Home.Net模型/架构研究

摘 要： 通过分析信息家电、家用电脑、家居网络的现状与未来发展趋向，提出Home.Net模型/架构体系，并从硬件平台与软件平台方面详细地论述该模型/架构体系。主要希望能够在信息化时代，就如何构造家居网络信息平台，更有效地管理家居信息电器，实现家居信息资源共享方面提出新的思路、新的观点。

关键词：Home.Net模型/架构信息家电网络体系

一、 问题提出

　　1. 信息家电与嵌入式系统　

　　技术是应用科学之母。过去，人们的视野局限于PC、服务器、交换机、路由器等；近来，在硬件设备功能日益增强、价格越来越便宜的情况下，人们开始注意到技术如何与家居生活更贴近的问题。1999年底，所谓的信息家电吸引了人们的目光，特别是那些国内家电企业，在国内已经成熟的家电市场没有太大发展空间的情况下，找到了增强企业继续发展的动力。信息家电的概念最早为国人所知是由微软的“维纳斯”计划开始的。“维纳斯信息家电”实际上是将家用电脑、网络应用、娱乐教育三大应用集中在一体。由于微软摆脱不了电脑的概念，最后没能成功。但微软推出的嵌入式操作系统WinCE经过几年的改进，已成为现在许多信息家电的软件平台。当时，国人担心微软会统治国内的嵌入式操作系统市场；但不久，中科院下的凯思公司适时推出了嵌入式操作系统“女娲”，获得国人的喝彩。
　　从概念来看，信息家电IA（Information Appliance ）可准确译为信息电器，是计算机通信技术与传统家用电器相结合的创新产品；是为数字化与网络技术广泛深入家庭生活而设计的新型家用电器。信息家电应具有网络功能、数字化、信息化、智能化、低成本、稳定性强等特点。但各个公司厂商对信息家电模型的理解各不相同，出现了不同概念的信息家电。可以形象地说，现在是信息家电的战国时代。现在出现的有WebTV、IPTV、机顶盒、PDA、VOD、网络空调、网络冰箱，还有网络VCD、DVD等，大多是概念，市场还未成熟，也未被广大消费者接受，但PDA却比较火爆。其实，信息电器的提法最好。因为在企业中也有信息产品，如1999年底SUN公司推出的一项具有重大革新意义的软件技术“Hot Desk”，体现了网络门户的计算思想，其产品是SUN公司的SUN Ray I信息电器。它打破了以往的瘦客户机架构，成为真正的企业信息电器。该产品不运行任何应用程序或系统源代码，不须配置或管理桌面，复杂的事务放置在网络内部（后台）解决，使一种类似于电话设施的计算模型成为可能。SUN的信息电器虽然与微软的“维纳斯”计划将近同时推出，但没能给人们留下深刻的影响。所以，人们习惯用信息家电的概念统称信息电器。据权威部门预测，未来10年后，信息家电的销量将是PC的10倍。信息家电具有广阔的市场，所以许多IT厂商和家电企业投入相当多的人力与资金研究与开发信息家电。
　　由于快速发展的网络市场，使得信息家电的市场比传统的计算机市场大得多；使嵌入式软件将成为21世纪信息产业的支柱之一。嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的专用计算机系统。它主要由嵌入式处理器、相关支持硬件、嵌入式操作系统及应用软件组成，是集软、硬件于一体的可独立工作的“器件”。嵌入式操作系统通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器Browser等。据统计，仅应用于信息电器的嵌入式操作系统就有40种左右，如Windows CE、Palm OS、Real-Time Linux、VxWorks、pSOS、OS-9等。Windows CE、Palm OS当前应用较广；VxWorks、pSOS、OS-9是传统的系统代表，但应用并不广泛，需要在网络化等方面扩展；Linux系统，是现在嵌入式操作系统发展的热点，它具有开放源代码，系统内核小、效益高、内核网络结构完整，裁减后的系统符合信息家电的开发。嵌入式微处理器主要有X86、PA-RISC、Power PC、ARM、Strong ARM、MIPS、68XXX等。嵌入式操作系统一般与嵌入式微处理器硬件平台相配合。

2. 家用电脑的发展趋向

　　回顾PC的发展历程，家用电脑的历史在某种意义上并不长。联想于1992年首倡家用电脑的概念；1997年推出功能电脑；1999年底又推出因特网电脑。到了2000年下半年，各种家用因特网电脑纷纷出现，包括体现“应用网电脑”理念的方正电脑；诠释“家庭服务器”设计理念的海信电脑；强调增值服务与整体应用解决方案的TCL新概念电脑；体现“因特网生命”价值与“互联的个性电脑”的联想电脑等等。联想是国内典型代表，注重发展因特网电脑和个性化电脑；方正与海信重在家庭智能控制，使家用电脑以“家庭服务器”的身份出现，以无线与有线的方式与家庭内各种家用电器、通信设备以及其他数字化产品连接，完成对它们的操控。与国内大多数PC厂商不同，国外如IBM新推出的NetVista电脑，其含义是用户通过IBM新的个人计算设备可对网络（net）风景（vista）一览无余，倡导将家用电脑与商用电脑相结合的理念，提出网络边际的概念，针对不同的网络应用环境进行细分。
　　从总体上来看，各主要家用电脑厂商在家用电脑的发展策略与设计思想上几乎都体现了：网络化、智能化、个性化。网络化将不再是简单的一键上网和浏览，而是重在更全面的网络应用整体解决方案，包括无缝整合的深层次网络应用，如宽带接入、网络安全等。智能化重在智能家居控制，实现远程与近程智能控制家居中的各种信息家电。但计算机与各种信息家电之间的接口尚无通行的标准，这方面一旦有需求推动就会有发展。个性化体现在现代社会对个性的需求，对不同的用户提供不同的产品。未来，家用电脑会各种各样，但发展趋向将是网络化、智能化、个性化的综合。须要提出一点的是，家用电脑在某种意义上也是信息家电。

3. 家居网络的现状与未来

　　家居网络是指在集成协同环境中把计算机、音频、视频设备以及其他各种家用电器和自动子系统，包括能量管理、保险、加热、通信、安全等连在一起，以实现家居资源的共享与管理，组成一个家电网络。也就是把具有各种能力的产品混合在一起，确保不同技术实现透明地无缝集成。
　　目前家居自动化有几种方式，如欧洲家居系统、欧洲设备总线等，提供的是网络协议，从而使家用电器组成网络。近年来，有些采用标准总线，如IEEE1394和IP协议组建家居网络，或基于ATM的家居网络，目的在于提供方便可靠的访问网络的集成方式。互联网界也在研究扩展IP协议，适合基于IP的家居网络。目前最成功的是美国的ECHELON公司，提出采用现场总线控制网络——LON Works，组建家居网络，再通过网关和互联网相连，使家电组成局部网，但要求家电控制器采用带有专用协议的芯片。总的来看，家居网络由于家庭电器的对象结构与特性完全不同，没有统一的标准。组建局部网采用何种协议，如何与互联网相连；家电易受各种环境干预，采用何种较低价位的组网物理结构；与现在的家电如何接口等，这些问题限制了家居网络的发展。在家居网络的研究与开发中，国内投入力量不多，而国外一直在软件与硬件上优先，并提出了许多模型。用发展的观点看，家居网络应该采用开放分布处理模型和多种物理连网方式，借用互联网的IP协议，同时要兼顾现在的家居电器的情况。

4. Home.Net模型/架构的提出

　　随着Internet的普及与网络技术的发展以及各种信息家电的出现，可以估计在未来的5年内家居生活需要一个崭新的工作与管理平台，即以网络为中心的信息平台。我们称之为Home.Net平台。在这里，智能家居管理平台具有很大的市场，每家每户都有可能是潜在的用户，现在主要的是如何设计与构造符合家居生活的平台。我们认为Home.Net平台可由家居网络中心HNC（Home Networks Center）和普通家用电脑组成。家居网络中心是一个多功能网络管理与控制中心，主要管理由信息家电以及家居中具有简单联网功能的电器，使它们通过不同通信媒介组成家居网，相互交换信息，并实现信息资源共享；同时又具有安全路由器和安全网关功能，将家居网通过宽带接入与Internet互联，实现远程管理与维护家用电器，实时监控与获取家居信息。普通家用电脑与家居网络中心通过接口连接，作为家居智能控制中心。智能控制中心用图形化方式，利用电脑良好的交互式界面，自动完成用户预设或即时的各种操控，管理与控制家居电器，同时配置家居网络中心的各种控制参数。
　　前面提到的未来家用电脑，实际上也是向家居信息平台的方向发展，但它未能重点突出网络中心的作用，而且功能集成太多，过于复杂，反而影响了使用性能。Home.Net平台将网络管理功能从家用电脑中分离，突出强调未来网络管理在家居中的重要性。只要配置好参数，家居网络中心可自行管理家居网络；如果要控制与管理家用电器，只需要一台普通家用电脑，配以相宜的软件，即可构成家庭智能控制中心。这样方便使用，并可应用在不同情况。

二、 模型/架构体系

1. 总体框图

　　Home.Net模型/架构的总体框图如图1所示。从大的方面看，可由2部分组成：家居网络中心（HNC）和普通家用电脑（PC）。本文将重点讨论家居网络中心的模型/架构，即如何构造适合现代家居的网络体系结构（至于普通家用电脑，需要一般硬件配置即可）；着重于应用软件的功能，即如何充分发挥与利用Home.Net平台的功能资源，以及采用何种方式与家居网络中心接口最好。




图1 Home.Net总体框图

　　该模型/架构的最终目的：① 家居网络中心突出网络功能，是一个信息交换，资源共享中心；② 提供多种通信媒介接口，包括有线与无线，高速与低速通信，高价位与低价位的组网物理结构，尽量满足现在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；③ 对于不同的通信媒介网络，提出一个开放的网络体系结构，能够包容不同协议，使不同家用电器能够实现透明地无缝通信；④ 提供Internet单一宽带接入口，使家居网络中的家用电器都能与Internet连接，同时对家居网络与Internet连接时进行安全管理与认证，控制访问Internet的信息流,相当于路由器与网关功能；⑤ 只需普通家用电脑与家居网络中心平台接口，利用电脑的图形化、交互式界面环境，实现对家居电器的管理与控制。
　　从图1看，普通家用电脑部分很简单，主要是与家居网络中心的接口。家居网络中心包括几大部分：主控单元；简单的LCD显示与人机接口；与普通家用电脑的接口以及网络接口。下面重点讨论网络接口部分。
　　网络接口包括5个方面：① Internet宽带接入。Internet的深入发展，使家居生活对网络带宽的需求加大。各种宽带接入技术的出现，未来在家居宽带Internet接入方面会出现很大的市场。至于家居采用何种宽带接入技术，如ISDN、ADSL、光纤、CATV等，现在还无统一方式，这里也不提出具体接入方式。采用Internet接入，对未来网络安全将非常重要，须要提供网络安全管理和访问信息资源的控制，以及远程访问控制家居电器时如何保证安全确认等。② 家居无线网。现有无线传输技术大多是红外技术（IrDA），只能同时一对一直线传输，中间不能有阻挡；而于1998年5月推出的新型通信技术——蓝牙技术，是未来组建家居无线网络的最佳选择。其作用在于简化小型网络设备之间的通信，连接距离达100m，不限制在直线传输，并且可连接多个设备，适合构造个人区域的网络。一旦其芯片价格下降到3~4美元以下，其应用前景将十分广阔。③ 家居LAN总线网。一般在高价位的信息家电中可配以10M网卡，组建家居网络。④ 家居USB总线网。USB总线是通用串行总线，速度较快。USB总线估计有时在家用数字相机等高档电器中使用，可不重点考虑。⑤ 家居其他通信媒介网与接口。一般如RS232、RS485口，由于价格低，在小型家用电器中使用相当广。提供这方面接口，是为满足低价位的组网方式。另外可提供一些模拟接口，如仿真Modem口等，主要考虑到其他电器接口方式。

2. 硬件平台

　　家居网络中心的主要功能在于网络，因而可选择具有较强通信处理能力、价格适当的微处理器作为主要的控制器，如Power PC、ARM等，配以各个网络接口芯片，如Internet宽带接入、蓝牙技术、LAN总线等。现在，这些功能是组合的，未来的发展方向应是系统芯片SOC（System on Chip）。
3. 软件模块
　　 软件包括2部分:家居网络中心的系统软件和运行于家用电脑上的家居智能控制软件。家居网络中心的软件平台有2种：一是购买通用操作系统软件；二是利用Linux软件进行裁减开发。最好采用Linux，因源代码开放，可以按照需要对系统结构进行改动，形成专用的操作系统，更能发挥系统硬件功能。

4. 网络体系结构

　　家居网络中心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，对于家居网络存在多种不同网络通信媒介。我们提出一个类似于IP协议的家居网络体系。家居网络体系可分三层，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介中的选择通路，确定数据流通媒介，可通过地址识别或其他方式；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，实现不同通信媒介的数据统一交换。另外，还要注意解决家居网与Internet的TCP/IP协议实现数据交换。
　

三、 总结

　　Home.Net模型/架构体系只是提出一个大概的开放的模型/架构网络体系结构构思，无论在硬件与软件平台上都很浅显，须要更进一步在技术上、结构上等多方面进行补充、提高、充实。本文希望能够在这方面做一个抛砖引玉的作用。
　　Home.Net模型/架构包含内容较多，主要是有关网络方面的技术。有些技术还正在发展，而且系统包括硬件平台与软件平台的开发。如何在现有条件下，保证项目资金来源、人力资源、技术资源、开发设备资源、开发时间要求等，都要考虑到。如要开发，该项目可分4大步骤：① 调研国内外的有关技术情况，分析市场需求情况，消化技术，包括硬件与软件、网络技术等，在此基础上提出完整的模型/架构，论证可行性。② 选定与设计硬件平台，并制作调试平台，编写各个设备的驱动程序，为下一步软件开发做准备。③ 软件操作系统的开发，采用何种系统，以及系统内部特别是网络软件如何设计等。④ 在硬件与软件平台上，编写应用程序，包括普通电脑部分的应用程序。