数字家园系统的研究与设计

摘　要：分析了国内外主要信息家电产品以及家庭组网解决方案、模型的缺点与不足,有针对性地提出了一套低成本的数字家园系统(DHNS)解决方案,描述了本系统的总体构架、社会服务体系和QoS需求,设计了系统的核心技术平台——家居服务器,并对其原理、构架、软硬件模块组成以及通讯协议作了比较详尽的阐述。本系统可灵活地进行高、中、低各种不同的配置,最高配置可覆盖整个家庭和社会服务体系,最低可配置成一个单台的DVD播放机,具有较大的市场前景。指出了本系统存在的问题和进一步的研究目标。 　　关键词：数字家园系统 家居服务器 信息家电 　　数字家园是一个庞大的系统工程,涉及到计算机、通讯、控制、消费电子、住宅建设、金融业等及人类社会生活的方方面面。为了实现各种家用电气设备以及对社会生活的互通互联,一个统一、放开、透明、可靠的标准、协议、网络构架和低成本的实现是推动数字家园系统发展的关键。 　　自信息家电技术问世以来,其组网的标准和协议按主导企业技术背景差异划分,基本上有两大类,一是以计算机通信企业为主导的,二是以家用电器企业为主导的。 　　第一类的代表是开放业务网关OSG(Open Service Gateway),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、白色家电在内的通信,甚至于水、电、气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。第二类很多,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。其比较著名的有Havi、Jini、HomePNA、HomePnP、HomeRF、HomeAPI等。各个标准的侧重点不同,目前谁是主流体制尚不明朗。 　　从国内外发展情况来看,信息家电将是日后家电发展的一大方向,可以说是主方向[1]。但是,迄今过去多年了,信息家电依然难以投入实用,究其原因,除了纷繁的规范和标准让人无以适从外,在具体的实现技术路线上也存在不足,其主要表现在如下五个方面:(1)在网络构架方面,目前的规范和标准还只侧重于家庭内部的网络互联,缺乏对社会服务体系的研究、规划与建立;(2)在技术上采用胖客户机、瘦服务器方案,导致技术过于复杂、成本过高,例如,按照目前的技术路线,即网络冰箱=电脑(PC)+冰箱,其代价相当高昂;(3)设备上网协调性差,部分信息产品自成体系,缺乏完整的系统支持及统一的技术规范,协调性、互连性、共存性很差,家用电脑、冰箱、微波炉、洗衣机等设备的上网缺乏交换设备(Switcher),需要很多外网接口或者出口,无法同时使用;(4)人机协调性差,对目前的信息家电来说,要么只解决了人员上网的问题,要么只解决设备上网的问题,人机无法同时上网;(5)功能比较简单,难以适应各种不同的需求。例如,目前的机顶盒只有一些简单的上网功能,难以满足人们对高品质数字生活的追求。 　　鉴于上述原因,本项目提出了一套以家居服务器为核心的新型数字化家园体系结构DHNS(Digital Home Network System),用以建立相对合理、完善的家庭内部网络以及社会服务体系,以解决家庭人员和各种设备的本地和远程控制、监测、检测、协调上网,尤其是大幅度降低整体信息家电成本以及技术难度等问题,实现家居生活的数字化。 1 DHNS数字家园系统总体构架 DHNS数字家园系统总体构架如图1所示。 图1 DHNS数字家园系统总体构 　　(1)采用基于智能代理技术的胖服务器、瘦客户机设计方案,以大幅度降低信息家电整体成本。 　　现有白色(功能性)信息家电(如网络冰箱、微波炉、洗衣机等)的设计方案基本上是:电脑(PC)+家电,即在白色家电中嵌入一台PC,它们都拥有各自独立的高档CPU(如X86、PowerPC)、显示器、复杂的操作系统、网络调制器、硬盘等组件,因此技术复杂、成本不菲。采用本方案,可将这些信息家电的大部分功能迁移至家居服务器,形成胖服务器、瘦客户机体系。采用移动Agent技术,各种信息家电通过家居服务器的集中管理,对外统一连网、对内协调工作,所有信息(包括程序代码、数据等)均存放在服务器中,浏览也可在家居服务器上完成。而这部分信息家电只需用简单、廉价的单片机进行自身管理以及与家居服务器通讯即可完成上网任务。因此,可完全卸除其复杂、昂贵的高档组件,从而达到大幅度降低成本的目的。 　　(2)采用多功能、模块化设计方案,以适应不同用户的需求,解决人员、设备的上网以及机顶盒功能简单等问题。 　　多功能设计主要体现在家居服务器的设计上,它主要由三大类服务模块组成,即娱乐服务模块、网关服务器模块、通讯与监控服务模块等。各个模块由不同的软硬件组件组成,即插即用、灵活配置,可满足不同层次消费需求。 　　①娱乐服务模块 　　该模块由在线服务模块和独立服务模块组成。在线服务模块可实现网络电影、电视、广播等音视频流媒体的实时播放和录制以及定时录制;独立服务模块指在缺乏社会服务体系服务(即无外网联通)的状态下可独立播放DVD、VCD碟片、播放下载的DVD、VCD、DVB、DAB、MP3、流媒体以及其它文件。 　　②网关服务器模块 　　该模块是数字家园的基本服务模块,对内可驳接家庭网络,对外作为网关使用,连接社会服务体系,支持如下服务:网络连接、防火墙、数据存储、家用电器的智能主体代理、文件管理、Internet等,解决设备及人员上网问题。 　　③通讯与监控服务模块 　　该模块主要支持以下服务:电话监控、来电显示、录音、IP电话、传真;家庭监控:防盗、火灾、煤气等灾害的监测和报警,水、电、气数据的检测,灯光、窗帘、电饭锅、门窗等家庭低端设备的本地和远程控制等。 　　(3)采用简单的人性化操作界面设计方案,以实现“一开就用、一学就会”的目标,解决大众使用难题。 　　用可编程蓝牙掌上电脑为技术平台取代服务器键盘,将其界面定制成简单、易学、易用的形式,它通过与服务器的无线通讯,即可实现遥控服务器的目的,界面可由用户独立定制,也可从远程服务中心下载定制的PDA遥控新菜单。 　　(4)建立完善的社会服务体系(如图1所示)。 　　DHNS构架的数字家园网络系统的抽象特征是:以基于智能代理技术的胖(fat)服务器为核心技术平台,支持如下服务:(1)完善的社会服务体系;(2)高质量、多功能语音通讯;(3)Internet冲浪;(4)音视频娱乐;(5)传统数据网络;(6)网络游戏;(7)安全监控与报警、各种数据的监测与检测等;(8)各种家庭电气设备的本地、远程控制以及自动控制。它与普通PC网络最根本的区别就是:一开就用、一学就会,而PC难学难用。 　　支持上述业务或者部分业务的家庭网络系统均可定义为DHNS构架信息家居系统。 2 家居服务器的设计与研制 　　家居服务器作为数字家园系统的核心技术平台,对于该构架的实现起着至关重要的作用。家居服务器主要由软件和硬件部分组成。 2.1 硬件研制 　　(1) 硬件模块组成 　　家居服务器硬件总体结构如图2所示,主要由5大功能模块共12个子模块组成,即广域网接口模块(电话Modem、ADSL Modem、Cable Modem、以太网适配器)、中央处理系统、内网数字总线接口模块(高、中、低速通讯总线)、模拟音视频模块、外部设备模块(包括DVD驱动器、硬盘、内存、RS232、RGB接口等)、遥控模块(专用蓝牙遥控收发器模块、蓝牙掌上遥控器)等组成。 　　(2) 硬件模块基本描述 图2 家居服务器硬件结构 　　中央处理系统:该单元是服务器的关键模块,它以X86 CPU为核心,完成对整个系统的管理、监控、计算与调度等功能。 　　广域网接口组件:该模块由电话Modem、ADSL Modem、Cable Modem、以太网适配器等组成,其中电话Modem是必备模块,其余三种适配器是可选安装模块。系统通过广域网组件可实现对家庭外部网络的驳接,连接社区、Internet、电话网络等社会服务体系,并组成电话监控子系统。 　　内网数字总线接口组件:它由高、中、低速三个总线接口模块组成。高速模块由IEEE1394模块和以太网适配器组成,IEEE1394最大传输速率可达400Mbps,传输距离为4.5m,可驳接未来的HDTV、SDTV、DVD、数字音响、可视电话、数字摄像机等;中速模块采用蓝牙模块和USB,蓝牙异步通讯速率最大可达为723kbps,同步语音速率为64kbps,USB最大速率为12Mbps,可驳接网络冰箱、洗衣机、空调、家用机器人、电脑、IP电话及其外设等设备;低速总线系统模块采用无线FSK编码技术,最大数据传输速率为4.096kbps,可驳接煤气、防盗、火灾等各种传感器以及对灯光、门窗等设备的控制,组成家庭低端设备网络子系统。 　　模拟音视频接口组件:分别为一路由双声道和5.1声道解码器、AV视频接口组件、S-Video视频接口组件等组成,可驳接现有主要的音视频终端。 　　外部设备模块组件:主要有硬盘、内存、DVD驱动器、RGB适配器、RS232、I/O等。 　　遥控组件:由蓝牙掌上遥控器和蓝牙收发器组成:蓝牙掌上遥控器是在一个具有蓝牙无线传输功能的可编程掌上电脑开发的,操作系统为WinCE。它可轻松完成对各种复杂功能的家居系统的控制,其程序可由用户自行编制,也可在厂商服务网站里下载定制,具有“一开即用、一学就会”的特点。 2.2 系统软件设计 2.2.1 软件体系结构 　　系统软件结构及其组件如图3所示,共由五层组成,即应用层、管理决策层、中间件/环境运行层、信息资源层、操作系统层和驱动程序层组成。 图3 家居服务器软件结构 2.2.2 软件结构基本描述 　　(1) 应用层 　　应用层以Java的应用开发平台为主,它包括DVD、VCD、流媒体(实时网络广播、电视、电影、音乐)的播放与录制、定时录制、IP电话和电话、可视电话、监控监测、小区热线联系、移动Agent、网页浏览、设备注册、文件管理等各种应用。 　　(2) 中间件/运行环境层 　　介于应用与操作系统平台之间,为应用程序提供一个相对统一的开发环境和运行环境,插入Java解释器、HTML解释器、防火墙、MySQL数据库系统。 　　中间件技术是软件的关键环节之一,本系统开发了Jini技术中间件。实施各种设备网络互连和管理,集成了音视频设备、Modem、网关防火墙、报警监控检测、家用电脑、白色家电、各种软件服务等应用的控制检测机制,将这些设备连接到控制决策系统,提供各种服务的发现、注册、租借、查找和控制等事务。 　　(3) 逻辑资源层 　　处于这一层的软件均为可选择安装的模块,可以根据特定的环境选用,这一层中主要的模块有中文环境、界面系统、TCP/IP模块。 　　(4) 操作系统层 　　基本操作系统层。目前的嵌入式操作系统有Linux、PSOS、OSopen、WinCE、QAX等,嵌入式操作系统应当完成普通OS的大部分功能如进程管理、线程管理、内存管理、文件系统等,本系统选用了Linux操作系统。 　　(5) 通讯API层 　　通讯API层是对家居服务器平台根据不同系统的设备驱动规则,为应用程序提供透明的、规范的控制机制所采用的软件接口,其实现方式由操作系统的核心完成,一方面完成相应设备控制寄存器、中断的设置,另一方面完成设备的数据处理和存储空间管理。系统提供了大量的设备驱动,包括RS232、USB、IEEE1394、ADSL、Cable Modem、电话Modem、Bluetooth、以太网、磁盘、光驱、显示器等设备驱动,并且具有可扩展性。 3 内网通讯协议 3.1 低速总线系统通讯协议 3.1.1 接口规范 　　低速无线通讯机工作在40.68MHz,采用二进制调频(FM)、单向单工传输模式以降低收发信机的复杂性,带宽为1MHz。数据以速率4.096kbps传输,使用高斯二进制FSK模式,二进制1代表正频偏,0代表负频偏,最大频偏20kHz。空中接口规范建立在天线电平0dbm基础上,理想连接范围为0.1～10m,所发射的电场强度在距设备3m处不超过1000μV/m(采用平均值检波)。信号发射间隔:防盗热线信号每1.5min随机发射一次,其它热线信号发射间隔为每10min随机发射一次,数据信号每24h随机发射一次,持续时间不大于1s。 3.1.2 分组数据格式 　　在低端总线系统中的分组和消息全部遵循Little Endian格式,其规则为:b0代表最低标识位(LSB),LSB是第一个发送位,MSB是最后发送位。数据在网络中以分组形式传输,其标准格式如图4所示。 图4 低端设备数据分组标准格式 　　(1) 功能识别码 　　最低3位分别表示:000-注册,001-数据发送,010-热线信号,011-设备撤除,100-报警,其余保留。该信息用1/3的前向纠错码编码形成9位编码格式。 　　(2) 头 　　分组头包含链路控制信息,由5个字段组成,如图5所示。 图5 头字段分组数据格式 　　设备地址码:48位,形成全球唯一地址码,通过对地址码的识别,系统可有效地抵御来自左邻右舍无线同频信号的干扰;设备类型码:4位,定义设备种类;优先权码:4位,定义信息的优先权;数据类型码:1位,0表示开关量,1表示模拟量,对于开关量数据,用000表示逻辑0,111表示逻辑1;HEC:7位,头错误校验。分组头用1/3的前向纠错码编码形成192位编码格式。头信息中的前4个字段在系统初始化时产生。 　　(3) 有效载荷 　　有效载荷长度为0～240位,当功能识别码为:00、10、11时,无有效载荷;当功能识别码为01时,有效载荷由2个字段组成,即头和净荷。头:长度8位;净荷:长度0～24位。有效载荷用1/3的前向纠错码编码形成最大96位的编码格式。 3.2 高中速总线系统通讯协议 3.2.1 接口规范 　　内网高、中速总线接口规范分别遵循IEEE1394、CSMA/CD、USB、Bluetooth、IPv4等标准及接口规范。高、中速通讯是双向双工通讯模式。 3.2.2 信源编码格式 　　在高、中速总线系统里的分组和消息全部遵循Little Endian格式。数据在系统中以分组形式传输,其标准格式如图6所示。由于这部分通讯模块中,数据的传输得到了IEEE1394、CSMA/CD、USB、Bluetooth等标准的质量保障,因此,分组不加额外保护。 图6 高、中速总线系统分组标准格式 　　(1)功能识别码 　　长度为一个字节(8位),高4位保留,最低4位分别表示:000-注册;0001-数据发送;0010-热线信号;0011-设备撤除;0100-报警,报警内容在有效载荷中指出;0101-网上维修请求,故障内容在有效载荷中指出;网上定购请求,定购内容在有效载荷中指出;0110-设备运行状态,运行状态在有效载荷中指出;0111-设备控制状态报告,设备控制状态在有效载荷中指出,有效载荷中000为设备开、001为设备停机、010为设备休眠;其余全部保留。 　　(2)头 　　头字段包含设备本身信息,由优先权码(4位)、设备编码(28位)、设备型号(8位)、出厂日期(8位)组成。 　　(3)有效载荷 　　该字段由长度字段(16位)、净荷(0～65519位)组成。 4 问题与不足 　　本系统作为第一代基本产品和巨大的社会系统工程,依然存在着为数不少的不足和亟待改进的问题,主要体现在如下几方面:其一,在微观上,Linux尽管是实时操作系统,但它本身却是基于优先权的分时操作系统,内核本身不涉及到线程,而是以进程为处理调度单位,其同步、互斥、通讯机制还比较粗糙,难以满足该系统满负荷实时任务的执行;Linux的Ext2文件系统主要是为小文件处理而设计的,在处理小文件时有很高的效率,但是当处理如视频文件这样的巨型文件时,效率相当低;另外,可支持Linux的语言和控件远远不如Windows丰富;随着IPv6技术的发展,使用IPv6地址作为嵌入式设备全球惟一地址的技术也亟待开发;系统软件结构尚有不足,如中间件(Jini)中的服务发现协议与蓝牙中的服务发现协议有功能上的重叠。这些都需要进一步完善。其二,在宏观上,中间件技术、系统标准与协议只是初步雏形,尚未形成全国公认的、统一的规范,这需要进一步的努力及加大全国内范围的协作。其三,社会服务体系尚待社会各界的认同、支持、建立和完善。