（计算机应用技术专业论文）面向家庭网络的蓝牙技术研究与实践.pdf

面向家庭网络的蓝牙技术研究与实践 摘要 k 牙技术是最近几年出现的一种新的短距离无线通信技术，对其应用于家 庭网络的研究具有很大的价值和重要性。y 论文首先介绍了蓝牙技术和家庭网络在国内外的发展现状，对家庭内部联 网技术进行研究，分析了在家庭网络中采用蓝牙技术的优势，通过对家居服务 器功能和家庭内部网络结构的研究，提出基于家居服务器的蓝牙无线通信系统 结构。 根据现有的开发条件和应用需求，论文设计了面向家庭网络的蓝牙开发方 案，提出在缺少蓝牙上层协议的情况下，根据家庭网络信息传输的需要，建立 相关协议来实现蓝牙功能，并对如何实现家庭网络中的家居服务器、操作板和 信息家电上的蓝牙功能进行了深入研究和实践。 在论文最后，结合所设计的蓝牙开发方案，提出采用多服务共存的家居服 务器体系结构来解决家居服务器上各种功能子模块对蓝牙信道的共享。 关键词：家庭丽磊，蓝茅_ 家居月南磊，信息豪鼋关键词：家庭网络，蓝牙，家居服务器，信息家电 t h er e s e a r c ha n dp r a c t i c eo fb l u e t o o t ht e c h n o l o g y i nh o m en e t w o r k a b s t r a c t b l u e t o o t hi san e w s h o r t r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya p p e a r i n g i nr e c e n ty e a r s i ti sv a l u a b l ea n d i m p o r t a n t t os t u d yb l e u t o o t ht e c h n o l o g ya p p l y i n g i nh o m en e t w o r k a tf i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n to f b l u e t o o t ht e c h n o l o g ya n dh o m en e t w o r k s e v e r a lk i n d so fn e t w o r kt e c h n o l o g ya r e s t u d i e dw h i c ha r eu s e dt of o r mh o m en e t w o r k t h ep a p e ra n a l y z e st h ea d v a n t a g eo f u s i n gb l u e t o o t hi n h o m en e t w o r k a f t e rr e s e a r c h i n gt h ef u n c t i o no fr e s i d e n t i a l s e r v e ra n dt h es t r u c t u r eo fh o m en e t w o r k ，t h ep a p e rp o i n t so u tb l u e t o o t hw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e ms t r u c t u r eb a s e d o nr e s i d e n t i a ls e r v e l a c c o r d i n ge x i s t i n ge x p l o i t u r ec o n d i t i o na n da p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t ，t h ep a p e r d e s i g n sb l u e t o o t he x p l o i t u r ep r o j e c tu s i n gi nh o m en e t w o r k w i t h o u tb l u e t o o t h h i g hl a y e rp r o t o c o l s ，t h eb l u e t o o t hf u n c t i o nc a nb ei m p l e m e n t e db yu s i n gc u s t o m p r o t o c o lb a s e do nt h er e q u i r e m e n to f i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ni nh o m en e t w o r k i t i s d e e p l ys t u d i e da n dp r a c t i c e dh o w t or e a l i z eb l u e t o o t hf u n c t i o no nr e s i d e n t i a l s e r v e r ，o p e r a t i o nb o a r d a n di n t e r n e ta p p l i a n c e i nt h ee n d ，a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n e db l u e t o o t he x p l o i t u r ep r o j e c t ，t h ep a p e r g i v e s ar e s i d e n t i a ls e r v e rs y s t e ms t r u c t u r e u s i n gm u l t i - s e r v i c e c o e x i s t e n c e t h i s s t r u c t u r ec a nr e s o l v et h es h a r eo fb l u e t o o t hc h a n n e lt of u n c t i o nm o d u l e si nh o m e n e t w o r k k e r w o r d s ：h o m e n e t w o r k ，b l u e t o o t h ，r e s i d e n t i a ls e r v e r , i n t e r n e ta p p l i a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得 盒壁王业盔堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文储躲参两签字日期汩净妒俨 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒妲王些太璺有关保留、使用学位论文的规定， 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- 本人授权金盟王些盔堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 煮面 导师签名 粥。土螃 签字日期：嘭年。弘月椤日 签字日期：0 3 年口l ；| f 月d 7 日 学位论文作者毕业后去向： 垛棚j 1 工作单位 通讯地址 电话 邮编 暂死7 “枷z 妇铷妇 致谢 首先我衷心感谢我的导师韩江洪研究员。本研究是在韩老师的悉心指导和 关怀下完成的。在两年半的硕士研究生学习期间，韩老师对我思想上和学习工 作上的循循善诱和谆谆教诲，以及在生活上无微不至的关怀和照顾，将使我终 生受益。韩老师严以律己、宽以待人的思想品格、丰富渊博的知识以及对科学 研究敏锐的判断力让我深深敬佩。对我影响最大的是韩老师严谨的治学态度和 一丝不苟的工作精神，这将成为我的最大财富。 特别感谢张建军副教授、张利副教授对本课题的研究提供了良好的环境， 并提出了许多非常有建设性的建议，在此谨表示我诚挚的谢意。 同时还要感谢魏振春、陈志雄、方平、吴瑜、王跃飞、路强以及实验室里 的其他同学，在课题研究阶段和论文完成阶段，本人与他们进行过多次富有成 效的讨论，他们给予了我非常大的帮助。 感谢合肥工业大学计算机与信息学院的全体老师和研究生2 0 0 0 级4 班的全 体同学，感谢他们几年来对我的关心和帮助。 感谢我的家人，给予了我极大的支持和鼓励。 1 1 家庭网络概述 1 2 1 家庭网络的出现 第一章绪论 随着网络技术的发展和全球信息化浪潮的来临，人们的家居生活正面临着 一次重要的变革。网络无处不在，极大地便利了人们的各种活动，给社会带来 了巨大进步。信息技术和网络技术的触角已经深入到普通家庭之中，这些技术 带给人们的不仅仅是更舒适、更智能和更个性化的家居生活，而且使家庭更快 速、更有效、更广泛地与社会有机的联系起来。 随着技术的不断进步，家庭中的家用电器从最初的机械式家电开始，经历 了电气化家电、电子化家电、程序化家电各个阶段。进入二十一世纪后，随着 人们生活水平的不断提高，目前的智能家电已经逐渐无法满足现代家庭的需要。 一方面，这些智能家电无法自动获取外界的信息，形成所谓的信息孤岛；另一 方面，不同的家电之间互相独立，无法协同工作。为了解决这些问题，智能家 电逐渐发展成信息家电的形式，此时的信息家电除了具有普通智能家电的功能 之外，还具有网络通信的功能，成为一个个所谓的“家用网器”，这是家用电器 发展的必然趋势。 信息家电要实现信息的共享和互相的协同工作，必然需要将它们组成网络， 从而诞生了家庭网络的概念。家庭网络不仅仅为家庭内各个信息家电设备提供 资源共享的功能，方便信息家电和i n t e m e t 的信息交互，更重要的是提供了一 个信息家电可以协同工作的网络环境，使得信息家电之间可以相互传递信息。 1 2 2 国内外发展现状 目前国外的各大公司以及研究机构对家庭网络市场都非常看好，成立了各 大技术联盟，纷纷推出了各种家庭网络标准和解决方案。【1 7 】 1 9 9 8 年，s u n 公司推出了j i n i 技术，以j a v a 构架为基础，解决家庭网络 中“无处不在”的计算问题。 1 9 9 8 年，由朗讯等1 1 个公司成立了h o m e p n a 组织，推出了利用家庭内 部已有的电话线解决家庭网络内部互联和互操作性问题的方案。 1 9 9 9 年，蔚然公司联合其它公司推出了u p n p 技术，力图建立一个开放的 标准，解决家庭网络各种不同设备组网的互操作性问题。微软公司同时还建立 了e h o m e 研发部门，推出了概念性的网络化家庭。 在制定标准的同时，国外各大公司还推出了家庭网络和信息家电的概念产 品。 1 9 9 9 年，日本索尼公司推出了“家庭服务器”，外接电话网、互联网、有 线电视网和卫星网，内接电视机、录象机、电话机等，承担家庭信息接收、分 配、记录、显示任务。 2 0 0 0 年，韩国l g 公司推出了网络电冰箱，它内置连网端口，并装配有一 个1 5 1 英寸的液晶显示屏，在显示屏上方，还配了一个数码摄像机，具有i n t e r n e t 接入功能。具有内置连入i n t e r n e t 功能、多媒体通讯功能、可以完成娱乐、家庭 信息管理以及冰箱管理功能。 2 0 0 0 年，3 c o m 公司推出了为家庭设计的w e b 终端“e r g oa u d r e y ”，采用 触摸屏和手写笔接受用户输入，可以完成发送e m a i l ，浏览网站、家庭信息管理 等功能。 2 0 0 2 年c e s 大展上，三星与微软合作推出家庭多媒体中心。该中心通过 支持“在房间的任何地方”都能遥控的用户界面的个人电脑，使用户可以观看 个人录像，播放音频文件，播放图片，以及观看、控制和录制现场电视节目。 相对于国外而言，我国对家庭网络和信息家电的相关产品的研制起步较晚， 但得到了政府的大力扶持，国内很多公司和科研机构都开始了对家庭网络以及 信息家电相关产品的研制工作，并推出了相应的概念产品。 2 0 0 1 年，无锡小天鹅有限公司成功的研制出中国第一台家庭网络全自动洗 衣机，该洗衣机具有良好的人机界面，具有通过网络下载洗衣程序以及向远程 用户提供洗衣机工作情况等功能。 2 0 0 1 年9 月，联想在武汉抛出了“h o m e 数字化生活”的三年计划，联想认 为以家庭p c 为核心的信息家电将在全新的数字家庭生活中扮演重要角色。 2 0 0 1 年，清华同方推出了“p h o m e 数字家园”，整个构架基于家庭自动化 和建筑自动化技术，配合相关的网络、计算机、软件技术，为消费者家庭及社 区提供全方位的数字化服务。 1 2 无线通信技术的发展 1 8 9 7 年无线电的发明，改变了人们信息交流的方式，使长距离、非接触式 的信息通信成为可能，对人们的生活方式和社会进步产生了重大的影响。一百 多年来，无线通信技术得到了巨大的发展。 2 0 世纪4 0 年代以前，无线通信主要采用中、短波的通信方式。第二次世 界大战以后，由于战时雷达技术的发展，诞生了微波中继通信。无线通信技术 开始向微波、长距离、大容量方向快速发展，迎来了无线通信发展的第一个黄 金期，这时的无线通信还主要是应用在固定设备间的长距离通信。 随着社会需求的发展和技术的进步，人们不再仅仅满足于固定方式的无线 通信，无线通信技术开始向移动方式发展，并逐渐向两个方向延伸。一个是个 人无线移动通信技术，另一个是短距离的无线移动通信技术。 从2 0 世纪8 0 年代开始，以g s m 和c d m a 为代表的第二代个人移动通信 技术( 即所谓的2 5 g ) 逐渐兴起，并得到了快速发展。进入2 0 世纪9 0 年代以 后，随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算和移动 多媒体运作需要的第三代个人移动通信技术( 即3 g ) 也开始兴超。这些技术的 发展极大地方便了各种个人移动设备间的无线通信，特别是对于宽带远程的无 线通信来说，个人无线移动通信更能发挥出其应有的优势。 但是，人们逐渐发现有些无线移动通信仅仅发生在一个有限的区域内，例 如在一栋办公楼或者住宅楼，并且有时是非连续的偶尔为之的通信。在这样的 场合下，如果也利用价格昂贵的象2 5 g 或3 g 这样的个人移动通信技术来完成， 就显得相当奢侈而浪费。因此产生了对短距离无线移动通信技术的需求，这种 无线移动通信需要实现短距离、低成本、低功耗、替代电缆的无线数据和语音 链路。蓝牙技术正是顺应了这种需求而产生。在家庭、办公室等这样的小范围 内，往往有许多设备，如电脑、打印机、传真机、家用电器等，需要用电缆相 连才能进行通信，千头万绪、令人头痛的电缆线错综复杂，给设备的移动带来 很大的不便，蓝牙的出现正好可以很好的解决这些问题。 1 3 蓝牙技术概述 1 3 1 蓝牙技术的出现和发展 1 9 9 8 年2 月，e r i c s s o n 、n o k i a 、t o s h i b a 、i b m 和i n t e l 等五家国际著名公 司成立了蓝牙s i g ( s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) 来推动蓝牙技术的研究发展。1 9 9 8 年5 月2 0 2 1 日他们分别在伦敦、加州的s a nj o s e 和日本的东京公布了这项蓝 牙计划，把蓝牙无线技术的理念正式推向社会，使其成为一种无线电技术的全 球规范。1 9 9 7 年7 月2 6 日蓝牙s i g 在蓝牙主页( w w w b l u e t o o t h c o r n ) 上公布 了它的第一个技术规范，即蓝牙1 0 版规范，将其推入到实用化阶段。一年之 后的2 0 0 0 年1 0 月，s i g 向其成员发布了1 1 版，2 0 0 1 年3 月蓝牙1 1 版规范 正式公开发布。目前正在制定蓝牙2 0 版规范。 简单的说，蓝牙是一种低功耗的短距离无线通信技术，其目的是取代现有 的各种电子设备( 如p c 、打印机、传真机、移动电话和个人数字助理p d a 等) 上的有线接口。蓝牙技术最大的好处是消除了千头万绪、令人头痛的电缆线， 而通常要实现信息电子设备之间的信息传递与同步，这些电缆是必不可少的。 蓝牙技术最初主要面向通信、计算机及消费电子领域中的各种小型设备及 移动设备，如移动电话、p d a 、耳机、笔记本电脑、掌上电脑、打印机、数码 相机等。蓝牙将它们通过无线的方式连接起来，进而形成一种围绕个人领域的 网络，即个人区域网( p a n ) ，使得在其范围之内的各种信息化的移动便携设备 都能实现无缝的资源共享。随着技术的发展和深入，蓝牙的应用逐渐发展到家 电、汽车、医疗、工业控制、玩具、电子商务等各个领域。蓝牙技术的最终目 的就是要建立一个全球统一的无线连接标准，让不同厂家生产的便携式设备能 够在无线连接的情况下，在近距离内实现交互传递信息和交互操作。蓝牙开发 者希望通过蓝牙技术形成一个统一的标准，从而将计算机行业、通信行业、家 电行业等各自为战的局面统一起来。【1 【2 】【3 】 1 3 2 国内外发展现状 作为一种新生技术，蓝牙技术从诞生到现在只有短短几年时间，但却得到 了飞速的发展。 s i g 对蓝牙规范进行了不断的改进和完善。相对于蓝牙1 0 版规范而言， 蓝牙1 1 版规范改善了互操作性，加强了安全性，统一了跳频频率，改善了数 据格式的兼容性，纠正了1 0 版中的某些错误和缺陷。蓝牙2 0 版规范将代表第 二代蓝牙技术标准，它不仅在性能技术指标方面得到明显的改善，而且由此可 以大大扩展蓝牙的应用范围。 在蓝牙芯片和协议栈的开发方面，爱立信和c s r 公司的产品最为著名。爱 立信公司开发了多款蓝牙模块、协议栈和蓝牙产品开发工具包，目前已经被大 量的使用。c s r 公司是当今世界上实现单芯片蓝牙解决方案的著名生产商，该 公司生产的蓝牙芯片也被广泛的应用在各种蓝牙产品中。 随着蓝牙规范的不断完善，蓝牙产品得到了稳定的发展。蓝牙的应用首先 集中在移动电话、笔记本电脑等手持终端设备。随后又发展到蓝牙掌上电脑、 蓝牙照相机和摄像机、蓝牙接入设备等。 在1 9 9 9 年c o m d e x 大展上，爱立信公司推出了世界上首款蓝牙无线耳机， 这是世界上第一款蓝牙产品。除了蓝牙无线连接功能之外，这款新型耳机以独 特新颖的造型和方便舒适的使用方式，博得了用户的广泛好评。 2 0 0 1 年8 月全球掌上电脑巨头p a l m 公司推出了带有蓝牙插卡的掌上电脑 产品。通过蓝牙插卡，该掌上电脑可以同蓝牙手机、蓝牙打印机交换数据。 2 0 0 1 年8 月索尼公司在日本东京推出了款新型的数码摄像机，该摄像机 内置有蓝牙模块，可通过蓝牙接入点将拍摄的图像传送到个人电脑和互联网上。 爱立信公司开发了它的蓝牙接入点“b l i p ”，意为“蓝牙本地信息娱乐点”。 它不仅能够作为蓝牙设备接入其他网络的“中转站”还能够成为向周边的蓝牙 设备发送各种信息的“广播台”。 目前，蓝牙的应用不再局限于给现有的产品追加功能，蓝牙的应用范围越 来越广泛，诞生了许多的蓝牙新产品。如瑞典a n o t o 公司的蓝牙笔、i b m 的 w a r c h p a d 蓝牙手表、瑞典c o n n e c t b l u e 公司的世界第一个工业蓝牙产品一一串 行接口适配器a d a p t e r 等。随着蓝牙技术的不断发展和完善，蓝牙的应用逐渐 扩展到信息家电、汽车、航空、医疗、交通等各行各业。 对于象我国这样的发展中国家来说，蓝牙技术的发展与应用更是一个难得 的发展机遇。蓝牙技术标准统一，知识产权共享，蓝牙产品在我国拥有巨大的 市场。近年来，蓝牙技术的发展受到了我国政府主管部门的高度重视，对于蓝 牙技术在中国的发展与应用给予了很大的支持。我国政府主管部门已经发布文 件，正式开放蓝牙短距离无线通信所使用的无线频率。2 0 0 1 年1 0 月，在北京 召开了中国蓝牙技术发展与应用论坛的第六次会议。蓝牙技术在我国的发展和 应用正在迅速而稳定的进行。 1 9 9 9 年1 2 月，北京邮电大学获得国家科技部和国家“8 6 3 计划“资助，启 动了“基于蓝牙技术的移动计算设备”的蓝牙技术研究。北京邮电大学的蓝牙 无线教学网的组建，是国内蓝牙技术应用于信息化教学网建设的首创项目。 2 0 0 0 年i o 月，联想集团展示了带有蓝牙功能的昭阳笔记本电脑，并演示 了点对点无线数据共享及无线局域网组网方案。 在蓝牙软件开发方面，东南大学移动通信国家重点实验室从1 9 9 8 年开始跟 踪蓝牙技术，已经研制了蓝牙协议栈、蓝牙系统演示及开发平台，并通过了有 关测试。 东软股份公司于2 0 0 0 年加入蓝牙s i g 组织。并开始蓝牙软件的研究与开 发，侧重于蓝牙中间件、测试平台、应用软件与开发工具的研发。2 0 0 1 年8 月， 该公司推出了具有自主版权的东软蓝牙套件。 随着蓝牙技术的优势不断体现，已经有越来越多的产品厂商和研究开发机 构正在或计划投入到蓝牙技术的研究与应用开发领域中来。 1 4 家庭网络和蓝牙技术的关系 随着网络技术的不断发展，并渗透到每一个家庭，家庭中的家用电器逐渐 发展成具有网络终端功能的信息家电，这些信息家电只有连成网络，才能实现 信息共享和协同工作，而这种网络应该是一种小范围内的低功耗的家庭网络。 蓝牙技术是为了实现小范围内低成本、低功耗的无线移动通信而提出的， 将蓝牙技术用于家庭网络，完成信息家电之间的组网，非常合适。采用蓝牙无 线通信技术避免了有线连接所带来的开槽、打洞、穿墙等麻烦；蓝牙技术的低 成本特性有利于它在家庭网络中的普及：蓝牙技术的短距离特性防止了对范围 以外的其他设备的干扰：家庭网络中的信息家电所要完成信息访问和信息获取 等功能的信息量不大，蓝牙技术完全可以满足要求。 目前，将蓝牙技术应用于家庭网络，实现信息家电之间的互连和信息交互， 已经得到了全球许多大公司和科研机构的广泛关注和研究。 国内著名的家电企业海尔公司采用与国外著名厂商密切合作的形式，加速 蓝牙信息家电产品的开发进程。2 0 0 0 年9 月海尔提出“e 家庭”概念，并计划 陆续推出采用蓝牙技术的家庭无线网络、整体智能厨房、整体卫浴、智能上网 设备、e b o o k 、掌上智能设备等“e 家庭”产品。2 0 0 1 年1 0 月，在青岛举行的 “海尔蓝牙网络家电技术”发布会上，爱立信和海尔集团宣布共同开发蓝牙网 络家电。在“2 0 0 2i n t e r n a t i o n a l c e s ”上，海尔展出了大批通过蓝牙技术接入家 庭网络的家电产品，包括冰箱、空调、洗衣机、微波炉、洗碗机等。 1 5 论文研究背景与论文结构 1 5 1 论文研究背景 信息家电嵌入式系统及组网技术的研究开发是合肥工业大学承担的安 徽省技术创新项目和国家十五攻关项目。该项目主要进行家庭网络系统主体结 构的研究、相关标准的研究与跟踪以及家居服务器的研制。家居服务器是家庭 网络系统的核心设备，是一台具有丰富的软硬件资源的设备，可以运行家庭中 各信息家电的智能代理，内嵌家庭网关，为每台信息家电提供i n t e r a c t 的接入， 可以为用户提供家政安防、影音播放、网络浏览等服务。本课题的研究属于信 息家电嵌入式系统及组网技术的研究开发项目的一个部分。课题着眼于家庭 网络环境中蓝牙技术的开发应用，研究在以家居服务器为核心的家庭网络中采 用蓝牙实现家庭内网中端的无线通信，并为家居服务器的各种功能模块提供蓝 牙无线通信的接口。 1 5 2 论文结构 本论文共分为六章，内容如下： 第一章为绪论，包括蓝牙技术和家庭网络概述及课题背景。本章介绍了蓝 牙技术和家庭网络的出现和国内外发展现状，同时介绍了本课题的研究背景。 第二章重点讨论了家庭网络的相关技术。首先引入家庭网络和信息家电的 概念，介绍了家庭内部组网技术，通过对家庭内部各种无线组网技术的比较分 析，说明蓝牙技术在家庭网络中的优势，并阐述了多种联网技术共存的家庭网 络结构。 第三章对蓝牙技术进行深入的研究。主要介绍蓝牙无线射频通信、蓝牙无 6 - 线网络结构和蓝牙无线连接的建立，同时详细分析了蓝牙的协议体系结构，说 明当前蓝牙技术的各种应用模式，以及蓝牙目前还存在的一些问题。 第四章在前三章的研究基础上，提出家庭网络中基于家居服务器的蓝牙通 信系统，阐述了该系统的结构和设计思想，确定了该系统的开发方案，并对该 系统的关键技术问题进行了深入的分析研究。 第五章针对第四章提出的系统结构和开发方案，对家庭内部网络的蓝牙无 线通信进行了实践，并设计了多服务共存的家居服务器结构来解决家居服务器 的各功能模块对蓝牙信道的共享。 第六章总结了全文的工作，并提出进一步研究的方向。 第二章家庭网络技术研究 2 1 家庭网络和信息家电 2 。1 。1 家庭网络的定义和结构 为了满足家庭内部各种信息电子设备对网络资源的需求，需要为它们提供 网络接口，但如果为每一台设备都提供一个网络接口，显然不是好的解决办法， 这不但增加成本，带来安装的麻烦，更是对网络资源的浪费，因此需要将这些 信息电子设备连成网络，让它们共享一个网络出口，共用计算平台，并且互相 协同工作，形成家庭网络。 目前，家庭网络并没有公认的严格定义。归纳起来，家庭网络是在小范围 内( 家庭、办公室) 对信息设备和家电进行的连接，利用数字通信技术、嵌入 式技术等，使这些设备之间可以共享资源，相互协同工作，可以随时随地为家 庭成员提供语音、家居自动化、音视频服务以及数据传输等与家居生活紧密相 关的服务。 1 5 】【1 6 】 从组成结构上划分，家庭网络可包括如下四个部分。 ( 1 ) 宽带接入 它为家庭内部网络提供与外部网络的高速双向连接，可以提供实时、可靠 的数据传输服务。目前可以选用的宽带接入技术有x d s l 、h f c 、f t t h 、i s d n 等。 ( 2 ) 家庭网关 它是家庭网络的核心设备，不仅为家庭内部网络环境和外部网络环境提供 连接，还提供了路由选择、内外部子网之间的协议转换等服务。 ( 3 ) 信息家电网络 它是指家庭内部网络环境，将家庭内部的信息家电互联组网。对于消费用 户而言该网络应该是不可见、无需配置的。 ( 4 ) 信息家电 信息家电是融合了计算机技术、数字通信技术的消费电子产品，是3 c ( c o m p u t e r 、c o m m u n i c a t i o n 和c o m s u m e r e l e e t r o n i c s ) 合一的产物，以利用信 息家电网络主动或被动交互信息来完成产品功能为主要特征，相互之间可以协 同完成特定任务，并且通过家庭网关可以连入外部网络以及i n t e r n e t 。 家庭网络的结构如图2 i - 1 所示。【1 7 】 图2 1 - 1 家庭网络总体结构 2 1 2 信息家电的概念和特点 信息家电( i n t e r n e ta p p l i a n c e ，i a ) 是近年来提出的一个新概念。它的含 义是将计算机技术和现代通信技术融入到传统的家用电器之中，使之智能化并 具有网络信息终端的功能，可以主动地发布、获取和处理相关信息，从而实现 传统家庭信息化、网络化，并与现代信息社会“信息高速公路”通信网络紧密 相连。【2 1 8 】 1 9 】 随着技术的不断发展，信息家电的概念还在不断的扩充之中。目前来看， 信息家电主要基于以下四类设备。 ( 1 )高智能信息家电，如家庭电脑、p d a 等； ( 2 ) 视频音频设备，如电视、数码相机、数码摄像机、电话等： ( 3 )家用电器设备，如空调、电冰箱、微波炉等； ( 4 ) 移动通信设备，如手机、无绳电话等。 信息家电不同于传统的家用电器，而是有它独有的特点，这些特点可以归 纳为“三化”，即网络化、智能化和自动化。 2 0 】 ( 1 ) 网络化 网络化使得信息家电之间能够方便的进行资源的共享和信息的交互。信息 家电应该继承传统家电简单、方便、实用、耐用的特性，信息家电联网就应该 像使用电话机一样即插即用。 ( 2 ) 智能化 信息家电是网络上的家电，而不是电脑的外设。也就是说，信息家电本身 具有一定的智能，并支持某种统一的、标准化的通信协议与控制协议，能够互 相识别，而不必像计算机外设那样必须受电脑的控制。信息家电应该无需使用 电脑便能独立运作。 ( 3 )自动化 信息家电应能够与网络中的其他信息终端自动建立通信联系，主动向网络 获取信息。例如，网络冰箱应该能够知道自己存储食品的种类、数量和存储日 期，提醒食品存储到期和发出存量不足的警告，甚至自动从网络上订购。此外， 信息家电还应该能够主动向网络提供本身的些有用信息，如向生产厂家提供 故障警告并要求维修的反馈信息等。 2 2 家庭内部联网技术 家庭内部联网主要解决各种信息家电之间的信息传输，能把外部连接传入 的信息传输到相应的家电上去，同时可以把内部信息传输到外部连接上。 国际上对家庭内部联网技术的研究起源于2 0 世纪7 0 年代，主要集中在发 达国家，如美国、日本及欧洲的德国、英国和法国。我国对家庭内部联网技术 的研究可以说还是刚起步不久。然而，这些研究都是在各自独立的进行，并且 具有不同的目标和市场战略机制，没有形成统一的标准。因此，选择合适的联 网技术就显得非常关键，这样可以解决不同产品之间互连的问题。 当前家庭内部联网技术可以分为“有线”和“无线”两大类。有线方案主 要包括电话线连接、电力线连接、以太网等；无线方案主要包括i e e e s 0 2 1 l ( w i - f i ) 、h o m e r f 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、红外技术等。2 1 1 2 2 1 f 2 3 1 2 2 1 利用已有布线的联网技术 利用家庭中已有的电力线和电话线可以在不需重新布线的情况下进行有线 组网。 ( 1 ) 电力线 采用电力线作为传输介质一般使用窄带通讯方式和扩频通讯方式，在家庭 网络中更适合采用扩频通讯方式。使用电力线的最大优点在于不用改动家庭布 线，利用现有的插座就可以实现家用电器的方便联网。但对于家庭中所使用的 手持移动设备来说就无法采用电力线连入家庭网络，它的缺点还在于传输速率 只有3 0 0 k b p s 。不能满足数字视频和音频信号的传输，保密性较差，而且没有 统一的标准。目前国际上采用电力线作为联网介质推出的解决方案有x 1 0 、 c e b u s 等1 2 4 】。 ( 2 )电话线 计算机厂商与消费电子厂商成立了一个名为h o m e p n a ( 家庭电话线网络 联盟) 的组织来推广利用电话线建立家庭网络。它是通过在电话线上加载高频 载波信号来实现信息的传递，可同时满足x d s l 、电话业务、家庭内部数据传 输，互相不干扰。通过系统的调整和改善可以达到l m b i t s 的传输速率。该方 案采用8 0 2 3 标准，支持q o s 机制，h o m e p n a 在m a c 层制订了八种优先级， 改进了冲突解决技术，保证声音此类实时数据延迟控制在1 0 一2 0 m s 。 2 5 】 利用家里墙上预留的电话插座，可以避免重新布线的烦扰，但是家庭中不 可能随处都安装有电话插座，当买来新家电时还是面临重新布线的烦恼。 2 2 2 重新布线的联网技术 重新布线的组网技术可以考虑以太网。 以太网( e t h e r n e t ) 必须采用专门铺设的线缆布网，数据传输速率相当高， 可达到1 0 m b i t s 或1 0 0 m b i t s ，能够传输电话、数据、视频和家电控制信息，主 要用于基于个人电脑的有线局域网和高速因特网。它的优势在于技术已经十分 成熟，以太网的组网设备在市场上可以很容易地买到。以太网本身的实现成本 并不高。但专门布线需要花费大量的费用。家庭中的用户可能更愿意使用家居 已布好的电缆或电话线，而不愿意另外重新安装。因此就目前来说，以太网可 能是家庭网络发展初期的首选方案，但不是家庭网络的最终选择方案。 2 2 3 其它有线联网技术 对于家庭网络中的某些设备还可以采用u s b 、i e e e l 3 9 4 这样的连接方式。 ( 1 ) u s b u s b 的出现是为了解决日益增加的p c 外设与有限的主板插槽和端1 2 1 问的 矛盾。u s b 有高速和低速两种运行方式，速率分别为1 2 m b p s 和1 5 m b p s 。并 且所有u s b 设备都支持热插拔。u s b 共有四种传输模式：控制传输( c o n t r 0 1 ) 、 同步传输( s y n c h r o n i z a t i o n ) 、中断传输( i n t e r r u p t ) 、批量传输( b u l k ) 。这样就 可支持异步以及等时数据传输。目前u s b 已经成为事实上p c 外设连接的一种 标准接口，p c 上一般都安装了u s b 接口，u s b 外设也越来越多。但是由于u s b 技术本身的制约，一个u s b 拓扑结构中只能有一个主设备，两个主u s b 设备 之间无法直接通信，因此在家庭网络中u s b 主要适合于一些与p c 相关的局部 应用，比如低速或中速外设与p c 的连接。【2 6 】 ( 2 ) i e e e l 3 9 4 i e e e l 3 9 4 是目前获得众多家电企业、计算机企业支持的家庭娱乐电器联网 方案。它是由苹果电脑公司提出的f i r e w i r e 标准衍变而来，也称i l i n k 或“火 线”。i e e e l 3 9 4 是一项具有视频数据传输速度的串行接口标准。它的定位目标 是消费电子和高速计算机外设。i e e e 也支持外设的热插拔，同时可为外设提供 电源。目前它的传输速率可达4 0 0 m b p s 。由于i e e e l 3 9 4 的数据传输速率在现 有的有线互连标准中是最高的，所以特别适用于家庭中视频设备和音频设备的 互连。但是它的缺点是目前成本还比较高，i e e e l 3 9 4 芯片的价格大约为1 5 美 元。 2 7 2 8 】 2 2 4 无线联网技术 家庭环境不可能像企业环境那样布置大量的电缆连线，因此可以晓无线技 术是一种非常理想的家庭内部联网技术。采用无线通信技术可以避免在家庭内 部布线的烦恼，无法重新布线的旧住宅用户可以同新住宅用户一样享受到家庭 联网的便利，同时对家庭用户来说，新增的家电设备也可以很方便的加入家庭 网络之中，从而解决了移动设备的联网问题。目前，关于家庭无线联网的技术 已有一些产品和标准，其中最具代表性的是i e e e 8 0 2 1 l b 、h o m e r f 、b l u e t o o t h 和红外技术标准。 ( 1 ) i e e e 8 0 2 1 1 b i e e e 8 0 2 1 1 是企业无线局域网的技术标准，i e e e 主持制订，可以说具有 相当的权威性。i e e e 8 0 2 1 i 包括了i e e e 8 0 2 1 l a 和i e e e 8 0 2 1 1 b 两个标准。 i e e e 8 0 2 1 1 b 也被称为w i f i ，全名为w i r e l e s sf i d e l i t y 。它采用8 子码的互 补代码加钥算法作为调制机制，构成一种新型的高速直接序列扩谱系统，称之 为h r d s s s 。8 0 2 1 1 b 运行在2 4 g h z 的i s m 频段，其物理层支持5 5 m b s 和 1 1 m b s 两个新速率，并支持数据和图像业务。它支持异步传输，不支持同步传 输，因此对语音通信这类的业务，i e e e 8 0 2 1 l b 无法很好地支持。同时它的设 备较昂贵，点对点连接很不经济，不太适合小型设备。 2 1 ( 2 ) h o m e r f h o m e r f ( 家庭无线电射频) 是专门为家庭无线局域网而设计的开发性工 业标准。h o m e r f 产品使用的是共享无线局域网技术( s w a p ) 。它采用每秒5 0 跳的跳频扩谱方式、时分多址( t d m a ) 和载波监听多重访问冲突避免 ( c s m a c a ) 等技术，通过家庭中的一台主机在移动数据和语音设备之间实现 通信。采用2 f s k 调制方式时，h o m e r f 的传输速率为1 m b i t s ，采用4 f s k 调 制方式时传输速率为2 m b i t s 。同时，h o m e r f 提供了与t c p i p 良好的集成， 支持广播、多播和4 8 位i p 地址。但是h o m e r f 最大的缺点是开放性不好，它 的技术规范没有对外公布，而且其技术本身还存在抗干扰性差等缺点。这些都 对h o m e r f 未来的发展造成了不利的影响。【2 9 】 ( 3 )b l u e t o o t h 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术是一项开放的全球统一的短距离无线通信协议标准， 其目的是取代现有的各种电子设备( 如p c 、打印机、传真机、移动电话和个人 数字助理p d a 等) 上的有线接口。在技术上，蓝牙采用跳频扩频( f h s s ) 和 时分多址( t d m a ) 等先进技术来建立各种信息系统间的信息传输。它的传输 速率为1 m b i t s 。蓝牙采用快速跳频，因而具有很强的抗干扰性。另外，蓝牙的 功耗小、成本低、体积小，可用于多种设备和多种场合。 ( 4 ) 红外技术 红外技术是由i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ，红外线数据标准协会) 提 出并推行的。这种通信方式使用8 5 0 n m 的红外光来传输数据和语音。采用该技 术的设备，无需专门申请特定频率的使用执照，并且体积小、功率低，耗电量 也很低。红外技术的传输速率可达1 6 m b s ，特别适合于传输容量较大的数据文 件和多媒体信息流。红外技术只能实现点到点的连接，这虽然会使数据传输所 受到的干扰较少，但却无法灵活的构成网络。另外，红外技术必须在视线可达 的范围内定向传输，中间不能有任何阻挡，并容易受到光线干扰，同时要求通 信设备的位置相对固定，无法用于移动设备。【2 【1 7 】 2 2 5 无线联网技术比较 表2 2 1 给出了蓝牙和红外技术在实现功能、技术规格和成本等方面的比 较数据。 表2 2 1 蓝牙和红外的比较 规格蓝牙红外 无线传输媒介射频无线电波红外光 标称传输速率( m b i t s ) 11 15 2 ，4 ，6 数据语音支持支持语音和数据只支持数据 传输距离 1 0 1 0 0 m2 0 c m - 1 2 m 移动能力极佳差 全向( 3 6 0 。，中间可以有障窄角( 1 0 0 家1 0 0 多家 2 0 0 0 家 主要州途企业无线局域网家庭无线局域网个人区域网 从比较的结果可以看出，i e e e s 0 2 1 l b 、h o m e r f 和蓝牙这三种无线通信技 术在不同的应用领域各有优势和不足。 不同的无线通信技术之间的区别主要在于通信距离和数据传输速率。 i e e e 8 0 2 。l l b 和h o m e r f 技术目前普遍被认为是无线局域网( w l a n ) 的代表， 它的无线连接距离在5 0 1 0 0 m 左右，传输速率也远比现在的广域网( w a n ) 高。蓝牙技术则被认为是构造个人区域网( p a n ) 的的首选技术，它的无线连 接距离在1 0 m 左右，传输速率在w a n 和w l a n 之间。 从这三种技术各自不同的技术特点考虑，i e e e 8 0 2 1 1 b 技术对于解决办公 室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入更为适用。虽然它的数据传输 速率相对较高，但是它的设备比较昂贵，不适合普通的家庭用户使用。h o m e r f 技术虽然是为家庭用户设计的无线局域网技术，但是它主要用于基于电脑的家 庭局域网，并且价格也比较高，这对于没有电脑的普通老百姓家庭显然没有太 大的优势。比起i e e e 8 0 2 1 1 b 和h o m e r f ，蓝牙技术更加适合应用在基于家用 电器设备的家庭局域网。在家庭网络中使用蓝牙技术的优势主要包括以下几个 方面。 ( 1 ) 蓝牙适用于在短距离( 大约1 0 米) 范围内替代电缆，如果增大发 射功率，它的传输距离可达1 0 0 米，而家庭中各个家电的相隔距离一般不会超 过此距离； ( 2 ) 蕊牙的传输速率虽然不高，但对于家庭网络中各种家电间中等速率 的数据传输，完全可以满足； ( 3 )相对于其他无线组网技术而言，蓝牙的抗干扰能力更强，它的快速 跳频使系统更加稳定，它的前项纠错能力可以限制噪声的影响，这样家庭中的 各种蓝牙家电可以互不干扰地正常工作； ( 4 )蓝牙具有连接的普遍性、标准的开放性以及很强的扩展性，可以满 足家庭网络中更多的需要； ( 5 )蓝牙芯片的成本相对较低，而且还有进一步下降的趋势，因而可以 大大降低网络家电的成本； ( 6 )中国无线电管理委员会已对蓝牙技术开放了相应的频段，为大面积 的推广应用提供了前提和条件。 2 3 基于家居服务器的家庭网络结构 2 3 1 家居服务器的功能 未来的家庭网络包含的信息家电产品种类很多，这些信息家电可能来自不 同的生产厂家：同时不同国家的家居特点不同，即使在同一个国家，家庭环境 也各不相同。在这种情况下，各种家庭内部联网技术都可以找到自己的适应点， 因此会出现多种联网技术共存的家庭内部网络环境，仅仅使用某一种联网技术 来实现家庭内部网络的所有应用需求是不切实际的。 对于大多数信息家电而言，其本身的计算能力和存储能力都非常有限，依 照传统的设计观念，只有通过提高信息家电的硬件和软件资源来实现信息家电 的各种功能。这样必然会提高单个信息家电的成本，从而影响它的发展和大面 积普及。由于信息家电相互之间采用家庭网络进行连接，因此可以利用共享网 络资源来大幅度降低信息家电的单台成本。 基于这些考虑，提出了家属服务器的概念。家届服务器不仅仅完成家庭网 关( r e s