（计算机应用技术专业论文）基于ipv6的智能家居网络研究.pdf

贵州大学工学硕- i ：毕业论文 摘要 随着家电技术的进步和信息技术的普及，出现了家庭信息网络、智能家居的概念。愈 来愈多的家庭迫切需要在家中随时随地就可以访问外界的信息源，或者在家庭外部控制家 中的家电，甚至在家庭内实现智能化。i p v 6 的出现使得这种理想更加迅速的成为现实。i p v 6 地址空间充足，可以为地球上每个家电都分配一个全局i p v 6 地址，使设备连接到i n t e m e t 上，从而解决了由于i p v 4 地址短缺给构建智能家庭网络系统构成的瓶颈。同时i p v 6 地址 和服务的自动配置能力强，使得在家庭信息网络中添加家电设备时几乎不需要做任何配 置。加上它的安全性高、对移动性的支持及q o s 支持使得i p v 6 的智能家居时代已经到来。 本文首先阐述了课题来源和意义，详细的分析了智能家居在国内外的研究现状，缺乏 统一明确的国际标准是限制智能家居系统发展的主要因素，针对这一问题以及口v 6 协议 在构建家庭信息网络方面的优势提出了基于口v 6 的智能家居系统是未来智能家居的发展 方向。 接着详细的分析了i p v 6 协议特点、编址和过渡技术以及其对家电网络的支持。根据 家庭网络类型以及设备的种类把家庭网络划分成高速a v 网络、数据通讯网、低速家电 控制网络。三个网络通过家庭网关互联，每一子网可以使用不同的物理媒体和通讯协议， 家庭网关兼容所有的通讯协议。并分别对每个子网进行详细设计，在家庭网络的技术实现 上，我们根据家居环境的特点，采用了蓝牙技术、i e e e l 3 9 4 技术和无线编码技术相结合 的混合网络构建方案，并采用j i n i 技术对家庭网络进行集成。 然后分析了家庭网关的体系结构和功能以及安全性，详细的设计了家电控制网络，把 它分解成家电信息登记、家电状态查询和家电控制三个部分来实现，利用w i n s o c k e t s 类 实现了基于c s 架构的家电本埘远程控制。 关键词：口v 6 、智能家居、家电网络、无线通信 贵州大学工学硕l 毕业论文 a b s tr a c t t h ec o n c e p to ff a m i l yi n f o r m a t i o nn e t w o r ka n ds m a r th o m e w i t ht h ei m p r o v e m e n to f a p p l i a n c e sa n dt h eu n i v e r s a l i sa p p e a r e d i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y m o r ea n dm o r e f a m i l i e sa r eu r g e n tt og e ti n f o r m a t i o no f o u t s i d ew o r l da th o m ea n y t i m eo rt oc o n t r o la p p l i a n c e sf r o mo u t s i d e ， e v e n i m p l e m e n tt h es m a r th o m e t h ei n v e n t i o no fi p v 6 i n s p i r e st h e i m p l e m e n to ft h e s ei d e a s i p v 6p r o v i d e ss u f f i c i e n ti pa d d r e s s n o to n l v e a c ha p p l i a n c ec a nb ea s s i g n e dt oag l o b a li f v 6a d d r e s s ，w i t hw h i c ha n a p p l i a n c ec a nc o n n e c tt ot h ei n t e r n e t ，s oa st os o l v e t h et e c h n i c a l p r o b l e mo ft h ec o n s t r u c t i o no ff a m i l yn e t w o r ks y s t e m ，c a u s e db yi p v 4 a d d r e s ss h o r t a g e ，b u tt h ea d v a n t a g eo f p o w e r f u la u 七。一c o n f i q u r a t i o n c a p a b i l i t yo fi p v 6a n di t ss e r v i c es a v e s n e a r l ya l lt h ew o r ko f c o n f i g u r a t i o nw h e nan e wa p p l i a n c ei sa d d e d w i t h t h ea d v a n t a g e so fi p v 6 ， w h i c hh a v et a l k e da b o u t ，h i g hs e c u r i t ya n ds u p p o r tm o b i l ea b i l i t ya n d q o s ，i p v 6o p e n st h ee r ao fs m a r th o m e f i r s t l y ，t h ee s s a yi n t r o d u c e st h es o u r c ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h et h e m e ， a n da n a l y z e st h er e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a do fs m a r th o m e l a c k o fac l e a ri n t e r n a t i o n a ls t a n d a r di st h em a jo rf a c t o ro fl i m i t i n gt h e d e v e l o p m e n to ft h es m a r th o m es y s t e m s a c c o r d i n gt ot h i sp r o b l e ma n d t h ea d v a n t a g eo fi p v 6o nt h ec o n s t r u c t i o no fh o m ei n f o r m a t i o nn e t w o r k ， t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ff u t u r es m a r th o m eb a s e do nip v 6i sp r o p o s e d i nt h ep a p e r s s e c o n d l y ，i p v 6i sm e 七i c u l o u s l ya n a l y z e d ，i n c l u d i n gp r o t o c o lf e a t u r e ， a d d r e s sa n dt r a n s i t i o n a lt e c h n i q u e ，a sw e l la s s u p p o r tt e c h n i q u ef o r a p p l i a n c e a c c o r d i n gt ot h ec l a s s i f i c a t i o no fn e t w o r ka n da p p l i a n c e ， h o m en e t w o r ki sc l a s s i f i e di n t ot h r e et y p e s rt h a ti s - a vn e t w o r k ，d a t a t r a n s m i s s i o nn e t w o r ka n dl o w r a t ea p p l i a n c ec o n t r o ln e t w o r k t h et h r e e n e t w o r k si n t e r c o n n e c tt h r o u g hh o m eg a t e w a y ，a n de a c h o ft h e ma d o p t s d i f f e r e n tp h y s i c a la n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，w h i c hh o m eg a t e w a yh a s a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo fh o m ee n v i r o n m e n t ，e a c hs u b n e t w o r ki s s e p a r a t e l yd e s i g n e d w ea d o p tc o m b i n e dn e t w o r kp l a nw i 七h b l u e t o o t h ， i e e e l 39 4a n dc o d et e c h n i q u et oc o n s t r u c th o m en e t w o r ka n d i n t e g r a t et h e h o m en e t w o r kw i t h j i n i t e c h n i q u e a tl a s t ，w ea n a l y z ea r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o no fh o m eg a t e w a y ，a n d d e s i g nt h ea p p l i a n c ec o n t r o ln e t w o r k ，w h i c hi sc o m p o s e do fa p p l i a n c e i n f o r m a t i o nr e g i s t e r ，a p p l i a n c es t a t u si n q u i r ya n d a p p l i a n c ec o n t r 0 1 a n dt h ea p p l i a n c el o c a l r e m o t ec o n t r o lb a s e do nc si s i m p l e m e n t e db v w i n s o c k e ts k e y w o r d s ：i p v 6 、s m a r th o m e 、a p p l i a n c en e t w o r k 、w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 2 贵州大学1 = 学硕士毕业论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 童! j ! 藿 日 期： 2q q g 生 旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 室! j 翟：l 导师签名： 6 7 日期：2q qg 生西 贵州大学工学硕上毕业论文 1 1 课题来源和意义 第一章绪论帚一早珀。下匕 二十一世纪是高速变革的信息时代，社会的信息化唤起了人们对住宅智能化及家庭智 能化的要求，智能住宅已成为中国房地产市场的主流。计算机行业和家电行业、电信行业、 安防监控行业的互相渗透、互相融合，信息时代直接勾勒于家居生活己成为现实。建设部 要求根据不同消费者的需要，推动家居数字化、建筑智能化技术及产品的发展，到2 0 1 0 年全国大中城市中6 0 的住宅要实现智能化，由此可见中国智能家居市场潜力巨大【n 。 随着申奥和入世的成功，中国的智能家居产业面临巨大的机遇和挑战。2 0 0 8 北京奥 运，提出了“数字奥运”的口号，这必将推进我国智能家居数字化技术的飞速发展，中国 正迎来一个“数字城市”、“数字社区”建设与发展的热潮。想象一下：您准备欣赏电视节 目，在您说“看电视，中央新闻联播。”这句话的时候，电视打开了，频道调整到中央一 台，窗帘拉上了，房间的光线逐渐调整到最适宜看电视的程度或者，在您回家的路上， 自动为您提前打开空调，调整室内温度到合适程度，接通通风装置；调节好室内的光线； 把您预先准备好的食物用微波炉加热。这样，您一回来就可以享受到清新的空气、舒适的 环境，或许还有一杯热茶。 这看起来就像科幻影片里描写的一样。可是，事实上这样的生活已经近在咫尺。随着 n 产业的发展和人们生活水平的提高，“智能家居”、“家庭自动化”、“网络家电”、“家庭 网络”等技术的发展正受到人们的密切关注，相关产品也在逐渐成熟。 “智能家居”( s m a r th o m e ) ，又称智能住宅。通俗地说，它利用先进的计算机、嵌入 式系统和网络通讯技术，将家中的各种设备( 如照明系统、环境控制、安防系统、网络家 电) 通过家庭网络连接到一起1 4 l 。一方面，智能家居将让用户有更方便的手段来管理家庭设 备，比如，通过无线遥控器、电话、互联网或者语音识别控制家用设备，更可以执行场景 操作，使多个设备形成联动；另一方面，智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要 用户指挥也能根据不同的状态互动运行，从而给用户带来最大程度的高效、便利、舒适与 安全。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜 人的家庭生活空间，还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的 贵州大学工学硕士毕业论文 信息交互功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效 安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。图1 1 是典型的智能 家居功能示意图。 家庭网关 环境控制 门禁控制 图1 1 智能家居功能示意图 由图1 - 1 我们可以看出智能家居系统包含了家庭中的大部分设备，而这些设备的种类 千差万别，如果让家庭网关都用同一种方式来对待，肯定会引起很多问题。如有的地方资 源浪费，而有的地方却不够用。根据智能设备所传输的数据量的大小不同，本文将智能家 居网络大致分为三个部分：家庭数据网、家庭a n 网和家电控制网。其中家庭数据网主 要包括：数字电视、计算机等设备；家庭a v 网主要包括：d v d 、v c d 、摄像头等设备； 家电控制网主要包括：电冰箱、洗衣机、空调等设备。 1 2 国内外研究现状的分析 智能家居网络主要由数字化家电、连接这些家电产品及终端的家居内部网络、提供连 接家居内部网与外i n t e m e t 互联以及完成对数字化家电网络进行控制和管理的家庭网关等 几部分构成【1 。数字化家电网络的主要功能是提供资源共享( 包括信息资源与硬件资源) 、 信息的高速通信与使用以及远程或本地对各种硬件设备的控制，从而为用户提供方便舒适 的生活环境。国内外智能家居网络用到的关键技术有接入技术和高层互联协议。 2 贵州大学工学顾十毕业论文 1 2 1 接入技术 1 h o m e p n a h o m e p n a ( h o m ep h o n e l i n en e t w o r ka l i a n c e ) 是一个由3 c o m 、i n t e l 、a m d 、a t & t 等公司于1 9 9 8 年6 月发起并成立的非盈利性组织，至今已有1 5 0 多家公司加入，几乎涵 盖了网络、通信、软件、硬件和消费电子的各个领域。其主要出发点是使用现存的电话线 建立家居网络，它具有价格低、传输速度快、用户界面好、无需铺设新的电缆等优点l 捌。 2 正e e l 3 9 4 i e e e l 3 9 4 接口的标准化工作始于1 9 8 6 年，当时是为桌面计算机的总线标准而设置的。 1 9 9 4 年9 月，i e e e 着手推动其成为家居网络标准，并于1 9 9 5 年正式成为标准。 i e e e l 3 9 4 是一个高速串行总线标准。它有三种工作速率：1 0 0 m b p s 、2 0 0 m b p s 和 4 0 0 m b p s ，且一条总线可用来连接多个数字化家电设备，共享总线带宽。由于其传输速率 高、带宽大，因此具有较好的实时性能。同时，它还具有造价低、拓扑结构灵活等特点， 可以用于家居中连接p c 、打印机、摄像机、v c d 、d v d 等设备。 但i e e e l 3 9 4 不适宜长距离连接，它定义的两个相邻连接设备之间的距离不能大于4 5 米，且其网络不能有环路存在。 3 h o r n e r f h o m e r f ( h o m er a d i of r e n q u e n c y ) 由c o m p a q 、i n t e l 、s i e m e n s 、m o t o r o l a 等公司于 1 9 9 7 年联合成立的工作组提出，其目的是用无线方式对家电网络进行互联，并传送语音、 数据和多媒体流信息。目前，加入h o m e r ft 作组的成员已超过1 0 0 家公司，涉及个人计 算机、消费电子、外设、通信、软硬件等领域。无线网络的最大优点是不用在家居中铺设 联网用的电缆，从而降低家电网络的成本。h o m e r f 工作组开发了一种用于家居内部通信 的无线通信协议s w a p ( s h a r e dw i r e l e s sa c c e s sp r o t o c o l ，共享无线访问协议) ，并于1 9 9 9 年1 月发布了s w a p i 0 版，随后在2 0 0 0 年1 2 月又发布了s w a p 2 0 版f 3 l 】。 s w a p 定义了家居中以无线方式进行语音和数据通信的公共接口。使用s w a p ，我们 可以建立一个无线家居网络，把p c 等数字化设备连接起来，并使它们可以方便地访问 i n t e m e t 。 4 b l u e t o o t h b l u e t o o t h ( 蓝牙) 无线接入技术发布于1 9 9 8 年5 月，它是一个由东芝、爱立信、毋m 、 i n t e l 和诺基亚共同提出的无线数字传输标准。其目的主要是用于联接笔记本电脑、移动电 3 贵州大学工学硕士毕业论文 话、台式机、数码相机、打印机和其他可能的家用电器，因为未来的网络终端将不仅仅是 计算机，更将是与人对话的任何机器【4 2 1 。 蓝牙是一种短程( 2 4 g h z ) 无线技术，用于简化网络设备之间以及设备与互联网之间的 通信。它还可简化网络设备和其它计算机之间的数据同步。由于蓝牙不是为传输大流量负 载而设计的，因此并不适于替代l a n 或w a n l 2 4 。 5 8 0 2 1 l ， 作为全球公认的局域网权威，i e e e8 0 2 工作组建立的标准在过去二十年内在局域网领 域内独领风骚。这些协议包括了8 0 2 3e t h e r n e t 协议、8 0 2 5t o k e n r i n g 协议、8 0 2 3 z 1 0 0 b a s e - t 快速以太网协议。在1 9 9 7 年，经过了7 年的工作以后，i e e e 发布了8 0 2 1l 协议，这也是在无线局域网领域内的第一个国际上被认可的协议。在1 9 9 9 年9 月，他们 又提出了8 0 2 11 b “h i g hr a t e ”协议，用来对8 0 2 1 l 协议进行补充，8 0 2 1l b 在8 0 2 11 的 1 m b p s 和2 m b p s 速率下又增加了5 5 m b p s 和1 1 m b p s 两个新的网络吞吐速率。利用8 0 2 1 i b ， 移动用户能够获得同e t h e r n e t 二样的性能、网络吞吐率、可用性。这个基于标准的技术使 得管理员可以根据环境选择合适的局域网技术来构造自己的网络，满足他们的商业用户和 其他用户的需求。8 0 2 1 1 协议主要工作在i s o 协议的最低两层上，并在物理层上进行了一 些改动，加入了高速数字传输的特性和连接的稳定性 3 3 l 。 1 2 2 高层互联协议 i h a v i 来自欧洲和日本的八家主要的消费电子产品厂商，包括g r u n d d i g 、h i t a c h i 、m a t s u s h i t a 和p h i l i p s 等公司，于19 9 9 年1 1 月正式宣布成立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 ) 组织( h t t p ：w w w h a v i o r g ) ，以推动符合h a v i 规范产品的开发。其历时两年开发的h a v l l ，0 规范已于1 9 9 9 年1 2 月完成，该规范定义了一套软件组元、应用程序接口和通信协议，使 各种数字式电器设备能够互连和互操作，以构成家庭娱乐性的a v ( a u d i oa n dv i d e o 网络。 h a v i 提供了即插即用的连接、直观的用户界面和将来的可扩展性。h a v i 在下层使用 i e e e l 3 9 4 数字接口，因此它支持高速数据传输、内在的多媒体传输q o s 。h a v i 结构允 许网上设备预定带宽和其它资源，所以它特别适合实时a v 数据流的不间断传输。 2 j i n i j i n i 是s u n m i c r o s y s t e m1 二1 9 9 9 年初推出的基于j a v a 的分布式系统，它提供了网络即 4 贵州大学工学硕上毕业论文 插即用的功能。针对网络资源( 包括设备和软件) 及其所提供服务的不确定性( 如可移动设备 的连入或移出、服务属性的改变等) ，通过j i n i 技术，使放入网络中的各种设备和应用程 序在不作任何配置时，用户可以立即透明地使用它们所提供的服务。j i n i 将j a v a 技术从 单机向网络进行了扩展，而j a v a 具有“一次编程，处处运行”的平台无关性，因此，j i n i 技术是建立在j a v a 基础之上的一种与平台无关的技术，它不需要特定的某种操作系统、 处理器或应用环境h n 。 3 v e s a v e s a ( v i d e oe l e c t r o n i c ss t a n d a r d sa s s o c i a t i o n ) 是由多家公司参与的，推动主要是显示 设备及相关互连技术标准化的组织，它提出v h n v e s ah o m en e t w o r k ) 方案，确定了协 议栈每一层的相应协议。v h n 以i e e e l 3 9 4 b 为骨干网，再以星形结构连接各异构子网， 这样就保证整个系统的带宽；它也使用i p ；它利用t c p 、u d p 传送控制和异步数据，而 运用i e e e l 3 9 4 协议族( 1 e c 6 1 8 8 3 ) 传输a v 数据流；它有相应的目录、网络管理和安全 服务：h t m l 和x m l 用于描述设备操作界面并产生控制信息：它支持c a l 、a v c 和x ，l o 等编程模型。 4 u p a e u p n p ( u n i v e r s a lp l u ga n dp l a y ) 是m i c r o s o f t 于l9 9 9 年初提出的一种家庭连网方案。它 是一种家居网络的通用的即插即用技术。它基于p 网络，利用a u t o i p 、d h c p 和 m u l t i c a s t d n s 等协议，完成网络中设备的自动配置，通过s s d p ( s i m p l es e r v i c ed i s c o v e r y p r o t o c 0 1 ) 署i il d a p ( l i g h t w e i g h td i r e c t o r ya s s i s t a n c ep r o t o c 0 1 ) 实现网上设备( 服务) 的自 动查寻，用x m l 描述设备的操作界面并产生控制信息。u p n p 并未定义应用程序编程模 型，而是可由第三方针对不同操作系统或设备制定具体的编程模型，以在网上宣告设备提 供的服务，查寻其它服务和使用u p n p 设备。 1 2 3 家居系统的发展和现状 现代家居的出现可以追溯到8 0 年代初，当时出现了大量采用电子技术的家用电器， 逐渐地实现了家居的电子化。到了8 0 年代中期，出现了模块化的功能单元，包括家用电 器、通信设备与安防设备，住宅自动化的概念开始形成。8 0 年代末，由于通信与信息技 术的发展，出现了对住宅中各种通信设备、家电、安保设备通过总线技术进行监视、控制 与管理的商用系统，这就是所讲的智能家居，美国称为w i s c h o u s e ，而在欧洲称为 5 贵州人学工学硕上毕业论文 s m a r t h o u s e ，智能家居在许多国家和地区有着广泛地应用，如美国、欧洲、日本和新加坡 等地m 。 目前，国外智能家居标准和产品主要有以下几种： 1 美国x 1 0 系统，x 1 0 最初是p i c oe l e c t r o n i c sl t d 于1 9 7 8 年开发的一项计划名称， 旨在利用电源线来控制家中的灯饰及电子电器产品。1 9 9 0 年在美国成立了以x - 1 0 命名的 新公司，其产品系列均以x - 1 0 命名。今日，x 1 0 在美国不仅是一家公司，亦是家庭自动 化控制规格的一种名称。x 1 0 是通过电力线作为网络平台，采取集中控制方式实现各种 功能，以1 2 0 k h z 的脉冲传送数字信号，在家庭自动化如安全监控、电器控制等方面得到 广泛应用【2 5 ，3 4 1 。在我国x 1 0 系统应用极少，主要有三个原因：首先，它是基于美国的电 力线环境设计的，很难适应国内恶劣的电力线环境；其次，它的功能虽然强大，但是针对 西方别墅型住宅和西方人的习惯设计的，难以满足国内消费者的要求；另外，它的价格难 以为国内的房地产商和普通消费者所接受。 2 欧洲的e i b 系统，欧洲设备安装总线协议e i b ( e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u s ) 是一个在欧 洲占主导地位的楼字自动化和家庭自动化标准。e i b 系统用双绞线把全部电子元件连接起 来，采用分布式结构形成一个对等网络，具有开放性和设备间的互操作性阻18 1 4 1 。目前在 国内应用极少，主要原因是其工程要求较为复杂、严格；另外价格也难以为开发商所接受。 3 新加坡等国的8 x 系统，该系统采用预埋总线和集中控制方式实现各种功能，采用 r s - 4 8 5 家庭总线结构，通过电话线，实现双向交互监视和遥控功能，还可以通过瓜对空 调、音响、电视机等采用红外控制方式的电器进行远程控制。同时，利用x 1 0 的产品可 对系统进行扩展。8 x 家庭智能化系统产品在美国和新加坡等2 0 多个国家和地区得到广泛 的应用。目前该系统在国内有少量应用。 除以上几种智能家居标准和产品外，其他还有c e b u s 、l o n w o r k s 、b 撕b u s 和b a c n e t 等总线和技术标准也常用在智能家居系统中。另外一些国家还制订了本国的智能化住宅系 统及其家庭总线通信标准，并建有基于这些标准的智能化住宅。如日本1 9 9 8 年制订了家 庭总线系统( h b s - h o m eb u ss y s t e m ) 标准等。这些以家庭总线为基础家居控制系统在开放 性、灵活性、智能性以及整体性能上都存在一定的缺陷。 我国的智能家居相对于国外起步较晚，尚未形成一定的国家标准，主要采用国外的技 术和产品，但也有一些企业推出了自己的产品，其中主要有： 1 清华同方的e - h o m e 数字家园 清华同方智能家居控制系统是专门针对中国家庭设计的家庭自动化系统，遵循国际技 6 贵州人学工学硕士毕业论文 术标准，采用嵌入式软、硬件技术，提供网络、网络节点及末端设备等全系列家庭自动化 产品。其智能家居控制系统主要有下面三个部分： a 系列：遵循e i b 协议的家庭控制产品，使用于中高档住宅； b 系列：遵循x 1 0 协议的家庭控制产品，无需布线，使用于中档住宅； 易家三代：配电箱集中安装式家庭控制产品 系统可以提供的功能有：智能调光、家电管理、远程控制、家政保安、环境设置和窗 帘控制等功能。清华同方的e - h o m e 园主要是在智能大厦、智能小区的建设中，提供完整 的系统解决方案，产品以功能模块开发为主，采用国外成熟的智能家居标准。 2 海尔的“u h o m e ” “u - h o m e ”代表了无处不在的数字家庭，其核心是网络化、数字化和智能化。首先是 家电和家电的沟通，其次是家电和人的沟通，最后是家电和社会的沟通。 开关家电，不仅仅是用摇控器，更可以用手机在世界的任何角落、任何时间来实现对 家电的控制。比如想回家以前打开空调，热水器，微波炉，都可以通过手机短信实现，只 要有移动网络的地方就可以实现对家电的自主控制。 家电服务，不仅仅拨打服务中心电话，更可以获得服务网络的主动关照。通过海尔的 服务网络系统和家电通过无线互联，监控家电运行情况，可以把家电运行情况快速准确判 断出来，主动的去维护、保养和升级。 家庭安全，不仅仅是防盗门的概念，更可以享受到治安网络的保卫，当煤气泄露的时 候可以自动关闭煤气阀门，发一个短信给主人说煤气有泄露，同时做进一步处理。 除此之外，“u - h o m e ”还提供家庭购物、家庭医疗等功能。 “海尔u - h o m e 成套家电标准”已经正式确定为国内首个成套家电标准。根据该标 准的定义，成套家电是指由同一品牌厂家提供，包括白电、黑电、小家电、厨房电器以及 娱乐数码产品在内，具有统一功能和协调外观的系列家电产品。标准要求成套家电的风格 统一，产品功能具有关联性和兼容性，配送、安装、服务、升级必须一站到位。中国标准 化协会有关负责人表示，标准的出台将为成套家电的发展提供行业方向。对目前存在的随 意搭配、捆绑销售、购买与服务过分繁琐的问题将起到规范作用。 3 科隆的“现代家居信息服务集散控制系统” 科隆集团推出的“现代家居信息服务集散控制系统”，有效地集成了家电智能控制、 家电远程故障诊断及维护、远程互联网控制和家庭娱乐等诸项功能。 以上三种具有代表性的我国智能家居系统，是不同企业和科研单位从不同角度和立场 7 贵州人学工学颈士毕业论文 理解智能家居的结果：清华同方的智能家居控制系统主要是应用在智能建筑方面，以综合 布线为基础。而且采用欧美的技术标准，在系统结构和功能上具有局限性：海尔则是从家 电生产厂商的角度推出了系列化的家电产品，系统完全是建立在所生产产品的基础上，难 以成为具有通用性的标准；科隆的“现代家居信息服务集散控制系统”提供完整的系统解 决方案，但集散式的体系结构和高集成度使系统在可扩展性和开放性方面受到很大限制。 从局部的观点出发对家居系统的研究都难免存在一定的局限性，传统的智能家居已难以满 足现代家庭中信息急剧增长的要求。各大企业厂商在推出概念性产品的同时，也在寻求更 为合理的家居系统解决方案。一个具有良好应用前景的家居系统必须具有开放性和可扩展 性，以及使用和维护的简单方便，这是由普通家庭的实际情况所决定的。 由于智能家居系统现在还缺乏统一明确的国际标准，因此很多公司开发出的产品使用 的是自己组网技术和信息交换协议，有的核心技术没有对外公开，技术复杂，不易掌握， 有很多产品是针对特定的组网环境开发的产品，因此，限制了其使用的范围，而且由于是 少数几家公司约定的技术，相关第三方产品缺乏，各个接入设备之间不能兼容，互操作性 差，用户扩充系统很不方便，限制了其进一步的发展。还有的系统成本太高，普通用户难 以承受，所以也没能广泛推广使用。 在移动智能终端对家电的控制方面，现在市面上的很多产品没有在终端上创建数据 库，只是在家庭网关处创建数据库，他们这样做是为了节省智能终端上的宝贵内存，节约 成本，减少数据库管理的复杂度，但是也存在许多问题，终端在进行操作前，必须向家居 服务器发出请求，然后服务器再从数据库中取出数据，再把这些初始化数据发送给终端， 然后终端才能根据这些初始化数据进行操作，这样网络传送的数据量就增大了很多，效率 很低，而且对网络质量的要求也提高了，但是移动终端网络接入的特点是断续的，这样采 用网络传送初始化数据就不适合，而且这种方式也降低了系统运行的效率。 1 3i p v 6 智能家居的提出 智能家居网络概念的提出已有数年的时间，相关技术也比较成熟，但是由于上述的种 种原因，一直未能得到广泛应用，随着m v 6 的推广与普及，家庭信息网络又逐渐成为一 个引人注目的领域，并具有潜在的巨大市场。本课题是基于导师的项目“网上物流机器人” ( 2 0 0 3 年贵州省科技厅科技攻关项目) 和“贵州大学校园网v 6 承范工程”( 黔发改委技 2 0 0 5 1 1 4 1 号) 。为贵州省产业发展、经济发展开展前期研究，选择下一代i p v 6 互联网与网 8 贵州大学工学硕士毕业论文 络机器人相联系，以智能家居为产业攻关的研究方向，为贵州经济发展作一分贡献。 i n t e m e t 的迅速发展是建立在t c p i p 协议簇广泛使用的基础上的，i e t f 于1 9 8 1 年9 月公布了口v 4 标准。口v 4 取得了巨大的成功，然而随着i n t e m e t 的规模的不断扩大，口v 4 出现了许多问题，具有许多局限性。为此，i e t f 于1 9 9 2 年开始开发下一代网络协议p v 6 协议，1 9 9 5 年1 2 月公布了建议标准，与口v 4 相比，口v 6 在很多方面作了改进，扩大了 地址空间，提高了处理速度，增强了安全保密性。 i p v 6 协议在构建家庭信息网络方面具有如下优势：( 1 ) 地址空间充足，可以为每个家 电都分配一个全局l p v 6 地址，使设备连接到i n t e m e t 成为可能。( 2 ) 地址和服务的自动配置 能力强，使得在家庭信息网络中添加家电设备时几乎不需要做任何配置。( 3 ) 安全性高，可 以保证用户与家电设备之间通信的安全，保护家庭信息网络。( 4 ) 移动性支持，使得用户可 以在移动状态或者离开家庭信息网络后仍然能够通过移动设备来访问家庭信息网络中的 资源而不需进行额外配置。( 5 ) q o s 支持，口v 6 头标中对q o s 的支持功能可以确保家庭信 息网络中高带宽或者实时通信的需要1 2 8 l 。 缺乏统一明确的国际标准是限制智能家居系统发展的主要因素，虽然“海尔u - h o m e 成套家电标准”已经正式确定为国内首个成套家电标准，但是该标准要求成套家电由同 一品牌厂家提供，海尔可以提供这样的成套家电，但是用户家中已经有了各种品牌的家电， 要把这些家电都统一换成一个品牌，成本很高，难以让用户接受。针对这个难题，基于口v 6 的智能家居网络有自己的家电协议，每个家电都会有个全局i p v 6 地址和家庭内部地址， 不要求家电出自同一个品牌厂家，只需要满足：( 1 ) 支持统一的网络接口，信息家电可以通 过各种物理层技术互连。( 2 ) 支持i p v 6 协议，i p v 6 作为网络通信的基本协议。( 3 ) 操作和配 置简单，用户可以对信息家电进行方便的管理和使用【2 9 1 。当然这需要国内各厂家在生产家 电的时候，能遵循这样的标准，生产出适合未来智能家居需要的产品。这样，基于口v 6 的家庭信息网络才会获得广泛的应用。同时，海尔、海信等家电商的智能家居系统的安全 性不足，为此，在智能家居网络的安全方面提出了一些建议。 1 4 本课题研究的内容和论文安排 智能家居是一个新兴的领域，对它的研究现在还处在初级阶段，但是全球对智能家居 产品的需求是巨大的。近年来，国际上许多大公司提出了相应的解决方案，但迄今为止， 这一领域的国际标准尚未成熟，随着口v 6 的推广与普及，给智能家居网络提供了良好的 9 贵州大学工学硕士毕业论文 先决条件，因此，有必要对家居网络做进一步的研究，为家居网络的进一步发展打下坚实 的基础。本课题的主要研究内容如下： 第一章：介绍了国内外智能家居的发展概况，提出了基于i i l v 6 的智能家居将是未来智麓 家居的发展方向。 第二章：详细的分析了i p v 6 协议以便更好的在智能家居中应用。 第三章：从整体上介绍了家庭网络设计方案，分成高速a v 网络、数据通讯网、低速家 电控制网络三个子网来进行分别设计，在家庭网络的技术实现上，根据家居环境的特点， 采用了蓝牙技术、i e e e l 3 9 4 技术和无线编码技术相结合的混合网络构建方案，然后用j i n i 技术进行集成。 第四章：介绍了家庭网关的体系结构和功能，以及基于c s 架构的家电本埘远程控制服 务器端的设计和实现，讨论了家庭网络安全解决方案。 第五章：阐述了家电控制网络的设计和实现，把家电控制网络分成家电信息登记、家电状 态查询和家电控制三个部分来设计和实现，并利用w i n s o c k e t s 类实现了基于c s 架构的 家电本航程控制。 第六章：总结了本课题研究的内容，提出了有待完善和改进的地方，有利于下一步的研究。 1 0 贵州大学工学硕士毕业论文 第二章lp v 6 网络与智能家居 2 1i p v 6 的特点与编址 i p v 6 是为了解决p v 4 所存在的一些问题和不足而提出的，同时它还在许多方面提出 了改进，例如路由方面、自动配置方面。经过一个较长的i p v 4 和i p v 6 共存的时期，i p v 6 最终会完全取代p v 4 在互连网上占据统治地位。 2 1 1i p v 6 的特点 对比口v 4 ，口v 6 有如下的特点，这些特点也可以称作是i p v 6 的优点：简化的报头和 灵活的扩展：层次化的地址结构；即插即用的连网方式；网络层的认证与加密；服务质 量的满足；对移动通讯更好的支持。 l 、简化的报头和灵活的扩展 i p v 6 对数据报头作了简化，以减少处理器开销并节省网络带宽。口v 4 中有l o 个固定 长度的域、2 个地址空间和若干个选项( 如表2 1 所示) 。i p v 6 的报头由一个基本报头和多个 扩展报头( e x t e n s i o nh e a d e r ) 构成，基本报头具有固定的长度( 4 0 字节) ，放置所有路由器都 需要处理的信息( 如表2 2 所示) 。表2 3 详细描述了i p 、，6 报头与i p v 4 报头的差别。 表2 1d v 4 报头格式 4 b i t 版本号4 b i t 报头长度8 b i t 服务类型1 6 b i t 数据包长度 1 6 b i t 标识符4 b i t 标志1 2 b i t 分段偏移 8 b i t 生存时间8 b i t 传输协议类型1 6 b i t 报头校验和 源i p 地址 目的p 地址 2 4 b i t 选项8 b i t 填充域 表2 - 2i p v 6 报头格式 4 b i t 版本号 4 b i t 优先级2 4 b i t 流标识 1 6 b i t 净荷长度8 b i t 下一报头 8 b i t 跳数限制 源i p 地址( 1 2 8 b i t ) 目的l p 地址( 1 2 8 b i t ) 贵州人学工学硕士毕业论文 表2 3i p v 4 与i p v 6 报头格式对比 i p v 4 数据报头项作用i p v 6 数据报头项作用 版本( v e r s i o n 协议版本号，讲v 4 协 版本( v e r s i o n ) i p v 6 协议规定中该字段值 议规定该字段值设为6 置为4 报头长度( h e a d e r3 2 位字的数据报头优先级( p r i o r i t y ) 当该字段为0 7 时，表示在 l e n g t h ) 长度阻塞发生时允许进行延时 服务级别( t y p eo f指定优先级、可靠性 处理，值越大优先级越高。 当该字段为耻1 5 时表示处 s e r v i c e ) 及延迟参数 理以固定速率传输的实时 业务，值越大优先级越高。 分组总长( t o t a l标识口v 4 总的数据流标识( f l o w路由器根据流标识的值在 l e n g t h )报长度l a b e l )连接前采取不同的策略 标识符( f r a g m e n t表示协议、源和目的负载长度 指扣除报头后的净负载长 i d e n t i f i c a f i o n ) 地址特征 ( p a y l o a dl e n g t h ) 度 标志( f l a g s ) 包括附加标志下一个( 扩展)如果该数据有附加的扩展 分段偏移量 分段偏移量( 以6 4 位 头( t h e n e x t头，则该字段标识紧跟的下 ( f l a g m e n to f f s e t )为单位)h e a d e r ) 一个扩展头：若无，则标识 传输层协议种类，如 u d p ( 1 7 ) ，t c p ( 6 ) 生命时间( t i m et o允许跨越的网络节跳的限制( h o p即转发上限，该字段是防止 l i v e ) 点或g a t e w a y 的数目 l i m i t ) 数据报传输过程中无休止 用户协议请求p 的协议层