（通信与信息系统专业论文）gprs信息家电控制信息传输系统的研究.pdf

摘要 信息家电是目前i t 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。 本文的工作重点主要放在家庭网关部分的开发，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、g p r s 模块和蓝牙模块搭建家 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 模块驱动程序和应用软件， 实现了家庭网关的无线i n t e r n e t 接入和传输家电控制信息的功能。系统通过调试证明 该解决方案具有无线传输、实时在线、稳定可靠、成本较低等优点，基本实现了既定的 对系统的目标要求。 关键词：信息家电；家庭网络；g p r $ ；家庭网关；蓝牙；嵌入式l i n u x 操作系统 a b s t r a c t 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 t e r n e t a p p l i c a t i o n ( i 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 r d e a l sw i t ht h ec o n c e p t o fi aa n dh o m en e t w o r k i n ga n dt h e i rd e v e l o p m e n t i nt h ew o r l d ，d e s c r i b e st h e n e c e s s i t ya n di m m i n e n c eo fd e v e l o p i n gt 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 d o 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 si nt h ec o n c l u s i o nt h a tr a d i oi s t 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 e i nh o m en e t w o r k i n g ，i sd i s e u s s e dw i t ht h ee m p h a s i so ni t sd e f i n i t i o n ，f u n c t i o n a 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 l i 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 s i sd e s i g n e d ， e s p e c i a l l yt h ei 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 y1 sd i s c u s s e d t h em e a n so fd a t at 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 a m o b i l e t h es c h e m eo ft h ec h a r g eb 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 r a n dm o r er e a s o n a b l e 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 t ，a n d t h em a i nb r e a k t h r o u g hist 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 st e c h n i q u ea n d e 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 m i 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 ea n db l u e t o o t hm o d u l e t h ea p p l i c a t i o n s o f t w a r ea n dd r i v e ra r ed e v e l o p e db a s e do 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 ef u n c t i o no fw i r e l e s si n t e r n e ta c c e s sa n di 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 n h 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 mt e s t i n g i s p r o v e d t oh a v et h e c h a r a c t e r i s t i c s o 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 l z a t i o n ， r e l i a h i l i t ya n dl o wc o s t i t m e e t st h ee x p e c t e dr e q u i r e m e n t k e y w o r d ：i n t e r n e t a p p ii c a t i o n ( 1a ) ：h o m en e t w o r k i n g ；g p r s ；h o m e g a t e w a y b lu e t o o t h ：e m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m g p r s 信息家电控制信息传输系统的研究 0 前言 随着以计算机技术为核心的信息技术，尤其是数字化技术、多媒体技术和网络技术 的飞速发展，通信、计算机与消费类家用电器产业( c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n ，c o n s u m e r ， 3 c ) 的进一步融合，必将带来数字化、智能化、网络化的信息家电产业的更快发展。与 传统家电产品相比，信息家电集电脑、电信和消费类电子产品的特征于一身，使家电具 有了信息的获取、加工、传递等功能。信息家电主要是由嵌入式处理器、相关支撑硬件 ( 如l c d 、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。为了达到信息家电之间信息的相互流通，需要将家中的各个信息家 电互联成家庭网络。家庭网络分有线网络和无线网络两大类，有线网络主要是利用家中 的电话线或电力线进行组网，无线网络组网的主要技术有h o m er f 、b l u e t o o t h 、 i e e e 8 0 2 1 1 及h o m ep a n 。本文涉及的家庭网络是用b l u e t o o t h 技术组建的家庭无线网 络。 家庭网关是家庭网络的枢纽，它集中控制家中的各种信息家电并能接入互联网，起 到信息家电同互联网之间通用接口平台的作用，通过家庭网关可以对家庭网络中的信息 家电进行中央监控和远程监控。现阶段家庭网关接入互联网的方式主要为有线接入，目 前最流行的有线宽带接入技术是a d s l ( 非对称数字用户线) 和i i f c ( 同轴光纤混合网) 。 然而，现有的无线通信网络也具备了为数据通信业务提供一定传输速率的能力，如g p r s 网络理论上能提供高达1 7 1 2 k b p s 的传输速率，完全满足信息家电控制信息传输的要求， 3 g 网络也将要全面铺开，届时更能提供宽带接入i n t e r n e t 。所以说，家庭网络无线接 入i n t e r n e t 的方案具有可行性。因此，本文提出了一种基于g p r s 网络的家庭网关无线 接入i n t e r n e t 的方案，并在家庭网关上开发了信息家电远程控制软件，实现了对信息 家电的远程控制。 本论文主要涉及家庭网关部分的开发工作，所做的主要工作有： 1 介绍了信息家电技术；研究了通用分组无线业务g p r s 技术原理、发展应用及 l i n u x 操作系统： 2 设计了种信息家电控制信息远程无线传输系统的结构：系统由三部分网络( 家 庭网络、g p r s 网络和i n t e r n e t ) 和两个主要传输实体( 家庭网关和i n t e r n e t 上的控制中心服务器) 构成。以家庭网关为控制平台将家庭内部的信息家电组 织成家庭网络，家庭网关与信息家电之间通过蓝牙接口模块建立无线连接，家 庭网关利用g p r s 网络无线接入互联网，与i n t e r n e t 上的控制中心服务器建立 连接，以实现信息家电的远程控制； 3 通过比较，选择了系统中所使用的g p r s 模块、蓝牙模块、家庭网关开发平台、 嵌入式操作系统和程序开发语言，并搭建家庭网关系统开发环境； 4 在以嵌入式l i n u x 为操作系统的家庭网关平台上开发了g p r s 模块的驱动程序， 并完成了g p r s 模块自动拨号上网功能； 5 定义了信息家电控制信息无线传输时所用到的应用层锛议，开发了运行在家庭 网关上的信息家电远程控制软件。 6 将本文完成的家庭网关应用在整个系统中进行应用测试，结果表明，家庭网关 工作情况基本正常，达到预期指标。 g p r s 信息家电控制信息传输系统的研究 1 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 t e r n e ta p p l i c a t i o k ( 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，便之成为网络终端，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 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怠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 下载最新的食谱等。 1 1 2 信息家电技术简介 g p r s 信息家电控制信息传输系统的研究 信息家电主要是由嵌入式处理器、相关支撑硬件( 如显卡、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 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子设 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”3 ，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 sc e 操作系统，其中文版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凡乎全部使用这种操作系统。但它费甭较高，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 f l 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 u x 是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 。目前已有众多家电业的芯片厂 商都开始做l i n u x 平台的移植工作。 2 信息家电互操作技术“， 信息家电之间如何通信、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 为首的日欧八家i t 企业联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 公司推出的一种基于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。 g p r s 信息家电控制信息传输系统的研究 ( 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 g s 等公司发起的h 僦a p i 工作组 研发，h o m e a p t 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 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 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 ，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。 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“躬 1 9 7 7 年美国华纳电缆通讯公司开发了最早期的剐b e ( 库贝) 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 等节日，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。真正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”计划为契枫，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已共同宣布 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 lm 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”。 由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 g p r s 信息家电控制信息传输系统的研究 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 两、嵌入式软件供应商、信息家宅制造商、信息服务运营商正面临难得的市场机遇，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叫 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 n e 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 r n 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，欧美等国家计 划于2 0 0 4 年全面普及家庭网络，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”1 。 1 2 1 家庭网络构架 家庭网络是通过建立统一的高速网绍结构和平台，以灵活的接入方式来实现高可靠 往、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 络结构如图卜l 所示。 三表计量空调照明 图卜1 家庭网络结构 f i g u r e l 一1 t h ea r c h i t e c t u r eo fh o m en e t w o r k 家庭网关是家庭网络与i n t e r n e t 问的接口，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。 g p r s 信息家电控制信息传输系统的研究 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 n e 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，家庭网络最重要的 是将设备问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。 1 有线连接 ( 1 ) 电话线。遵循家庭电话线连网电器( h 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。 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，侧重于线缆连接应用，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。 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 i 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以方便的连接，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 6 h z ，通信半径1 0 m ( 可扩展到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，通过前向纠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 6 g p r s 信息家电控制信息传输系统的研究 是说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 无线传递控制信息。 1 、2 3 家庭网关哺3 家庭网关是家庭网络的核心，是处于广域网和家庭网络中闯的一个节点，即家庭网 络的入口节点。作为入口节点，它应具有网关和服务器的功能，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 i 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。业界十分看好家庭网关的发展趋 势，索尼、惠普、松下等大公司部在加紧开发家庭网关。 1 ，家庭网关的类型 家庭网关本质上是连接家庭内部和舞部瞬络的物理接口，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。 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 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 技术和商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 作系统构成静嵌a 式设备。 2 ，家庭网关的硬件结构 一个家庭网关的硬件结构如图卜2 所示。 家庭网关系统接入i n t e r n e 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正常运行。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 g p r s 信息家电控制信息传输系统的研究 割电路包括键盘控制器、显示屏等。 f 专用嵌入式i r o m ，r a m ij 大容量外部ji 编码解码芯片 l 处理器 i f l a s hli 存储器ll 及控制电路l ： = 一i ；。： ：一= = “ ，l 之- j 上，上 ， 韭 ， 量至 王重一 量至 王主 | 宽带接口fi 高速通道li 中速通道 i 低速通道l 其他 j i 电路 ji 接口电路l | 接口电路jj 接口电路 l 控制电路i i 丌孓一i 外孓一i 孓一孑百i 一 缎： i e e e l 3 9 4 蓝牙无技局域 无线编码 网电力线等 技术 图卜2 家庭网关硬件结构 f i g u r e l 2 t h eh a r d w a r ea r e m t e c t u r eo fh o m en e t w o r k 3 家庭网关的软件结构 家庭网关的软件结构如图卜3 所示。 图卜3 家庭网关软件结构 f i g u r e l 3 t h es o f t w a r ea r e h it e e 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 等硬件设备的驱动程序。在实时操 作系统层之上可以包括t c p i p 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 ? 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。 g p r s 信息家电控制信息传输系统的研究 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。 2 。4 家庭网络接入互联网的方式扫 家庭网络接入互联网分为有线接入和无线接入两种方式。 l ，有线接入技术 目前，家庭用户采用有线的m o d e m 拨号上网是最普遍的接入方式。 i s d n 与m o d e m 拨号一样，是在p s 烈安装的铜线电缆上传输数据，提供1 2 8 k b p s 的 速率。 a d s l 也使用p s t n 提供的铜线电缆，但其下行速率可达6 m b p s ，是非常有竞争力的 商速接入技术，我国的许多家庭已安装了a d s l 上网。 c a b l em o d e m 利用有线电视网接入，下行速率可达l o m b p s 。因为它的速度快，收费 较便宜，所以很有潜力。 光纤到户f t t h 为网络接入提供的高带宽可以满足任何数据传输的要求，但经济因 素是妨碍光纤技术大规模推广的瓶颈。 2 无线接入技术 无线接入技术是正在迅速发展的新技术，作为一种先进手段，无线接入已成为有线 接入的有效支持、补充和延伸。与有线接入方式相比，无线接入具有独特的优势，它不 需要线缆类物理传输介质，直接采用无线传播方式，覆盖面广，无线上网，适用于可移 动目标，可以降低投资成本，提高设备灵活性和扩展传输距离。 目前广泛应用的无线接入网技术包括；g p r s ( g e n e r a p a c k e tr a d i os e r v i c e ) 、 e d g e ( e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n ) 、h s c s d ( h i g hs p e e dc i r c u i ts w i t c h i n g d a t a ) 等，它们被称作2 5 代移动通信系统，是为了保护现有移动通信设备的投资而发 展起来的技术。g p r s 是在现有g s m 电路交换模式上增加了基于分组的空中接口，引入了 无线分组交换能力，能提供高达1 7 1 2 k b p s 的传输速率，并且在不增加频率资源和小区 的情况下也可以提供业务，g s m 数据传输的增强型称为e d g e ，采用新的调制技术，高效 利用2 0 0 k h z 带宽内合并在一起的8 个时隙，最高数据传输速率为3 8 4 k b p s 。h s c s d 对g s m 网络改动较小，通过允许1 个用户在同时间同时访问多个信道来大幅提高无线接口数 据传输速率，为无线用户提供5 7 ，6 k b p s 的无线数据传输速率。它的速度比g s 通信标 准的标准数据速率快4 倍，但这会导致用户成本的增加。虽然以上各种无线传输技术的 数据传输速率达不到宽带标准，但已经可以满足信息家电控制信息传输的要求。另外， 第三代移动通信标准已经推出。其特点是：更大的容量和覆盖范围；更高的数据率；支 持多种业务等。将来3 g 网络全面铺开时，将可以实现无线宽带接入i n t e r n e t 。因此， 家庭网络无线接入i n t e r n e t 的方案具有可行性。 本论文采用比较先进的无线接入网技术，设计了一种通过g p r s 网络无线接入 i n t e r n e t 的方案，使用g p r s 模块作为家庭网关的外部网络接口，家庭网关通过驱动g p r s 模块无线接入i n t e r n e t 。如果在家庭网关上运行信息家电远程控制应用程序。就可以实 现对信息家电的远程控制。 g p r s 信息家电控铷信息传输系统的研究 2 信息家电g p r s 系统 基于g p r s 的信息家电控制信息传输系统结合中国移动在全国开通的g p r s 和g s m 移 动通信网络，通过建立以嵌入式家庭网关为核心的家庭网络与i n t e r n e t 上控制中心服 务器的连接，实现对家庭网络中各种信息家电的远程控制。整个系统分无线家庭网络、 g p r s 接入网和i n t e r n e t 三部分，主要的传输实体是家庭网关和控制中心服务器。本文 涉及的是家庭网关的开发工作，主要完成家庭网关通过g p r s 网络无线接入i n t e r n e t 的 功能，并开发应用程序完成对信息家电控制信息的提取、分析和发送，实现信息家电的 远程控制。 2 1 系统组成原理 基于g p r s 的信息家电控制信息传输系统组成原理如图2 1 所示。 图2 - 1基于g p r s 的信息家电控制信息传输系统原理 f i g u r e 2 一l t h ep r i n c i p l eo fr a d i ot r a n s m i s s i o no f i a c o n t r o l li n f o r m a t i o nb a s e do ng p r sn e t w o r k 本系统由三部分组成：家庭网络部分，接入网部分和i n t e r n e t 中的控制中心服务 器部分。家庭网络部分由内嵌蓝牙模块的各种信息家电和家庭网关构成，蓝牙接口模块 作为家庭网关与家庭内部网络的接口，在家庭网关和信息家电之间完成控制信息的无线 传输，实现了家庭网络的无线连接。接入网部分采用g p r s 技术，家庭网络以g p r s 网络 作为接入网，通过家庭网关接入i n t e r n e r 。远程控制服务则由i n t e r n e t 上的一台控制 中心服务器提供。 家庭网关和控制中心服务器是本系统的主要传输设备实体，为系统用户和用户家中 的信息家电之间的信息传递建立传输通道，信息家电控制信息的远程传输以g p r s 网络 和i n t e r n e t 为媒质，在家庭网关和控制中心服务器之间完成。 系统用户可以在任何地点通过一台接入i n t e r n e t 的网络终端登录提供远程信息家 电控制服务的网页，通过该网页提供的操作界面向家中的各信息家电发出控制命令或得 到家中各信息家电的运行状态。当用户向家中的信息家电发出控制命令时，所发出的控 制命令由该网页所在的控制中心服务器进行封装，通过i n t e r n e t 和g p r s 网络到达该用 户家中的家庭网羌上。家庭网关中的g p r s 模块收到数据后，由信息家电远程控制应用 程序进行拆封，将信息家电控制命令送到蓝牙模块所在的r s 一2 3 2 接口( 串行口1 ) ，由 蓝牙接口模块读取并将其发送到某台信息家电上，完成远程控制。同样，家庭内部网络 中的某台信息家电的运行状态由家庭网关的蓝牙接口模块接收，运行在家庭网关上的信 0 $0昼“ g p r 5 信息家电挫铷信息传输系统的研究 息家电远程控制应用程序对其送行封装并送至8 连接g p 醛模块的r s 一2 3 2 接口( 事行日2 ) 上，由c p 瞄模块通过g p r s 网络发往】n t e 7 j ) e t 审的提供信息家电控制朋务的控制中心 服务器。该控制中心服务器上运行的应用程序对其进行拆封，将信息家电豹运行状态显 示给用户。 2 2 系统主要功能 基于g p r s 的信息家电控制信息传输系统的主要功能是实现信息家电在家庭阱外范 围的远程控制，所谓信息家电远程控制，是指在家庭以外的范围内对家中的信息家电进 行工作状态的控制。 系统用户家中的家庭网关应该在中国移动g s m 网络的覆盖范围内，这样，用户可以 在任何地点通过i n t e r n e t 网络终端( 包括可以上网的固定设备和移动设备) 登录提供 远程信息家电控制服务的网页，通过该网页向家中的各信息家电发出控制命令或得到家 中各信息家电的运行状态， 整个黄输系统负责传输的组传主要有家庭鼹关瓤控截中心服务器，下面分别介绍它 们的主要功能。 】家庭网关主要功能 以蓝牙模块作为与家庭内部网络的接口，将各个信息家电连接成无线家庭网络， 以g p r s 模块作为与外部网络的接口，无线接入i n t e r n e t ，与控制中心服务器建 立连接，收发数据。 作为信息家电和远程控制终端之间控制信息传输的协议转换平台，运行信息家电 控制信息传输软件，接收控制串心服务器发出的信息家电控制信息或信息家电发 出的状态信息，进行分析并封装。传送到相应的目的地，完成信息家电和远程控 制终端之间的无线传输。 2 控制中心服务器主要功能 提供给用户友好的网页界面，用户通过该网页向家中的信息家电发出控制信息， 或者获得信息家电的状态信息。 将照户发出的控制信息封装，通过i n t e r n e t 发往该用户蛉