（系统工程专业论文）基于ARM的嵌入式CEBus家庭网关设计.pdf

浙江大学工学硕士学位论文 基于a r m 的嵌入式家庭阔关设计 摘要 随着信息化技术的迅猛发展，为满足人们对家庭自动化的需求，各类家庭网 络协议层出不穷。在众多的协议中，消费电子总线( c o n s 哪e r e l e c 仃o n i c s b u s ， 简称c e b u s ) 由于其本身具有的诸多优势，越来越受到人们的重视，应用也日趋 广泛，正在逐渐成为最重要的家庭网络标准之一。 i i l t e m e t 技术的兴起，极大地方便了人们的生活，家电融入i r l t e m e t 的需求也 越来越迫切。嵌入式i n t e r i l e t 是随着计算机网络技术的普及和发展而兴起的一项 概念和技术，它通过现有嵌入式系统增加n e m e t 接入模块来扩展其上网的功能。 家庭网关是嵌入式h l t e m e t 技术应用于智能家庭网络的产物，它是一种连接于家 庭网络和外部h l t 锄e t 网络之间的嵌入式设备，使得家庭网络能够实现低成本的 i n t e m e t 接入。通过家庭网关人们可以方便地在i n t e m e t 上从远端对家中的设备进 行监控和管理，同时也使得远程设备维护和集成设备管理成为可能，还可以使设 备主动地通过h n e m e t 获取信息或发送信息，这不仅使人们享受到信息技术给生 活带来的便捷和乐趣，还大大地提高了工作效率。 针对上述需求，本文在深入剖析消费总线协议的基础上，结合i i l t e m e t 网络 技术以及片上系统技术( s o c ) 等，设计开发了基于a r m 的嵌入式家庭网关。在 家庭自动化网络的发展成为必然的情况下，为c e b u s 网络家电接入h l t e m e t ，实 现远程控制积累了经验，提供了新的思路和方法，同时也为家庭网关的产业化打 下了基础。 在设计中采用了三星公司的a r m 芯片s 3 c 2 4 1 0 作为网关的主控模块，节省 了系统成本和提高系统性能。在双绞线连接模块采用了具有自主知识产权的家庭 网络s o c 芯片h n 6 0 0 ，提高了系统的稳定性，大大降低了家庭网关的成本和应 用门槛。通过将嵌入式操作系统删“n 1 1 ) 【移植到家庭网关硬件平台，为基于 a r m l i n u x 的软件开发打下了良好的基础，提高了软件的设计效率。 关键词家庭网络，信息家电，家庭网关，嵌入式系统，公共应用语言，片上系 统 浙江大学工学硕上学位论文 基于a r m 的嵌入式家庭网关设计 a b s t r a c t a l o n gw i t ht l l er a p i dd e v e l o p m e n to fi f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt os a t i s 勺t h e d a m 锄d so f 恤en e e do f h o m e 卸t o m a d o n ，1 0 t so f h o m en e t w o r k 口r o t o c o l se m e r g ei n e n d l e s s l y a m o n gm e s ep i 优o c 0 1 s ，c e b u s ，w h j c hi ss h o r tf o rc o n s 岫e re 1 e c t r 0 1 1 i c s b u s ，l l a sg a i n e dm o r ea n dm o r ea t t e t i o n 趾db e e nu s e dw i d e l yw i t hi t sa d v a n t a g e s s o c e b u sl l a sb e e no n eo f t h em o s ti m p o r t a n th o m e 玳i h r o r kp r o t o c o l s w i mm eh l t e m e tt e c h i l o l o g y ，p e o p l e sl i f eh a sb e e nc o n v e i l i e n ta n dt l l en e e df o r c o 姗e c t i i l gt 1 1 eh o m e 印p l i a n c e s 丽mi n t e m e th a sa l s ob e e nm o r e 孤dm o r el l r g e n t t h ee n 出e d d e dh n c m e tt e c h n o l o g yi san e wc o n c e p td e v e l o p e dw i mc o m p u t c r n e t w o f kt e c h n 0 1 0 9 y t h ee 珈i b e d d e ds y s t e mc a nb ea d d e dm ei i l t e m e ti n t e r f a c e m o d u l et 0e x p 锄di t si n t e m e t 向n c t i o n h o m en e t w o r kg a t e w a yi st h ep r o d l l c t i o no f e m b 础di i l t e m e tt e c l l n o l o g ya p p l i e do nh o m en 咖o r k ，w 1 1 i c hc o i m e c t sh o i n e n e t w o r ka n di n t c m e ti nl o wc o s t w i t ht l l eh o m en e t w o r k 鼬t e w a y ，p e o p l ec a l l c o n t p o l 锄dm 趾a g et h ee l e c t r i ca p p l i a l l c er e m o t e l ya n de a s i l yt l l 】u 曲h l t e m e t t h a t c a nl e tp e o p l e e n j o yt l l ec o n v 咖e n c e sb m u g h tb y 访f o 皿a t i o nt e c h n o l o g y 趾d i n c r e a s em ew o r ke 衙c i e n c yg r e a t l y t os a t i s f yt h e s en e e d s ，俎e r 趴a l y z i n g 廿l ep r o t o c o lo fc e b u s 锄dc o m b i n i n g i n t e m e ta n ds o ct e c l l n o l o g y ，a ne m b e d d e dh o m en e t w o r kg a t e w a yf o rc e b u sb a s e d o n 膻mw a sd e s i 印e d t h a tb r o u 曲tf o 刑a r dan e wm e t h o df o rc e b u s c o i l i l e c t i n 2t o h l t e m e t 趾dm a d eag o o df o u 疵k i o nf o ri n d u s t r i a l i z a t i o no f t l l i sg a t e w a y i t h ed e s i 弘，a r mc l l i ps 3 c 2 4 1 0p r o d u c e db ys 锄s 吼gw 踮s e l e c t e da st l l em a i n c o n 缸di n o 血l eo f t t l eg a t e w a y ，w l l i c hs a v e dc o s ta n d 协c r e a s e dm ep e r f o 姐a n c eo f 也e w h o l es y s t e m h 1t 1 1 et w i s t e dp a i rc o m m l l i l i c a t i o nm o d u l e ，m es o cc h i ph n 6 0 0w 】b s e h t e l l e c t i l a lp r o p e r t yo w n e d b yo l l rt c a i nw a su s e dt oi m p r o v e 也es y s t e ms t a b i l i t ya n d c u tc o s t 锄da p p l i c a t i o nt 武s h 0 1 d g r e a t l y t h r o u 曲p o m n g 嘶b e d d e do p e r a t i n g s y s t e ma r m l i i l u xt oh a r d w a r ep l a t f o 肌o ft h cg a t e w a y ，ag o o df o l l i l d a t i o nw 邪 m a d ef o rs o 脚a r ed e s i g i l 趿di n c r e a s e dt l l ed e s i g i le f f i c i e n c v 1 ( q ，w o r d s ： h o m en e t w o r k ，h l f o r m a t i o na p p l i a n c e ，h o m eg a t e w a y ，王h n b e d d e d s y s t e m ，c a l ，s o c 浙江大学工学硕士学位论文 基于a r m 的嵌入式家庭网关设计 1 1 课题背景 第一章绪论 家庭网络( h o m en 帅0 1 1 【或h l - h 眦en 咖o r k ) 并不是一个全新的概念，住 宅安全设施以及黑色家电、自色家电对联网技术的需求由来已久，而技术界也为 网络在家庭中的应用进行着不懈地探索和努力。但是，除了x 1 0 ( 一种通过电源 线路传递信号，为住宅用户提供简单廉价的照明、电器和安全控制的公认标准) 外，很多年来家庭网络并没有赢得广泛的市场。人们往往将此归结为厂商提供的 家庭网络解决方案过于昂贵，或者是技术超前了用户的需求。然而这种状况正在 改变：自上世纪9 0 年代以来家庭网络再次成为计算机厂商和家电厂商的关注焦 点。这种改变源于多方面的其原因： h l t e m e t 逐渐融入人们的日常生话。调查表明：访问i n t e m e t 正在成为消费 者购买计算机的主要动力一一人们可以在家中浏览w e b 页面、收发电子 邮件、进行网上购物、视频点播和电视会议等等。 最后1 0 米问题。接入网作为网络系统中的“最后一公里”，无论从技术角 度还是从费用方面都己得到有效解决：x d s l 、c a b l em o d e m 等高速接入 技术均已得到实际的商业应用；杭州市区家庭用户宽带接入的包年费用 已降至7 8 0 年。但随之而来的“最后1 0 米”( 家庭网络的内部连接) 问题已成 为h l t e m e t 深入家庭的瓶颈1 2 j 。 一个家庭多台p c 。随着个人计算机价格的不断下降。来越多的家庭拥有 两台或多台计算机。家庭成员可能会有各自不同的应用配置、数据安全 的要求并希望能够同时访问h l t e m e t 。 家用电器数字化。一方面视听设备的工作方式从模拟技术全面转向数字 技术；另一方面随着计算机技术的渗透，许多家用电器都内嵌了某种类 型的微处理器而具备一定的智能和联网功能。 可移动的个人信息和通信设备的涌现，包括移动电话、膝上计算机、掌 上计算机和个人数字助理等等。这些设备都需要与住宅内的计算机、打 印机、家电或i n t e m e t 接口等建立通信。 利用计算机网络技术和开放系统技术，可以通过某种协议，设计统一的设备 描述语言，建立家电模型，使住宅中内嵌微处理器的电器设备之间直接建立连接， 相互通信，互联互操，即插即用，并与外界e r n e t 相连以构成家庭网络，进而 使单机智能化上升至系统智能化。在家庭局域网中，如今个人计算机的功能已经 足够强大，可以作为各种家用电器的远程控制中心：住宅内的多台桌式或便携式 计算机之间可以互传文件、共享打印机、共用一个i n t e m e t 连接和进行多用户网 浙江大学工学硕+ 学位论文 基于a r m 的嵌入式家庭礴关设计 络游戏；音频和视频数据可以在家中多台视听设备之间共享也可从i n t e m e t 上 获取丰富的视听资源；通过i n t e m e t ，住户可以从户外对家庭网络进行远程监控 等等。 由此可见，随着信息技术产业发展和人们生活水平地不断提高，各种信息家 电汹f 0 1 搬t i o na p p l i a i l c e ，敬) 不断涌现，家庭正目益成为数字媒体消费的要地。 家庭信息化的提升、以及家庭网络的构建吸引着技术创新者的眼球，数字化家庭 将成为信息基础设施的重要组成部分，其中家庭网络是项关键技术。家庭网络 的目标是将一个家庭中各种信息家电( 如数字电视、智能冰箱、游戏机、p d a 等) 及其它控制设备( 如电表、水表、汽表、能源自动控制、保安系统等) 通过网络连 接为一个小范围的局域网，通过集成控制网和信息网二者的功能服务来解决“最 后1 0 米的问题”，它主要包括家庭网络的联网技术和接入技术两部分内容。家庭 网络的特点是简单、实用、廉价、可靠，目前国内外相关标准正在制定中，未有 正式的国际标准推出，但业界普遍认为未来的标准需要通过市场竞争来选择和检 验。 1 2 课题意义 当家庭网络建立以后，由于未来家庭内部将会有多个信息设备( 包括电脑、 信息家电和控制设备) 同时联入i n t e m e t ，为降低家庭用户管理和维护的复杂性， 一般不可能为每个信息设备都提供一个i n t e 衄e t 出口。而且在目前没有一种主导 联网解决方案的情况下，通常在考虑家庭网络的组成时，设置一个针对特定联网 协议的家庭网关。家庭网关是家庭区域网的关键设备，是家庭网络的中心，使家 庭中的信息设备融入h l t e m c t ，并通过同个m t e m e t 高速管道实现集成的控制、 语音、数据和视频服务。 本课题就是在这种研究背景下开展起来的，是“家庭网络s o c 平台的研究和 开发”项目的一部分。该项目受到国家“8 6 3 ”科技计划的资助( 编号： 2 0 0 3 a a l e l l 4 0 ) ，已于2 0 0 5 年1 2 月4 日通过国家验收。 1 3 论文组织结构 本文共分7 章，其中第一章为绪论；第二章介绍国内外主流的家庭网络协议； 第三章详细介绍了课题所研究的c e b u s 协议；第四章讲述了家庭网关硬件平台的 构建；第五章给出了网关软件开发平台a r m l i n u x 的移植过程；第六章详细介 绍了网关软件的设计过程；最后第七章是课题展望。 2 浙江大学工学硕士学位论文基于a r m 的嵌入式家庭网关设计 第二章家庭网络系统及其主流协议介绍 目前，在楼宇自动化、家庭自动化领域已有几种比较成熟的网络协议( 标准) ， 熟悉这些协议，对于基于家庭网络系统的开发有相当大的借鉴作用。因此，下面 对一些知名度较高的协议作简单的介绍。 国际上对家庭自动化的研究起于2 0 世纪7 0 年代，主要集中在北美、欧洲和 日本等一些经济比较发达的国家。目前国际上已有一些比较成熟的网络协议、标 准，较有影响的包括：美国的x 1 0 ，l o n t 8 l k ，c e b u s ( c o n s 哪oe l e c 岫l i cb u s ) 及b a c n e t ；日本的e c h o n e t ；欧洲的e i b ( h m p e a ni n s t a l l a t i o nb u s ) 等，国内 知名的家庭网络协议有最近成为国家推荐标准的e 家佳和闪联。 2 1 家电现状与发展 家电按功能可以分为以下几种系统：照明系统，如各种电灯、开关；环境控 制系统，包括风扇、空调、取暖器等；“白色家电”如冰箱，洗衣机等；黑色家 电如家庭影院系统，包括电视机、d v d 、音响等；通讯系统，如电话、传真机 等；安防系统，如各种传感器、摄像头等。作为单个的设备，它们都比较完善， 但是作为一个整体就显得缺乏智能和协调，主要表现为【3 ： 首先，各个电器自成体系，而相互之间缺乏联系，有时甚至会相互干扰； 第二，各种电器协调工作的自动化程度不够； 第三，用户的操作界面不统一； 第四，各个设备的功能有冗余； 第五，控制器与执行器之间的关系在室内装修时确定，缺乏柔性和扩展性。 如果将电器设备联成网络，使设备之间互相操作，就能在家电单体自动化的 基础上实现家电系统的综合自动化。计算机通过因特网互联，引起了一场信息的 革命；家电设备走上互联的道路，也会带来巨大的变化。采用网络技术实现家庭 自动化，因此所构建的网络一般称为家庭自动化网络，或简称为家庭网络( h o m e n e t w o r k s la 在国外，家庭自动化的概念早就出现了，也制定了各种家庭网络标准。近 年来，我国家庭网络的研究与开发也相当活跃，在引进国外标准的同时，也成立 了相应的组织和联盟进行自主知识产权的家庭网络标准的制定工作。 2 0 世纪9 0 年代后期，随着p c 和h t e m e t 技术的普及，嵌入式、分布式计算 3 浙江大学工学硕士学位论文基于a r m 的嵌入式家庭网关设计 技术以及高宽带、高服务质量的网络通信技术发展迅速，芯片的集成度不断提高， 在这样的背景下，出现了嵌入式m t c m e t 技术。这一技术致力于嵌入式设备的 i n t e m e t 接入和互连，它提供一个分层、动态和分布式的体系结构，使设备能够 高效、可靠和便捷地获取网络资源和实现全球范围的信息共享。 家庭网关是嵌入式i i l t e m e t 技术应用于智能家庭网络的产物，它是一种连 接于家庭网络和h n e m e t 之间的嵌入式设备，使得家庭网络能够实现低成本的 i i l t e m e t 接入。通过家庭网关人们可以方便地在i n t e m e t 上从远端对家中的设备进 行监控和管理，同时也使得远程设备维护和集成设备管理成为可能，还可以使设 备主动地通过i n t e f n e t 获取信息或发送信息，这不仅会使人们享受到信息技术给 生活带来的便捷和乐趣，还大大地提高了工作效率。 2 2 国内外主流家庭网络协议简介 2 2 1x - l o 协议 x 1 0 是世界上最早出现的也是最简单的智能家庭网络系统，x - 1 0 在7 0 年 代就开始在美国流行，成为当时最具代表性的家庭自动化产品 4 1 。 x 一1 0 采用电力线作为网络通讯介质，系统中的设备直接挂在电力线上就可 以相互通讯，所以x 1 0 系统不需要另外再铺设信号总线，这为系统组网带来了 很大的方便。 x 1 0 系统主要由发送器和接收器组成，发送器和接收器都编有地址。x 1 0 的地址分为房间地址和设备地址，房间地址有1 6 个，设备地址也有1 6 个，所以 x 1 0 最多可支持2 5 6 个设备。 发送器和接收器的控制关系是由它们的地址来决定的，即当发送器a 的地 址与接收器b 的地址相同时，发送器a 就可控制接收器b 。发送器和接收器的 地址是可设置的，当发送器a 和接收器b 两者中的某一个的地址改变后，它们 之间的控制关系就不再存在了。根据不同需要，发送器有多种类型，有的可进行 灯光亮度调节，有的可实现定时控制等。 x - 1 0 具有很好得易用性，其地址选择采用拨盘的形式，使用门槛很低，方 便了用户的使用。 x 一1 0 系统的低廉价格使其得到了一定的发展。2 0 0 3 年底，美国6 0 0 万户家 庭装备了x - 1 0 模块。但是，由于只支待电力线传输，而电力线容易受到干扰， 所以系统的抗干扰性能比较差，由于国内电网谐波比较多，这点在国内表现得尤 为明显。另外，x - 1 0 寻址空间小、对模拟量支持不够也限制了x - 1 0 的可扩展性 和应用范围删。 4 浙江大学工学硕士学位论文基于a r m 的嵌入式家庭网关设计 2 2 2l o n t a l k 协议 l o n t a l k 协议是美国e c h e l o n 公司于1 9 9 0 年推出的l 0 n w o r k sn e 铆o r k s 中使 用的通讯协议。它是第一个宣称提供o s i ( o p e ns y s t e mm t e r c o n n e c t i o n ) 参考模型 所定义的全部七层服务的协议。目前，i 舳w o f k b 网络在楼宇自动化( b u i l d i n g a u t o m a t i o n ，b a ) 、交通运输行业、工业自动化以及公用事业自动化方面获得了 广泛的应用。l o n t a l k 协议虽然也是美国消费者电子制造商协会f c e m a ) 的家庭 网络e 险7 0 9 标准的基础，但是其价格昂贵，因此在家庭中推广比较困难。 l o n t a l k 协议支持的介质包括双绞线、电力线、无线、红外线、同轴电缆和 光纤。在一个l o n w o r k s 网络上，各个节点的地位是平等的，每个节点随时可以 发起对其它节点的通讯。l 0 n t a l k 协议采用了一种改进的以太网介质访问控制协 议，称为“带预测的p 坚持c s m a 介质访问控制协议”，从而能有效地减少网络 碰撞，提高网络的利用率。网络重载时，以太网吞吐量急剧下降，而对l 0 n w o r k s 影响较小，这一优良的网络特性对实时应用场合尤为重要。 2 2 3c e b u s 消费电子总线( c e b u s ，简称消费总线) 是美国电气工业协会( e i a ) 专门为家庭 中使用的消费产品而制定的网络通讯标准1 6 】。 消费总线网络拓扑结构灵活，可以是总线型、星型、树型或混合型。总线中 的每个节点的地位是平等的，不需要主控设备。它利用设备描述语言建立统一的 家电模型，对于多节点竞争访问网络资源的解决方法是采用冲突检测和冲突解 决( c a r r i c r s e n s e m u l 卸l ea c c e s sw i mc o l l i s i o n d e t c c t i o na 1 1 d r e s o l u t i o n ， c s m c d c r ) 。网络中各节点的控制关系通过绑定来实现，从而使整个家庭中 的电器系统能成为一个智能的整体。此协议细节将在以后章节作详细介绍。 2 2 4b a c n e t b a c n e t 是美国采暖、制冷和空调工程师协会( a s h r a e ) 组织2 0 多位各国专 家，经过近9 年时间的研究制定的一种专用楼宇自动控制网络协议。该协议1 9 9 5 年一经颁布，即引起了各国政府、专家学者和企业的广泛关注。1 9 9 5 年由美国 国家标准学院通过成为美国国家标准，目前韩国、日本已将其列为国家标准，并 已成为欧盟标准草案。同时，一些主要的自动控制设备生产商都支持b a c n e t 。 b a c n e t 遵从0 s i 七层模型的原则，将协议分为四层：物理层、数据链路层、 网络层和应用层1 7 j 。b a c n e t 的物理层和数据链路层支持l o n 盯a l k 协议。另外， 浙江大学工学硕士学位论文基于a r m 的嵌入式家庭网关设计 其物理层还支持e 认2 3 2 、e m - 4 8 5 、e m e m e t 和a r c n e t 协议。数据链路层还 支持i e e e 8 0 2 2 、m s 厂r p ( 主从令牌传递) 和p t p ( 点到点) 协议。 b a c n e t 采用了面向对象的技术，定义了一组具有属性的对象( o b j e c t ) 来表示 楼宇自控设备的功能，从而提供了一种标准的描述楼宇自控设备的方式。同时 b a c n e t 定义了四种服务原语来传递某些特定的服务参数。目前b a c n e t 共定义 了1 8 个对象，1 2 3 个属性和3 5 个服务。由于一套楼宇自控系统中并非所有设备 都有必要支持b a c n e t 所有的功能，b a c n e t 协议还定义了6 个性能级别和1 3 个 功能组，从而兼顾了设备的功能与实现的复杂度。 b a c n e t 是一个完全开放性的楼宇控制协议，其开放性表现在：独立于任何 制造商，不需要专门芯片，并得到众多制造商的支持；有完善和良好的数据表示 和交换方法；按标准制造的产品有严格的性能等级和完整的说明：产品有良好的 互操作性，有利于系统的扩展和集成并能够保护已有投资，但这也衍生出它的一 个缺点：实现技术复杂，效率低，与后面的e i b 形成了对比。b a c n e t 采用了包 含四个层次的分层体系结构。如图2 1 所示，这四个层次相对于o s i 模型的物理 层、数据链路层、网络层和应用层。 b c n e t 数据通信协议的层次 2 2 5e i b 图2 1b a c n e t 体系结构层次 对应的i s 0 层次 应用层 阿培屡 蚊据键路屡 物理屡 欧洲安装总线( e i b ) 是个在欧洲占主导地位的楼宇自动化( b a ) 和家庭自 动化( h a ) 标准，是由s i e m e n s ，a b b 等一些知名企业首先提出的i8 1 。1 9 9 0 年成立 的e i b a 是e i b 管理机构，目前在全球已经拥有3 0 0 多会员。国际上很多知名公 司都推出了符合e m 规范的相关产品，e i b 在欧洲得到很好的应用，占据欧洲楼 宇、家庭自动化设备8 0 的市场。美国消费电子制造协会( c e m a ) 批准e i b 为家 庭网络标准( e n 7 7 6 ) 。 e i b 协议早期只支持双绞线作为传输介质。经过不断的开发，目前协议己能 支持包括电力线、同轴电缆、无线电以及红外线在内的多种传输媒介。 浙江大学工学硕士学位论文基于a r m 的嵌入式家庭网关设计 目前e i b 协议仍在不断发展和完善。1 9 9 9 年，欧洲三大总线协议e i b 、b a t i b u s 和e h s a 合并成立了k o 皿e x 协会，提出了k n x 协议【9 o 该协议以e i b 为基础， 兼顾了b a t i b u s 和e h s a 的物理层规范，并吸收了b a t i b u s 和e h s a 中配置模 式等优点，提供了家庭、楼宇自动化的完整解决方案。k o n n e x 的目标是成为欧 洲乃至世界上最好的家庭、楼宇自动化标准，目前其国内版本为h b e s 。 目前e i b 在国内的发展势头良好，它于1 9 9 9 年进入中国，在厦门国际会展 中心、浙江省人民大会堂、温州世纪广场、上海体育中心等大型建筑中得到广泛 应用，同时h b e s 在2 0 0 6 年1 0 月将作为家庭网络推荐标准草案提交国家标准委 员会审议批准。 2 2 6e c h o n e t 鉴于全球能源逐渐枯竭、人口结构逐渐迈向老龄化、家庭消耗能源日益增加 及环境保护与远距离家庭医疗的需求提升等原因，s h a r p 、t o s h i b a 、h i t a c h i 、 p a n 嬲o i l i c 、m i t s u b i s l l i e l e c 砸c 等家电大厂与东京电力公司，于1 9 9 7 年1 2 月在日 本政府支持下，成了了e c h o n e t ( e n e r g yc o i l s e n ，a t i o na l l dh o m e c a r en 酿阳r k ) 协会，是在家庭监控应用方面具有代表性的标准化组织，该组织的目标是为家电、 传感器和控制器提供通信接口和协议，达到减少c 0 2 排放，减少医疗费用，建 立安全无障的社区的目的，其研究内容包括用于e c h o n e t 的通信中间件、通 信接口、通信协议等。该组织目前发布的标准包括e c h o n e ts d e c 嘀c a t i o nv 2 1l ，主要实现家庭监控应用。e c h o n e t 的家庭网络架构是由e c h o n 丹玎 控制装置、e c h o n e tr o u t e r 、e c h o n e t 机器设备所构成的，采用无线方式或 电力线方式连接家中的空调、冰箱、照明器具、保安传感器及家庭医疗设备的网 络。 2 0 0 2 年1 1 月，e c h o n e t 协会发表了最新版的家庭网络技术标准e c h o n e t 3 0 ，在底层传输媒介技术中增加了b 1 u e t o o t h 和以太网络。因此，e c h o n e t 3 0 可以使用的通信媒介由此前的3 种：电力线、扩展h b s 用双绞线与红外线增加 至5 种。 e c h o n e t 技术特征总体来说有以下五点，详细如表2 1 所示 浙江大学工学硕士学位论文基于a r m 的嵌入式家庭网关设计 表2 1e c h o n e t 的技术特点 特征主要内容 由于通讯媒介是使用电力线与无线传输技术，因此不需要在施 不需要配线 工配线。可以降低铺设成本，广泛使用在既有的住宅里 实现不同产品的通过e c h o n e t 可以让各种不同的电器互相连接，并进行操控 整合 容易的开发应用e c h o n e t 的共同标准提供厂商一个更容易的中介软件与机 环境 器设备之间的应用开发环境，这样可以缩短产品开发时间 即插即用 设备之间不但可以互连，更可以简易地增设或变更设备 与i n t e m e t 互连 通过网关与h n e r n e t 互连，形成一个无所不在的网络世界 2 2 7d l n a d l n a ( 数字生活网络联盟) 是个推动家电设备兼容性的标准化组织，它 并不专门为家庭网络开发具体的通信技术和协议，主要是从已有或正在开发中的 规范进行选取和规范，发布产品互通设计指导，从而达到不同产品互通的目标。 d l n a 是一家非赢利性贸易合作组织，其前身是d h w g ( d i g i t a lh o m ew b r k g r 伽p ) ，旨在根据开放式工业标准制定一个设计指南互操作性框架，以实现跨 行业的数字融合。2 0 0 3 年6 月，它由1 7 家创始成员组成，包括富士通、惠普、 英特尔、联想、m m 、l 沁n w o o d 、松下、微软、n e c 、诺基亚、飞利浦、三 星、s h a m 、索尼、s t m i c r o e l e c 们n i c s 和t h o m s o n 等。全球目前已有2 0 0 多 家不同行业的公司加入该组织。华为、中兴、联想作为中国企业也成为了其成员。 该标准组织目前主要是采纳成熟的业界标准作为自身的提案，大大促进了其标准 的建设；2 0 0 4 上半年，d h w g 的标准趋于完善，推出了hn v l 互通性测试标 准； 2 0 0 4 下半年，d h w g 更名为数字生活网络联盟( d i 西t a ll i v i n gn e 押o r k a 1 1 i a i l c e ) ，将工作的重点由标准的建设，迁移到产品的互通性测试阶段。 d l n a 的数字家庭框架如图2 2 所示。其设想是通过一个开放的可互操作的 网络，将互联网、移动通信和广播媒体集成起来，从而极大地满足消费者的需求。 d l n a 能给整个家电行业和消费者带来巨大利益。 d l n a 给行业带来的利益：家庭网络对消费类电子、移动设备和p c 行业来 讲是个很大的新机遇。d l n a 互操作的设想需要各行业的合作。这个合作能给家 庭一网络媒体带来新的产品系列，从而为各行业提供新的商业机会。网络化媒体 也为消费者带来新的体验和发现。 浙江大学工学磺士学位论文基于a r m 的嵌入式家庭婀关设计 d l n a 给消费者带来的利益：当产品的互操作成为现实时，消费者将能够很 方便地从家里的任何地方获得、存储和访问数字资源；毫不费力地管理、欣赏和 共享数字照片：可以将任何地方喜欢的东西带来与家人和朋友共享；享受分布的， 多用户的内容刻录和回放。 图2 2d l n a 的数字家庭设想 d l n a 设计规则主要包括网络与连接、设备和服务的发现与控制、媒体格式 和传输方式、媒体的管理与控制等】。 网络与连接：数字家庭的网络与连接的基础是v 4 协议组。i p 也为网络 上设备提供了底层的通信协议。使用p 有以下几个好处：1 ) 口允许在不同媒体 上运行的设备通讯透明。比如，一台p c 欲将媒体数据流发送到卧室中的一台电 视机，它先通过以太网连接到一个8 0 2 1 1 ，x 的访问点，再由该访问点通过无线 通讯连接到电视机。对于移动设备与数字家庭设备之间的对等通讯，i p 提供了 统一的框架，使应用独立于实际的传输技术。2 ) 邛允许将家中的任何设备都联 至h l t e m e t 因为i p 本身就是h l t e m e t 的通讯协议，所以数字家庭中的任何设备都 可以连至i n t e r n e t 。3 ) i p 连接很便宜。目前，i e t f ( i n t e m e t e n g i n e e r i n g t 鹊k f o r c e ) 正在制定i p v 6 标准。该标准是i p 的升级版本，提供了内置的自动配置和对移动 性与安全性的更高支持。同时，i p v 6 提供了更多的网络地址。i p v 6 中的很多技 术将用于数字家庭，它将作为一种长期的方法来弥补m v 4 地址的不足。未来的 设备将同时支持i p v 4 和i p v 6 。 设备与服务的发现和控制：设备与服务的发现和控制使得家庭网络中的 设备能够自动地配置网络属性，如p 地址，发现网络上其他设备的存在，和以 9 浙江大学工学硕士学位论文基于a r m 的嵌入式家庭网关设计 统一的方式与其余设备合作。u p n p 设备控制协议框架( d c p 框架) 版本1 满足 了家中简单设备网络的上述需求，是数字家庭的设备发现和控制的方案。而u p l l p d c p 框架版本2 是升级版，它与w e b 服务模式结合更紧密。 媒体格式和传输模式：数字家庭媒体格式模式为三类媒体( 图像，音频 和视频) 定义了一组必要格式和一组可选格式。媒体格式的网络互操作模式如下： 1 ) 所有的d h s 和d h r 设备都必须支持所需的那类媒体的所有必要格式。而可 选格式随便设备选择。2 ) 任何d h r 设备能够接收来至任何d h s 设备的内容。 如果d h s 发现d h r 能接收它本地的数据格式，就按本地的数据格式传输，否 则，d h s 需要将本地格式转换成d h r 能接收的模式再发送 媒体管理和控制：媒体管理和控制使得设备能识别，分配媒体内容，或 传到移动设备中。u p i l p a u d i o m d c o ( a v ) 技术满足家庭网络的这些需要，成为数 字家庭设备中媒体管理和控制的方案。u p i l p a v 设备包括t v ，v c r ，c d ，d v d 播放器，机顶盒，p c 等。l 胁pa v 结构允许设备支持任何格式和任何传输协议 的媒体内容。 在2 0 0 4 2 0 0 5 年，d l n a 的设计规则集中在个人应用的娱乐和多媒体设备 间的互操作性。随着新技术和新标准的出现，设计规则可能会覆盖其他的应用领 域，如家庭控制、通信和其他先进的娱乐方向。 2 2 8 国内的e 家佳和闪联 e 家佳标准的制定者e 家佳联盟是我国目前拥有成员最多、成员实力最强的标 准化组织，其制定的标准涵盖了主干网通信协议规范、网络系统体系结构及参考 模型、控制子网通讯协议规范、控制子网一致性测试规范等一系列网络规范。标 准颁布后，我国的家庭网络产品将执行e 家佳标准。据介绍，e 家佳2 0 0 4 年7 月成 立之初，仅有7 家会员单位。目前，已囊括了海尔集团、清华同方、中国网通、 宜e e s c a l e 、上海广电集团、春兰集团、长城集团、上海海贝岭等2 0 0 多家国内外成 员单位。 e 家佳标准的结构分为家庭主网、家庭控制子网、家庭主网网关、家庭控制 子网网关f 12 1 。e 家佳家庭网络采用分层次的网络拓扑结构，分为两个网段：家庭 主网和家庭控制予网。其中，家庭主网通过家庭主网关与外部网络相连接，家庭 控制子网通过子网关与家庭主网相连接。家庭主网中的设备可以互相通讯，并通 过家庭主网关访问外部网络。家庭控制子网中的设备通过子网关、家庭主网关与 外部网络通信。e 家佳家庭网络的体系结构和参考模型，如图2 3 所示。 浙江大学工学硕士学位论文基于a r m 的嵌入式寡庭网关设计 辩 露 韶 霎 游 基 # t 手璇謦锎 - _ t 董燃鹫螂 图2 3e 家佳家庭网络体系结构及参考模型 闪联全称是“信息设备资源共享协同服务”( i n t e l l i g e r l tg m u p i n ga n dr e s o u r c e s h 幽g ，i g r s ) ，标准工作组于2 0 0 3 年7 月由联想、t c l 、康佳、海信、长城 五家企业发起、7 家单位共同参与正式成立。目前其成员单位有4 0 余家。其目标 是在“多种信息设备、家用电器、通讯设备之间的设备自动发现、动态组网、资 源共享和协同服务”方面进行标准化工作【13 1 。这是面向3 g 产业的中国第一个拥有 自主知识产权的产业标准，也是在这一领域有中国企业发起并主导的、自主创新 的第一个“中国标准”。 闪联具体是指在家庭、办公和公共环境中，通过定义一系列的协议标准， 支持各种信息设备和家用电器及通信设备之间自动发现、动态组网、资源共享和 协同服务，实现“内容+ 网络运营+ 设备+ 新型应用模式”的全新网络架构，将数字 内容版权保护、网络及设备认证有机的联系在一起，为未来的网络内容提供商、 网络运营商和终端设备提供商创造出清晰的盈利模式，为用户提供高质量的信息 消费和娱乐。闪联能有效提高现有设备间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1 14 】。 2 0 0 5 年6 月2 8 同信息产业产部同时批准闪联和e 家佳所提交的信息设备资 源共享协调服务协议标准1 o 版和信息设备互联标准为国家推荐性行业标 准。闪联和e 家佳的标准一个侧重于数字办公领域，一个侧重于数字家庭，除了 在相交的个别产品上有重叠，两个标准没有明显冲突。 2 2 9 其它协议 以上所述的几个协议，是在家庭自动化方面使用和研究得最多的协议。除此 之外，该领域还有一些比较有名的协议，如h o m e p n a 、h a v i 、j i l l i 、i e e e 8 0 2 1 1 、 浙江大学工学硕士学位论文基于a r m 的嵌入式家庭网关设计 h o m e r f 、z i 曲e e 、蓝牙( b 1 u e t o o t h ) 、1 1 w b 等等。 2 3 本章小结 本章主要介绍了目前国际、国内流行的家庭网络协议，对于开阔研究视野大 有好处，本章在总结分析了各个协议的技术优势和缺点后将研究重点放在c e b u s 协议上。 应该说，目前在家庭自动化领域还没有一个统一的标准，采用不同协议的各 家厂商都在争取扩大自己的影响。同时，在这个领域，由于需求的驱动，技术的 不断发展，新的协议、新的组织也在不断出现。在我国，目前对家庭自动化协议 和标准的研究与开发还落后于国际的发展，这对我们既是机遇，更是挑战。 浙江大学工学硕士学位论文基于a r m 的嵌入武家庭两关设计 第三章消费总线c e b u s 简介 c e b u s 的全称是消费电子总线( c e re 1 e c 廿o m c sb u s ) 。为解决x - 1 0 技 术上的不足，美国电气工业协会( e 认) 的消费电子小组开始制定在家庭中使用 的消费产品的网络通讯标准，并为此成立了一个技术指导委员会( t e c h l l i c a l s t e e 血gc o m m j 仕c e ，t s c ) 全面负责和监督标准的制定。不久这个委员会又组织 了分委员会和工作小组，分别负责制定该标准的各部分：通讯介质、通讯协议和 传输语言等。各小组制订好相关标准后，再提交技术指导委员会评审通过，此标 准后来就被称作消费电子总线。 3 1 消费总线的发展 1 9 8 9 年，t s c 发布了消费总线协议的部分草案；到1 9 9 2 年，发布了较完整 的e 弧6 0 0 系列消费总线的规格说明书，其后仍不断补充修改；1 9 9 4 年，成立 了消费总线委员会( c e b u si n d u s 仃yc 0 1 1 1 1 c i l ，c i c ) ，这是一个非盈利性组织，由 生产制造消费总线兼容产品和提供相应服务的公司组成，c i c 会负责监督市场、 保证产品的互操作性、以及认定产品是否符合标准。1 9 9 8 年，补充了重要的家 电即插即用规范( h o m ep 1 u ga i l dp l a y ， h o m e p l l p ) 。 2 0 0 0 年，c i c 将c e b u s 标准完全开放，微软公司联合众多公司开始在c e b u s 基础上开发s c p ( s i n l p l ec o 劬- o lp r o t o c 0 1 ，简单控制协议) 【1 5 】，作为与 u p i l p ( u m v e r s a i p l u g a n d p l a y ，通用即插即用) 搭配的一项家电控制技术，该技术 可使制造商更轻松地开发出支持u p l l p 的家电，并通过低速网络进行连接。 s c p 协议的设计目标如下： 针对低速传输的需求，设计最佳通讯协议： 支持即插即用，可自动