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【中心議題】

• 提出了一種基于智能網(wǎng)絡(luò)的家庭自動(dòng)化管理與控制系統(tǒng)
• 給出了具體設(shè)計(jì)方案

【解決方案】

• 采用CAN(controller area network)總線方式
• 利用HTTP服務(wù)器和CGI(common gate intergace)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在內(nèi)部家庭網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的雙向流動(dòng)

1引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的生活時(shí)代已經(jīng)到來,其表現(xiàn)形式就是家庭智能化、物業(yè)管理現(xiàn)代化和社區(qū)服務(wù)信息化等。家庭智能化就是通過綜合采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、通信和控制等技術(shù)建立一個(gè)由家庭安全防護(hù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和家庭自動(dòng)化組成的家庭綜合服務(wù)與管理集成系統(tǒng)。家庭智能化是現(xiàn)代IT技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)向傳統(tǒng)家電產(chǎn)業(yè)滲透發(fā)展的必然結(jié)果。

國際上對(duì)家庭智能化的研究始于20世紀(jì)80年代,目前,美國、日本和歐洲等國家和地區(qū)都已對(duì)家庭智能化系統(tǒng)制定了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),并按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行智能化住宅建設(shè),應(yīng)用于智能化住宅小區(qū)的基礎(chǔ)產(chǎn)品在發(fā)達(dá)國家已成系列。我國的家庭智能化研究起步較晚,尚未形成統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn),但已將建設(shè)智能化小康示范小區(qū)列入國家重點(diǎn)的發(fā)展方向,家庭智能化的日益普及已是一種必然趨勢(shì)。目前國內(nèi)的家庭智能化系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)連接方面基本上用總線方式聯(lián)網(wǎng)、電話聯(lián)網(wǎng)或者通過以太網(wǎng)方式來實(shí)現(xiàn),產(chǎn)品雖然很多,但更多的是系統(tǒng)相互獨(dú)立、集成度比較低、各個(gè)系統(tǒng)相互聯(lián)系不大、家庭內(nèi)部沒有統(tǒng)一的平臺(tái),例如早期的智能中控器往往只具備安防、三表采集、簡單文字信息發(fā)布和簡單的家電控制功能。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。按照設(shè)備及連接時(shí)所使用的介質(zhì)和底層協(xié)議類型的不同,可以將本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)劃分為AV子網(wǎng)、測(cè)量子網(wǎng)、控制子網(wǎng)、文件服務(wù)子網(wǎng)和無線子網(wǎng)等。AV子網(wǎng)主要設(shè)備有多媒體計(jì)算機(jī)、機(jī)頂盒、HDTV和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等,主要實(shí)現(xiàn)音視頻多媒體信息的家庭娛樂功能。測(cè)量子網(wǎng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)流量、壓力、溫度等物理量設(shè)備的數(shù)據(jù)測(cè)量、記錄及遠(yuǎn)傳功能。控制子網(wǎng)通過控制服務(wù)器完成電壓、電流、功率和開關(guān)量等物理量設(shè)備的控制功能。文件服務(wù)子網(wǎng)通過打印機(jī)和掃描儀等共享設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)文件的操作和服務(wù)。無線子網(wǎng)與無線設(shè)備連接,實(shí)現(xiàn)無線控制信號(hào)傳輸和處理功能。

系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)控制部分包括家庭內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),家庭內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)主要用于對(duì)各種智能家電進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整,采用CAN(controller area network)總線方式,因此需要開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)總線的驅(qū)動(dòng)程序。遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)利用HTTP服務(wù)器和CGI(common gate intergace)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在內(nèi)部家庭網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的雙向流動(dòng),可以使用遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件,在離家很遠(yuǎn)的地方通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程操作和控制家用電器。家庭網(wǎng)關(guān)將智能家電連接到互聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)內(nèi)外部網(wǎng)絡(luò)間的連接、轉(zhuǎn)換與安全保密功能,水、電、煤氣表可以進(jìn)行自動(dòng)抄表和自動(dòng)結(jié)算。網(wǎng)關(guān)通信接口支持寬帶下行通信和一定的上行通信能力,上層協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議族,媒體信息也可以直接承載于底層接口之上。底層接口包括以太網(wǎng)接口、有線電視接口、電話接口和ADSL接口等。

3系統(tǒng)通信模型與控制模型

3.1系統(tǒng)通信模型分析

本系統(tǒng)中的家庭網(wǎng)關(guān)可以抽象為站點(diǎn),家庭內(nèi)部的被控對(duì)象可以抽象為節(jié)點(diǎn),站點(diǎn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)之間通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信,站點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議進(jìn)行通信。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)對(duì)節(jié)點(diǎn)的透明訪問,應(yīng)該有一套新的協(xié)議體系,負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件與會(huì)話層及下層協(xié)議的交互,稱之為遠(yuǎn)程監(jiān)控協(xié)議,屬于應(yīng)用層協(xié)議,系統(tǒng)的通信模型如圖2所示。

通信模型中的對(duì)象管理器完成站點(diǎn)/節(jié)點(diǎn)對(duì)象的注冊(cè)、刪除、定位與修改,對(duì)網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)站點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一管理,實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)上各種信息資源的定位,提供對(duì)虛擬數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)訪問接口,并為系統(tǒng)提供名字服務(wù)。過程接口是用戶過程與應(yīng)用層的接口,無論用戶的過程是本地的還是遠(yuǎn)程的,對(duì)于用戶來說都是相同的。對(duì)調(diào)用的區(qū)分由過程接口完成,它首先訪問虛擬數(shù)據(jù)庫判斷調(diào)用的類型,再將該過程調(diào)用送到不同的過程調(diào)用模塊處理。本地過程調(diào)用模塊處理模塊內(nèi)連接,它直接將本地調(diào)用轉(zhuǎn)由本地執(zhí)行并返回,只有那些模塊間連接才由遠(yuǎn)程調(diào)用模塊負(fù)責(zé),遠(yuǎn)程調(diào)用模塊負(fù)責(zé)將消息封裝并與監(jiān)控層通信。數(shù)據(jù)封裝及其接口模塊負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)與智能家用電器連接的建立、會(huì)話的控制、指令與信息的數(shù)據(jù)傳輸成幀、信息傳輸與遠(yuǎn)程控制的協(xié)議邏輯等。

3.2系統(tǒng)控制模型分析

本系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的用戶對(duì)設(shè)備的間接控制方式,用戶與一個(gè)用戶接口代理設(shè)備進(jìn)行交互,代理將產(chǎn)生一個(gè)命令,并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)侥繕?biāo)設(shè)備,這里的代理必須具有可以控制的接口,如按鈕、調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等,必須能夠以某種語言產(chǎn)生相應(yīng)命令,并且這一命令能夠被目標(biāo)設(shè)備理解,還必須能夠?qū)⑦@一命令發(fā)送到相應(yīng)設(shè)備,最好能夠返回給用戶一個(gè)可視化反饋信息以表明目標(biāo)的響應(yīng)情況。例如用戶想讓DVD播放一個(gè)唱片,代理是DTV,用戶先在電視機(jī)上調(diào)用一個(gè)顯示頁,該家庭網(wǎng)絡(luò)主頁按類別顯示家庭網(wǎng)絡(luò)中可以使用的設(shè)備圖標(biāo)。當(dāng)用戶通過類似于鼠標(biāo)雙擊的動(dòng)作來調(diào)用某一圖標(biāo)時(shí),就會(huì)將該類設(shè)備的主頁調(diào)入,用戶瀏覽該頁并找到了目標(biāo)設(shè)備,例如是DVD播放器,用戶調(diào)用DVD播放器圖標(biāo),該調(diào)用使電視機(jī)形成一個(gè)HTTP形式的Get命令,并通過網(wǎng)絡(luò)將該命令發(fā)送給DVD播放器。在家庭網(wǎng)絡(luò)中,最上層主頁是HN(homenetwork)主頁,它是用戶對(duì)設(shè)備控制的起點(diǎn)。每一個(gè)設(shè)備由一個(gè)圖標(biāo)及相應(yīng)的文本名字來代表,最上層主頁應(yīng)該是瀏覽器的缺省頁。當(dāng)用戶單擊某個(gè)設(shè)備圖標(biāo)時(shí)就能夠進(jìn)入該設(shè)備的圖形用戶接口的主頁,并且為了用戶控制需要,該頁應(yīng)該是尺寸可調(diào)的瀏覽器窗口。如果有設(shè)備被插入或拔下,HN主頁應(yīng)能自動(dòng)更新。為了能顯示最新的主頁,瀏覽器不能緩存諸如圖標(biāo)文件、名字文件等文檔。這樣,家庭網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以在家庭內(nèi)被訪問和控制,也可以通過WWW在家庭外被訪問和控制。當(dāng)從外部控制時(shí),需有顯示家庭內(nèi)系統(tǒng)狀態(tài)的互聯(lián)網(wǎng)Web頁,利用這種Web頁,用戶就可以通過點(diǎn)擊圖標(biāo)來控制家庭內(nèi)的系統(tǒng)狀態(tài),如關(guān)燈、啟動(dòng)安全系統(tǒng)等。

本系統(tǒng)的詳細(xì)控制模型如圖3。圖中顯示了受控設(shè)備和圖形用戶接口及相互關(guān)系,該機(jī)制的目標(biāo)是能夠使設(shè)備動(dòng)作或改變受控硬件或其所提供的服務(wù)D的狀態(tài)。

嵌入到受控設(shè)備中的應(yīng)用軟件C可以直接作用于硬件或服務(wù)D,所以該機(jī)制的任務(wù)是提供到嵌入式應(yīng)用軟件的接口。圖3中C提供給A可控制的功能和應(yīng)用接口的圖形描述。A和C直接交互并決定接口細(xì)節(jié),C發(fā)出的命令在A中被表示形成接口描述。表示引擎B轉(zhuǎn)換并交付用戶接口描述A傳送來的命令,從而實(shí)現(xiàn)了與用戶的交互。用戶可以在GUI(B)中激活嵌入式應(yīng)用軟件對(duì)應(yīng)的圖形用戶接口部分,從而將產(chǎn)生的命令或動(dòng)作發(fā)送到嵌入式應(yīng)用軟件C中,對(duì)此的響應(yīng)可能是一個(gè)確認(rèn)或機(jī)器的相應(yīng)動(dòng)作,或是返回給B一個(gè)新的或改變了的GUI描述。

當(dāng)客戶端具有GUI表示引擎的Web瀏覽器時(shí),也可以采用基于Web技術(shù)的用戶對(duì)設(shè)備的控制方式。Web屬于客戶/服務(wù)器模型,受控服務(wù)在Web的服務(wù)器端,用戶接口控制器是Web的客戶端,DTV之類的設(shè)備既可以控制MPEG的解碼和顯示,又可以提供用戶接口控制功能。

3.3遠(yuǎn)程監(jiān)控功能設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控是本系統(tǒng)的主要功能之一,必須通過家庭網(wǎng)關(guān)才能實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的家庭網(wǎng)關(guān)采用一種基于ADSL接入互聯(lián)網(wǎng)和電話自動(dòng)響應(yīng)接入PSTN的嵌入式解決方案。硬件系統(tǒng)采用嵌入式芯片作為系統(tǒng)處理器,操作系統(tǒng)選用小型專用嵌入式系統(tǒng),遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器(B/S)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)首先要完成瀏覽器端和服務(wù)器端的連接,然后實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能,如圖4所示。

圖4中家庭網(wǎng)關(guān)的嵌入式Web Server作為服務(wù)器端,提供B/S結(jié)構(gòu)下的交互Web界面,而工作在嵌入式WebServer下的CGI程序完成互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議與家庭控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。用戶終端部分是遠(yuǎn)程瀏覽器端,通過互聯(lián)網(wǎng)上的公共服務(wù)器的中轉(zhuǎn)來完成IP地址的傳送過程,為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的B/S結(jié)構(gòu)的建立提供支持。家庭網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)通信程序主要采用Socket系統(tǒng)調(diào)用,將傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元和監(jiān)控協(xié)議數(shù)據(jù)單元封裝為TCP/IP協(xié)議報(bào)頭,使之在家庭網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)之間傳輸,這時(shí)需要規(guī)定遠(yuǎn)程監(jiān)控協(xié)議使用固定的TCP端口號(hào)1001。當(dāng)在遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件界面上瀏覽某家庭網(wǎng)關(guān)內(nèi)部各個(gè)智能家電的參數(shù)信息時(shí),該家庭網(wǎng)關(guān)處于激活狀態(tài),遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件定時(shí)向該網(wǎng)關(guān)下的家用電器采集參數(shù)信息。

4多媒體信息流分析

本系統(tǒng)中的多媒體信息流具備復(fù)雜性和多樣性的特點(diǎn),信息流數(shù)據(jù)量最大的是連續(xù)播放的視頻圖像,一般需要較大的存儲(chǔ)容量,另外還有音頻數(shù)據(jù)、文件數(shù)據(jù)及控制量數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)一般是包含時(shí)間成分的流式數(shù)據(jù),流式傳輸方式可保證所有數(shù)據(jù)都按原來的順序從發(fā)送端傳送到接收端,廣播方式是相同的數(shù)據(jù)同時(shí)向多個(gè)接收站點(diǎn)傳送,而視頻點(diǎn)播方式只有在用戶點(diǎn)播時(shí)才向該用戶發(fā)送,多媒體會(huì)議及網(wǎng)上視頻點(diǎn)播需要雙向?qū)崟r(shí)信息流的傳輸。傳輸文本和圖形媒體數(shù)據(jù)的流速較快,而實(shí)時(shí)傳輸音頻和視頻,在數(shù)據(jù)沒有壓縮情況下時(shí)延相對(duì)較長,并且因?yàn)槭艿骄W(wǎng)絡(luò)的終端數(shù)量及物理硬件等的限制,實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)性能可能比設(shè)計(jì)的還要低,而經(jīng)過壓縮后的視頻數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)延則可以大大縮短。

系統(tǒng)中傳輸?shù)亩嗝襟w數(shù)據(jù)的一個(gè)重要來源是AV中心。AV中心接收來自衛(wèi)星電視、有線電視以及小區(qū)視頻點(diǎn)播等系統(tǒng)的數(shù)字音視頻信號(hào),一般為MPEG-2形式的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。若傳輸?shù)?/span>HDTV進(jìn)行流暢地播放,則所占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬一般為19 Mbit/s左右,同時(shí)還需要保證網(wǎng)絡(luò)的QoS。另外通過網(wǎng)絡(luò)收聽CD質(zhì)量音頻也需要約0.265 Mbit/s的網(wǎng)絡(luò)帶寬,而IP電話、視頻電話、語音對(duì)講系統(tǒng)在工作時(shí)所需要的網(wǎng)絡(luò)最大帶寬約為2 Mbit/s。

上述音視頻多媒體數(shù)據(jù)占據(jù)了本系統(tǒng)繁忙時(shí)總數(shù)據(jù)量的90%左右。假設(shè)本系統(tǒng)擁有5個(gè)監(jiān)控視頻頭和一臺(tái)HDTV,當(dāng)它們同時(shí)無沖突地工作時(shí),多媒體信息流所占用的網(wǎng)絡(luò)總的帶寬大約為31 Mbit/s,此時(shí)系統(tǒng)總的數(shù)據(jù)流量所占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬應(yīng)該在35 Mbit/s以上。考慮到外界干擾和實(shí)時(shí)性要求等因素,主干帶寬應(yīng)該至少留有20%的余量,即主干帶寬要求在44 Mbit/s以上,現(xiàn)有的100 Mbit/s快速以太網(wǎng)就可以滿足這一帶寬要求。此外,交換式以太網(wǎng)在全雙工模式下的網(wǎng)絡(luò)性能可以達(dá)到100%,即使在半雙工模式下,發(fā)生沖突的可能性也很小,在重載的情況下網(wǎng)絡(luò)性能也可以達(dá)到85%以上,因此選用以太網(wǎng)作為本系統(tǒng)的主干是完全能夠滿足帶寬要求的。至于QoS問題,由于TCP/IP協(xié)議本身是面向無連接的,所以可以充分利用以太網(wǎng)成本低廉的特點(diǎn),提供一部分帶寬來獲得高速實(shí)時(shí)通信的保障。

5結(jié)束語

互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)是網(wǎng)絡(luò)化與智能化產(chǎn)品的進(jìn)一步結(jié)合,即與互聯(lián)網(wǎng)相連的各種智能設(shè)備之間可以相互交流與雙向控制,并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)中家庭網(wǎng)絡(luò)可以連接的節(jié)點(diǎn)包括電腦、打印機(jī)、智能家電、電話、紅外遙控器、手機(jī)、無線PDA、檢測(cè)模塊和傳感模塊等,可以實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化管理與控制功能有可視監(jiān)控、手機(jī)遙控、網(wǎng)頁瀏覽監(jiān)控、三表抄送、醫(yī)療求助、小區(qū)廣播、視頻點(diǎn)播、場(chǎng)景監(jiān)測(cè)等。

隨著未來嵌入式技術(shù)和產(chǎn)品的不斷完善和應(yīng)用,家庭智能化網(wǎng)絡(luò)通信模型和控制模型的定義和開發(fā)一定會(huì)形成標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)楦鞴?jié)點(diǎn)設(shè)備間的統(tǒng)一協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)是建立通信和控制的基礎(chǔ),而網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和故障帶來的網(wǎng)絡(luò)控制的不可靠性和非實(shí)時(shí)性問題,卻是任何家庭智能化系統(tǒng)需要深入研究和探討的課題。