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1、数字家园系统的研究与设计分析了国内外主要信息家电产品以及家庭组网解决方案、模型的缺点与不足,有针对性地提出了一套低成本的数字家园系统(DHNS)解决方案,描述了本系统的总体构架、社会服务体系和QoS需求,设计了系统的核心技术平台家居服务器,并对其原理、构架、软硬件模块组成以及通讯协议作了比较详尽的阐述。本系统可灵活地进行高、中、低各种不同的配置,最高配置可覆盖整个家庭和社会服务体系,最低可配置成一个单台的DVD播放机,具有较大的市场前景。指出了本系统存在的问题和进一步的研究目标。数字家园是一个庞大的系统工程,涉及到计算机、通讯、控制、消费电子、住宅建设、金融业等及人类社会生活的方方面面。为了实
2、现各种家用电气设备以及对社会生活的互通互联,一个统一、放开、透明、可靠的标准、协议、网络构架和低成本的实现是推动数字家园系统发展的关键。 自信息家电技术问世以来,其组网的标准和协议按主导企业技术背景差异划分,基本上有两大类,一是以计算机通信企业为主导的,二是以家用电器企业为主导的。 第一类的代表是开放业务网关OSG(Open Service Gateway),其基本目标是以PC为基础,建立包括其它非PC(后PC)类黑色家电、白色家电在内的通信,甚至于水、电、气表等的全家庭网络体制,基本思想是以业务为主线建立体系。第二类很多,由主要的数字视音频产品制造商和部分通信计算机制造商组成,基本目标是建立
3、非PC的家庭多媒体网络体系。工作的主线是设备间的互联性。其比较著名的有Havi、Jini、HomePNA、HomePnP、HomeRF、HomeAPI等。各个标准的侧重点不同,目前谁是主流体制尚不明朗。 从国内外发展情况来看,信息家电将是日后家电发展的一大方向,可以说是主方向1。但是,迄今过去多年了,信息家电依然难以投入实用,究其原因,除了纷繁的规范和标准让人无以适从外,在具体的实现技术路线上也存在不足,其主要表现在如下五个方面:(1)在网络构架方面,目前的规范和标准还只侧重于家庭内部的网络互联,缺乏对社会服务体系的研究、规划与建立;(2)在技术上采用胖客户机、瘦服务器方案,导致技术过于复杂、
4、成本过高,例如,按照目前的技术路线,即网络冰箱=电脑(PC)+冰箱,其代价相当高昂;(3)设备上网协调性差,部分信息产品自成体系,缺乏完整的系统支持及统一的技术规范,协调性、互连性、共存性很差,家用电脑、冰箱、微波炉、洗衣机等设备的上网缺乏交换设备(Switcher),需要很多外网接口或者出口,无法同时使用;(4)人机协调性差,对目前的信息家电来说,要么只解决了人员上网的问题,要么只解决设备上网的问题,人机无法同时上网;(5)功能比较简单,难以适应各种不同的需求。例如,目前的机顶盒只有一些简单的上网功能,难以满足人们对高品质数字生活的追求。 鉴于上述原因,本项目提出了一套以家居服务器为核心的新
5、型数字化家园体系结构DHNS(Digital Home Network System),用以建立相对合理、完善的家庭内部网络以及社会服务体系,以解决家庭人员和各种设备的本地和远程控制、监测、检测、协调上网,尤其是大幅度降低整体信息家电成本以及技术难度等问题,实现家居生活的数字化。 1 DHNS数字家园系统总体构架 DHNS数字家园系统总体构架如图1所示。 图1 DHHNS数数字家园园系统总总体构(1)采用基基于智能能代理技技术的胖胖服务器器、瘦客客户机设设计方案案,以大大幅度降降低信息息家电整整体成本本。 现有有白色(功能性性)信息息家电(如网络络冰箱、微微波炉、洗洗衣机等等)的设设计方案案基
6、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、复复杂的操操作系统统、网络络调制器器、硬盘盘等组件件,因此此技术复复杂、成成本不菲菲。采用用本方案案,可将将这些信信息家电电的大部部分功能能迁移至至家居服服务器,形成胖胖服务器器、瘦客客户机体体系。采采用移动动Ageent技技术,各各种信息息家电通通过家居居服务器器的集中中管理,对外统统一连网网、对内内协调工工作,所所有信息息(包括括程序代代码、数数据等)均存放放在服务务器中,浏览也也可在家家居服务务器上完完成。而而这部分分信息家家电只需
7、需用简单单、廉价价的单片片机进行行自身管管理以及及与家居居服务器器通讯即即可完成成上网任任务。因因此,可可完全卸卸除其复复杂、昂昂贵的高高档组件件,从而而达到大大幅度降降低成本本的目的的。 (22)采用用多功能能、模块块化设计计方案,以适应应不同用用户的需需求,解解决人员员、设备备的上网网以及机机顶盒功功能简单单等问题题。 多功功能设计计主要体体现在家家居服务务器的设设计上,它主要要由三大大类服务务模块组组成,即即娱乐服服务模块块、网关关服务器器模块、通通讯与监监控服务务模块等等。各个个模块由由不同的的软硬件件组件组组成,即即插即用用、灵活活配置,可满足足不同层层次消费费需求。 娱乐服服务模块
8、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、DDAB、MMP3、流流媒体以以及其它它文件。 网关服服务器模模块 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、防防火墙、数数据存储储、家用用电器的的智能主主体代理理、文件件
9、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、传传真;家家庭监控控:防盗盗、火灾灾、煤气气等灾害害的监测测和报警警,水、电电、气数数据的检检测,灯灯光、窗窗帘、电电饭锅、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)采采用简单单的人性性化操作作界面设设计方案案,以实实现“一一开就用用、一学学就会”的的目标,解决大大众使用用难题。 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
10、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)。 DDHNSS构架的的数字家家园网络络系统的的抽象特特征是:以基于于智能代代理技术术的胖(fatt)服务务器为核核心技术术平台,支持如如下服务务:(11)完善善的社会会服务体体系;(2)高高质量、多多功能语语音通讯讯;(33)Innterrnett冲浪;(4)音视频频娱乐;(5)传统数数据网络络;(66)网络络游戏;(7)安全监监控与报报警、各各种数据据的监测测与检测测等;(8)各各种家庭庭电气设设备的本本
11、地、远远程控制制以及自自动控制制。它与与普通PPC网络络最根本本的区别别就是:一开就就用、一一学就会会,而PPC难学学难用。 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 家家居服务务器的设设计与研研制 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、
12、AADSLL Moodemm、Caablee Moodemm、以太太网适配配器)、中中央处理理系统、内内网数字字总线接接口模块块(高、中中、低速速通讯总总线)、模模拟音视视频模块块、外部部设备模模块(包包括DVVD驱动动器、硬硬盘、内内存、RRS2332、RRGB接接口等)、遥控控模块(专用蓝蓝牙遥控控收发器器模块、蓝蓝牙掌上上遥控器器)等组组成。 (2) 硬件模模块基本本描述 图2 家居居服务器器硬件结结构中央处处理系统统:该单单元是服服务器的的关键模模块,它它以X886 CCPU为为核心,完成对对整个系系统的管管理、监监控、计计算与调调度等功功能。 广广域网接接口组件件:该模模块由电电话M
13、oodemm、ADDSL Moddem、CCablle MModeem、以以太网适适配器等等组成,其中电电话Moodemm是必备备模块,其余三三种适配配器是可可选安装装模块。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、IInteerneet、电电话网络络等社会会服务体体系,并并组成电电话监控控子系统统。 内网网数字总总线接口口组件:它由高高、中、低低速三个个总线接接口模块块组成。高高速模块块由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、SSD
14、TVV、DVVD、数数字音响响、可视视电话、数数字摄像像机等;中速模模块采用用蓝牙模模块和UUSB,蓝牙异异步通讯讯速率最最大可达达为7223kbbps,同步语语音速率率为644kbpps,UUSB最最大速率率为122Mbpps,可可驳接网网络冰箱箱、洗衣衣机、空空调、家家用机器器人、电电脑、IIP电话话及其外外设等设设备;低低速总线线系统模模块采用用无线FFSK编编码技术术,最大大数据传传输速率率为4.0966kbpps,可可驳接煤煤气、防防盗、火火灾等各各种传感感器以及及对灯光光、门窗窗等设备备的控制制,组成成家庭低低端设备备网络子子系统。 模模拟音视视频接口口组件:分别为为一路由由双声道
15、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、RRGB适适配器、RRS2332、II/O等等。 遥控控组件:由蓝牙牙掌上遥遥控器和和蓝牙收收发器组组成:蓝蓝牙掌上上遥控器器是在一一个具有有蓝牙无无线传输输功能的的可编程程掌上电电脑开发发的,操操作系统统为WiinCEE。它可可轻松完完成对各各种复杂杂功能的的家居系系统的控控制,其其程序可可由用户户自行编编制,也也可在厂厂商服务务网站里里下载定定制,具具有“一一开即用用、一学学就会”的的特点。 2.
16、22 系统统软件设设计 2.22.1 软件体体系结构构 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、管管理决策策层、中中间件/环境运运行层、信信息资源源层、操操作系统统层和驱驱动程序序层组成成。 图3 家居居服务器器软件结结构2.2.22 软件件结构基基本描述述 (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、音乐乐)的播播放与录录制、定定时录制制、IPP电话和和电话、可可视电话话、监控控监测、小小区热线线联系、移移动Aggentt、网页页浏览、设设备注册册、文件件管理等等各种应
17、应用。 (2) 中间件件/运行行环境层层 介于应应用与操操作系统统平台之之间,为为应用程程序提供供一个相相对统一一的开发发环境和和运行环环境,插插入Jaava解解释器、HHTMLL解释器器、防火火墙、MMySQQL数据据库系统统。 中间间件技术术是软件件的关键键环节之之一,本本系统开开发了JJinii技术中中间件。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、家家用电脑脑、白色色家电、各各种软件件服务等等应用的的控制检检测机制制,将这这些设备备连接到到控制决决策系统统,提供供各种服服务的发发现、注注册、租租借、查查找和控控制等事
18、事务。 (3) 逻辑资资源层 处处于这一一层的软软件均为为可选择择安装的的模块,可以根根据特定定的环境境选用,这一层层中主要要的模块块有中文文环境、界界面系统统、TCCP/IIP模块块。 (44) 操操作系统统层 基本本操作系系统层。目目前的嵌嵌入式操操作系统统有Liinuxx、PSSOS、OOSoppen、WWinCCE、QQAX等等,嵌入入式操作作系统应应当完成成普通OOS的大大部分功功能如进进程管理理、线程程管理、内内存管理理、文件件系统等等,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,
19、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、中中断的设设置,另另一方面面完成设设备的数数据处理理和存储储空间管管理。系系统提供供了大量量的设备备驱动,包括RRS2332、UUSB、IIEEEE13994、AADSLL、Caablee Moodemm、电话话Moddem、BBlueetoooth、以以太网、磁磁盘、光光驱、显显示器等等设备驱驱动,并并且具有有可扩展展性。 3 内内网通讯讯协议 3.11 低速速总线系系统通讯讯协议 3.11.1 接口规规范 低低速无线线通讯机机工作在在40.
20、68MMHz,采用二二进制调调频(FFM)、单单向单工工传输模模式以降降低收发发信机的的复杂性性,带宽宽为1MMHz。数数据以速速率4.0966kbpps传输输,使用用高斯二二进制FFSK模模式,二二进制11代表正正频偏,0代表表负频偏偏,最大大频偏220kHHz。空空中接口口规范建建立在天天线电平平0dbbm基础础上,理理想连接接范围为为0.11100m,所所发射的的电场强强度在距距设备33m处不不超过110000V/m(采采用平均均值检波波)。信信号发射射间隔:防盗热热线信号号每1.5miin随机机发射一一次,其其它热线线信号发发射间隔隔为每110miin随机机发射一一次,数数据信号号每2
21、44h随机机发射一一次,持持续时间间不大于于1s。 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 低端端设备数数据分组组标准格格式(1) 功能能识别码码 最低33位分别别表示:0000-注册册,0001-数数据发送送,0110-热热线信号号,0111-设设备撤除除,1000-报报警,其其余保留留。该信信息用11/3的的前向纠纠错码编编码形成成9
22、位编编码格式式。 (22) 头头 分组头头包含链链路控制制信息,由5个个字段组组成,如如图5所所示。 图5 头字字段分组组数据格格式设备地地址码:48位位,形成成全球唯唯一地址址码,通通过对地地址码的的识别,系统可可有效地地抵御来来自左邻邻右舍无无线同频频信号的的干扰;设备类类型码:4位,定义设设备种类类;优先先权码:4位,定义信信息的优优先权;数据类类型码:1位,0表示示开关量量,1表表示模拟拟量,对对于开关关量数据据,用0000表表示逻辑辑0,1111表表示逻辑辑1;HHEC:7位,头错误误校验。分分组头用用1/33的前向向纠错码码编码形形成1992位编编码格式式。头信信息中的的前4个个字
23、段在在系统初初始化时时产生。 (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 3.22.1 接口规规范 内内网高、中中速总线线接口规规范分别别遵循IIEEEE13994、CCSMAA/CDD、USSB、BBlueetoooth、IIPv44等标准准及接口口规范。高高、中速速通讯是是双向双双工通讯讯
24、模式。 3.22.2 信源编编码格式式 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。由由于这部部分通讯讯模块中中,数据据的传输输得到了了IEEEE13394、CCSMAA/CDD、USSB、BBlueetoooth等等标准的的质量保保障,因因此,分分组不加加额外保保护。 图6 高、中中速总线线系统分分组标准准格式(1)功能识识别码 长长度为一一个字节节(8位位),高高4位保保留,最最低4位位分别表表示:0000-注册;00001-数数据发送送;00010-热线信信号;00011
25、1-设备备撤除;01000-报报警,报报警内容容在有效效载荷中中指出;01001-网网上维修修请求,故障内内容在有有效载荷荷中指出出;网上上定购请请求,定定购内容容在有效效载荷中中指出;01110-设设备运行行状态,运行状状态在有有效载荷荷中指出出;01111-设备控控制状态态报告,设备控控制状态态在有效效载荷中中指出,有效载载荷中0000为为设备开开、0001为设设备停机机、0110为设设备休眠眠;其余余全部保保留。 (2)头头 头字段段包含设设备本身身信息,由优先先权码(4位)、设备备编码(28位位)、设设备型号号(8位位)、出出厂日期期(8位位)组成成。 (33)有效效载荷 该该字段由由
26、长度字字段(116位)、净荷荷(0655519位位)组成成。 44 问题题与不足足 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
27、,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。其其二,在在宏观上上,中间间件技术术、系统统标准与与协议只只是初步步雏形,尚未形形成全国国公认的的、统一一的规范范,这需需要进一一步的努努力及加加大全国国内范围围的协作作。其三三,社会会服务体体系尚待待社会各各界的认认同、支支持、建建立和完完善.