS数字家家园系统统
7、总体构构(11)采用用基于智智能代理理技术的的胖服务务器、瘦瘦客户机机设计方方案,以以大幅度度降低信信息家电电整体成成本。 现现有白色色(功能能性)信信息家电电(如网网络冰箱箱、微波波炉、洗洗衣机等等)的设设计方案案基本上上是:电电脑(PPC)+家电,即在白白色家电电中嵌入入一台PPC,它它们都拥拥有各自自独立的的高档CCPU(如X886、PPoweerPCC)、显显示器、复杂的的操作系系统、网网络调制制器、硬硬盘等组组件,因因此技术术复杂、成本不不菲。采采用本方方案,可可将这些些信息家家电的大大部分功功能迁移移至家居居服务器器,形成成胖服务务器、瘦瘦客户机机体系。采用移移动Aggentt技术
8、,各种信信息家电电通过家家居服务务器的集集中管理理,对外外统一连连网、对对内协调调工作,所有信信息(包包括程序序代码、数据等等)均存存放在服服务器中中,浏览览也可在在家居服服务器上上完成。而这部部分信息息家电只只需用简简单、廉廉价的单单片机进进行自身身管理以以及与家家居服务务器通讯讯即可完完成上网网任务。因此,可完全全卸除其其复杂、昂贵的的高档组组件,从从而达到到大幅度度降低成成本的目目的。 (2)采采用多功功能、模模块化设设计方案案,以适适应不同同用户的的需求,解决人人员、设设备的上上网以及及机顶盒盒功能简简单等问问题。 多多功能设设计主要要体现在在家居服服务器的的设计上上,它主主要由三三大
9、类服服务模块块组成,即娱乐乐服务模模块、网网关服务务器模块块、通讯讯与监控控服务模模块等。各个模模块由不不同的软软硬件组组件组成成,即插插即用、灵活配配置,可可满足不不同层次次消费需需求。 娱乐服服务模块块 该模块块由在线线服务模模块和独独立服务务模块组组成。在在线服务务模块可可实现网网络电影影、电视视、广播播等音视视频流媒媒体的实实时播放放和录制制以及定定时录制制;独立立服务模模块指在在缺乏社社会服务务体系服服务(即即无外网网联通)的状态态下可独独立播放放DVDD、VCCD碟片片、播放放下载的的DVDD、VCCD、DDVB、DABB、MPP3、流流媒体以以及其它它文件。 网关服服务器模模块
10、该模模块是数数字家园园的基本本服务模模块,对对内可驳驳接家庭庭网络,对外作作为网关关使用,连接社社会服务务体系,支持如如下服务务:网络络连接、防火墙墙、数据据存储、家用电电器的智智能主体体代理、文件管管理、IInteerneet等,解决设设备及人人员上网网问题。 通讯与与监控服服务模块块 该模块块主要支支持以下下服务:电话监监控、来来电显示示、录音音、IPP电话、传真;家庭监监控:防防盗、火火灾、煤煤气等灾灾害的监监测和报报警,水水、电、气数据据的检测测,灯光光、窗帘帘、电饭饭锅、门门窗等家家庭低端端设备的的本地和和远程控控制等。 (3)采用简简单的人人性化操操作界面面设计方方案,以以实现“一
11、开就就用、一一学就会会”的目目标,解解决大众众使用难难题。 用用可编程程蓝牙掌掌上电脑脑为技术术平台取取代服务务器键盘盘,将其其界面定定制成简简单、易易学、易易用的形形式,它它通过与与服务器器的无线线通讯,即可实实现遥控控服务器器的目的的,界面面可由用用户独立立定制,也可从从远程服服务中心心下载定定制的PPDA遥遥控新菜菜单。 (4)建建立完善善的社会会服务体体系(如如图1所所示)。 DHNNS构架架的数字字家园网网络系统统的抽象象特征是是:以基基于智能能代理技技术的胖胖(faat)服服务器为为核心技技术平台台,支持持如下服服务:(1)完完善的社社会服务务体系;(2)高质量量、多功功能语音音通
12、讯;(3)Intternnet冲冲浪;(4)音音视频娱娱乐;(5)传传统数据据网络;(6)网络游游戏;(7)安安全监控控与报警警、各种种数据的的监测与与检测等等;(88)各种种家庭电电气设备备的本地地、远程程控制以以及自动动控制。它与普普通PCC网络最最根本的的区别就就是:一一开就用用、一学学就会,而PCC难学难难用。 支支持上述述业务或或者部分分业务的的家庭网网络系统统均可定定义为DDHNSS构架信信息家居居系统。 2 家居服服务器的的设计与与研制 家家居服务务器作为为数字家家园系统统的核心心技术平平台,对对于该构构架的实实现起着着至关重重要的作作用。家家居服务务器主要要由软件件和硬件件部分
13、组组成。 2.11 硬件件研制 (1) 硬件模模块组成成 家居服服务器硬硬件总体体结构如如图2所所示,主主要由55大功能能模块共共12个个子模块块组成,即广域域网接口口模块(电话MModeem、AADSLL Moodemm、Caablee Moodemm、以太太网适配配器)、中央处处理系统统、内网网数字总总线接口口模块(高、中中、低速速通讯总总线)、模拟音音视频模模块、外外部设备备模块(包括DDVD驱驱动器、硬盘、内存、RS2232、RGBB接口等等)、遥遥控模块块(专用用蓝牙遥遥控收发发器模块块、蓝牙牙掌上遥遥控器)等组成成。 (22) 硬硬件模块块基本描描述 图2 家家居服务务器硬件件结构
14、中央央处理系系统:该该单元是是服务器器的关键键模块,它以XX86 CPUU为核心心,完成成对整个个系统的的管理、监控、计算与与调度等等功能。 广域网网接口组组件:该该模块由由电话MModeem、AADSLL Moodemm、Caablee Moodemm、以太太网适配配器等组组成,其其中电话话Moddem是是必备模模块,其其余三种种适配器器是可选选安装模模块。系系统通过过广域网网组件可可实现对对家庭外外部网络络的驳接接,连接接社区、Intternnet、电话网网络等社社会服务务体系,并组成成电话监监控子系系统。 内内网数字字总线接接口组件件:它由由高、中中、低速速三个总总线接口口模块组组成。高
15、高速模块块由IEEEE113944模块和和以太网网适配器器组成,IEEEE13394最最大传输输速率可可达4000Mbbps,传输距距离为44.5mm,可驳驳接未来来的HDDTV、SDTTV、DDVD、数字音音响、可可视电话话、数字字摄像机机等;中中速模块块采用蓝蓝牙模块块和USSB,蓝蓝牙异步步通讯速速率最大大可达为为7233kbpps,同同步语音音速率为为64kkbpss,USSB最大大速率为为12MMbpss,可驳驳接网络络冰箱、洗衣机机、空调调、家用用机器人人、电脑脑、IPP电话及及其外设设等设备备;低速速总线系系统模块块采用无无线FSSK编码码技术,最大数数据传输输速率为为4.009
16、6kkbpss,可驳驳接煤气气、防盗盗、火灾灾等各种种传感器器以及对对灯光、门窗等等设备的的控制,组成家家庭低端端设备网网络子系系统。 模模拟音视视频接口口组件:分别为为一路由由双声道道和5.1声道道解码器器、AVV视频接接口组件件、S-Viddeo视视频接口口组件等等组成,可驳接接现有主主要的音音视频终终端。 外外部设备备模块组组件:主主要有硬硬盘、内内存、DDVD驱驱动器、RGBB适配器器、RSS2322、I/O等。 遥控组组件:由由蓝牙掌掌上遥控控器和蓝蓝牙收发发器组成成:蓝牙牙掌上遥遥控器是是在一个个具有蓝蓝牙无线线传输功功能的可可编程掌掌上电脑脑开发的的,操作作系统为为WinnCE。
17、它可轻轻松完成成对各种种复杂功功能的家家居系统统的控制制,其程程序可由由用户自自行编制制,也可可在厂商商服务网网站里下下载定制制,具有有“一开开即用、一学就就会”的的特点。 2.2 系系统软件件设计22.2.1 软软件体系系结构 系系统软件件结构及及其组件件如图33所示,共由五五层组成成,即应应用层、管理决决策层、中间件件/环境境运行层层、信息息资源层层、操作作系统层层和驱动动程序层层组成。 图3 家家居服务务器软件件结构2.2.2 软软件结构构基本描描述 (1) 应用层层 应用层层以Jaava的的应用开开发平台台为主,它包括括DVDD、VCCD、流流媒体(实时网网络广播播、电视视、电影影、音
18、乐乐)的播播放与录录制、定定时录制制、IPP电话和和电话、可视电电话、监监控监测测、小区区热线联联系、移移动Aggentt、网页页浏览、设备注注册、文文件管理理等各种种应用。 (2) 中间间件/运运行环境境层 介于于应用与与操作系系统平台台之间,为应用用程序提提供一个个相对统统一的开开发环境境和运行行环境,插入JJavaa解释器器、HTTML解解释器、防火墙墙、MyySQLL数据库库系统。 中间件件技术是是软件的的关键环环节之一一,本系系统开发发了Jiini技技术中间间件。实实施各种种设备网网络互连连和管理理,集成成了音视视频设备备、Moodemm、网关关防火墙墙、报警警监控检检测、家家用电脑
19、脑、白色色家电、各种软软件服务务等应用用的控制制检测机机制,将将这些设设备连接接到控制制决策系系统,提提供各种种服务的的发现、注册、租借、查找和和控制等等事务。 (3) 逻辑辑资源层层 处于这这一层的的软件均均为可选选择安装装的模块块,可以以根据特特定的环环境选用用,这一一层中主主要的模模块有中中文环境境、界面面系统、TCPP/IPP模块。 (4) 操作作系统层层 基本操操作系统统层。目目前的嵌嵌入式操操作系统统有Liinuxx、PSSOS、OSoopenn、WiinCEE、QAAX等,嵌入式式操作系系统应当当完成普普通OSS的大部部分功能能如进程程管理、线程管管理、内内存管理理、文件件系统等
20、等,本系系统选用用了Liinuxx操作系系统。 (5) 通讯AAPI层层 通讯AAPI层层是对家家居服务务器平台台根据不不同系统统的设备备驱动规规则,为为应用程程序提供供透明的的、规范范的控制制机制所所采用的的软件接接口,其其实现方方式由操操作系统统的核心心完成,一方面面完成相相应设备备控制寄寄存器、中断的的设置,另一方方面完成成设备的的数据处处理和存存储空间间管理。系统提提供了大大量的设设备驱动动,包括括RS2232、USBB、IEEEE113944、ADDSL、Cabble Moddem、电话MModeem、BBlueetoooth、以太网网、磁盘盘、光驱驱、显示示器等设设备驱动动,并且且
21、具有可可扩展性性。 33 内网网通讯协协议3.1 低低速总线线系统通通讯协议议3.11.1 接口规规范 低低速无线线通讯机机工作在在40.68MMHz,采用二二进制调调频(FFM)、单向单单工传输输模式以以降低收收发信机机的复杂杂性,带带宽为11MHzz。数据据以速率率4.0096kkbpss传输,使用高高斯二进进制FSSK模式式,二进进制1代代表正频频偏,00代表负负频偏,最大频频偏200kHzz。空中中接口规规范建立立在天线线电平00dbmm基础上上,理想想连接范范围为00.110mm,所发发射的电电场强度度在距设设备3mm处不超超过10000V/mm(采用用平均值值检波)。信号号发射间间
22、隔:防防盗热线线信号每每1.55minn随机发发射一次次,其它它热线信信号发射射间隔为为每100minn随机发发射一次次,数据据信号每每24hh随机发发射一次次,持续续时间不不大于11s。 3.11.2 分组数数据格式式 在在低端总总线系统统中的分分组和消消息全部部遵循LLitttle Enddiann格式,其规则则为:bb0代表表最低标标识位(LSBB),LLSB是是第一个个发送位位,MSSB是最最后发送送位。数数据在网网络中以以分组形形式传输输,其标标准格式式如图44所示。 图4 低低端设备备数据分分组标准准格式(11) 功功能识别别码 最低低3位分分别表示示:0000-注注册,0001-
23、数据发发送,0010-热线信信号,0011-设备撤撤除,1100-报警,其余保保留。该该信息用用1/33的前向向纠错码码编码形形成9位位编码格格式。 (2) 头 分组组头包含含链路控控制信息息,由55个字段段组成,如图55所示。 图5 头头字段分分组数据据格式设备备地址码码:488位,形形成全球球唯一地地址码,通过对对地址码码的识别别,系统统可有效效地抵御御来自左左邻右舍舍无线同同频信号号的干扰扰;设备备类型码码:4位位,定义义设备种种类;优优先权码码:4位位,定义义信息的的优先权权;数据据类型码码:1位位,0表表示开关关量,11表示模模拟量,对于开开关量数数据,用用0000表示逻逻辑0,11
24、11表示逻逻辑1;HECC:7位位,头错错误校验验。分组组头用11/3的的前向纠纠错码编编码形成成1922位编码码格式。头信息息中的前前4个字字段在系系统初始始化时产产生。 (3) 有效载载荷 有效效载荷长长度为002440位,当功能能识别码码为:000、110、111时,无有效效载荷;当功能能识别码码为011时,有有效载荷荷由2个个字段组组成,即即头和净净荷。头头:长度度8位;净荷:长度00244位。有有效载荷荷用1/3的前前向纠错错码编码码形成最最大966位的编编码格式式。 33.2 高中速速总线系系统通讯讯协议33.2.1 接接口规范范 内内网高、中速总总线接口口规范分分别遵循循IEEE
25、E13394、CSMMA/CCD、UUSB、Bluuetooothh、IPPv4等等标准及及接口规规范。高高、中速速通讯是是双向双双工通讯讯模式。 3.2.22 信源源编码格格式 在在高、中中速总线线系统里里的分组组和消息息全部遵遵循Liittlle EEndiian格格式。数数据在系系统中以以分组形形式传输输,其标标准格式式如图66所示。由于这这部分通通讯模块块中,数数据的传传输得到到了IEEEE113944、CSSMA/CD、USBB、Blluettootth等标标准的质质量保障障,因此此,分组组不加额额外保护护。 图6 高高、中速速总线系系统分组组标准格格式(11)功能能识别码码 长度为
26、为一个字字节(88位),高4位位保留,最低44位分别别表示:0000-注册册;00001-数据发发送;000100-热线线信号;00111-设设备撤除除;01100-报警,报警内内容在有有效载荷荷中指出出;01101-网上维维修请求求,故障障内容在在有效载载荷中指指出;网网上定购购请求,定购内内容在有有效载荷荷中指出出;01110-设备运运行状态态,运行行状态在在有效载载荷中指指出;001111-设备备控制状状态报告告,设备备控制状状态在有有效载荷荷中指出出,有效效载荷中中0000为设备备开、0001为为设备停停机、0010为为设备休休眠;其其余全部部保留。 (2)头 头字字段包含含设备本本身
27、信息息,由优优先权码码(4位位)、设设备编码码(288位)、设备型型号(88位)、出厂日日期(88位)组组成。 (3)有有效载荷荷 该字段段由长度度字段(16位位)、净净荷(006555199位)组组成。 4 问问题与不不足 本本系统作作为第一一代基本本产品和和巨大的的社会系系统工程程,依然然存在着着为数不不少的不不足和亟亟待改进进的问题题,主要要体现在在如下几几方面:其一,在微观观上,LLinuux尽管管是实时时操作系系统,但但它本身身却是基基于优先先权的分分时操作作系统,内核本本身不涉涉及到线线程,而而是以进进程为处处理调度度单位,其同步步、互斥斥、通讯讯机制还还比较粗粗糙,难难以满足足该
28、系统统满负荷荷实时任任务的执执行;LLinuux的EExt22文件系系统主要要是为小小文件处处理而设设计的,在处理理小文件件时有很很高的效效率,但但是当处处理如视视频文件件这样的的巨型文文件时,效率相相当低;另外,可支持持Linnux的的语言和和控件远远远不如如Winndowws丰富富;随着着IPvv6技术术的发展展,使用用IPvv6地址址作为嵌嵌入式设设备全球球惟一地地址的技技术也亟亟待开发发;系统统软件结结构尚有有不足,如中间间件(JJinii)中的的服务发发现协议议与蓝牙牙中的服服务发现现协议有有功能上上的重叠叠。这些些都需要要进一步步完善。其二,在宏观观上,中中间件技技术、系系统标准准与协议议只是初初步雏形形,尚未未形成全全国公认认的、统统一的规规范,这这需要进进一步的的努力及及加大全全国内范范围的协协作。其其三,社社会服务务体系尚尚待社会会各界的的认同、支持、建立和和完善.