智能家庭网络系统的设计.doc

.目 录1绪论31.1引言31.2智能家庭网络的概念及功能31.3智能家庭网络的现状与未来52智能家庭网络的技术及发展72.1智能家庭网络的结构分析72.1.1家庭网络的系统结构72.1.2HomeNet的分层结构82.1.3家庭网络架构的总体构图92.2智能家庭网络技术的研究102.2.1智能家庭网络技术发展与趋势102.3智能家庭网络的通讯媒体技术122.3.1有线通讯方式122.3.2无线通讯方式132.4智能家庭网络的Internet技术142.4.1用TCP/IP协议构建家庭网142.4.2用Ipv6协议构建家庭网152.4.3嵌入式Internet技术172.4.4家庭网关193智能家庭的网络构架与设计213.1家庭网络的总体结构设计213.2硬件平台223.3软件模块223.4网路体系结构233.5家庭网关244家庭网络的通讯媒体设计264.1RS485264.2红外线264.3电话线274.4USB总线274.5电力载波274.6无线射频305家庭控制器的设计335.1总体方案设计335.2HCU硬件实现355.3软件模块与协议366家庭网关的设计386.1总体设计分析386.1.1智能家庭网关的设计要求386.1.2家庭网关网络控制模型分析396.2硬件结构406.3软件设计417参考文献4446.摘要通俗意义上来讲智能家庭网络是指融家庭控制网络和多媒体信息网络于一体的家庭信息化平台，建立智能家庭网络的目的是为了给家庭电气设备提供一个统一平台，通过该平台能实现家庭设备之间的互连和信息共享，实现家庭设备与外界的信息交换。在智能家庭网络中家庭网关与家庭控制器是重要的组成部分：（1）家庭网关是家庭网络与Internet间的接口。家庭网关可以说是家庭网络的“神经中枢”。（2）家庭控制器是家庭网络的核心节点，对家用电器进行监控管理、能源优化使用。关键字：智能家庭网络，家庭网关，家庭控制器AbstractColloquial sense, Intelligent Home Network is refers melts the Home Control Network and the Multimedia Information Network integration in the home information platform, the establishment of Intelligent Home Network with the aim of provide a uniform platform for household electrical equipment. Adoption of the platform can achieve the household equipments interconnection and information-sharing , achieve the household equipment with the outside world of information exchange. The Home Gateway and HCU(Home Control Uint) is an important component of the Intelligent Home Network:(1)Home Gateway is a family network and the Internet interface. Home Gateway can be said to be the family network nerve center.(2)HCU(Home Control Uint) is the core of the home network nodes to monitor and control home appliances management, optimization of energy use.Key Words: Intelligent Home Network, Home Gateway, HCU(Home Control Uint)1 绪论1.1 引言“智能住宅”的概念已提出多年，但在其早期方案中实现的功能十分有限，只是通过传感器和各种输入设备（按钮、开关、遥控器、语音识别装置等）收集环境信息和使用者指令，再根据预先设定的程序，控制家庭内的电器和设备自动完成某些操作，信息交换只局限在很小的范围内。直到最近几年，Internet作为20世纪对世界影响最为深远的发明，开始进入千家万户，改变人们的工作和生活方式。单体住宅、小区乃至整个城市的智能化、信息化成为现实。广域网的出现，不仅使远程控制家电变得轻而易举，更重要的是可以提供远程医疗、远程教育、视频会议、网上购物和电子货币结算等全新的服务，这极大地扩展了智能住宅的内涵。1.2 智能家庭网络的概念及功能随着互联网技术的不断发展和我国家用电脑的不断普及， 家庭网络的发展也由此发展起来， 所谓的家庭网络， 指的是将有限范围内通过有线或无线方式将多个设备连接起来而形成的网络，这个网络是为了满足用户的某些需求而组建的， 为用户提供一定的业务与应用。用户的需求可以是有限范围内多个设备之间的信息流通， 也可以是有限范围内的多个设备与公共网络之间的信息流通， 甚至可以是有限范围内的所有设备之间以及这些设备与公共网络之间的信息流通。通俗意义上来讲家庭网络是指融家庭控制网络和多媒体信息网络于一体的家庭信息化平台， 是在家庭范围内实现信息设备、通信设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、照明设备、保安( 监控) 装置及水电气热表设备、家庭求助报警等设备互联和管理， 以及数据和多媒体信息共享的系统。智能家庭网络是一种混合型网络， 一般分为四类， 即高速局域主干网、控制子网现场总线、视频线和电话线。高速局域网主要包含 IEEE802.3以太网协议、IEEE802.11b 无线局域网技术和 Bluetooth 技术， 实现 PC、便携设备和信息娱乐设备等高端设备之间的互连， 控制子网现场总线主要指以 RS485、CAN、Lonworks 等简单智能协议为代表的现场总线技术， 实现信息家电、智能传感器和控制器等设备的互连， 电话线主要用于高端设备和电信设备直接接入 Internet， 而视频电缆方式则实现有线电视、VOD 服务， 以及在服务供应商的支持下提供另外一种高速接入 Internet 的途径。家庭网络概念是个变化的概念， 它随着用户的需求、政策、技术、标准的发展而不断发展， 一般可以认为家庭网络包含四个要素， 即用户需求、设备、网络、业务与应用， 每个要素对不同用户、不同时期是不同的。智能家庭网络系统通过其核心设备家庭智能终端来实现家庭网络化的功能。家庭智能终端是智能家庭的心脏，通过它实现系统信息的采集、输入、逻辑处理、输出、联动控制等家庭智能化功能，具体如下：（1）家庭安防，是智能家庭的首要组成部分。例如当家庭智能终端处于布防状态时，红外探头探测到家中有人走动，就会自动报警，通过蜂鸣器和语音实现本地报警；同时，报警信息报到物业管理中心，还可以自动拨号到主人的手机或电话上。（2）可视对讲，通过集成与显示技术，在家庭智能终端上集成可视对讲功能，无需另外设置室内分机即可实现可视对讲的功能。（3）远程抄表，如水、电、气表的远程自动抄收计费是物业管理的一个重要部分，实现三表自动抄表计费解决了人户抄表的低效率、干扰性和不安全因素。（4）网络家电，是智能家庭集成系统的重要组成和支持部分，代表着家庭智能化的发展方向。通过统一的家电联网接口，将网络家电与家庭智能终端相连，组成网络家电系统，实现家用电器的远程监控、故障远程诊断等功能。（5）家庭短信，是通过家庭智能终端和物业管理中心的联网，来对住户发布信息，住户可通过家庭智能终端的交互界面选择物业管理公司提供的各种服务。（6）物业报修，通过家庭智能终端可以向物业管理部门申请维修、预订等指定社区服务。 1.3 智能家庭网络的现状与未来目前的智能家庭网络主要有两个方面的应用:对电器设备的监控和调节，如灯光控制、家电控制、温度控制、安全和保安管理以及能源管理等。控制量为开关量或对实时要求较低的数字量，信号频率低、占用信道带宽窄。计算机互连包括互联网与家用网络接入设备(主要是计算机)之间的互连以及家用网络中的多媒体计算机和家用娱乐设备，如电视、摄/录像机、VCD/DVD和数码相机之间的互连。网络上传输的是视频、音频等占用高带宽的高速信号7。自20世纪60、70年代以来，已经有不少的家庭自动化系统面世，但是由于没有解决各系统之间的相互兼容性问题，因此网络标准在全球尚未统一。目前有数种产品作为即成标准共存，这些产品主要集中在美国、西欧和日本等八个地区。在美国，X-10系统已于70年代后期进入市场， 80年代后，又有LonWorks系统、CEBus(Consumer Electronic Bus)、SmartHouse系统相继出现；在欧洲有EHS(EuropeanHome Sys-tem)系统和EIB(European Installation System)系统；而在日本则有HBS(Home Bus System)系统0。在我国，智能家庭网络的开发和研究处于起步阶段，还有许多问题需要解决。目前国际上对家庭网络技术方面的研究形成了多个集团，这些集团的基本目标大致相同，即建立家庭数字网络技术体系。每个集团中按主导企业技术背景差异基本上可划分为两大类，一类以计算机通信企业为主导，另一类以家用电器企业为主导。第一类的代表性集团是开放业务网关（Open Service Gateway，OSG)，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、白色家电通信，甚至于电表水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。第二类集团很多，其中影响力较大的是家庭视音频交互协会（Home Audio Video Interractive， HAVI)，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。其它主要的集团有JINI，CEBus，HomveAPI， HomePNA，HomePnP，HomeRF等。各个集团的侧重点不同，目前谁是主流体制尚不明朗。国内厂商也在进行智能化家庭网络产品的研发和生产，一些大型IT企业用自身在资金与技术等方面的优势，在低端产品市场上已占据了相当重要的地位。一些传统家电业的巨头也开始进入智能化家庭网络产业市场。从设计思想和技术角度分析，国内厂家主要有两个方向:一是基于非PC平台的家庭网络系统，二是基于PC平台的家庭网络系统。从物理结构上看大都采用嵌入式技术，家电的控制信息及数据采集信息与相应的网络互联接入。然而由于国内智能化家庭网络产品的研发从二十世纪九十年代后期起步，在整体水平上显得参差不齐，软件功能较差，升级能力差，系统也不易维护。随着计算机技术、控制技术、通信技术的发展及关键技术的突破，智能化家庭网络将得到进一步的发展和完善。家庭网络的发展方向是绿色、信息化与智能化的结合，家电接口的标准化、设备控制的智能化、系统功能的集成化、客户使用的傻瓜化和市场的平民化将是未来家庭网络发展的趋势0。2005年6月信息产业部颁布的家庭网络平台（简称e家佳标准）与信设备资源共享协同服务（简称闪联标准）1.0版两个系列标准，这两个标准成为国家推荐性行业标准。闪联标准偏重于高速网络的互联互通，而e家佳标准则偏重于家庭家电控制的互联互通。但目前来看，由于现行标准的制定没有经过系统的实践和检验, 因此显得不够严谨和完善，它们对智能家居行业的影响力没有原来想像的那么大。从现状看, 我国智能家居产业现在还没有统一的标准，现在也没有哪家公司可以一统天下，大家都是在慢慢发展壮大中，许多中小企业各自为政，彼此之间的产品也不具备兼容性。真正的标准的实施需要产业化，产业化的成功与否又是市场选择的结果，它既需要兼顾网络的高速互联，又要兼顾各家电和安防设备的控制需求，二者要相互补充和有效融合。要真正做到智能家居产品之间彼此兼容，在传输协议上也要一致或兼容。2 智能家庭网络的技术及发展智能家庭网络是信息时代带给人们的一个高科技产物，随着集成技术、通讯技术、互操作能力和布线标准的实现而不断改进，它涉及到对家庭网络内所有的智能器具、设备和系统的操作和管理，以及计算机技术、通讯网络技术和自动控制技术的应用。2.1 智能家庭网络的结构分析2.1.1 家庭网络的系统结构图 2.1家庭网络的系统结构家庭网络是家庭信息基础设施的组成部分，完善的家庭网络系统如图 2.1所示，包括高速A/V网络、数据通信网络和低速控制网络。高速A/V网络主要负责处理软件、声音/影像数据和静止图像等多媒体信息；数据通信网络主要负责将信息从家中传向外界以及家庭内部的信息控制；控制网络主要负责居住环境的控制，支持用户在室内外对家电进行监视和控制，以确保降低能源消耗、安全和其它功能的实现。三种网络通过一网关互连，该网关同时也是整个网络的控制配置主节点，每一子网可以使用不同的物理媒体和通信协议，网关节点兼容所有的通信协议，不同子网的设备可以和其它子网的设备交互通信，从而实现家庭的网络化智能控制。2.1.2 HomeNet的分层结构图 2.2 HomeNet的分层结构图图 2.2为HomeNet的分层结构图，整个系统共分为五层:物理媒体层(Media ) ，底层协议层(Protocol)、应用程序接口层(API )、应用程序层(APP)和最终用户接口层(UI )。其中第一、二层的标准已经颁布，并己在实际中应用；第三层(API)是家庭网络技术发展的关键，是当前业界研究的热点；第四层是应用程序层，它是在第三层的基础上由技术人员开发的各种应用程序:第五层是各种用户接口(UD工具，它不只限于 PC接口，同时也包括各种应急按钮、求助开关、遥控装置和其它可视接口设备。UI的简单性、易用和灵活性关系到整个系统性能的发展和使用，对用户的接受程度有很大的影响，因此系统的UI规划在HomeNet的设计中占有很重要的地位。2.1.3 家庭网络架构的总体构图建立智能家庭网络的目的是为了给家庭电气设备提供一个统一平台，通过该平台能实现家庭设备之间的互连和信息共享，实现家庭设备与外界的信息交换。完善的家庭网络系统应该分成两个阶段完成，第一阶段实现家庭自动化系统的基本功能，包括室内灯光控制、家用电器远程控制、家庭保安、低速数据通讯、能源管理等，这一阶段主要是低速数据信息和控制信息的传送:第二阶段是实现更复杂的功能，增强家庭自动化系统的可靠性、方便性和灵活性，包括公用事业费的自动计费和转帐、高速音频视频数据的实时传送、交互电视网的开通等。因此，家庭网络首先以第一阶段为出发点进行构架，即基于低速数据信息和控制信息的传输，同时考虑整个系统的扩展性和灵活性，再向第二阶段进行扩展。家庭网络架构的总体框图如图表 2.3所示。 图 2.3家庭网络的总体框图 家庭网络中心突出网络功能，是一个信息交换和资源共享的中心。它提供多种通讯媒体接口，满足现有家用电器的连网方式，适合不同家用电器的对象结构与特性。同时，网络中心具有安全路由器和安全网关功能，将家庭网络通过网络接口与Internet互联，实现远程管理与维护家用电器，实时监控与获取家庭信息。家用PC机通过接口与家庭网络中心相连接，对家庭网络进行有效的管理和配置。2.2 智能家庭网络技术的研究2.2.1 智能家庭网络技术发展与趋势智能家庭网络的发展应紧密结合现代控制技术、计算机技术及通讯网络技术的飞速发展。(1)基于控制器的智能家庭网络基于控制器的家庭网络符合当前多数家庭的实际需要，解决了当前家庭中大量存在的传统家电设备的互联问题，同时通过电话线实现对PSTN的拨号接入，可完成数据远传和异地控制。该控制器具有很大的市场价值和广阔的应用前景。整个控制器功能主要由四个部分组成：和上位PC机通信；和家庭内部设备实现通信；完成远程拨号的操作；实现数据的检测和采集。在家庭中形成一个控制网络，构建一个家庭信息处理平台，完成对所有设备集中统一的监控和管理，同时还提供一个外部以太网或Internet的接口以便摆脱传统的单机运作模式，实现远程或异地的监控和访问。(2)基于家用电脑的智能家庭网络基于家用电脑的智能家庭网络把熟悉的PC技术简单地嫁接到新的家庭网络技术中，通过无线局域网，使用家用电脑作为中央控制单元，提供家庭与Internet之间的寻址和路由。 这种以家用电脑为基础的智能家庭网络，具有以下突出的优点：电脑具备强大的网络接入功能，是首屈一指的网络终端。当今是宽带互联网时代，电脑能够非常有效地利用宽带接入技术，高速连接广域网和小区局域网，实现上网无需拨号，24小时始终在线，让家庭与瞬息万变的网络世界时刻保持密切联系。利用电脑运行智能家居管理软件，能提供很多高级控制特性。以具有智能家居控制功能的方正电脑卓越Z系列为例，在方正卓越Z中，各种智能操作的步骤均有一目了然的提示，采用友好易用的Windows标准操作方式，无须专门学习即可轻松掌握。通过清晰明了的智能家居管理界面，用户可以非常容易对电视机、VCD(含DVD/LD)机、功放、空调等多种设备集中进行单功能控制或者组合控制，电脑将多种家用电器设备的一系列动作包含在一个组合按钮中，从而无须再使用多个遥控器，只需一个键盘就可以完成多种家用电器的操作。即使出差旅行在外，一样能通过电脑实时实景监控家居的安全情况，解除了后顾之忧。以家用电脑为基础的智能家居系统具有优秀的兼容性和扩展性，而且在技术上也能有效支持802.11无线技术、蓝牙技术，以及HomeRF技术。(3)基于电力线通信的智能家庭网络电力线网络技术使用的是与插座直接相连的现有电力线，不需要电话线，只要用一个电力线适配器插入插座即可。基于电力线通信的智能家庭网络由于电力线网络拓扑及其电源插座用作接入点的方便性，使其成为智能家庭网络的一种很很有吸引力的候选技术和新的发展趋势。基于电力线通信的智能家庭网络相对于其它技术具备诸多优点：网络家电可以通过电力线进行通信，无需另外布线。在一个住宅内通常有多个接入点，即电源插座。用户可以用同一技术建家庭LAN，把PC机、打印机、扫描仪以及其他任何想连接的设备连接起来。目前，按HomePlug1.0标准规定的电力线通信可以提供14Mbit/s的数据速率，足够网络家电日常使用。电力线通信还内含一个QoS协议，使它能够适用于实时应用。将来的电力线通信协议还可能提供100Mbit/s的速率，以支持高质量数字多媒体应用。 建电力线通信网的成本比其它技术低。随着产量的扩大，估计HomePlug网卡的价格将是无线网卡的一半左右。目前，电力线通信还必须借助其它技术来向互联网发送数据以及与移动设备通信，在实施和市场方面也存在不少问题。用于家庭联网的电力线通信产品虽然已有提供，但对用户来说，可供选择的产品并不多，技术支持也较差，有待于进一步的研究和发展。 2.3 智能家庭网络的通讯媒体技术家庭网络的通讯媒体主要有以太网(双绞线)、电话线、电力线、无线射频、红外线、电缆和光纤，但当前主要以双绞线、电话线和电力线为主，家庭无线网络将以其灵活方便和可移动计算的特点而成为未来发展的方向。 2.3.1 有线通讯方式有线通讯方式主要利用家庭中的电话线、有线电视线、交流电力线等已经存在的配线进行通讯，也可以为系统新增网络配线。(1)电话线网络利用住宅内现有电话线路的家庭网络具有较好的发展前景，因为电话应用己经普及，施工和安装比较方便，通过频分多用技术可以使一根电话线利用不同频率同时传输数据、Internet信息和声音。相对其它技术而言，基于电话线路的连网产品价格较低，数据传输不容易受到干扰。 但电话线的原设计是为传输音频信号用的，因此它可传输的信号的带宽比较窄，此外电话线的传输阻抗不易控制和信号在电话线上的衰减比较大，这些问题都使电话线很难应用于高速信号的传输。(2)电力线网络电力线网络的一个最大优势是，通常在家庭中的墙面上都会留有插座，而且，大部分的家用电器都已经通过电源面板被互联起来，因此施工和安装更为方便。尽管以前的电力线很难成为数据网络的传输载体，但除去干扰的因素之外，最新的技术可以实现非常高的数据传输速率与容错性。它的主要问题是躁声和干扰比较大，从而限制了它可传输的信号的带宽和数据的传输速率。此外由于信号与市电在同一对线上传输，对所使用的元件的耐压要求比较高，在安全问题上有一定的隐患。(3)以太网(双绞线)家庭网络安装新型的以太网布线系统也是一个很有吸引力的方案。其优势在于以太网技术已十分成熟，组网设备也容易买到，同时技术上的简单、可靠和低成本更是以太网的过人之处。2.3.2 无线通讯方式家庭网络无线通讯方式主要集中于红外线和无线射频两种技术的应用。 (1)红外线随着电子技术的发展，红外遥控己广泛应用于家用电器、安全保卫、工业控制以及人们日常生活等方方面面。红外遥控调制简单，易于编码，可实现多路控制，成熟的红外线遥控技术与微处理器结合，扩大了红外技术的应用范围。红外遥控的主要问题是红外线无法穿透墙壁，应用受到空间的限制，因此只适合作为家庭网络的辅助通讯媒体。(2)无线射频无线射频技术的成熟性在很多应用领域己经得到了验证。与其它方式的家庭网络系统相比，无线系统的费用较为昂贵，一方面，是因为要有专门的较大功率的收发器;另一方面，是要用数字信号处理芯片过滤来自其它设备的干扰。当前无线局域网有多种技术标准，因不同厂家产品不能互操作而给其市场拓展带来限制。三个最有潜力的无线技术是:IEEE802.11协议、共享无线接入协议(SWAP )和蓝牙技术。有线方式数据传输的速率高，可靠性强，但灵活性差，布线复杂;无线方式便于移动设备的连接，非常灵活，但速率相对较低，抗干扰性和安全性也是需要解决的问题。有线和无线技术，既是相互竞争的也是相互补充的，既有各自的优点也有各自的缺点，未来将是多种技术的混合和共存。2.4 智能家庭网络的Internet技术一个安全、舒适、便利生活环境要求达到住宅智能多元化。这就需要智能家庭网络。智能家庭网络的最终目的一方面是将家庭内部的所有信息设备以及家用电器联网，更加方便地进行监控和信息交换。另一方面是将家庭内部的网络通过现有的信息网络与家庭以外的世界连接起来，最重要的是和Internet互联0。2.4.1 用TCP/IP协议构建家庭网智能住宅包括住宅自动化和家庭自动化，是信息化时代的产物，它通过高度集成的通信和计算机网络，把家庭的各种电气设施连接起来，实现住宅的智能化、网络化和最优化，为住户营造一个自由、安全、舒适、便利、节能和娱乐化的生活环境0。利用互联网覆盖范围广、简单、灵活、开放的特点，为每个设备分配一个全球唯一的IP地址，将它们搬上Internet网，这样，用户就可以在任何地方、任何时间利用Internet访问家中的设备。网络互连离不开协议， Internet正是依靠TCP/IP协议实现各种网络互连的。TCP/IP协议是Internet的基础和核心。现在互联网上普遍采用的版本是Ipv4标准，使用的是32位的寻址方式。理论上，Ipv4可以支持40亿个地址。然而，由于先前的低效地址分配，有将近一半的地址已被指派。另外，由于以前Ipv4设计的缺陷，剩余的地址也仅有一小部分可以利用。因此，Ipv4协议所能够提供的域名最终将全部耗尽，从而阻碍整个互联网向前发展。目前，我国智能住宅家庭网络技术0有如下几项：(1)宽带网接入技术:随着网上语音通信、音频、视频广播和宽带交互式的快速发展，对宽带网的要求越来越高目前，我国宽带网接入网的方式按介质分为五种:XDSL、HFC、光缆双绞线混合网、无线网、光缆网。(2)蓝牙技术0:智能家庭无线网络由蓝牙网关与家庭中的蓝牙设备组成，蓝牙网关是整个家庭无线网络系统的核心部分，它一方面完成家庭无线网络中各种不同通信协议之间的转换和信息共享，以及同外部通信网络之间的数据交换功能，另一方面也负责对家庭中各个蓝牙设备的管理和控制。各个蓝牙设备也可通过蓝牙网关与外部网络相联，从而实现信息的交互和共享。(3)现场总线技术:现场总线技术0 “是一种全数字化、双向、多变量、多点多站的通信系统。”目前常用的现场总线有LonWorks、CANBus、Profibus等在我国，LonWorks在智能住宅中应用广泛。它能够实现真正的多网合一，分布式无中心控制，且易扩充、易组态，产品开发方便、有效。要将所有的设备都连上Internet，首先必须要有大量的IP地址空间。新一代的Ipv6协议采用128位来表示地址，可以保证让所有的设备都上网。此外，Ipv6还有增强的地址方式、简化的报头格式、改进的路由结构及高效的互联网引擎等一些特有的功能，可使智能住宅的构建更方便。2.4.2 用Ipv6协议构建家庭网(1)Ipv6可以让家庭中所有的设备都上网随着人们生活水平的提高，日常生活中使用到的家电设备种类和数量越来越多，要使它们都连上网，需要多种连接方式，如有线连接、无线连接、红外线连接等。为了便于管理和访问，需要给每个设备都分配一个IP地址。Ipv6采用128位的编址方式，可以提供的地址数几乎是无穷大的。据初步统计，Ipv6可以为地球上每平方米面积提供上百万个地址，几乎有可能给全球所有电子装置都分配一个互联网地址，甚至可以满足某些设备需要多个IP地址的要求。(2)Ipv6可以保证用户和设备进行双向通信利用Ipv6，具有IP地址的设备可以直接上网，可以接收网上发布的信息，也可以上传自己的信息。根据已分配的IP地址，可以在Internet上找到所有的设备，对它们直接访问。例如:用户可以在外地开启家中的空调器，设定合适的温度、湿度；可以利用远程报警系统获知住宅是否安全；冰箱可以判断所储藏的食物的情况，及时向用户通报，或直接到网上采购；数码家电、大型家电、汽车以及手机等设备接入Internet后，制造商可以直接并且在大范围内收集所出售设备的使用状况、故障信息以及工作特性变化等信息，这除了对售后服务提供较大的帮助以外，还可以将所收集到的数据反馈到新产品的规划及开发上来。这些特有的功能是其他网络协议不能做到的，只有利用下一代Internet协议Ipv6才能做到。(3)Ipv6的即插即用功能使连接网络更简单更方便Ipv6即插即用的功能是：合法的用户把设备从包装箱里拿出来后接上线就能运行，也就是说Ipv6为所用的上网设备提供了地址的自动配置功能。这就省去了在Ipv4下需要手工配置的麻烦;而且在网络拓扑结构发生变化或用户的ISP改变的情况下，也不需要再去手工修改配置信息。(4)Ipv6的移动性使得用户可以在异地方便地访问家中的网络当用户远在外地时，想要实现对家中网络的访问，那么对移动网络的支持是关键。网络的移动性可使用户要么在网络外访问家庭网络中的资源，要么进入网络成为网络中的一部分。这些功能都是移动Ipv6所支持的。移动Ipv6不需要像Ipv4那样的外部代理，这意味着移动用户无需本地移动性配置即可在世界的任何一个角落访问家庭网络。用户需要的只是一个家乡代理，利用它来设置在家庭网络中将包转发到移动节点的位置。移动Ipv6的家乡代理习惯上是同家庭网络的网关捆绑在一起的。(5)Ipv6对多媒体和实时应用的支持为用户提供了丰富多彩的网上世界Internet异军突起，已经成为全球信息基础设施(GII)的主干，促进了信息技术的发展、信息市场的开拓以及信息社会的形成。因此在构建智能住宅时，保证用户能够快速、可靠、高质量地访问网络多媒体信息是很重要的14。由于实时业务对网络传输时延、延时抖动等特性较为敏感，当网络上有突发性高的FTP或者含有图像文件的HTTP等业务时，实时业务就会受到很大影响;另一方面，多媒体业务又占去了大量的带宽，因而现有网络要保证的关键业务就难以得到可靠的传输。用增加带宽的方法虽然有效，但是代价太大，并不十分可行。由于历史的原因，在现行的TCP/IP协议Ipv4中也没有有效的支持，但在Ipv6中提供了流标号和报文分组优先级机制，可用来为多媒体和实时应用提供服务质量保证(QOS)0。因此将Ipv6技术与宽带技术相结合的宽带IP网络，可以大大改善话音、视频等实时业务的传输质量，满足人们日益增长的众多需求。2.4.3 嵌入式Internet技术为了实现远程监控以及与外部网络的通信，必须要实现单片机系统的Internet接入。单片机采用互联网通讯与控制具有很好的实用价值，可以很容易地实现远程的控制与监测，也是信息家电要实现的主要目标。然而目前利用单片机实现嵌入式因特网方案的技术难点在于：如何利用单片机自身有限的资源对信息进行TCP/IP协议处理，使之变成可以在因特网上传输的IP数据包。从解决这一技术出发，目前出现如下几种方案0：(1)32位MCU+RTOS采用32位高档单片机，在RTOS(实时多任务操作系统)平台上进行软件开发，在嵌入式单片机系统中集成TCP/IP协议，实现TCP/IP的协议处理，这一协议可以采用软件来实现，也可以通过硬件进行软件的简化。这种配置要求单片机有一定的存储空间来实施TCPIIP协议。目前国内较为流行的RTOS有VxWorks, pSOS, Nucleus, QNX, Windows CE等。由于采用高档单片机，此方案可以完成很多复杂的功能，但成本较高，开发周期较长，需要购买昂贵的RTOS开发软件，对开发人员的能力要求较高。(2) 8位MCU+TCP/IP协议芯片这个方案是由MCU和固化了TCP/IP协议的芯片组成应用系统的核心。应用系统可以直接拨号上网，硬件电路相对简单，但需要大容量的存储器，如果使用的TCP/IP协议芯片是软件固化的，还要求MCU有较高的运行速度。采用这种方案的芯片有Scenix Semiconductor公司的SX-stack, Seiko公司的57600A,iReady公司的Internet Tuner, Connect One公司的iChip等。其中Scenix单片机为软件固化协议，软件协议栈用汇编语言编写，存储在单片机的FLASH程序存储器中；其它芯片则为硬件固化，硬件TCP/IP协议堆栈作为MCU和Internet之间的加速器。这个方案的优点是将8位单片机系统直接与Internet相连，可以使用PC机通过Internet远程访问单片机系统，也可以使用单片机系统将信息通过Internet发送到远程PC或其它终端上。但应用系统的设计工程师必须熟悉TCP/IP等协议和相关接口，软件设计量较大。另外每个电子设备都需要一个IP地址，因此需要扩充IP协议才能到更好的支持。(3)MCU+EMIT协议+emGateway利用emWare公司开发的EMIT(Embedded Micro Internetworking Technology，嵌入式微Internet网络技术)，在应用系统的MCU内部使用emNet协议，再通过emGateway与Internet连接。EmGateway网络软件接口可以安装在计算机、TV机顶盒或专用的家用电器服务器中，它支持TCP/IP协议并运行HTTP服务程序，作为用户可以通过网络浏览器远程访问服务器。EmGateway通过RS-232, RS-485, CAN、红外及射频等通信方式与多个嵌入式设备相连，每个嵌入式设备的应用程序包含的一个独立的通信任务，称为emMicro，监测嵌入式设备中预先定义的各个变量，并将结果反馈到emGateway中，同时emMicr。还可以解释Gateway的命令，修改设备中的变量或进行某种控制。EmMicro和emGateway一起为嵌入式设备提供了Internet功能。由于复杂的网络协议是通过emGateway在PC机上实现的，应用系统MCU只使用较简单的emNet协议，因此对MCU的要求较低。但应用系统设计工程师必须熟悉emNet协议和相关的接口，原来客户应用系统的MCU也不一定符合要求，并且软硬件设计的工作量仍然较大。同时，应用系统的单片机处理emNet协议要占用一定的系统资源。(4)MCU+Webchip+PC网关所谓Webchip是独立于各种微控制器的专用网络接口芯片，它通过标准的输入、输出口与各种MCU相连。MCU通过Webchip与网关连接即可接收并执行经由Internet远程传来的命令或将数据交给Webchip发送出去。Webchip的主要优点在于:对MCU应用系统的设计工程师来说，无需熟悉复杂的网络协议及其接口;对MCU芯片来说，对运行速度和存储器容量等方面无特殊要求;软件设计只需要增加一小段接口程序，其它无需作大的改动，在大程序上简化了应用设计的工作量，可以缩短MCU应用系统的设计周期。以上四种方案从不同途径实现了MCU应用系统与Internet的连接，再加上RS-232, RS-485总线、无线射频或红外控制模块等扩展方案，就可以构成小型的家庭控制网络。2.4.4 家庭网关家庭网关是家庭网络与Internet间的接口。一方面，家庭内部网可以通过网关访问Internet上的资源;另一方面，用户可以在Internet上的任何一点通过浏览器对自己家里的家电进行远程控制。家庭内部网中的每个节点本质上都是内置了CPU的嵌入式设备，这些嵌入式设备的应用程序中都包含了一个独立的通信任务，即监测该设备中预先定义的各个变量，并将结果反馈到网关中，同时还可以解释网关的命令，修改设备中的变量，改进某种控制等。这样，仅通过增加一个网关，就解决了嵌入式设备接入Internet的问题。家庭网络中，网关要完成媒体转换、速率匹配、防火墙、加密证实、IP地址获得、地址解析等功能，同时还要执行多协议的转换、系统管理、多个网络的连接等功能，所以是家庭网络的核心。除了TCP/IP协议之外，网关还需要运行三个主要的协议0：网络地址翻译协议、动态主机配置协议和超文本传输协议。(1)网络地址翻译协议NAT信息家电要连入Internet，必须要有一个唯一的合法的IP地址，但现在IPV4可用的的IP地址资源日益枯竭，而且为家庭的每件电器都分配一个唯一的IP地址显然有些浪费，也不利于管理。因此，引入可以共享IP地址的协议网络地址翻译NAT (NetworkAdddress Translation)协议。NAT，协议运行在网关上，网络里的每个家电节点通过运行NAI，协议的网关可以透明地访问Internet。网关将节点的内部地址翻译成全球唯一的IP地址并送出请求。当应答返回到网关时，又被翻译回节点的内部地址并送给该节点。家庭网络里每个节点使用的IP地址是私有的，只能在内部使用，不能为外部的网络所访问，所以NAT服务器起到了类似防火墙的作用，从而提高了家庭网络的安全性。(2)动态主机配置协议DHCPDHCP ( Dynamic Host Configuration Protocol)可以让网络中的每个节点在加电时自动配置自己的网络参数，从而使家庭网络易于配置。 DHCP实行客户机/服务器结构，节点上运行DHCP客户机协议，网关上运行DHCP服务器协议。节点加电后，尚未配置的节点首先会在家庭网络上广播一个消息，询问哪个服务器提供网络配置信息。运行DHCP服务器的网关收到这个消息后也会发出一个消息来应答，其中包括了一整套的配置参数。节点收到网关的应答消息后，会检查它所提供的参数。如果觉得可以接受，就给网关发送一个消息，表明它将接受这些参数，最后，网关会发出一个确认消息来确认客户端发出的消息口这样，节点就完成了网络参数的动态配置，就可以进行正常的网络通信了。(3)超文本传输协议HTTPHTTP ( HyperText Transfer Protocol)是浏览器和WEB服务器之间请求和发送信息时使用的协议。在网关上运行HTTP协议就是让网关充当WEB服务器的功能。这样，用户在办公室里上网时，就可以通过浏览器来访问运行WEB服务器的网关，通过网关传来的网页来了解家庭网络中各个网络节点的工作情况，并通过点击网页上的某个链接，让网关执行一段程序，来实现远程监控。3 智能家庭的网络构架与设计3.1 家庭网络的总体结构设计系统主要由硬件平台、软件模块、网络体系结构和家庭网关等部分组成，总体结构如图 3.1所示。图 3.1家庭网络的总体结构设计智能控制器作为家庭网络的核心节点，通过三个通讯媒体接口(RS485、电力线、无线电)与家庭网络的三个子网相互连接，实现路由功能。各个网络节点相互通讯，家庭的电气设备和电气子系统通过网络节点连接到总线上，各个节点具有唯一的设备地址，节点之间采用对等(peer-to-peer)通讯协议，易于系统进一步的扩展。同时，智能控制器通过RS232接口与家用PC机相连，通过并行接口与家庭网关相连，实现家庭网络Internet接入。系统一方面可以通过计算机对网络系统进行初始化配置、调试和故障诊断；另一方面可以通过遥控器或控制面板来控制和检测每一个设备状态，同时还可以通过电话控制器和家庭网关进行远程抄表、远程报警和远程监控等。3.2 硬件平台系统的硬件平台主要有各个网络节点和通讯媒体组成，各个网络节点的硬件部分主要由自主处理器和通讯接口组成。智能控制器则是整个家庭网络的核心节点，也是设计的关键，承担信息采集、安全防范、状态监控等任务，并实现多种控制方式，主要涉及以下几个部分:(1)主控单元，由16位微处理器80C196KC以及外围电路组成。(2)各个扩展子系统，包括LCD显示与键盘控制子系统、实时时钟电路、数模通道电路、串行存储器等。(3)各个网络接口，主要RS232接口、RS485接口、电力线收发模块、无线收发模块等。此外，家庭网关也是网络设计的重点，采用嵌入式Internet技术，基于微处理器和以太网控制器的硬件电路，自主开发TCP/IP协议栈，把标准网络技术 ( TCP/IP)直接扩展到嵌入设备，由嵌入式系统自身实现Web服务器功能。3.3 软件模块整个家庭网络的软件模块包括四个部分:智能控制器的软件系统、各个网络节点的应用软件、家庭网关的软件系统和PC机的网络管理系统。(1)智能控制器的软件系统智能控制器的软件平台可采用两种方式:一是购买通用操作系统软件:二是根据操作系统的原理进行裁减开发。(2)各个网络节点的应用软件在各自处理器和通讯接口的硬件电路上进行软件的开发，实现各自的功能。除了电话控制器节点、红外遥控节点和USB转换卡节点，其它网络节点的软件实现较为简单。(3)家庭网关的软件系统家庭网关的软件系统主要集中于两部分:一是微处理器对以太网控制器的控制和通信部分，二是嵌入式TCP/IP协议栈的设计部分。考虑到嵌入式设备本身的特点以及家庭网络的功能比较单一，嵌入式协议栈的设计较为简化，并非实现完整的TCP/IP协议族。(4) PC机的网络管理系统计算机网络配置和管理系统一方面能够通过其应用程序可视化开发环境对系统进行设计和配置:另一方面还可以通过其监控管理环境对系统进行信息查询和故障诊断。3.4 网路体系结构家庭网络具有分布式的结构，适合于具有分散性的家庭应用。任意两个网络节点之间都可直接互相通信，实现各节点的信息共享，提高系统的实时性。网络的拓扑结构采用总线型或树型，有利于系统的进一步扩展。同时，控制网络采用多种传输媒体，如RS485、电力线、无线射频等，适用于不同的应用场合。因此，各个传输媒体的通讯接口设计是网络设计的关键。家庭网络的目标是组建一个开放式的网络管理与数据交换平台，应该有一个开放的网络体系结构。按照OSI模型与TCP/IP协议模型，对于家庭网络存在多种不同网络通讯媒体，采用一个类似于IP协议的家庭网络体系。家庭网络体系可分三层，即应用层、网络层、链路层。应用层负责处理控制网络中各个家用电器的数据流向，提供特定应用；网络层处理数据分组在不同媒体中的选择通路，确定数据流通媒体，可通过地址识别或其它方式；链路层包括操作系统中的设备驱动程序和对应的网络接口卡，处理物理接口细节。网络层的协议可借鉴IP协议模型，实现不同通讯媒体的数据统一交换。另外，还要解决家庭内部网络与Internet的TCP/IP协议实现数据交换。3.5 家庭网关家庭网关提供外部Internet的接入，实现家庭网络与互联网的连接，达到远程监控家庭网络的目的。家庭网关可以说是家庭网络的“神经中枢”。图表 3.2 家庭网关结构示意图 家庭网关由两大主要部分组成:与公共接入网的接口和对多个LAN节点分发数据的接口。一方面它通过网络接口单元NIU实现和公共接入网的联接，即通过有线方式的TP(双绞线)、CX(同轴电缆线)、PL(电力线)或光纤，无线方式的卫星等接入公共网络；另一方面它通过LAN接口，与家庭网络联接。LAN接口是家庭网关的一个重要部分，它应具有以下的功能：(1)网关管理：家庭网关的配置管理；(2)家庭网络路由器：完成不同传输介质和网络拓扑结构间信号的转换；(3)家庭网络桥接器：实现不同类型网络(如总线型以太网和令牌环网，有线网络和无线网络)之间的联接；(4)终端自动识别：自动识别联接在家庭网络上的所有装置；(5)家庭仪表和设备控制：实现对各种仪表，如水表、电表、煤气表信息的获取并能发出适当的指令；实现对空调和室内外环境的数据采集和执行相应的操作；(6)共享文件:实现家庭网络内的数据和应用程序的共享；(7)共享微机外设：实现对微机外设，如打印机、扫描仪等的共享；(8)共享Internet访问:通过家庭网关的控制，实现家庭内的所有信息终端能同时共享Internet访问。4 家庭网络的通讯媒体设计 家庭网络中，传输媒体的选择是至关重要的，因为它关系到系统产品化后的可用性、可扩展性及实用性。因此，通讯媒体接口的设计是家庭网络设计的关键，下面就针对系统中各种通讯媒体的接口设计进行一些简介，其中对于电力线网络技术和无线通信技术重点展开讨论。4.1 RS485RS485采用差动工作方式，具有很强的抗电磁辐射和电源干扰能力，而且传输介质的成本低，通讯线的架构方便，通讯可靠性强，用于1200米的远距离、速度为1 OOkb/s的高速通讯。并且，RS485通信方式广泛地应用于主机和多从机构成的主从式通信应用系统中。4.2 红外线红外遥控是利用红外线传递控制信号，由接收器接收并对信号进行处理，最终实现对控制对象各种功能的远距离控制。红外遥控信号的代码“l均采用二进制码，信号的编码调制可由专用芯片完成，也可由单片机来软件实现。编码的方法有多种，不同芯片的编码方法和代码长度有所不同，利用这些代码信号去调制固定频率(3 8 40kHz )的载波信号，信号放大后驱动红外发射管发射出不同脉冲编码调制的红外线信号。红外信号经远处的红外接收头接收、放大、检波、整形后，再经单片机译码得到控制指令。红外遥控调制简单，易于编码，可实现多路控制。成熟的红外线遥控技术与微处理器结合，扩大了红外技术的应用范围。4.3 电话线由于公共电话网的普及，以电话线作为通讯媒体来传输数字和语音信息仍然具有广泛的应用前景。通过设计一个基于DTMF(双音多频)信号的电话控制器，即可轻松实现家庭网络的远程监控。4.4 USB总线由于USB具有较高的传输速度，支持即插即用和热插拔功能，而且USB设备的连接电缆最长可达5m，可通过USB集线器进行层式星形拓扑连接，因此USB总线在家庭网络中具有一定的应用前景。4.5 电力载波电力线网络的一个最大优势是使用家庭中现有的电力线连接家中的设备，无需额外布线。但电力线作为通讯介质也有技术上的难度，主要表现在电力线存在噪音大、阻抗不易匹配、信号衰减及相线之间信号藕合弱的问题。这些问题一直困扰着工程师们。目前用于电力线载波通讯的技术主0要有两种，一是窄带载波技术，二是扩频载波技术SSC (Spread Spectrum Carrier)，应用的电力载波控制芯片主要有：LM1893， ST7536， SSCP300， PLT -22等。 根据家庭网络的特点和不同电力载波Modem的性能，本电路采用Intellon公司的网络接口控制器SSC P300、电力线介质接口芯片SSC P111来实现电力线载波通讯的。SSC P300是一种电力线扩频载波通信控制器，提供数据链路层和物理层的协议服务，负责将数字信号调制成扩频载波信号或将扩频载波信号解调为数字信号，扩频载波信号在220V交流电力线上传输，芯片的内部结构图如图 4.1所示。图 4.1 SSC P300 内部结构图 (1)硬件设计典型的电力线网络节点如图 4.2所示，它包括三部分:第一部分为SSC P300，特殊的DLL(数据链路层)服务包含了对通信分组的发送和接收，对于发送的分组由字节向符号的转化，对于接收到的分组由符号向字节的转化，并自动完成发送信道的接入和CRC的产生与校验，进一步提高其抗干扰能力。第二部分为主处理器或控制器，负责与SSC P300的通信及执行特殊的应用工作，SSC P300与主机的信息交换是通过一个5线的串行外围接口(SPI)来实现的。主机将命令和数据翻译过来提供给用户使用，并提供应用层和网络层的通讯协议。最后一部分为电力线模拟功能，这些功能包括:对输入信号的滤波:放大发送信号以驱动电力线的低阻抗并将信号功率祸合到电力线上。当发送信息时，扫频信号从SSC P300的SO管脚输出，经过缓冲器放大、低通滤波环节来滤除谐波，再通过具有三态开关的功率放大器SSC P111，最后祸合到电力线上传输。当接收信息时，电力线上的扫频信号通过外部媒介祸合电路传输到输入滤波器，此带通滤波器将频率为1 OOKHz到400KHz的信号传输到SSC P300的SI脚接收。主机SSCP300输入滤波低通滤波SSCP111功放电力线耦合图 4.2电力线收发电路 (2)软件设计主处理器和SSC P300之间是主从关系，SSC P300通过中断信号向主处理器请求服务，主处理器通过命令响应中断来许可SSC P300返回数据。该命令允许主处理器读写SSC P300的内部寄存器。这些寄存器组成数据结构，用来配置芯片、设置数据链路参数、返回状态信息、接收分组信息和发送分组。它共有7种数据结构和16条指令，命令格式分为写事务或读事务。一个写事务可以将命令字节、长度字节和数据字节合成写人数据结构。读事务时，SSC P300通过数据结构传送数据给主处理器。特别需要注意的是在进行SPI通讯时，由于主处理器使用的是I/O口进行时序的模拟操作，因此在进行口线操作时，必须严格遵守SSC P300给出的时序图，因为时序的错误将会造成通讯的失败。S