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硕 ：论文 基于开放式控制环境下的设备即插即控技术研究 摘要 随着智能家庭技术的不断发展和完善，智能家电设备在家庭中的应用不断普及，从 而促使用户对家庭智能设备的监控和资源共享需求的上升。为了集中管理智能家庭中的 各种设备，智能家庭需要在一种开放式的控制环境下，通过家庭内部网络，将家庭中各 种智能家电或数字设备联成一个整体，根据用户的要求，能够迅速、灵活地更换家庭环 境中的软硬件，并能及时吸收新技术，使不同公司的不同设备实现即插即控，设备间自 动发现，协同工作，实现充分的互操作性。本文正是在这样的前提之下，提出了基于开 放式控制环境下的设备即插即控技术。通过制定即插即控协议栈，实现智能设备的互联、 互控和即插即控。 本文首先概括性地介绍了论文背景、论文的实际意义以及本论文想要达到的目标： 开放式服务器和智能设备以及智能设备之间能够实现互联互控和协同工作。其次，针对 开放式控制环境下的智能家庭特点，对其需要的开放式控制环境、服务器及家居智能设 备做简要介绍。再次，介绍了即插即控协议栈的设计，并对它的每层进行具体分析。然 后，对所制定的协议栈进行性能分析，通过p e t r i 网工具来对所制定的协议的完备性、科 学性、实用性进行探讨研究。通过客观的理论分析，找出存在的问题和弊端。最后，利 用现有软硬件条件搭建仿真环境对协议栈的可行性进行验证。从而使得协议栈能够在理 论和实践上都得到验证。 关键词：智能家庭，开放式控制环境，即插即控，p e t f i 网，协议栈 a b s t r a c t w i t ht h et e c h n o l o g yo fs m a r th o m ed e v e l o p i n gc o n t i n u o u s l ya n di m p r o v i n g ，t h es m a r t d e v i c e sa r em o r ea n dm o r ep o p u l a ri ns m a r th o m e ，w h i c hm e e tt h ed e m a n do fu s e r st o m o n i t o rs m a r td e v i c e sa n ds h a r er e s o u r c e s i no r d e rt om a n a g e m e n tt h ev a r i o u sd e v i c e si n s m a r th o m et h r o u g has i m p l ya n de a s yw a y ，s m a r th o m e ，b a s e do n a no p e nc o n t r o l e n v i r o m e n t ，w i l lm a k ea l lk i n d so fs m a r td e v i c e s o rt h ed i g i t a ld e v i c e si n t oaw h o l eb yh o m e n e t w o r k s w 1 1 j c hc a nr e p l a c et h es o f t w a r ea n dh a r d w a r er a p i d l ya n df l e x i b l ya c c o r d i n gt ot h e u s e r sr e q u i r e m e n t si nah o m e ，a n da b s o r bt h en e wt e c h n o l o g i e st i m e l y ，s ot h a tt h ed i f f e r e n t c o m p a n i e so fd i f f e r e n t d e v i c e sc a nb ep l u ga n dc o n t r o l ，d e v i c e sc a nf i n de a c ho t h e r a u t o m a t i c a l l va n dw o r kt o g e t h e ra n da c h i e v ef u l li n t e r o p e r a b i l i t y 。b a s e do ns u c hap r e m i s e ， t h i sp a p e rp r o p o s e dt h ep l u ga n dc o n t r o lt e c h n o l o g yb a s e do nt h eo p e nc o n t r o le n v i r o n m e n t t h r o u g i lt h ed e v e l o p m e n to fp l u ga n dc o n t r o lp r o t o c o ls t a c k ，w er e a l i z et h et e c h n o l o g yo f i n t e l l i g e n ti n t e r c o n n e c t i o n ，m u t u a l c o n t r o la n dp l u ga n dc o n t r o lb e t w e e ns m a r td e v i c e s f i r s t t h i sp a p e ri n t r o d u c e sb a c k g r o u n di ng e n e r a l ，i n c l u d e sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dt h e g o a lo ft h i sp a p e rw h i c ha c h i e v e d ：a no p e ns e r v e rw i t hs m a r td e v i c e s o rs m a r td e v i c e sw i t h s m a i td e v i c e sc a nb ei n t e r c o n n e c t i o nc o n t r o l sm u t u a l l ya n dc o o p e r a t i v ew o r k t h e n ，b e c a u s e o ft h es m a r th o m ef e a t u r e su n d e ro p e nc o n t r o le n v i r o n m e n t ，w ei n t r o d u c et h eo p e nc o n t r o l e n v i r o 珈m e n t ，s e r v e ra i l dt h es m a r td e v i c e sw h i c hs m a r th o m e n e e db r i e f l y t h i r d l y , i n t r o d u c e t h ed e s i g no ft h ep i u ga n dc o n t r o lp r o t o c o ls t a c k ，a n da n a l y z e si t se a c hl e v e l ss p e c i f i c a l l y t h e n a n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c eo fd e v e l o p e dp r o t o c o ls t a c k ，a n da n a l y z i n g t h ec o m p l e t e n e s s ， s c i e n t i f i cn a t u r ea 1 1 da c t u a lf e a s i b i l i t yo fp r o t o c o ls t a c kb yt h et o o l so fp e t r in e t t h r o u g ha n o b i e c t i v et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，f i n dt h ep r o b l e m sa n ds h o r t c o m i n g se x i s t i n g f i n a l l y , w e e x 锄i n et h ef e a s i b i l i t yo fp r o t o c o ls t a c kb ys i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t w h i c hu s i n gt h ee x i s t i n g h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ep r o t o c o ls t a c kc a nb ev e r i f i e dn o to n l yi nt h e o r yb u ta l s oi n p r a c t i c ea f t e re x a m i n a t i o n k e y w o r d s ：s m a r th o m e ，o p e nc o n t r o le n v i r o n m e n t ，p l u ga n dc o n t r o l ，p e t r in e t ，p r o t o c o l s t a c k n 声明尸i 刃 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 沙曙年多月哆日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 砂d 彦年石月哆日 硕卜论文 基于开放式控制环境f 的设备即插即控技术研究 1 绪论 本章简单介绍了论文选题背景及意义，一些相关标准和组织，论文的工作内容、重 点以及文章的整体组织结构。本文设计即插即控协议栈的目的是要建立个可用的协议 模型，使之能够在未来的智能家庭中，使不同类型的智能设备之间以及其与家庭服务器 之间实现即插即控、互联互通及互操作等功能。 1 1 选题背景及意义 由于2 1 世纪信息化的空前繁荣，家庭智能化已成为未来家庭发展的必然趋势，随 着家庭内部智能化设备的不断增加，智能设备的多样化刺激着技术领域的另一方面的需 求。人们极切的希望把各种设备连接起来，让他们互联互控、协同工作，为人们带来更 方便的使用环境，提供更灵活的使用方式。家居智能化系统已从最初的家居综合布线及 安保系统发展成为整合了煤气安防、空调、冰箱等家庭智能设备控制的综合系统，并通 过系统集成平台对家庭信息设备、音视频设备、环境控制系统等进行统一管理、协调控 制，实现各设备间的互联互控、协同工作及与家庭外部的通信。 伴随智能家庭的不断发展，随之而来使得家庭网络当中的设备不断增多，因此，管 理和操作这些家电设备会十分复杂和繁琐，为了实现只要将智能设备接入家庭就可以使 用，需要实现整个智能家庭环境的开放性。这使得在整个智能家庭环境中需要有一个高 效、准确、开放性特点的控制系统，实现控制系统开放性最重要的是实现控制器的开放 性。 为此，我们针对智能家庭环境中的控制器，从三个层面来分析体现它的开放性。其 开放性主要体现在硬件功能模块的开放性、被控设备互联的开放性和远程用户应用的开 放性。硬件功能模块的开放性即为当家庭中需要增加一个新智能设备时，只要进行简单 的扩展，设备就可接入到控制器上；被控设备互联的开放性即为当设备接入家庭后就能 被服务器或其他设备检测到并可控制它；而远程用户应用的开放性则是为了让远程的用 户对智能家庭中的设备进行控制提供统一的标准应用接口。其中，被控设备互联的开放 性对实现智能家庭控制环境的开放性是非常重要的。它是实现智能设备能以简单方式接 入家庭及设备间互联互控的前提。本文主要实现智能家庭环境中被控设备互联的开放 性。为了实现智能家庭中被控设备互联的开放性，引入了设备即插即控技术，并通过制 定即插即控协议栈来实现。即插即控协议栈所实现的功能就是对于连接到不同的接口类 型的智能设备，可以使设备之间能够即插即控，互联互控。 无论在什么控制系统中，最重要的是控制器。针对智能家庭环境的特点及开放性的 要求，在智能家庭中采用家庭服务器作为智能家庭的开放式控制器。为了解决家庭网络 l 绪论 硕i j 论文 中使用不同类型的智能家电的互操作，同样可以通过所设计的即插即控协议栈，实现在 开放式控制环境下服务器与智能设备以及设备之间的互联互控和即插即控。 因此，即插即控协议栈对智能家庭的发展有着重要的作用，它对智能家庭中的各种 智能家电设备都可以和p c 进行对等连接和资源共享及智能设备之间的互联、互控和协 同有重要的意义。 1 2 国内、外研究概况 智能家庭是指各种家电通过不同的互连方式进行通信及数据交换，实现家居智能设 备之间的“互联互控”，从而极大提高人类居住环境的舒适性和娱乐性。智能家庭起源 于上世纪7 0 年代的美国，所谓智能化家居是利用先进的计算机技术、网络通讯技术、 综合布线技术、依照人体工程学原理，融合个性需求，将与家居生活有关的各个子系统 如安防系统、灯光和窗帘控制、场景联动、煤气阀控制、信息家电、空调和通风系统、 地板采暖、水处理、可视对讲以及远程通讯系统等有机地结合在起，通过网络化的综 合智能控制和管理，带来真正“以人为本”的全新家居生活体验。智能家居是以住宅为 平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一 体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境i l j 。 随着智能家庭的不断发展，世界各国都纷纷对其进行研究。至今全球共有数十个关 注家庭网络的标准组织联盟，他们纷纷制定推出自己的网络协议、技术标准。 目前从事智能家庭标准化的组织主要有五个，国内有i g r s ( i n t e l l i g e n tg r o u p i n ga n d r e s o u r c es h a r i n g ) ( 简称闪联标准) 和i t o p h o m e ( e 家佳，家庭网络标准产业化联盟) ， 国外的有u p n p ( 通用即插即用论坛) 、d l n a ( d i g i t a ll i f en e t w o r ka l l i a n c e ，数字生活 网络联盟) 和u o p f ( u b i q u i t o u so p e np l a t f o r i i lf o r u m ，泛在开放平台论坛) 。u p n p 、 d l n a 、i g r s 、i t o p h o m e 和u o p f 涉及的智能家庭标准不尽相同。u p n p 是实现数字设 备之间的发现、配置和控制的标准。d l n a 是构建在u p n p 之上的一个实现家庭音像娱 乐的标准。i g r s 是实现企业、公共场所、个人以及家庭所涉及的信息设备自由互联、 资源共享和协同服务的标准。i t o p h o m e 类似于i g r s ，不过它主要针对家庭环境。u o p f 是通过家庭内部网络和互联网实现数字家电互连的标准。 资源共享协同服务标准工作组( i g r s ) 闪联，由信息产业部科技司批准，以联想、t c l 、康佳、海信、长城五家企业发起、 7 家单位共同参与的“信息设备资源共享协同服务”标准工作组正式成立( 简称i g r s 标 准工作组) ，这1 2 家单位将共同制定相应的协议规范。“闪联标准可以应用在家庭、 办公和公共环境中，通过一系列的协议，支持各种信息设备、家用电器、通讯设备之间 自动发现、动态组网、资源共享和协同服务。闪联标准能够有效提高现有设备问的互操 作性和易用性，充分利用不同设备的功能特点，为用户创造新的应用模式和丰富应用【2 1 。 2 硕j ：论文基于开放式控制环境下的设备即捅即控技术研究 i g r s 规定了可以采用基于会话的机制实现通知，然而，i g r s 协议没有明确规定什么样 的事件需要通知，什么样的事件可以通知。 家庭网络标准产业联盟( i t o p h o m e ) 2 0 0 4 年7 月2 6 日由海尔集团、清华同方、中国网通、上海广电集团、春兰集团、 长城集团、上海贝岭等七家公司发起成立“家庭网络标准产业联盟”，联盟名称为“e 家佳( i t o p h o m e ) 。到目前为止i t o p h o m e 还没有实质性的进展。 数字生活网络联盟( d l n a l 数字生活网络联盟的前身，是由英特尔、飞利浦、i b m 、微软、惠普和富士通等1 7 家 行业巨头于2 0 0 3 年成立的“数字家庭工作组”( d h w g ：d i g i t a lh o m ew o r kg r o u p ) 。目 前d l n a 得到了近千家厂商的支持，尤其是传统p c 厂商和消费电子厂家的大力支持。 该标准组织主要是采纳成熟的业界标准作为自身的提案，大大促进了标准的建设；d l n a 主要关注智能家庭应用层以上协议，但同时由于采用了目前几乎所有的相关标准，也使 产品的设计和生产成本大大提高。 开放业务网关o s g i 标准 o s g i ( o p e ns e r v i c e sg a t e w a yi n i t i a t i v e ) 成立于1 9 9 9 年3 月，由i b m 发起。最初，其 目标是带有家庭自动化应用的住宅互联网网关，现在应用领域扩展到数字移动电话、汽 车( b m w 的x 5 系列) 、信息通讯业务、嵌入式的电器、家庭网关、工业计算机、台式 计算机、高端服务器等。本地调用的集成上是0 s g i 中的一个挺大的缺点，即o s g i 不支 持远程调用其他组件的服务。 u p n p 论坛 u p n p ( u n i v e r s a lp l u g a n d p l a y ，即通用即插即用) 论坛pj 创建于1 9 9 9 年1 0 l i1 8 日，目前 已吸引了超过2 0 0 个在消费电子、计算机、家庭自动化和安全、家电、计算机网络和移 动设备等领域顶级供应商的参与：很多国际组织，j t l d l n a ，n m p r ，i g r s 已经宣布 兼容u p n p 的网络协议框架。这一“简单数字家庭网络”方案得到了i n t e l 、c o m p a q 、c i s c o 等大公司的支持。对于u p n p 这种技术，它主要是针对家庭娱乐方面的应用，但对于我们 的智能家庭中，不光要考虑家庭娱乐这一部分。 总的来说，智能家庭内部网络中设备间的互联互控技术在国外一些发达国家或地区 发展的较快，如美国、欧洲和日本。这些地区的一些著名的大公司，如美国的c i s c o 、 i n t e l 、n o r t e l 、l u c e n t 、3 t o m 和i b m ，欧洲的a b b 和s i e m e n s 等对该技术都有研究。目 前，国内对家庭互联互控技术的研究相对落后。许多厂商或研究机构目前所做的工作仅 仅是在国外的一些标准、规范和协议基础之上，搭建自己的家庭网络。很少对这些技术、 协议、规范本身进行底层的研究。 本论文中提及的智能设备也可以称为信息家电。所谓信息家电就是将数字技术和网 络技术集成于传统家电，借此建立起家庭网络化环境的新一代电器【4 j 。由于近年国际上 l 绪论 顾i ：论文 家电的生产己基本转移到中国、韩国和同本等亚洲国家，信息家电在美国和欧洲不如亚 洲发展得迅速。信息家电最主要要解决用途和协议两个问题。但到目前为止信息家电还 没有主流的协议，产品也处于概念状态。在具有嵌入式通讯接口的信息家电没有大量普 及之前，一般采用适应家电本身的控制方式来实现对家电的控制。 不论是国外还是国内，由于产品大多基于公司自定义的某种标准，未经长时间的应 用验证和业界的普遍认同，因此不同公司的产品无法互联、互操作。另外，即插即用功 能的易用性也并不是那么理想，还需要完善。 1 3 论文的工作内容、重点 网络和信息家电发展的目标是给人类提供一个舒适、便捷、高效、安全的生活环境， 正是为了适应这种社会需求，智能家庭应运而生。智能家居的基本目标1 5 1 是：将家庭中 各种与信息相关的通信设备，家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术( h b s ) 连接 到一个家庭智能化系统上进行集中的或者异地的监视、控制和家庭事务性管理，即保持 这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。 本论文的主要研究内容就是基于开放式控制环境下，设计如何实现家庭内部多种智 能设备之间的互联互控和即插即控的功能，为了实现各设备在开放式控制环境下的互 联、互控和协同工作，首先需要选用一种协议来解决不同设备的互联，设备之间能相互 发送和接收信息。显然，仅仅有设备间的互联协议如果没有高层协议( 特别是设备应用 层协议) ，这些设备就无法识别、理解这些信息，更无法根据这些信息做出正确的响应， 也就无法实现互控操作。因此，需要定义设备应用层服务和协议，使应用进程之间能通 过这些服务相互传递信息。只要设备制造商提供关于该设备的资源描述文件，用户应用 程序就可以根据该文件对设备进行组态，将来自于不同制造商的设备集成为一个分布式 控制系统。因此，我们通过制定即插即控协议栈，实现智能设备在开放式控制环境下的 即插即控。 本论文研究工作的重点是基于开放式控制环境下实现对智能家庭内部接入的智能 设备能够进行接入识别和控制管理，通过制定即插即控协议栈来实现设备的即插即控功 能，同时对所制定的即插即控协议栈分别从理论上对其进行性能分析和从实践上进行性 能验证。 1 4 论文结构 本论文的章节安排如下： 第一章，绪论。主要描述了论文背景，一些标准组织和相关标准，论文的实际意义 以及论文的工作内容、工作重点和论文结构。 第二章，基于开放式控制环境下的智能家庭概述。概要性的介绍了开放式控制环境， 4 硕 ：论文 基于开放式控制环境下的设备即插即控技术研究 同时对基于此环境下的智能家庭进行介绍。并针对在开放式环境下对智能家庭中的服务 器和智能设备等进行了简单介绍。 第三章，即插即控协议栈的设计。包括其层次结构的设计，各层次的详细描述以及 其设备层消息格式的具体定义。 第四章，即插即控协议栈性能分析。首先，介绍了关于p e t r i 网的一些定义及p e t r i 网 与自动机的差异和应用领域不同。运用p e t r i 网对制定的协议栈各层进行死锁等相关性能 进行分析，并对在通信中存在的冲突超时进行分析。 第五章，即插即控协议栈仿真环境实现。主要描述了该仿真系统整体架构，协议转 换功能介绍，具体针对服务器和智能设备的消息数据结构、算法的设计，最后给出了仿 真试验结果并对结果进行分析。 总结，指出了设计的协议栈设计中存在的一些不足和需要完善的地方，并指出了需 要进一步研究完善的方向。 2 基f 开放式控制叫：境下的智能家庭 硕l ：r e 文 2 开放式控制环境下的智能家庭介绍 在论文的前面章节中我们简要的介绍了智能家庭在国内外的发展情况，一些相关标 准组织及标准组织制定的相关标准。在本章中，我们将对制定的协议栈所基于的开放式 控制环境作简要的介绍。在一个开放式控制环境中，开放式控制器是整个控制环境的核 心，同样针对我们的智能家庭环境中，家庭服务器是整个智能家庭控制系统的核心，实 现智能家庭控制环境的开放性也即是实现智能家庭服务器的开放性。因此，接着对智能 家庭环境中的服务器做了简要的介绍。同时，对家庭服务器的控制对象智能设备做简要 的介绍。 2 1 开放式控制环境概述 随着计算机技术、通信技术、控制技术的发展，使得控制系统向全数字化、全分散 式、全开放可互操作和开放式互联网络方向上发展。开放式控制系统的概念在2 0 世纪8 0 年代就已出现，在美国n g c ( n e x tg e n e r a t i o nc o n t r o l l e r ) 计划之后，欧洲推出 o s a c a ， 日本进行了名为o s e c 计划的研究，加拿大也拥有n r c 计划。开放式控制系统提供了 系统中各种功能模块的说明和接口定义以及支持开放性的各种技术规范说明。即模块 化、可重构、可扩充的软硬件系统，这就是开放式控制系统。开放式、网络化控制系统 是实现设备高水平数字化的保证。其核心是开放性，即系统各模块与运行平台的无关性、 系统中各模块之间的互操作性和人机界面及通信接口的统一性。开放式体系结构使控制 系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向发展。 而当今随着控制系统中加入的设备样式越来越多，越来越复杂，这就要求控制系统 具有高效、准确、开放式的特点，要求控制系统具有软硬件重构的能力，而且这种重构 能力要求所需周期及成本大大下降，改变现在控制系统的封闭模式，使得底层的控制更 简单有效，从而出现了开放式的控制系统。因此，在构建一个开放式系统时最关键的就 是实现系统的可互操作性，即可实现异种设备，异种数据库和异种网络的互操作性。 2 1 1 开放式控制系统与传统控制系统的比较 传统的控制系统一直沿着封闭式结构向前发展，封闭式系统结构柔性差，不便于进 行扩展和改进，并且软件结构依赖于硬件，移植性差。整个控制系统可以看作是一个黑 匣子，用户不可能进行功能扩充。 传统的控制系统它的不足之处在于列 1 、结构封闭 老的控制器由于受到硬件的限制，很难在原系统基础上增加功能，不便对系统资源 6 硕l ：论文甚于开放式控制环境下的设备即捅即控技术研究 进行共享及升级改造。 2 、软件兼容性差 由于老的控制软件的结构限制，所以很难在不同系统间移植。从而提高开发成本， 造成资源浪费。 3 、扩展性差 由于结构的封闭性，很难根据需要对系统进行扩展。 针对它的结构不开放和软件不兼容，对整个控制系统集成、系统升级和管理带来了 极大的困难。研究具有开放式结构的高性能控制器是当前控制领域的一个重要发展方 向，越来越得到世界各国的广泛注意。 开放式控制体系是国际上控制系统发展的趋势，近年来随着科学技术的飞速发展， 各种不同层次的开放式控制系统应运而生，目前正朝标准的开放式结构方向发展。关于 开放体系结构的定义，目f j 尚有较大的争议。根据i e e e 关于开放式系统的定义：一个开 放式的系统应能够在多个销售商的不同平台上运行，能够与其它系统进行互操作，并且 具有一致风格的用户交互界面。 开放式控制系统的优点【1 4 j ： - 一 l 、可移植性：系统的功能软件与设备无关，各种功能模块能运行于不同的控制系 统内，即能运行于不同供应商提供的硬件平台上。 ，妒一。 2 、互操作性：通过标准化接口进行通信和交互，使不同功能模块能以标准的应用 程序接口运行于系统平台上，并获得平等的相互操作能力，协调工作。 3 、 可互换性：构成系统的各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的控制， 可根据功能、可靠性、性能要求相互替换，不影响系统整体的协调运行。 4 、可伸缩性：系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改。控制系统的硬件或软 件模块可根据具体应用增减。 由于开放式控制系统的种种优点，对一个控制系统来讲实现其开放式是必要的。针 对我们的智能家庭控制环境，实现其开放性更是必要的。其实，实现控制系统的开放性 必须首先实现控制器的开放性。因此，下面将对开放式控制器进行简单介绍。 在一个控制系统中，最重要的是控制器。因此，在一个开放式控制系统中，最重要 的是开放式控制器。开放式控制器是整个控制系统中所有设备的中枢。开放式结构控制 器【1 5 】是指：控制器设计的各个层次对用户开放，用户可以方便地扩展和改进其性能。 同样，针对我们智能家庭控制环境中，其控制器的重要性也是不言而喻的。因此， 下面小节中将对控制器的设计及针对智能家庭环境对其控制器开放层面进行介绍。 2 1 2 开放式控制器设计目标 根据i e e e 的定义，开放体系结构是一开放的系统，它具有使正确编写的应用程序 7 2 基于开放控制环境下的智能家庭 硕1 ：论义 在来自多丌发商的各种平台上运行、与其他系统应用程序互操作，并且提供和用户交互 的一致风格的能力。开放体系结构控制已成为机器自动控制领域研究的热点之一。而在 一个开放式控制系统中，最重要的是开放式控制器。开放式控制器是整个控制系统中所 有设备的中枢。开放式结构控制器是指【l5 j ：控制器设计的各个层次对用户开放，用户可 以方便地扩展和改进其性能。 无论在什么样的控制系统中，它们都有一些共同的特点，即利用控制器去控制管理 整个系统中各个部件协调一致地工作。同样，在智能家庭这个控制环境系统中，也需要 有个能控制整个家庭中各种智能设备的协调一致工作的控制器。为了使智能家庭环境中 的不同厂家生产的不同智能设备能够以一种标准化的方式接入到智能家庭环境中，即当 家庭需要添加新的智能设备时，用户不需要对设备进行过多处理，直接把设备接入到智 能家庭环境中就可以被控制器和其他相关联的设备相互识别、相互控制，这样才能真正 的实现设备对人的开放性和设备之间的互联互控操作。因此，针对智能家庭环境的特点 及开放式控制环境的需要，引入了智能家庭丌放式控制器，把智能设备接入到开放式控 制器上，不需要人为的干预即可被识别、控制。 s u nm i c r o s y s t e m 于8 0 年代提出了“开放”这一概念。这个概念的产生和计算机的 数据处理及计算环境的演变密切相关。这一过程经历了四个阶段：单机环境、网络环境、 分布环境和协同计算环境。其中协同计算环境是由相互联网的、用户透明的计算机组成 的一种计算环境。该环境可容纳各厂商生产的各种类型的计算机，好像将它们集成为单 机而进行操作，无论由哪家制造商生产的，也不论采用何种操作系统、数据库，用户都 可以方便的存取网络上任何地方的信息，充分利用系统资源【l 6 1 。 针对在智能家庭中，其主要是关于协同计算环境。在智能家庭中协同计算环境是由 互相联网的、透明的智能家庭设备和家庭服务器构成的一种计算环境。该环境可以容纳 各种类型的智能家庭设备，它们有各自支持的标准接口。其中智能家庭中所有智能设备 接入的服务器就是智能家庭系统中的开放式控制器。 在智能家庭环境下，针对智能家庭环境的特点，为了实现系统中控制器的开放性， 需要从三个层面上来实现整个系统的开放性，即硬件功能模块的开放性、被控设备互联 的开放性和远程用户应用的开放性。 硬件功能模块的开放性：在智能家庭环境系统中，要实现硬件功能模块的丌放性， 主要是表现在硬件系统模块化要求，便于添加或更换各种接口等，以及当系统中加入新 的智能家居设备时，可以实现设备接口的扩充。 被控设备互联的开放性：其作用是在实现多个系统智能设备的应用进程相互通信的 同时，完成一系列信息处理所需的服务。在智能家庭环境中，开放式控制系统设计的根 本目的是：当一个新的智能家居设备被j 3 n 蛰j 系统中时，不需要对操作系统的核心做任何 改变就可以使用，并允许系统可以较为容易地进行功能增删。为了实现这个目标，开放 8 硕_ i 二论文 基于开放式控制环境下的设备即捅即控技术研究 式控制器应具备以下特点： 一是可配置性；所谓可配置性是指控制器可以根据实际情况加载或不加载相应功能 模块，即根据系统的运行环境，管理外设是否存在而决定是否加载相应的设备驱动程序。 二是模块化；主要是为了减少局部修改对整个系统造成的不必要影响，实际上这种模块 化不仅是在程序上的模块化，更重要的是在数据结构上的模块化。三是可扩展性。开放 式控制器必须具有根据不同应用增加不同接口的能力，以适应不同的设备。该层需要根 据智能家居设备自身的性能和特点分别进行编程。在本文中，将每个接口看作是一个类， 它包括设备名、设备控制寄存器定义的结构体、设备初始化函数、设备的读写控制操作 和设备相关映射表。针对这一层的特点和作用，为了实现开放式控制器中被控设备互联 的开放性，对应的我们提出了即插即控协议栈。本文提出的即插即控协议栈是针对智能 家庭环境所设计的。在后面的章节中，会对即插即控协议栈做详细的介绍。 远程用户应用的开放性：在智能家庭环境中，应用层是开放系统的最高层，是直接 为用户的应用进程提供服务的。远程用户可以通过简单的接口调用就可实现要做的处 理，不需要了解内部是怎么处理的。 2 2 基于开放式控制环境下的智能家庭 在上- d , 节中，对实现智能家庭控制环境的开放性进行了简单介绍，那么，如何从 整体上去实现呢? 我们知道智能家庭主要是由家庭服务端和家庭服务端控制的智能家 居设备构成。其中，家庭服务端是利用计算机、微电子、通信、布线等技术，将家庭环 境中几乎所有的智能化功能都集成起来，为智能家庭和各种将来可能的增值服务提供了 一个统一的平台。随着智能家庭的不断发展，接入智能家庭的智能设备不断的增加，因 此，人们对智能家庭的环境要求不断提高。对外，家庭服务器连接包括电话网、电视网、 小区局域网或i n t e m e t 等外部网络，并通过选配外网接口可以支持多种接入技术。对内， 家庭服务器可配置多种接口，并能实现多种接口设备之间的通信。论文的后续章节中提 出的即插即控协议栈就是基于这种对内多种接口的配置。同样，对于智能家庭环境中的 智能设备，它是实现智能家庭的核心组成部分。是真正实现家庭范围内数字资源共享的 前提条件。下面将针对智能家庭的开放性要求对服务端和设备端作详细的介绍。 2 2 1 基于开放式控制环境下家庭服务器设计 控制器主要是实现对一个系统各个部件进行控制，针对我们智能家庭，它不仅要实 现对系统的控制，还有包括多层次家庭和业余教育服务、远程看护、医疗服务和家庭娱 乐等功能。因此，在智能家庭中，不能简单的通过一个控制器来完成所有功能。 随着智能家庭的不断发展，不同的产品制造商会根据自己的产品特点和优势，决定 采用何种技术来实现家居智能化系统的集成平台。可以是：家庭网关、数字机顶盒、或 9 2 基于开放控制环境下的智能家庭 硕1 j 论文 者是专用的家居智能化系统服务器。无论采用何种技术实现系统集成平台，都应具有丰 富的硬件接口和丰富的通信协议驱动程序或丌放的驱动程序接口协议，以使第三方产品 可以无缝的接入系统集成平台。 网络向下一代网络( n g n ) 的演进以数据服务为代表，服务的多样化趋势将更加明 显。而家庭服务器作为服务中离用户最近的综合接入，必须适应这种需求的变化。应该 说，接入层设备具备数据、语音、多媒体等多样化服务提供能力及全面兼容n g n 网络 是一种必然的发展趋势。由于n g n 服务的开放性，对接入层的设备互通性、网络安全 性、服务质量保证、维护管理等方面均提出更高的要求。另外，考虑到未来发展趋势： 家庭智能设备的普及、新应用种类增加以及带来的存储信息量的增长，网关的单一的功 能必定不能满足智能家庭的需要，在下一代家庭网络中，家庭服务器将取代家庭网关成 为家庭网络的核心。 家庭服务器( h o m es e r v e r ) 是智能家居的大脑，家庭服务器是所有家庭设备的控制中 心，管理中心和数据存储中心，有着强大的信息存储和信息处理的能力，也是人们在家 中或在异地利用远程技术控制家中设施的中央处理中枢。它通过网线和电话线与外界连 通，通过各种线缆与各个智能家居设备连，通过各种人机界面与人沟通，并能按照人的 指令和软件所设定的程序对家居设备进行控制。 家庭服务器是家庭网络的核心设备，是内嵌家庭网关的大容量存储系统，拥有丰富 的软硬件资源，提供多种外网接入和内网接口，并作为家庭的控制中心，负责家庭网络 的网元管理、网络管理和服务管理。其中，网元管理是主要对家庭网络中单个设备的管 理，包括网元定义、鉴别、数据处理等；网络管理主要是对家庭网络以及接入的管理； 服务管理是负责向住户提供服务一级的管理，包括接收、存储、发送、执行服务提供商 提供的服务以及其它应用于家庭的服务。 家庭服务器不仅具备了完全的家庭网关功能( 多种接入，多种内网接口等) ，还具有 家庭网关所不具备的：提供一定的存储空间作为家庭存储的一种方式，可以根据用户的 喜好录制某些广播电视节目或从i n t e r n e t 上下载的其它信息等；广播、电话和传真功 能；作为各种增值服务的平台( 家庭保健、视频点播等) 。 高度集成的多功能家庭服务器可以为用户提供最大的便利，使用户真正体会到家庭 智能化系统为同常生活所带来的附加值。家庭服务器可以看成是集主网关、多媒体服务 器和多个子网关于一体的并且具有大存储空间的综合网关。它具有协议转换、媒体服务 等功能，用于连接外网和家庭内部的智能设备。 可以用图2 2 1 来表示其结构： 1 0 硕士论文基于开放式控制环境下的设备即插即控技术研究 接 入 外 网 一多媒体服务器 一 智能设备 主 网 ； 关 一子网关卜 一子网关i ； 智能设备 智能设备 图2 2 1 家庭服务器的模块图 家庭服务器作为跨接家庭异构子网的平台，使用户可以在网络中使用一种终端或多 种终端就能够得到他所需要的服务。因此对于终端的要求特性体现在两方面：一是体现 在移动终端里面，一是体现在固定终端里面。固定终端要能够支持移动的终端进入家庭 网络，这就涉及到认证、漫游控制、服务的导入等问题。移动终端同样也要支持固定终 端、家庭网络之间的服务切换、控制等一系列问题。 家庭服务器是整个服务传送链的核心，它介于内部联网设备和外部服务层之间，在 家庭网络中起着不可替代的作用。家庭服务器的中央处理单元主要承担家庭网络核心控 制功能，包括家庭内外网络数据的获取、共享和传输等。 下一节我们主要描述智能家庭中的组成成员智能设备。 2 2 2 基于开放式控制环境下智能设备特点 在智能家庭中，要想真正实现家庭范围内数字资源的共享，智能家庭的组件必须实 现互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 。这点对于p c 这样的智能电器并不困难，但智能家庭中的 很多成员是电视、音响这样非智能或者半智能的产品。到目前为止，家庭环境中使用的 设备大多还是非数字化和智能化，设备之间还是相互独立的，要想真正实现智能家庭， 首先要把家用电器或者需要控制的设备设计成智能化、数字化的设备，使这些设备通过 即插即控方式连接到家庭服务器上，当家庭需要添加新的智能设备时，用户不需要对设 备进行过多处理，直接把设备接入智能家庭环境中就可以与家庭服务器和其他相关联的 设备相互识别、相互控制，这样才能真正的实现设备之间的互联互控操作。 同传统的家电产品相比，智能家电设备应具有如下特剧1 7 j ： 1 、网络化功能：信息家电可以通过家庭内部的有线或无线局域网连接到一起，进 行音视频或数据的传输和控制，还可以通过家庭网关接口同内容提供商的服务站点相 连，获取需要的信息。 2 、智能化：网络电视机可根据指令自动接收电视节目并存贮；智能空调可在不同 1 1 2 基十开放，匕控制环境下的智能家庭硕i j 论文 的人进入房问时，会根据其不同的喜好自动调节房间温度；智能微波炉可根据不同的食 品自动控制加热温度和加热时间；智能安防系统在出现非法闯入、火灾、煤气泄漏等情 况时，会自动向监控中心发出报警信息，同时启动相关设备进入应急联动状态，从而实 现主动防范。 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，使不同厂商生产的信息家电之间能互联、互通、互控。 4 、节能化：信息家电可根据周围环境自动调整工作时的状态，从而实现节能。 5 、易用性：信息家电比传统家电具有更为强大的功能，但是由于复杂的控制操作 流程已由内嵌在信息家电里的中央控制器处理，因此用户只需了解非常简单的操作，使 用起来非常方便。 在网络化、数字化、智能化家电大行其道的环境下，如何融合传统家用电器的研究 工作一直比较少，为了实现家庭服务器的控制对象家居设备的智能化，本节将着重研究 在现有的非数字化、智能化家电占主导地位的前提下，设计相应的主控制设备和终端设 备来实现家电智能化，提高其交互能力。 由于本文所研究的设备即插即控技术是基于开放式控制环境下的，因此，本章首先 对开放式控制环境作了简要介绍。接着，针对智能家庭中被控设备互联的开放性这一要 求，分别对家庭服务器及其控制对象智能设备作了简要介绍。本文主要通过制定了即插 即控协议栈，实现智能设备与家庭服务器之间的即插即控功能，从而实现了智能家庭中 被控设备互联的开放性。因此，在下一章，我们开始设计即插即控协议栈，并在后续章 节中对它的性能进行分析。 硕1 二论文 基于开放式控制环境下的设稀即插即控技术研究 3 即插即控协议栈的设计 在上一章中，我们主要对基于开放式控制环境下智能家庭中关于家庭服务器和智能 设备的功能、设计要求等进行了介绍。在智能家庭环境中开放性主要体现在硬件功能模 块的开放性、被控设备互联的开放性和远程用户应用的开放性，为了实现被控设备互联 的开放性提出了设备的即插即控技术，并通过制定即插即控协议栈来实现。因此，在本 章中我们将介绍本文的重点即插即控协议栈。 由于接入智能家庭服务器上的智能设备是多种多样的，为了实现将不同厂家、型号、 性质的智能设备在不需要进行过多配置就可以增加进来，只要设备插上就可以被服务器 发现并可以直接使用，并且各个数字化智能设备之间可以进行相互通讯。因此，在研究 和开发智能家庭相关技术的过程中，为了使得不同厂家、不同种类的产品能够在智能家 居环境中即插即控、协同工作。这也就是被控设备互联的开放性所要体现的。因此，我 们通过制定即插即控协议栈来解决这些智能设备在家庭服务器上的即插即控和这些智 能设备之间的互联互控等技术问题。， 针对基于开放式控制环境下智能家庭的特点，我们设计了即插即控协议栈，完成家 中、办公室和公共场所联网设备之间的完整控制和数据传输，还可建立无缝紧密的连接 网络。即插即控协议栈是一个多层协议构成的框架体系，上层以下一层为基础，下层为 上层提供服务。 即插即控协议栈不仅要实现设备间的通讯功能，更重要的是实现服务器对设备插拔 的智能控制及设备间互联、互控、协同功能，使之能更好的实现智能家庭内部的智能化。 它是通信设备之间传