（通信与信息系统专业论文）基于GPRS网络的信息家电远程监控系统的设计与实现.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 基于g p r s 网络的信息家电远程监控系统的设计与实现 摘要 步入2 1 世纪，现代人对居所环境的追求有了观念上的转变。开始由对物质层面上 的宽松环境、豪华装修转变为对精神层面上安全便捷的服务、开放的信息交互等软内容 的追求。这直接推动了家庭网络的发展。 信息家电是目前r r 界的一大热点，撰写本文旨在阐述实现信息家电控制信息远程 无线传输的方法。本文介绍了信息家电及家庭网络的概念和目前国内外的发展现状，阐 明了发展家庭网络的必要性，通过综合比较了现有的各种家庭联网技术，。得到无线组网 是未来家庭网络的发展趋势这一结论。在此结论基础上，研究了以家庭网关为核心构建 无线家庭局域网的方法，通过详细探讨了g p r s ( 通用分组无线业务) 技术，并针对在家 庭网络中实现对信息家电的远程控制这一要求，本文提出了一种基于g p r s 模块的信息 家电控制信息无线传输系统的设计方案，该设计方案的数据传输方式依托中国移动公司 的g p r s 移动通信网络，数据传输按流量计费并可以永远在线，更加经济合理。 控制中心服务器是整个传输系统在h t e m e t 部分。用户可以通过控制中心服务器获 得家中的各个信息家电的运行状态或者远程控制家中的信息家电。通用网关接口 ( c 0 m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ，c g i ) 是一个w 曲服务器主机提供信息服务的标准接口，使 w e b 服务器能够执行应用程序并将它们的输出，如文字、图象、声音等传送给个w e b 浏览器。c g i 程序为用户提供了这样一个图形式的界面。 本文的工作重点主要放在家庭网关和控制中心服务器的开发，主要的技术突破是将 g p r s 无线接入技术与嵌入式家庭网关技术相结合。选择嵌入式开发板和g p r s 模块搭 建家庭网关的硬件平台，并基于嵌入式l i n u x 软件平台开发g p r s 模块驱动程序和基于 h n u x 操作系统开发w e b 服务器及c g i 程序，实现了家庭网关的无线h t c m e t 接入和信 息家电的远程监控。该系统能实现具有无线传输、实时在线、稳定可靠、成本较低等优 点。 关键词：信息家电；家庭网络；g p r s ；家庭网关；嵌入式l m u x 操作系统 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no fr e m o t e c o n t r o l l i n gs y s t e mo fi n f o r m a t i o na p p l i a n c e b a s e do ng p r sn e t w o r k a b s t r a c t e n t e r i n gt h e 2 1c e n t u r y , t h em o d e mb e g i nt oc h a n g et h e i ro p i n i o n sa b o u tl i v i n g e n v i r o n m e n t t h e yb e g i nt or e f e rt ot h es p i r i tc o n t e n t ，s u c ha ss a f ea n dc o n v e n i e n ts e r v i c e ， i n t e r l i n k a g ew i t ht h eo u t s i d en e t w o r k ，r a t h e rt h a nt h em a t t e rc o n t e n t ，s u c ha sb i gr o o mo r l u x u r yf i t m e n t t h i sc h a n g ea i d st h ep r o g r e s so ft h eh o m en e td i r e c t l y t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st oa c h i e v et h er a d i ot r a n s m i s s i o no fi n f o r m a t i o na p p l i a n c e ( 1 a ) c o n t r o l l a b l ei n f o r m a t i o n t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h ec o n c e p to f i aa n dh o m e n e t w o r k i n g a n dt h e i rd e v e l o p m e n ti nt h ew o r l d ，d e s c r i b e st h en e c e s s i t ya n di m m i n e n c eo f d e v e l o p i n g t h eh o m en e t w o r k i n g c o m p a r i n gs o m ek i n do fa v a i l a b l eh o m en e t w o r k i n gt e c h n i q u er e s u l t s i nt h ec o n c l u s i o nt h a tr a d i oi st h et r e n do fh o m en e t w o r k i n g i nt h i sp a p e r ，h o m eg a t e w a y , w h i c hi st h ek e yd e v i c ei nh o m en e t w o r k i n g ，i sd i s c u s s e dw i t ht h ee m p h a s i so ni t s d e f i n i t i o n ，f u n c t i o na n dc o n s t r u c t i o n t h eg p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) i sd i s c u s s e d i nd e t a i l s a i m i n ga tt h er e q u i r eo fi ar e m o t ec o n t r o li nh o m en e t w o r k i n gap r o j e c to fi a c o n t r o li n f o r m a t i o nw i r e l e s st r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do ng p r si sd e s i g n e d ，e s p e c i a l l yt h e i ar e m o t ec o n t r o lt e c h n o l o g yt h r o u g hh o m eg a t e w a yi sd i s c u s s e d t h em e a n so f d a t a t r a n s m i t t i n gi nt h i sp r o j e c ti sg p r sn e t w o r k i n go fc h i n am o b i l e t h es c h e m eo ft h ec h a r g e b a s e do nt h ef l u xo fd a t aa n da l w a y so n l i n ei sc h e a p e ra n dm o r er e a s o n a b l e t h ep a r to fi n t e m e to fe n t i r et r a n s m i s s i o ns y s t e mi sc o n t r o lc e n t e rs e r v e r t h eu s e rc a n o b t a i nt h er u n n i n gs t a t eo fi ao rr e m o t ec o n t r o li ab yc o n t r o lc e n t e rs e r v e r c g ii sa s t a n d a r di n t e r f a c eo fw e bs e r v e ra f f o r di n f o r m a t i o ns e r v i c e ，w e bs e r v e rc a ne x e c u t e a p p l i c a t i o na n dt h e i ro u t p u tc a nb et r a n s m i t t e dt ow e bb r o w s e r c g ip r o g r a m m ea f f o r d a g r a p h i ci n t e r f a c ef o rt h eu s e r t h ef o c u so ft h i sp a p e ri sp u to nt h ed e v e l o p m e n to fh o m eg a t e w a yp a r ta n dc o n t r o l c e n t e rs e r v e r , a n dt h em a i nb r e a kt h r o u 【g l li st h ec o m b i n a t i o no fg p r sw i r e l e s sa c c e s s t e c h n i q u ea n de m b e d d e dt e c h n i q u ei nt h eh o m eg a t e w a y t h ep l a t f o r mi sc o n s t r u c t e db yt h e e m b e d d e dd e v e l o p m e n tk i t ，g p r sm o d u l e t h ed r i v e ro fg p r sm o d u l ei sd e v e l o p e db a s e d o nt h ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m t h ew e bs e r v e ta n dc g ip r o g r a m m ea r e d e v e l o p e db a s e do nt h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e m t h ef u n c t i o no fw i r e l e s si n t e m e ta c c e s sa n d 1 ac o n t r o ls i g n a l i n gt r a n s m i s s i o nh a v eb e e nf i n a l l ya c c o m p l i s h e d t h es y s t e mi sp r o v i d e dw i t h t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr a d i ot r a n s m i s s i o n ，a l w a y s - o n l i n e ，s t a b i l i z a t i o n ，r e l i a b i l i t ya n dl o wc o s t 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t k e yw o r d s ：i n f o r m a t i o na p p l i a n c e ：t h eh o m en e t ：g p r s ：t h eh o m eg a t e w a y ；t h ee m b e d d e d l i n u x o p e r a t i n gs y s t e m 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：缟趣 e t 期：弦“f 6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保鳍、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 很早以前人们对未来家庭就有过这样的设想：全自动化控制，坐在家里一键上网无 所不能。随着网络技术、通信技术和微电子技术的飞速发展，信息化、智能化的浪潮正 在席卷世界的每个角落，互联网、个人电脑和以信息家电为代表的各种数字化家用设备 逐渐进入家庭，人们在家中进行多种设备资源和信息资源的共享成为现实，人们的生活 因互联网络而变得越来越舒适。 1 1 信息家电系统概述 1 9 9 9 年3 月8 日，比尔盖茨在深圳宣布了“维纳斯”计划，将机顶盒引入了国内 市场。接着，中科院北京软件工程研制中心针对“维纳斯”计划推出了一个“女娲”计 划，一时间，信息家电风起云涌，成为世人瞩目的焦点。 1 1 1 信息家电的概念【1 】 信息家电也叫i n f o r m a t i o n a p p l i a n c e ( i a ) ，即网络家电，是以计算机为平台、集声、光、 图像于一体的一种家用电器。它通过先进的信息技术和家电控制技术，使现有产品能够 充分利用当前可用的信息资源，对家电进行简单方便的远程调控，并使其能够自动化、 智能化的进行自我维护，是集计算机的某些功能，如视听功能、通信功能、上网功能于 一体的新型家电。信息家电实质上就是电脑化的家电，支持某种统一的通信协议和控制 协议，用以接收、发布和处理信息，使之成为网络终端，甚至成为信息处理终端，是为 兼顾人们日常生活多种需要( 如娱乐、教育、通信、上网、理财等) 而开发的新产品。信 息家电继承了传统家电简单、方便、实用、耐用的特性，同时，信息家电又增加了许多 新的功能。 1 网络化。一般信息家电都具有网络接入能力，有的甚至就是网络终端，信息家电 还可以通过家庭局域网连接在一起，并通过家庭网关接入互联网。 2 智能化。信息家电内部固化了c p u 、操作系统和应用软件使之智能化，可以根 据环境的不同自动做出响应，例如，智能空调可根据不同的地域、季节和气候自动调整 工作状态。 3 。开放性、兼容性。由于用户家庭的信息家电可能来自不同的厂商，信息家电平台 必须具有开放性和兼容性。 4 嵌入式软件。信息家电中应包含有嵌入式软件，它易于修改和升级，可以方便的 实现特定的功能。 总之，信息家电是网络上的家电，而不是p c 的外设。从广义上讲，信息家电包括 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 机顶盒、w e b 游戏机、w e b 电视、w e b 电话、掌上电脑、手持p c 等，电冰箱、洗衣 机、微波炉等传统家电植入数字网络技术也是未来信息家电的主要发展方向。例如，网 络冰箱可根据冰箱内食物的消耗情况，自动向超市发出订单；网络微波炉可以自动从网 络上载最新的食谱等。 1 1 2 信息家电技术简介 信息家电主要是由嵌入式处理器、相关支撑硬件( 血口显卡、存储介质、通信设备、i c 卡或信用卡的读取设备) 、嵌入式操作系统以及应用层的软件包组成。信息家电的本质 是：从现有的移动通信设备及传统个人电脑中剥离出一些常用功能，再与数字技术和网 络技术紧密结合，使之以一种更简单精巧的分解形式渗入到诸多的实体中，从而将计算 机与家电设备完美融合。 1 1 2 1 嵌入式技术 信息家电的发展动力在于嵌入式技术的应用。嵌入式技术应用就是在消费类电予设 备、通信设备及各种电子娱乐设备中安装嵌入式c p u 芯片，并在其中固化特有的嵌入 式操作系统，由该操作系统通过运行相应的应用程序来对加装嵌入式系统的设备进行控 制和管理，使该设备具有相当的智能。嵌入式操作系统和性能优越的微处理器芯片及相 关的硬件设备是未来信息家电系统的重要组成部分，软件与硬件的完美结合，保证了信 息家电的平稳运行。其中，嵌入式操作系统是软件运行的基础，是信息家电的“中枢神 经系统”。从上个世纪八十年代起，国际上就开始进行一些商用嵌入式系统和专有操作 系统的开发。现在国际上用于信息家电系统的嵌入式操作系统有4 0 种左右【2 l ，最著名的 有：w i n d o w sc e ，p s o s ，t h r e a d - x ，v x w o r k s ，p o c k e tp c ，p a l mo s ，h o p e n ，l i n u x 等。目前广泛应用的是微软w i n d o w s c e 操作系统，其中文舨w i n c e 更受到中国厂商的 欢迎，市场上的国产掌上电脑几乎全部使用这种操作系统。但它费用较高，应用程序庞 大，占用内存过多，源代码不公开，用户不能根据自己的需要定制，从技术角度讲，不 能算一个优秀的嵌入式操作系统。而l i n u x 作为一种可剪裁的类u n i x 操作系统，是一 种前景非常看好的嵌入式操作系统。这是因为l i n t l x 是一种完全免费的开放源代码的操 作系统，它的内核更小更稳定，可剪裁性好，功能强大，遍布全球的众多l i n u x 爱好者 又为l i n u x 开发提供强大的技术支持，这使得l i n u x 的发展速度比任何一种操作系统都 迅速。作为一个跨平台的操作系统，l i n u x 可以支持二三十种c p u 。目前已有众多家电 、世的芯片厂商都开始做l i n u x 平台的移植工作。 1 、2 2 信息家电互操作技术f 3 】 信息家电之佃j 如何通信、如何调用其它设备所提供的服务，这些都涉及到互操作的 问题。常见的互操作技术有以下几种： 1 h a v i ( h o m ea u d i ov i d e oi n t e r o p e r a b i l i t y ) 体系：以s o n y 为首的同欧八家i t 企业联 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 合推出的面向家庭网络的软件规范，是关于家庭网络中音频视频电子产品的互联和控制 方面的标准。它建立在i e e e l 3 9 4 的底层协议基础上，主要实现h a v i 设备间的数字音 频视频内容的传送及对该内容的操作，如播放、录像、回放等。互操作性是h a v i 标准 的主要特点，一个h a v i 设备上的应用软件可以探测并直接使用联入h a v i 网络上其它 设备所提供的功能。 2 j i n i 技术：s u n 公司推出的种基于j a v a 且具备即插即用功能的分布式计算环境， 利用j a v a 的远程调用方法来使用其它设备提供的服务。它可以使各种设备不需预先配置 和安装便可在任何时间地点加入网络，并能和网络中已有的各种软硬件一起协调工作完 成分布式计算。j i n i 体系结构的目的是让网络上的成员能方便的共享彼此的资源。 3 h o m ea p i 技术：由m i c r o s o f t ，i n t e l ，p h i l i p s 等公司发起的h o m ea p i 工作组研 发，h o m ea p l 与其它方案的不同之处就在于它定义了独立于协议的a p i 和通用的编程 模型，可以在很大程度上补充其它方案。 4 o s g i ( o p e ns e r v i c eg a t e w a yi n i t i a t i v e ) 开放服务网关：是由e r i c s s o n 、s u n 、a l c a t e l 、 c i s e o 、i b m 、n o r t d 、s i e m e n s 、h p 、o r a c l e 、p h i l i p s 、m o t o r o l a 、l u c e n t 等电信、计算 机、电器巨人发起建立的一个工作组和开放式论坛，主要是为连接因特网上的商业服务 和下代智能电器定义一个开放的标准。因此，o s g i 将成为智能信息家电平台服务标 准。o s g j 规范的3 个主要方面是；多种服务、广域网络及局域网络、设备。o s g i 侧重 于从远程服务提供商到本地设备之间端到端的完全解决方案。由于o s g i 规范专注于提 供一个开放的应用层和网关接口，因此它实现和加强了当前所有的局域网标准和规范， o s g i 规范的核心就是作为许多通讯服务平台的服务网关【4 】。 本文参考了o s g i 体系，通过建立家庭网关作为家电服务平台来实现信息家电的远 程控制。 1 1 3 信息家电发展概况及前景展望【5 】【6 】 1 9 7 7 年美国华纳电缆通讯公司开发了最早期的q u b e ( 库9 2 ) 交互电视系统，它在有 线电视基础上提供按次收费的家庭购物和m t v 等节目，每个库贝用户的电视机上都有 一个机顶盒，供用户输入选择、接收、拒绝等控制信息，这是早期的信息家电产品。历 经3 0 多年的技术发展，人们通常所说的机顶盒尽管采用了许多新技术，增加了新功能， 如接收数字电视和因特网浏览等，但仍然不能从根本上满足目前迅速发展的数字化信息 家电控制及网络化的需求。真_ _ f 意义上的信息家电是那些易于使用、价格便宜且具备通 信功能的专用型产品。如今，以微软发布“维纳斯”计划为契机，国内外掀起了信息家 电的热潮。国外方面，日本的富士通、佳能、夏普、先锋、三菱电机、松下电器及三洋 等公司己共同宣布开始进行信息家电网络服务器的实际测试，松下电器已开发出具备 a d s l m o d e m 和c a b l e m o d e m 等高速因特网接入方案的家用网关“x h g w l 0 0 ”，日立公 东北走学硕士学位论文 第一章绪论 合推出的面向家庭网络的软件 ! i j 范，是关于家庭网络中音频，视频电子产品的互联和控制 方面的标准n 它建立在i e e e l 3 9 4 的底层协议基础上，主要实现h a v i 设备问的数字音 频，视频内容的传送及对该内容的操作，如播放、录像、i 旦| 放等。互操作性是h a v i 标准 的主要特点，一个h a v i 设备上的应用软件可以探测并直接使用联入h a v i 网络上其它 设备所提供的功能。 2 j i n i 技术：s u n 公司推出的种基于j a v a 且具备即插即用功能的分布式计算环境， 利用j a v a 的远程调用方法来使用其它设备提供的服务。它可以使各种设备不需预先配置 和安装便可在任何时间地点加入网络，并能和网络中已有的各种软硬件一起协调工作完 成分布式计算。j i n i 体系结构的目的是让网络上的成员能方便的共享彼此的资源。 3 h o m ea p i 技术：由m i c r o s a f t ，i n t e l ，p h i l i p s 等公司发起的h o m ea p i 工作组研 发，h o m ea p i 与其它方案的不同之处就在于它定义了独立于协议的a p i 和通用的编程 模型，可以在很大程度上补充其它方案。 4 o s o i ( o p e ns e r v i c eg a t e w a yi n i t i a t i v e ) 开放服务网关：是由e r i c s s o n 、s u n 、a l c a t e l 、 c i s c o 、i b m 、n o r t e l 、s i e m e n s 、h p 、o r a c l e 、p h i l i p s 、m o t o r o l a 、l u c e n t 等电信、计算 机、电器巨人发起建立的一个工作组和开放式论坛，主要是为连接因特网上的商业服务 和下一代智能电器定义一个开放的标准。因此，o s g i 将成为智能信息家电平台服务标 准。o s g i 规范的3 个主要方面是：多种服务、广域网络及局域网络、设备。o s g i 侧重 于从远程服务提供商到本地设备之间端到端的完全解决方案。由于o s g i 规范专注于提 供一个开放的应用层和网关接口，因此它实现和加强了当前所有的局域网标准和规范， o s g i 规范的核心就是作为许多通讯服务平台的服务网关f 4 】。 本文参考丁o s g i 体系，通过建立家庭网关作为家电服务平台来实现信息家电的远 程控制。 1 1 3 信息家电发展概况及前景展望1 5 】1 6 i 1 9 7 7 年美国华纳电缆通讯公司开发了最早期的q u b e ( 库贝1 交互电视系统，它在有 线电视基础上提供按次收费的家庭购物和m t v 等节目，每个库贝用户的电视机上都有 一个机顼盒，供用户输入选择、接收、拒绝等控制信息，这是早期的信息家电产品。历 经3 0 多年的技术发展，人们通常所说的机顶盒尽管采用了许多新技术，增加了新功能， 如接收数字电视和【越特嘲浏览等，但仍然不能从根本上满足目前迅速发展的数字化信息 家电控制及网络化的需求。真正意义上的信息家电是那些易于使用、价格便宜且具各通 信功能的专用型产品。如今，以微软发布“维纳斯”计划为契机，国内外掀起了信息家 电的热潮。国外方面，日本的富士通、佳能、复普、先锋、三菱电机、松下电器及三洋 等公司己共同宣布开始进行信息家电网络服务器的实际测试，松下电器已丌发出具备 a d s l m o d c m 和c a b l e m o d e m 等高速因特网接八方案的家用网关“x - h g w l 0 0 ”日立公 a d s l m a d e m 和c a b 】e m o d e m 等高速因特网接入方案的家用网关“x - h g w l 0 0 ”，月立公 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 司也宣布开始发售i n t e r n e t 家电；美国的i b m “n e tv i s t a ”信息家电桌上型计算机演示 产品已于2 0 0 0 年底出炉。国内方面，2 0 0 1 年初，科龙研制的“现代家居信息服务及智 能集散控制系统”在京通过专家鉴定：清华同方开发了以“智能家居集中控制器”为核 心的智能控制管理系统，加载上一个社区物业管理及综合信息服务平台构成“e h o m e 数字家园”，海尔集团最近也推出了“整体网络家电”。虽然信息家电产业发展的如火如 荼，但目前国内外对信息家电技术的研究尚处于起步、准备阶段，推出的大多属于概念 性演示产品，功能比较简单。然而，家电信息化是2 1 世纪科技发展的一大趋势，随着 信息家电技术的不断发展成熟，信息家电产业即将成为全球经济的支柱产业。据权威部 门预测，1 0 年后，信息家电的销量将是电脑的1 0 倍，2 0 0 4 年国际智能家居和相关信息 家电产品的销量可达1 4 8 亿美元，到2 0 0 5 年将有5 2 亿设备能够联网，其中信息家电将 是主要的联网设备。另一项国内调查显示，中国几乎所有城市都有5 0 以上的消费者倾 向于购买信息家电。 从上述国内外发展情况来看，信息家电将是日后家电发展的主方向。尽管中国信息 家电在有关核心技术、独立产品等多方面落后于发达国家，但由于国内外都处于探索阶 段，尚未形成垄断，同时国内又有潜在的庞大的消费群体。因此，国内的芯片设计制造 商、嵌入式软件供应商、信息家电制造商、信息服务运营商正面i 临难得的市场机遇，国 内业界应该联合起来共同推动信息家电在中国的应用和发展。 1 2 信息家电与家庭网络1 7 j 网络应用的普及以及各种信息家电的产生都使得在家庭内部对i n t e r a c t 的访问不再 局限于单个p c ，每个家庭都将面临着如何在家庭内部传送i n t e m e t 宽带业务以及如何将 各种信息家电连接起来的问题。基于此，家庭网络应运而生。家庭网络是信息社会的基 本单元，是信息家电系统的骨骼。未来的家庭中，各种信息家电将组成一个家庭局域网， 并通过家庭网关接入互联网。家庭网络的市场发展潜力及其可观，欧美等国家正在着手 全面普及家庭网络，预计今后将有近1 亿的家庭构建家庭网络，几家大的厂商如i n t e l ， i b m ，l u c e n t ，m i c r o s o f t ，c o m p a q 及s o n y 等，都早已涉足其中峭j 。 1 2 1 家庭网络构架 家庭网络是通过建立统一的高速网络结构和平台，以灵活的接入方式来实现高可靠 性、低成本、灵活性强的音频、视频及交互控制等信息的传递，为家庭住户提供各种信 息服务。家庭网络的出现，改变了家庭用户作为单一网络终端的传统结构，未来家庭网 络结构如图1 1 所示。 家庭网关是家庭网络与i n t e m e t 间的接口，是家庭网络的核心部件。家庭网关将与 家居生活有关的各种子系统有机的结合起来，是一个兼容性很强的智能家居中央处理平 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 台。家庭网关主要完成媒体转换、速率匹配、防火墙、加密证实、i p 地址获得、地址解 析、系统管理等功能。 图1 1 未来家庭网络结构 f i g 1 1 t h ea r c h i t e c t u r eo fh o m en e t w o r k 家庭网络中的信息家电本质上都是内置了c p u 的嵌入式设备，这些设备的应用程 序都包含了一个独立的通信任务：监测该设备中预先定义的各个变量并将结果反馈到家 庭网关：同时还可以解释家庭网关发出的命令、修改设备中的变量或进行某种控制。这 样，通过增加一个家庭网关，就解决了嵌入式设备接入i n t e r a c t 的问题。 1 2 2 家庭网络设备的连接 由信息家电构成的家庭网络的设置与一般公司的网络设置不同，家庭网络最重要是 将设备脚彼此连接并进行相关的运用。家庭网络中设备连接技术分为有线和无线两种方 式。有线方式数据传输速率高，可靠性强，但灵活性差，布线复杂；无线方式便于移动 设备的联网，非常灵活，但速率相对较低，抗干扰性和安全性也是要解决的问题。其中 i e e e l 3 9 4 和蓝牙是目前较热门的发展产业。 12 21 有线连接 1 电话线。遵循家庭电话线连网电器( i - i o m ep h o n e l i n en e t w o r ka p p l i a n c e ，h p n a ) 标准。该技术不需要增加新的电缆，成本很低，尤其适合连接固定的家电设备，缺点是 带宽较低，不适于传输高速数据，若不是每个房间都有电话插座，还需要重新布线。 2 电源线。家庭内的电源系统把各种电器连接起来，因此可使用电源线做传输介质 在信息家电间传输数据。这种方式利用现有的插座就可以使家电联入网络，成本较低。 墨整垄兰壁主兰堡垒墨 笙二童壁垒 缺点是干扰较大，难以满足多媒体数据的传输，目前也没有统一的标准。 3 i e e e l 3 9 4 总线。由a p p l e 电脑公司提出的f i r e w i r e 标准演变而来，它是一种灵活 易用的信息家电和个人电脑互连的高速数据串行总线标准，也是目前获得广泛支持的娱 乐家电联网方案。它定义了介质拓扑和传输协议，懊l 重于线缆连接应用，是一个软硬件 集成标准。它具有完全的数字接口，无需模拟数字转换，减少数据丢失率，接口小，串 行电缆较细，节省空间和费用。此外，它支持热插拔，还拥有传输速率可升级体系，具 有灵活的网络拓扑结构。i e e e l 3 9 4 的同步通信方式可用于多媒体数据传输，异步通信 方式可用于控制信号传输。 1 ，2 ，2 2 无线连接 1 共享无线接入协议( s w a p ) 。利用p c 在家庭的主导作用分配和发布t c p 1 p 协议 信息，解决家庭网络问题。s w a p 提供一个开放的家庭信息平台，使各种可互操作的信 息设备可以进行无线的音频和数据通信，从而建立家庭无线网络。s w a p 覆盖范围约 5 0 m ，支持速率可达2 m b p s ，可支持1 2 7 个节点。但蓝牙技术的出现对s w a p 提出了很 大的挑战。 2 蓝牙( b l u e t o o t h ) 。目前发展最为迅速的短距离无线通信协议，它是一种通过无线 短程链接传送语音和数据的开放性标准，适用于静止或运动的环境。b l u e t o o t h 的最终目 标就是要建立一个全球统一的无线连接标准，使不同厂家生产的各种移动和便携设备在 近距离内都能不用电缆就可阱方便的连接，实现相互操作和数据共享。b l u e t o o t h 的技术 特点是：工作频率2 4 5 g h z ，通信半径1 0 m ( 扩展到1 0 0 m ) ，传输速率1 m b p s 。b l u e t o o t h 适用于多种频率的环境，通过前向约错限制远程连接的频率干扰，其组成包括射频单元、 基带单元和链路控制与管理单元，所有技术和软件集成于微芯片中，可以嵌入到各种设 备中。 本文设计的信息家电控制信息传输系统中，在家庭网络内部采用蓝牙技术组网，就 是沈用蓝牙模块作为信息家电和家庭网关的内部网络接口，在信息家电和家庭网关之间 无线传递控裁信息。 1 2 3 家庭网关唧 1 2 3 1 概念 随着i n t e r n e t 技术被越来越广泛的应用，i n t e r n e t 网络的触角已经遍布了人类足迹所 能到达的角角落落。同时，越来越宽的带宽和不断降低的接入及服务费用也为家庭网络 的接入提供了足够的可能。在各种应用纷纷向i n t e r n e t 靠拢的今天，汇入i n t e r n e t 的海洋 才是避免家庭网络成为一潭死水的唯一出路。家庭网络化是整个社会信息化的个重要 的组成部分。实现家庭内部信息与家庭外部信息的交互，无疑是家庭内部设备连网的目 的所在。要实现这个目的需要一个网关系统，来完成内外网络之间信息格式的转换。这 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 种网关系统应该具有网关和服务器的功能，一方面，家庭网关要支持i n t e r n e tt c p i p 协 议并能提供w e b 服务，从而允许客户远程访问它，此时，它的作用是i n t e r n e t 上的服务 器；另一方面，家庭网关实现广域网和家庭网络之间协议的转换、地址转换和路由等功 能，类似i n t e r n e t 上的网关。在家庭内部，家庭网关实现信息高速网与控制低速网的无 缝连接和协议转换、信息家电及智能设备的中央监控等；对外，家庭网关经t c p p 协 议栈与外部i n t e r n e t 网络通信，为家庭内部网提供w e b 服务，如上网浏览、收发电子邮 件、发布个人主页等，用户还可以在任何地点通过i n t e r n e t 浏览器远程监控自己家中的 信息家电运行参数和状态。 从功能上来看，家庭网关设备具有服务器的功能。不同的人或不同的厂商对家庭网 关f 9 】f 1o 】有着不同的定义。r e s i d e n t i a lg a t e w a yg r o u p ( r g ) 是一个在1 9 9 5 年建立的正式的 工业论坛组织，它率先采用家庭网关来代表一个集中式智能接口，将外部接入网络和家 庭内网络联系起来。r g 的家庭网关定义为：一种简单的、智能的、标准化的、灵活的、 整个家庭网络的接口单元，它可以从不同的外部网络接收通讯信号，通过家庭网络传递 信号给家庭内部某个设备。r g 借助家庭网关的概念，希望能够为集成不同的外部网络 和丰富新的应用提供一个有效的途径。 在过去的几年当中，许多生产厂商努力共同推动家庭网关走出了其概念阶段。同时， 家庭网关被用于代表不同类型的产品，因此也引起了一些混淆。其中已有的产品包括： 网络接口单元设备( 如电话接口盒) 、d s l 调制解调器、电缆调制解调器、机顶盒、结构 布线系统的h u b 、增强的p c 机、结合家庭网络解决方案的宽带调制解调器，提供某些 专门服务的特殊家庭设备，以及r g 所推崇的整个家庭网关产品等。 c i s c os y s t e m 公司的家庭网关定义是：一个在家庭内的网络化信息设备与智能宽带 接入网之阃的智能化网关。2 m i r e 公司的家庭网关定义是：一种将家庭网络无缝连接到 宽带网络，使所有家庭内连网设备同时享有高速连接的设备i 。上面这两种定义都认为 家庭网关是一种将外部宽带网络与家庭内部网络连接的设备。p a r k s a s s o c i a t e s 认为家庭 网关应是：连接一个外部网络或多个接入网络，通过某种类型的家庭网络分配服务给一 个或多个设备的设备。即一个集中式的整个家庭的网关才能视为一个真正的网关。但由 于现有些产品已具备其中的某些功能，而且目前存在许多不同的观点，因此家庭网关 具有一个比较广义或普遍的意义上的定义。 1 2 3 2 家庭网关的类型 家庭网关本质上是连接家庭内部和外部网络的物理接口，是智能家庭网络的核心， 完成家庭内部同外部通信网络之间的数据交换功能，同时还负责家庭智能设备的管理和 控制。家庭网关的最基本形式是将数字调制解调器、家庭网络芯片组及相应软件相结合。 数字调制解调器芯片组提供到不同宽带网络的连接，家庭网络芯片组则提供家电问的互 联技术，运行于家庭网关上的软件使家庭内的信息家电可以实现互操作，弥补和消除了 系统不同单元间的复杂性以及传输技术上的不同。 塑! 垄兰壁主兰堡丝查 苎二主笪堡 家庭网关的实现可以是基于p c 机或非p c 机的。以p c 机为中心拓扑的家庭网络 的特点是：p c 与外设间的通信要求p c 一直处于开机并可以进行通信的状态；它还要求 不能在p c 上运行干扰通信任务的软件和硬件。p c 机体积大、功耗大、成本高，作为家 庭网关，这些特性不适应普通的家庭用户使用。因此，家庭网关一般设计为嵌入式非 p c 机的系统，采用嵌入式i n t e r n e t 技术和高性能微处理器来实现。嵌入式系统以应用为 中心，针对家居控制中心的要求，在软硬件上可定制设计，使之在功能、可靠性、成本、 体积和功耗等各方面满足要求。家庭网关的发展趋势将是由嵌入式微处理器和嵌入式操 作系统构成的嵌入式设备。 1 2 3 3 家庭网关的硬件结构 一个家庭网关的硬件结构如图1 2 所示： 专用嵌入式 鼢ir i 太容量外部 编码解码芯片 处理器 f l s h 存储器 及控制电路 j e强苴北 嚣j e苴北苴 f 翼口fi 燮ii 宾鎏ll 塑i l 控g 制- r 榴el f g t t ) s c l i f 强e 1 3 9 4 ：叠譬毫。无线编码技术 无线局域网“。1 ”“、 电源线等 图1 2 家庭网关的硬件结构 f i g 1 2 t h eh a r d w a r ea w j d t e c t u r eo fh o m en e t w o r k 家庭网关系统接入l n t c m c t 需要解决的主要问题有：实现t c p i p 协议、数据的封装、 编码及发送等，这些问题的解决对嵌入式微处理器性能的要求很高。嵌入式微处理器是 整个家庭网关系统的心脏，一个高性能的嵌入式微处理器才能保证操作系统和应用程序 在其上的j 下常运行。在嵌入式家庭网关中，通常不用硬盘作存储设备，以保证嵌入式设 备的体积最小。f l a s h 存储器就是用来取代硬盘，保存嵌入式操作系统、应用程序及相 关配置参数的，应用程序中需要用到的数据库可以保存在容量较大的外部存储器中。宽 带接口电路实现家庭网关与外部网络的连接，高速、中速和低速接口电路实现家庭网关 与家庭网内部各个信息家电及智能设备之间的通信连接。其他控制电路包括键盘控制 器、显示屏等。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 3 4 家庭网关的软件结构 家庭网关的软件结构如图1 3 所示： 图1 3 家庭网关的软件结构 f i g 1 3 t h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo fh o m en e t w o r k 其中，嵌入式实时操作系统是整个软件系统的核心，它负责进程调度、设备管理、 实时监控、存储管理，并提供蓝牙、i e e e l 3 9 4 、a d s l 等硬件设各的驱动程序。在实时 操作系统层之上可以包括t c p 艘模块、嵌入式数据库、中文环境模块、图形界面等。 a p i 接口设计包括各种中间件( h a v i ，j i n i ，u p n p 等) 软件的设计。为满足用户需要，可 设计出各种应用程序，如d v d 播放器、浏览器、家庭安防、三表抄送、信息家电远程 监控等，以实现家庭网络的智能化。 本文将简要介绍以l i n u x 作为家庭网关上嵌入式操作系统的软件方案。 1 2 3 5 家庭网关的应用及其现有的产品 不同的家庭网关可以提供不同水平和类别约应用。由r g 定义的家庭网关设备可以 使家庭消费者使用几乎所有主要的应用。如t i a 制造的家庭网关可以满足以下几类应 用：远程通讯、i n t e r n e t 接入、远程教育、远程医疗、可视电话、家电管理和集成、安 全系统管理、家庭能源调节和管理、自动计量读表、邻里无绳漫游电话、视频传送和分 配、虚拟v c r 和视频点播、视频交互通讯、c d 点唱机、在线广告和电子公告。集中式 f ) d 9 关倾向于在一个宽带网络上集成视频、音频和语音应用，如高级的机顶盒产品、 m o t o r o l a 的d c t - 5 0 0 0 、s c i e n t i f i c a t l a n t a 的e x p l o r e r 2 0 0 0 、n e x t l e v e lc o m m u n i c a t i o n 的 l p 系列n 3 家庭网关。前两种允许通过h f c 提供集成化服务，最后一种一般应用于v d s l 网络，可为不同终端设备提供声音、视频和数据信号。近来市场上出现一种新型