数字家园系统的技术研究与设计37449.docx

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1、数字家园系统的研究与设计分析了国内内外主要信信息家电产产品以及家家庭组网解解决方案、模模型的缺点点与不足,有针对性性地提出了了一套低成成本的数字字家园系统统(DHNNS)解决决方案,描描述了本系系统的总体体构架、社社会服务体体系和QooS需求,设计了系系统的核心心技术平台台家居居服务器,并对其原原理、构架架、软硬件件模块组成成以及通讯讯协议作了了比较详尽尽的阐述。本本系统可灵灵活地进行行高、中、低低各种不同同的配置,最高配置置可覆盖整整个家庭和和社会服务务体系,最最低可配置置成一个单单台的DVVD播放机机,具有较较大的市场场前景。指指出了本系系统存在的的问题和进进一步的研研究目标。数字家园是是

2、一个庞大大的系统工工程,涉及及到计算机机、通讯、控控制、消费费电子、住住宅建设、金金融业等及及人类社会会生活的方方方面面。为为了实现各各种家用电电气设备以以及对社会会生活的互互通互联,一个统一一、放开、透透明、可靠靠的标准、协协议、网络络构架和低低成本的实实现是推动动数字家园园系统发展展的关键。 自信信息家电技技术问世以以来,其组组网的标准准和协议按按主导企业业技术背景景差异划分分,基本上上有两大类类,一是以以计算机通通信企业为为主导的,二是以家家用电器企企业为主导导的。 第一类类的代表是是开放业务务网关OSSG(Oppen SServiice GGatewway),其基本目目标是以PPC为基

3、础础,建立包包括其它非非PC(后后PC)类类黑色家电电、白色家家电在内的的通信,甚甚至于水、电电、气表等等的全家庭庭网络体制制,基本思思想是以业业务为主线线建立体系系。第二类类很多,由由主要的数数字视音频频产品制造造商和部分分通信计算算机制造商商组成,基基本目标是是建立非PPC的家庭庭多媒体网网络体系。工工作的主线线是设备间间的互联性性。其比较较著名的有有Havii、Jinni、HoomePNNA、HoomePnnP、HoomeRFF、HommeAPII等。各个个标准的侧侧重点不同同,目前谁谁是主流体体制尚不明明朗。 从国内内外发展情情况来看,信息家电电将是日后后家电发展展的一大方方向,可以以

4、说是主方方向1。但是,迄今过去去多年了,信息家电电依然难以以投入实用用,究其原原因,除了了纷繁的规规范和标准准让人无以以适从外,在具体的的实现技术术路线上也也存在不足足,其主要要表现在如如下五个方方面:(11)在网络络构架方面面,目前的的规范和标标准还只侧侧重于家庭庭内部的网网络互联,缺乏对社社会服务体体系的研究究、规划与与建立;(2)在技技术上采用用胖客户机机、瘦服务务器方案,导致技术术过于复杂杂、成本过过高,例如如,按照目目前的技术术路线,即即网络冰箱箱=电脑(PC)+冰箱,其其代价相当当高昂;(3)设备备上网协调调性差,部部分信息产产品自成体体系,缺乏乏完整的系系统支持及及统一的技技术规

5、范,协调性、互互连性、共共存性很差差,家用电电脑、冰箱箱、微波炉炉、洗衣机机等设备的的上网缺乏乏交换设备备(Swiitcheer),需需要很多外外网接口或或者出口,无法同时时使用;(4)人机机协调性差差,对目前前的信息家家电来说,要么只解解决了人员员上网的问问题,要么么只解决设设备上网的的问题,人人机无法同同时上网;(5)功功能比较简简单,难以以适应各种种不同的需需求。例如如,目前的的机顶盒只只有一些简简单的上网网功能,难难以满足人人们对高品品质数字生生活的追求求。 鉴于上述述原因,本本项目提出出了一套以以家居服务务器为核心心的新型数数字化家园园体系结构构DHNSS(Diggitall Hom

6、me Neetworrk Syystemm),用以以建立相对对合理、完完善的家庭庭内部网络络以及社会会服务体系系,以解决决家庭人员员和各种设设备的本地地和远程控控制、监测测、检测、协协调上网,尤其是大大幅度降低低整体信息息家电成本本以及技术术难度等问问题,实现现家居生活活的数字化化。 1 DHNSS数字家园园系统总体体构架 DDHNS数数字家园系系统总体构构架如图11所示。 图1 DHHNS数字字家园系统统总体构(1)采用基于于智能代理理技术的胖胖服务器、瘦瘦客户机设设计方案,以大幅度度降低信息息家电整体体成本。 现有有白色(功功能性)信信息家电(如网络冰冰箱、微波波炉、洗衣衣机等)的的设计方

7、案案基本上是是:电脑(PC)+家电,即即在白色家家电中嵌入入一台PCC,它们都都拥有各自自独立的高高档CPUU(如X886、PoowerPPC)、显显示器、复复杂的操作作系统、网网络调制器器、硬盘等等组件,因因此技术复复杂、成本本不菲。采采用本方案案,可将这这些信息家家电的大部部分功能迁迁移至家居居服务器,形成胖服服务器、瘦瘦客户机体体系。采用用移动Aggent技技术,各种种信息家电电通过家居居服务器的的集中管理理,对外统统一连网、对对内协调工工作,所有有信息(包包括程序代代码、数据据等)均存存放在服务务器中,浏浏览也可在在家居服务务器上完成成。而这部部分信息家家电只需用用简单、廉廉价的单片片

8、机进行自自身管理以以及与家居居服务器通通讯即可完完成上网任任务。因此此,可完全全卸除其复复杂、昂贵贵的高档组组件,从而而达到大幅幅度降低成成本的目的的。 (2)采采用多功能能、模块化化设计方案案,以适应应不同用户户的需求,解决人员员、设备的的上网以及及机顶盒功功能简单等等问题。 多功功能设计主主要体现在在家居服务务器的设计计上,它主主要由三大大类服务模模块组成,即娱乐服服务模块、网网关服务器器模块、通通讯与监控控服务模块块等。各个个模块由不不同的软硬硬件组件组组成,即插插即用、灵灵活配置,可满足不不同层次消消费需求。 娱乐服务务模块 该模块块由在线服服务模块和和独立服务务模块组成成。在线服服务

9、模块可可实现网络络电影、电电视、广播播等音视频频流媒体的的实时播放放和录制以以及定时录录制;独立立服务模块块指在缺乏乏社会服务务体系服务务(即无外外网联通)的状态下下可独立播播放DVDD、VCDD碟片、播播放下载的的DVD、VVCD、DDVB、DDAB、MMP3、流流媒体以及及其它文件件。 网关服务务器模块 该模模块是数字字家园的基基本服务模模块,对内内可驳接家家庭网络,对外作为为网关使用用,连接社社会服务体体系,支持持如下服务务:网络连连接、防火火墙、数据据存储、家家用电器的的智能主体体代理、文文件管理、IInterrnet等等,解决设设备及人员员上网问题题。 通讯与监监控服务模模块 该模块

10、主主要支持以以下服务:电话监控控、来电显显示、录音音、IP电电话、传真真;家庭监监控:防盗盗、火灾、煤煤气等灾害害的监测和和报警,水水、电、气气数据的检检测,灯光光、窗帘、电电饭锅、门门窗等家庭庭低端设备备的本地和和远程控制制等。 (3)采用简单单的人性化化操作界面面设计方案案,以实现现“一开就就用、一学学就会”的的目标,解解决大众使使用难题。 用可可编程蓝牙牙掌上电脑脑为技术平平台取代服服务器键盘盘,将其界界面定制成成简单、易易学、易用用的形式,它通过与与服务器的的无线通讯讯,即可实实现遥控服服务器的目目的,界面面可由用户户独立定制制,也可从从远程服务务中心下载载定制的PPDA遥控控新菜单。

11、 (44)建立完完善的社会会服务体系系(如图11所示)。 DHHNS构架架的数字家家园网络系系统的抽象象特征是:以基于智智能代理技技术的胖(fat)服务器为为核心技术术平台,支支持如下服服务:(11)完善的的社会服务务体系;(2)高质质量、多功功能语音通通讯;(33)Intterneet冲浪;(4)音音视频娱乐乐;(5)传统数据据网络;(6)网络络游戏;(7)安全全监控与报报警、各种种数据的监监测与检测测等;(88)各种家家庭电气设设备的本地地、远程控控制以及自自动控制。它它与普通PPC网络最最根本的区区别就是:一开就用用、一学就就会,而PPC难学难难用。 支持上上述业务或或者部分业业务的家庭

12、庭网络系统统均可定义义为DHNNS构架信信息家居系系统。 22 家居服服务器的设设计与研制制 家居居服务器作作为数字家家园系统的的核心技术术平台,对对于该构架架的实现起起着至关重重要的作用用。家居服服务器主要要由软件和和硬件部分分组成。 2.1 硬件研制制 (11) 硬件件模块组成成 家家居服务器器硬件总体体结构如图图2所示,主要由55大功能模模块共122个子模块块组成,即即广域网接接口模块(电话Moodem、AADSL Modeem、Caable Modeem、以太太网适配器器)、中央央处理系统统、内网数数字总线接接口模块(高、中、低低速通讯总总线)、模模拟音视频频模块、外外部设备模模块(包

13、括括DVD驱驱动器、硬硬盘、内存存、RS2232、RRGB接口口等)、遥遥控模块(专用蓝牙牙遥控收发发器模块、蓝蓝牙掌上遥遥控器)等等组成。 (22) 硬件件模块基本本描述 图2 家居居服务器硬硬件结构中央处处理系统:该单元是是服务器的的关键模块块,它以XX86 CCPU为核核心,完成成对整个系系统的管理理、监控、计计算与调度度等功能。 广域域网接口组组件:该模模块由电话话Modeem、ADDSL MModemm、Cabble MModemm、以太网网适配器等等组成,其其中电话MModemm是必备模模块,其余余三种适配配器是可选选安装模块块。系统通通过广域网网组件可实实现对家庭庭外部网络络的驳

14、接,连接社区区、Intterneet、电话话网络等社社会服务体体系,并组组成电话监监控子系统统。 内网数字字总线接口口组件:它它由高、中中、低速三三个总线接接口模块组组成。高速速模块由IIEEE11394模模块和以太太网适配器器组成,IIEEE11394最最大传输速速率可达4400Mbbps,传传输距离为为4.5mm,可驳接接未来的HHDTV、SSDTV、DDVD、数数字音响、可可视电话、数数字摄像机机等;中速速模块采用用蓝牙模块块和USBB,蓝牙异异步通讯速速率最大可可达为7223kbpps,同步步语音速率率为64kkbps,USB最最大速率为为12Mbbps,可可驳接网络络冰箱、洗洗衣机、

15、空空调、家用用机器人、电电脑、IPP电话及其其外设等设设备;低速速总线系统统模块采用用无线FSSK编码技技术,最大大数据传输输速率为44.0966kbpss,可驳接接煤气、防防盗、火灾灾等各种传传感器以及及对灯光、门门窗等设备备的控制,组成家庭庭低端设备备网络子系系统。 模拟音音视频接口口组件:分分别为一路路由双声道道和5.11声道解码码器、AVV视频接口口组件、SS-Viddeo视频频接口组件件等组成,可驳接现现有主要的的音视频终终端。 外部设设备模块组组件:主要要有硬盘、内内存、DVVD驱动器器、RGBB适配器、RRS2322、I/OO等。 遥控组组件:由蓝蓝牙掌上遥遥控器和蓝蓝牙收发器器

16、组成:蓝蓝牙掌上遥遥控器是在在一个具有有蓝牙无线线传输功能能的可编程程掌上电脑脑开发的,操作系统统为WinnCE。它它可轻松完完成对各种种复杂功能能的家居系系统的控制制,其程序序可由用户户自行编制制,也可在在厂商服务务网站里下下载定制,具有“一一开即用、一一学就会”的的特点。 2.2 系统软件件设计 2.2.1 软件件体系结构构 系统统软件结构构及其组件件如图3所所示,共由由五层组成成,即应用用层、管理理决策层、中中间件/环环境运行层层、信息资资源层、操操作系统层层和驱动程程序层组成成。 图3 家居居服务器软软件结构2.2.22 软件结结构基本描描述 (11) 应用用层 应用层以以Javaa的

17、应用开开发平台为为主,它包包括DVDD、VCDD、流媒体体(实时网网络广播、电电视、电影影、音乐)的播放与与录制、定定时录制、IIP电话和和电话、可可视电话、监监控监测、小小区热线联联系、移动动Agennt、网页页浏览、设设备注册、文文件管理等等各种应用用。 (2) 中间件/运行环境境层 介于应用用与操作系系统平台之之间,为应应用程序提提供一个相相对统一的的开发环境境和运行环环境,插入入Javaa解释器、HHTML解解释器、防防火墙、MMySQLL数据库系系统。 中间件件技术是软软件的关键键环节之一一,本系统统开发了JJini技技术中间件件。实施各各种设备网网络互连和和管理,集集成了音视视频设

18、备、MModemm、网关防防火墙、报报警监控检检测、家用用电脑、白白色家电、各各种软件服服务等应用用的控制检检测机制,将这些设设备连接到到控制决策策系统,提提供各种服服务的发现现、注册、租租借、查找找和控制等等事务。 (33) 逻辑辑资源层 处于于这一层的的软件均为为可选择安安装的模块块,可以根根据特定的的环境选用用,这一层层中主要的的模块有中中文环境、界界面系统、TTCP/IIP模块。 (44) 操作作系统层 基本本操作系统统层。目前前的嵌入式式操作系统统有Linnux、PPSOS、OOSopeen、WiinCE、QQAX等,嵌入式操操作系统应应当完成普普通OS的的大部分功功能如进程程管理、

19、线线程管理、内内存管理、文文件系统等等,本系统统选用了LLinuxx操作系统统。 (5) 通讯APPI层 通讯AAPI层是是对家居服服务器平台台根据不同同系统的设设备驱动规规则,为应应用程序提提供透明的的、规范的的控制机制制所采用的的软件接口口,其实现现方式由操操作系统的的核心完成成,一方面面完成相应应设备控制制寄存器、中中断的设置置,另一方方面完成设设备的数据据处理和存存储空间管管理。系统统提供了大大量的设备备驱动,包包括RS2232、UUSB、IIEEE11394、AADSL、CCablee Moddem、电电话Moddem、BBluettoothh、以太网网、磁盘、光光驱、显示示器等设备

20、备驱动,并并且具有可可扩展性。 3 内网网通讯协议议 3.1 低速总线线系统通讯讯协议 3.1.1 接口口规范 低速速无线通讯讯机工作在在40.668MHzz,采用二二进制调频频(FM)、单向单单工传输模模式以降低低收发信机机的复杂性性,带宽为为1MHzz。数据以以速率4.096kkbps传传输,使用用高斯二进进制FSKK模式,二二进制1代代表正频偏偏,0代表表负频偏,最大频偏偏20kHHz。空中中接口规范范建立在天天线电平00dbm基基础上,理理想连接范范围为0.1100m,所发发射的电场场强度在距距设备3mm处不超过过10000V/mm(采用平平均值检波波)。信号号发射间隔隔:防盗热热线信

21、号每每1.5mmin随机机发射一次次,其它热热线信号发发射间隔为为每10mmin随机机发射一次次,数据信信号每244h随机发发射一次,持续时间间不大于11s。 33.1.22 分组数数据格式 在低低端总线系系统中的分分组和消息息全部遵循循Litttle EEndiaan格式,其规则为为:b0代代表最低标标识位(LLSB),LSB是是第一个发发送位,MMSB是最最后发送位位。数据在在网络中以以分组形式式传输,其其标准格式式如图4所所示。 图4 低端端设备数据据分组标准准格式(1) 功能识识别码 最低33位分别表表示:0000-注册册,0011-数据发发送,0110-热线线信号,0011-设设备撤

22、除,100-报警,其其余保留。该该信息用11/3的前前向纠错码码编码形成成9位编码码格式。 (22) 头 分组组头包含链链路控制信信息,由55个字段组组成,如图图5所示。 图5 头字字段分组数数据格式设备地地址码:448位,形形成全球唯唯一地址码码,通过对对地址码的的识别,系系统可有效效地抵御来来自左邻右右舍无线同同频信号的的干扰;设设备类型码码:4位,定义设备备种类;优优先权码:4位,定定义信息的的优先权;数据类型型码:1位位,0表示示开关量,1表示模模拟量,对对于开关量量数据,用用000表表示逻辑00,1111表示逻辑辑1;HEEC:7位位,头错误误校验。分分组头用11/3的前前向纠错码码

23、编码形成成192位位编码格式式。头信息息中的前44个字段在在系统初始始化时产生生。 (3) 有效载荷荷 有有效载荷长长度为0240位位,当功能能识别码为为:00、110、111时,无有有效载荷;当功能识识别码为001时,有有效载荷由由2个字段段组成,即即头和净荷荷。头:长长度8位;净荷:长长度0224位。有有效载荷用用1/3的的前向纠错错码编码形形成最大996位的编编码格式。 3.2 高中速总总线系统通通讯协议 3.2.1 接口口规范 内网网高、中速速总线接口口规范分别别遵循IEEEE13394、CCSMA/CD、UUSB、BBluettoothh、IPvv4等标准准及接口规规范。高、中中速通

24、讯是是双向双工工通讯模式式。 3.2.2 信源编码码格式 在高高、中速总总线系统里里的分组和和消息全部部遵循Liittlee Enddian格格式。数据据在系统中中以分组形形式传输,其标准格格式如图66所示。由由于这部分分通讯模块块中,数据据的传输得得到了IEEEE13394、CCSMA/CD、UUSB、BBluettoothh等标准的的质量保障障,因此,分组不加加额外保护护。 图6 高、中中速总线系系统分组标标准格式(1)功能识别别码 长度为一一个字节(8位),高4位保保留,最低低4位分别别表示:0000-注注册;00001-数数据发送;00100-热线信信号;00011-设设备撤除;010

25、00-报警,报警内容容在有效载载荷中指出出;01001-网上上维修请求求,故障内内容在有效效载荷中指指出;网上上定购请求求,定购内内容在有效效载荷中指指出;01110-设设备运行状状态,运行行状态在有有效载荷中中指出;00111-设备控制制状态报告告,设备控控制状态在在有效载荷荷中指出,有效载荷荷中0000为设备开开、0011为设备停停机、0110为设备备休眠;其其余全部保保留。 (2)头 头字段包包含设备本本身信息,由优先权权码(4位位)、设备备编码(228位)、设设备型号(8位)、出出厂日期(8位)组组成。 (3)有效载荷荷 该该字段由长长度字段(16位)、净荷(0655519位位)组成。

26、 4 问题题与不足 本系系统作为第第一代基本本产品和巨巨大的社会会系统工程程,依然存存在着为数数不少的不不足和亟待待改进的问问题,主要要体现在如如下几方面面:其一,在微观上上,Linnux尽管管是实时操操作系统,但它本身身却是基于于优先权的的分时操作作系统,内内核本身不不涉及到线线程,而是是以进程为为处理调度度单位,其其同步、互互斥、通讯讯机制还比比较粗糙,难以满足足该系统满满负荷实时时任务的执执行;Liinux的的Ext22文件系统统主要是为为小文件处处理而设计计的,在处处理小文件件时有很高高的效率,但是当处处理如视频频文件这样样的巨型文文件时,效效率相当低低;另外,可支持LLinuxx的语言和和控件远远远不如Wiindowws丰富;随着IPPv6技术术的发展,使用IPPv6地址址作为嵌入入式设备全全球惟一地地址的技术术也亟待开开发;系统统软件结构构尚有不足足,如中间间件(Jiini)中中的服务发发现协议与与蓝牙中的的服务发现现协议有功功能上的重重叠。这些些都需要进进一步完善善。其二,在宏观上上,中间件件技术、系系统标准与与协议只是是初步雏形形,尚未形形成全国公公认的、统统一的规范范,这需要要进一步的的努力及加加大全国内内范围的协协作。其三三,社会服服务体系尚尚待社会各各界的认同同、支持、建建立和完善善.