【期刊】基于IPv6的网络家电远程控制系统的设计与实现.pdf

邮局订阅号:8 2-9 4 63 6 0元/年技术创新控 制 系 统P L C技术应用2 0 0例您的论文得到两院院士关注基于I P v 6 的网络家电远程控制系统的设计与实现D e s i g na n dI mp l e me n t a t i o no f N e t wo r kH o u s e h o l dA p p l i a n c e sL o n g-d i s t a n c eC o n t r o l S y s-t e m B a s e do nI P v 6(1.郑州轻工业学院;2.河南省农信联社信息科技中心)张 杰1张 勇1黄道颖1李海燕2Z h a n g,J i e Z h a n g,Y o n g H u a n g,D a o y i n g L i,H a i y a n摘要:文章介绍了网络家电远程控制系统的现状,总结了该系统的局限性,在此基础上,提出了一种基于I P v 6的网络家电远程控制系统的具体实现方案和该方案中远程自动控制的实现方法,以及实时动态H T M L网页的生成方法。关键词:网络;I Pv 6;家电控制中图分类号:T P 3 9 3.0 9文献标识码:AA b s t r a c t:T h ep a p e ri n t r o d u c e db a s e do nt h eH o u s e h o l dA p p l i a n c e sl o n g-d i s t a n c ec o n t r o l s y s t e mm o d e l i m p l e m e n t a t i o np l a n,s u m m a-r i z e dt h i ss y s t e ml i m i t a t i o n,i nt h i sf o u n d a t i o n,s t u d i e dar e a l i z a t i o np l a nb a s e do nt h eI P v 6H o u s e h o l dA p p l i a n c e sl o n g-d i s t a n c ec o n-t r o l s y s t e ma n dt h ea u t o m a t i cc o n t r o l i m p l e m e n t a t i o nm e t h o da n dt h eb o r nm e t h o do f t h ed y n a m i ca n dr e a l t i m eH T M Lw e b.K e yw o r d s:N e t w o r k,I P v 6,H o u s e h o l dA p p l i a n c e s C o n t r o l文章编号:1 0 0 8-0 5 7 0(2 0 0 6)1 1-1-0 0 7 3-0 31引言随着整个社会向着数字化发展进程的速度不断加快,I n t e r n e t的规模、用户量、业务量呈指数级增长,现代家庭也将加入“信息化、自动化、网络化”的行列,“通过I n t e r n e t远程访问由家用电器组成的局域网”已成为未来家庭的一个重要标志。现在使用的I Pv 4,无论从计算机本身的发展,还是从I n t e r n e t的规模和网络传输速率、服务质量(Q o s)、传输安全性等方面来看,都已经很不适用了,其主要的问题是:一、3 2 b i t的I P地址很快就要耗尽,P D A、无线设备、3 G移动电话等新技术的应用,使I P地址短缺的矛盾更加激化,甚至汽车、冰箱都需要一个全球单播地址连到I n t e r n e t中去,专家估计“到2 0 1 0年I Pv 4的地址将全部用完”;二、网络的服务质量(Q o s)有待提高,以满足用户不断增长的需求。I P v 6是下一代I n t e r n e t协议,它保留了I P v 4许多赖以成功的特点,同时具备以下新特性:一、全新的报文结构,报文头包括固定头部和扩展头部,使路由器在处理协议头时效率更高。二、巨大的地址空间,1 2 8 b i t的I P地址能使世界上每一个人拥有5.7 1 0 2 8个I Pv 6地址”,并且地址配置更加简化。三、对Q o s更好的支持,I Pv 6的包头中有流标签字段,使路由器可以不打开传送的内层数据包就可以识别流,另外,I Pv 6还支持I P S e c,具有邻居发现协议等。在今后的几年中,I P v 4将逐步被I P v 6所取代。如果用I P v 6技术来构建家电网络和实现家电的远程控制,可以克服很多I P v 4的局限性。因为对I P v 6而言,可提供的安全水平取决于特定网络和用户的要求,而不会受到技术限制,可以提供多种层次的安全水平来满足不同用户的需要,另外I P v 6可以为网络中的每一台家电分配一个或几个全球惟一的I P地址,使得在访问家电网络时,可以建立端到端的通信,并可使用I P S e c协议进行安全的通信;I P v 6协议还具有非常强大的自动配置能力,使得在家庭网络中增添支持网络功能的家电设备时几乎不需要做任何配置,家电设备可以自动完成自身的I P地址等信息的配置,这使得用户可以很轻松地在其家庭网络中引入新的家电设备;最后,对家电系统的维护和升级等工作都可以由各生产厂家自行处理,即方便了用户的使用,也方便了厂家的在线维护和管理。因此,使用I P v 6的地址及数据传输技术实现家电网络的数据传输和远程控制是家电远程控制系统的未来发展方向。2网络家电远程控制系统的组成2.1网络家电远程控制系统的现状在I P v 4网络中,由于I P地址的匮乏,以及各类家电的控制和状态信息组织机制与网络中数据的组织机制有很大差异,必须在二者之间进行数据的转换,因此在家庭局域网中设置应用网关将具备网络功能的家电组织成一个局域网,应用网关是网络家电的控制中心,图1是网络家电控制系统的结构示意图。家电局域网通过应用网关接入广域网,应用网关将应用请求发送给计算机或相应的家电,获取数据,并将数据格式转换成计算机网络或家电所要求的格式,从而张杰:讲师 硕士河南省杰出青年科学基金(编号:0 1 1 2 0 0 1 5 0 0)河南省科技攻关项目(编号:5 2 4 2 2 0 0 3 8)郑州轻院校内基金7 3-技术创新中文核心期刊 微计算机信息(测控自动化)2 0 0 6年第2 2卷第1 1-1期3 6 0元/年 邮局订阅号:8 2-9 4 6 现场总线技术应用2 0 0例控 制 系 统实现通过We b浏览器远程控制家电运行和查看家电运行状态的功能。图1网络家电控制系统的结构示意图应用网关的硬件平台由嵌入式主机板、微处理器、无线通信模块、微型H U B及微型M o d e m组成。其中,无线通信模块通过异步串行通信实现与多个网络家电控制器的连接,微型H U B和微型M o d e m可以使用户通过不同的方式接入I n t e r n e t,如拨号、宽带网等。在应用网关中配置WWW服务器、S e n d m a i l服务器、防火墙等,WWW服务器中有访问各个家电的We b页,可以使用户通过We b浏览器远程访问应用网关,实现对家电的远程监控;用户可以通过S e n d m a i l服务器向指定的E-m a i l邮箱收发邮件,技术人员可以通过S e n d m a i l服务器了解家电的故障;防火墙用于过滤数据包,与系统中的多级认证体系相配合保证应用网关的安全性。在这种实现模式下,虽然可以方便的构建和管理家庭局域网,使家庭中的家电(包括计算机)通过一个I P地址接入I n t e r n e t,并能运用防火墙技术、多级安全验证机制等手段,保证家庭局域网的安全性。但由于各类家电的控制信息和状态信息、要求的数据格式、控制机制和组织结构等都不相同,这种集中控制模式具有很大的局限性。首先如果要增加家电,必须增加相关通信协议,即对控制系统的维护需要有一定的专业知识,不方便技术维护和用户的使用;其次,由于应用网关在体积和系统结构等方面都要求尽可能的小,受存储容量和响应速度的限制,不可能有大量色彩丰富、形象逼真的We b页面;另外,在家电网络控制无线通讯中没有统一的标准。2.2基于I P v 6的网络家电远程控制系统的整体设计I P v 6的地址空间允许每一个网络家电具有一个I P地址,即每个网络家电设备都可以认为是网络中的一个节点,通过无线网卡与家庭局域网相连,并接入广域网。图2是基于I P v 6的网络家电远程控制系统的结构示意图,网络家电通过无线网络接入点组成家电局域网,并接入I n t e r n e t,而“家电信息管理中心”代替了原有的“家电网络控制中心”,与网络家电具有同等的地位,其功能是对家电局域网的用户和网络家电的地址进行管理,同时对家电的电源开启进行管理,也可以将它看成是一个具有网管功能的网络家电。由于嵌入式系统的功能不断增强,嵌入式系统的处理能力和存储容量也有了很大的提高,结合I P v 6协议和网络家电的特点,并考虑到家庭网络用户使用网络家电的方便性和实用性,在网络家电的嵌入式控制系统中,配置WWW服务器、S e n d m a i l服务器、防火墙等网络服务,WWW服务器中包含有家电自身管理和控制的We b页,使用户可以通过We b浏览器实现对家电的远程监控,并能随时与厂家互动;用户可以通过S e n d m a i l服务器向指定的E-m a i l邮箱收发邮件,技术人员可以通过S e n d m a i l服务器了解家电的故障,并可以通过We b浏览器对故障点进行在线测试和维护;防火墙用于保证家电自身的安全性。图2基于I P v 6的网络家电远程控制系统的结构示意图2.3基于I P v 6的网络家电远程控制系统的访问流程用户通过We b浏览器远程访问自己家庭的家电信息管理中心,经过管理中心的用户验证后,调用家庭的网络家电列表,以We b页的形式送给客户端,客户在家电列表中选择要控制的家电后,管理中心调用电源管理模块,开启被选中家电的电源,启动家电,家电启动完毕后,管理中心根据地址列表,将客户端的We b浏览器链接到家电嵌入式控制系统中的We b-S e r v e r,管理中心的任务结束,客户端直接访问家电的We b S e r v e r中的管理、控制、状态等页面,实现对网络家电的远程监控。由于是使用继电器组实现的电源管理,所以访问结束时,家电内部电源断开,使管理中心控制的继电器组的相应组合断开,实现家电外接电源的断开。3网络家电远程控制系统的实现3.1家电信息管理中心的实现与实时动态H T M L网页的生成家电信息管理中心主要包括家庭局域网用户管理、网络家电管理、电源管理三个模块,家庭局域网用户管理模块实现用户的增加、删除和访问权限的分配,在访问权限中有拒绝访问、查看家电状态、控制家电运行、完全访问等多个级别。网络家电管理模块实现家电设备的添加和删除、I P地址的分配管理及生产厂家的信息等。电源管理模块实现将被选中的家电编码后发送给外部译码器,控制继电器组的通断,接通7 4-邮局订阅号:8 2-9 4 63 6 0元/年技术创新控 制 系 统P L C技术应用2 0 0例您的论文得到两院院士关注家电的电源,并在家电启动后反馈信息。当用户通过We b浏览器对网络家电进行状态查询或更新设置时,嵌入式We bS e v e r需要根据实时采集的数据生成家电状态的实时动态的H T M L网页,具体实现步骤如下:一、规划网页,制作静态部分;即根据显示要求将H T M L网页的内容组织规划好,将其分为静态和动态两部分,完成静态部分的制作,形成目标文档。二、加动态标记;在文档中需要实时显示的位置加入动态标记,并统计标记个数。三、采集实时信息;用C G I程序收集实时动态数据,并转换为网页所需动态信息。四、发送网页;用C G I程序逐字节读出H T M L目标文档的内容,并输出至标准输出,当遇到动态标记时,将对应的动态信息输出。重复此过程直到文件结束符。3.2并发通信的解决方案无论是在家电信息控制中心,还是在网络家电的控制中,都涉及到并发通信问题,即当一个进程正在与通信进程进行通信时,其它进程也要求与通信进程通信,则通信进程成为临界资源,引发并发通信操作。通常对临界资源并发操作可使用P、V操作解决。但P操作的循环慢且性能较低,而在网关中各进程的P I D唯一,所以可在系统中采用P I D与P、V操作方法结合来确定通信进程的使用,下面以进程A发数据给进程B为例说明其具体实现方案。如图3所示,通信进程C具有s e n d和r e c e i v e两个区,s e n d区接收进程A发送的数据,r e c e i v e区将数据传送到进程B。当进程A请求与通信进程通信时,首先查看s e n d区的锁状态是否为0 0,若是,则加锁,即将进程A的P I D写入s e n d区的锁字节,再触发通信进程将通信内容和进程B的P I D一起接收到共享存储区;若不是,则说明已有其它进程正在与通信进程C的s e n d区通信,进程A进入等待队列。当通信进程处理完s e n d区后,查看r e c e i v e区的测试字节是否为0 0,若是则将接收到的P I D(B)写入测试字节,即加锁,通信进程将对应的通信内容传送到r e c e i v e区,将s e n d区的锁状态清为0 0,再触发具有测试字节中的P I D的进程(进程B)接收通信内容,最后将测试字节清为0 0;若不是,则说明有其它进程还没有将数据从r e-c e i v e区中完全取出,等待测试字节清为0 0后,再向r e c e i v e区写入。当多个进程等待接收通信内容是,只需等到r e c e i v e区的测试字节中与自身的P I D相匹配的通信进程的到来即可。4结论本系统的创新点是:一、在网络家电的访问控制中完全采用网络通信,不再使用串行口和其它无线收发模块;二、实现了家电电源的远程控制管理;三、在网络家电的远程监控和在线维护中直接使用端到端的访问;四、克服了原有家电网络控制的局限性,增强了家电网络访问的安全性。通过本系统对网络家电系统的维护和升级等工作都可以由各生产厂家自行完成,即方便了用户的使用,也方便了厂家的管理。参考文献:1 T.N a r t e n,E.N o r d M a r k,W.S i m p s o n,N e i g h b o r D i s c o v e r y f o r I PV e r s i o n6(I P v 6),R F C2 4 6 1,D e c e m b e r 1 9 9 8.2 O S G I.O p e nS e r v i c e s G a t e w a yI n i t i a t i v eS p e c i f i c a t i o nO v e r v i e w.2 0 0 0 3 G i l l i g nR,N o r d m a r kE;R F C 1 9 9 3:T r a n s i t i o nM e c h a n i s m s f o r I p v 6H o s t s a n dR o u t e r s;1 9 9 6-0 4 4 D e e r i n gS,H i n d e nR;R F C 2 4 6 0:I n t e r n e tP r o t o c o l,V e r s i o n6S p e c i f i c a t i o n.1 9 9 5-1 2 5 怀石工作室L I N U X上的 C编程 M .北京:中国电力出版社,2 0 0 0.3 1 9 3 8 6 6 蔡奇玉,连振汉等C G I 编程指南 M .北京:机械工业出版社,1 9 9 7.2 2 4 2 3 8 7 宋健,王玉瑛,孙为.I P v 6 网络应用 I P S e c 策略的网络性能分析与研究 J .微计算机信息,2 0 0 4,1:1 0 1-1 0 3作者简介:张杰(1 9 7 2-),讲师,硕士。研究方向网络体系结构;张勇(1 9 6 7-),讲师,研究方向数据传输与智能控制(4 5 0 0 0 2郑州市郑州轻工业学院计算机与通信工程学院)张 杰 张 勇 黄道颖(4 5 0 0 0 2郑州市河南省农信联社信息科技中心)李海燕(C o mp u t e rS c i e n c eD e p a r t me n t,Z h e n g Z h o uU n i v e r s i t yo fL i g h t I n d u s t r y,Z h e n g Z h o u4 5 0 0 0 2)Z h a n g,J i eZ h a n g,Y o n gH u a n g,D a o y i n g(S c i e n c ea n dT e c h n o l o g yC e n t e ro fH e n a nC r e d i tS o c i e t y,Z h e n g Z h o u4 5 0 0 0 2)L i,H a i y a n通讯地址:(4 5 0 0 0 2郑州市郑州轻工业学院计算机与通信工程学院)张杰(收稿日期:2 0 0 6.2.7)(修稿日期:2 0 0 6.3.6)7 5-