（计算机应用技术专业论文）信息家电与家庭网络结构的研究及实现.pdf

摘要 信息家电是2 l 世纪消费电子产品发展的主流方向。随着各种新 的家庭网络类型的出现与发展以及计算机技术、嵌入式技术、电子技 术与通信技术的进一步融合，如何从信息家电结构和其特殊性的角度 出发建立智能家庭网络将不同类型家电设备连接起来，实现他们之间 的互操作和信息共享以及信息家电的远程控制和智能维护等功能，已 成为当前的一个技术热点。 本文从介绍和分析当前信息家电存在的主要问题、基本框架出 发，基于信息家电接口定义语言( i a i d l ) 设计了信息家电的逻辑结 构，然后结合该结构提出了信息家电命令解释器的设计思路、结构框 架，并进行了相关的程序设计。文章随后通过分析和比较当前几种主 流的家庭网络技术，根据各类信息家电的需要和特点提出了以家庭网 关为核心的智能家庭网络架构，并对该架构中基于蓝牙技术的信息家 电与家庭网关的通信进行了重点研究。在此研究基础上通过相关硬件 和软件平台的搭建，实现了计算机和a r m 9 嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 1 0 间模拟该智能家庭网络架构中信息家电与家庭网关的蓝牙无线通信。 文章最后在前面内容研究的基础上提出一个智能家庭网络维护 模型，并对该模型中家电设备远程智能监控和维修、基于i d l 的软件 和驱动的自动更新以及食品的自动定购的理论框架和工作流程进行 了研究分析。 关键词：信息家电，信息家电结构，接口定义语言，智能家庭网络， 智能维护 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n tt r e n do fc o n s u m e re l e c t r o n i c sp r o d u c t si s i n f o r m a t i o na p p l i a n c ei nt h e2l t hc e n t u r y a l o n gw i t h t h e a p p e a r a n c ea n dd e v e l o p m e n to f a ll k i n d so fn e wh o m en e t w o r k t y p e sa n d t h ef u r t h e ri n t e g r a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ， e m b e d d e d s y s t e m t e c h n o l o g y ， e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，h o wt oe s t a b l i s ha ni n t e l l e c t u a l i z i n gh o m en e t w o r kt ob i n dt h ed i f f e r e n tt y p e so fh o m ea p p l i a n c e s f r o ma na n g l eo ft h ea r c h i t e c t u r e a n dp a r t i c u l a r i t yo f i n f o r m a t i o na p p ll a n c e s t oi m p l e m e n ti n t e r o p e r a t i n g ， i n f o r m a t i o ns h a r i n g ，t h er e m o t ec o n t r o l l i n ga n di n t e l l i g e n t m a i n t e n a n c ew h i c hh a v eb e c o m eah o tp o i n to ft e c h ni q u e t h ea r t i c l ed e s i g n st h el o g i ca r c h i t e c t u r eo fi n f o r m a t i o n a p p li a n c eb a s e do ni n f o r m a t i o na p p l i a n c ei n t e r f a c ed e f i n i t i o n l a n g u a g e ( i a i d l ) b yi n t r o d u c i n ga n da n a l y z i n gt h e m a i np r o b l e m o nt h ei n f o r m a ti o na p p li a n c ea n di t sb a s i cf r a m e w o r k t h e n ，o n t h eb a s eo ft h ea r c hit e c t u r e ，t h ep a p e rp r o p o s e sa nin f o r m a t i o n a p p li a n c ec o m m a n dl a n g u a g ei n t e r p r e t e r sd e s i g n i n gi d e aa n d t h ef r a m e w o r ka n dt h e nd e s i g n st h er e l a t e dp r o g r a m m i n g a f t e r t h a t ，t h r o u g ha n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gs e v e r a lm a i nh o m e n e t w o r k t e c h n o l o g i e sa n da c c o r d i n gt ot h en e e d sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fv a r i o u si n f o r m a t i o na p p l i a n c e s ，t h ep a p e rp r o p o s e s i n t e l l e c t u a l i z i n gh o m en e t w o r ka r c h i t e c t u r ew i t har e s i d e n t i a l g a t e w a y i nt h ea r c h i t e c t u r e ，t h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e n i n f o r m a t i o na p p ll a n c ea n d r e s i d e n t i a lg a t e w a yb a s e d o n b l u e t o o t ht e c h n o l o g yi sm a i n l ys t u d i e d ，a n dt h e nw ei m p l e m e n t t os i m u l a t eb l u e t o o t hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sb e t w e e n t h e i n f o r m a t i o n a p p l i a n c e i ni n t e l l e c t u a l i z i n gh o m en e t w o r k a r c h i t e c t u r ea n dr e s i d e n t i a lg a t e w a yu s i n gc o m p u t e ra n da r m 9 e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o rs 3 c 2 4 1 0b yt h ee s t a b li s h m e n to f i n t e r r e l a t e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r m s a tl a s t ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e sam o d e lo fi n t e l l e c t u a l i z i n g h o m en e t w o r ki n t e l1i g e n tm a i n t e n a n c eb a s e do nf o r m e rc o n t e n t o ft h er es e a r c h ，t h e ns t u die sa n da n a ly z e st h et h e o r e tic a l f r a m ea n d w o r k i n gp r o c e d u r e o fr e m o t em o n i t o r i n ga n d m a i n t e n a n c e ，a u t o m a ti cu p d a ti n go fd ri v e ra n ds o f t w a r ea n dt h e f o o d sa u t o m a t i co r d e r i n gb a s e do ni d l k e yw o f d s ：i n f o r m a t i o na p p li a n c e ，i n f o r m a t i o na p p ll a n c e a r c h i t e c t u r e ，i d l ，i n t e ll e c t u a li z i n gh o m en e t w o r k ， i n t e lli g e n tm a i n t e n a n c e 1 i i 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究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结果由本人承担。 学位论文作者签名： 锈艘2 w 0 3 年占月 j 日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。 同意学校保留并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。本人授权湖南师范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、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 日期：矽胡年6 月j r 日 日期, w o g ，牟-么月r 日 仳铲 信息缘电1 i 务：庭乎日络纭构的 听充及：丈现 1 1 信息家电 1 1 1 信息家电的概念 1 绪论 对于信息家电( i n f o r m a t i o na p p l i a n c e ) 的概念，从消费者的角度 看，指可以完成交互式应用、连接信息存储并可以进行远程操作的个 人使用设备；从技术角度看，信息家电是采用双向通信，可连接嵌入 式软件系统的一种特殊的计算机系统，并且能够将所使用的应用程 序，电子设备的输出接口连接到家用电器上。它的重要特征是可以通 过互联网双向传递数字信息，因此，信息家电是网络上的家电，而不 是p c 的外设。 通俗的说，信息家电是指将微型计算机和通讯技术融入到传统的 家用电器中，使之智能化并具有网络终端的功能，可以随时随地获取 与处理信息【。 1 1 2 信息家电的特点 信息家电作为新兴的一类家电产品，它同时具有家电、信息产品 和网络终端的特点。作为家电设备，它带有p c 机的主要功能，通过 程序化来控制相关部件的工作；作为信息产品，其数据处理、传输是 数字化的：作为网络终端，它们通过网络系统交互信息。同时成熟的 信息家电还具备高性能、低价格、易操作、实用性强的特点。总的来 说信息家电具备以下几个特点【2 1 ： ( 1 ) 网络化功能：智能化信息家电可以通过家庭局域网连接在 起，还可以通过家庭网关接口同制造商的服务站点相连。可以将所 有的信息家电都置于内部网中，为每一个家电设备分配一个私有i p 硕士学位论文 地址，再通过一个拥有真实p 地址的家庭网关与i n t e r n e t 互连，并可 以根据需要主动向网络获取信息或在授权的情况下主动向网络发布 本身可以提供的服务。 ( 2 ) 智能化：智能信息家电可以根据周围环境的不同自动做出 响应，能自动化和智能化的进行自我维护，不需要人为干预。如自动 照明、软件自动更新等。 ( 3 ) 开放性、兼容性：由于用户家庭的智能信息家电可能来自 不同的厂商，智能信息家电平台必须具有开放性和兼容性。 ( 4 ) 节能化：智能信息家电可根据周围环境自动调整工作时问 状态，从而实现节能。 ( 5 ) 易用性：由于复杂的控制操作流程已由内嵌在家电里的控 制器解决，因此用户只需了解非常简单的操作。 ( 6 ) 实时性：想用就用，无需做计划和安排。由于复杂的控制程 序由内嵌在家电中的控制器解决，不必等待重新启动设备或是加载软 件后才能使用设备。 ( 7 ) 标准化：由于网络连接协议众多，使用不同协议的信息家电 之间不能互连。所以应参考已有的通信协议来制定统一的数据交换标 准。 1 1 3 信息家电提供的服务 信息家电主要提供以下服务【3 l ： ( 1 ) 远程控制和查询：通过远程的电脑、电话、手机等便可以 对家中的电器进行操作和工作状态的查询。 ( 2 ) 消费电子产品的智能控制：根据用户的生活规律和生活习 惯，自动学习常用的运行方式，从而大大简化操作，方便人们的日常 生活。 ( 3 ) 交互式智能控制：可以通过语音识别技术实现智能家电的 声控功能；通过各种主动式传感器( 如温度、声音、动作等) 实现智 信息家电与家庭网络结构的研究及实现 能家电的主动性动作响应。 ( 4 ) 家庭信息服务：例如智能冰箱可以根据冰箱里贮藏事物的 情况自动生成一个购物清单供你购物时参考，甚至可以通过网络来自 动订购食物。 ( 5 ) 智能维护：智能信息家电可以通过服务器直接从制造商人 的服务网站上自动下载、更新驱动程序和诊断程序，实现智能化的故 障自诊断、新功能自动扩展。 1 1 4 信息家电的未来 当前信息家电的类型和应用业务越来越多，各种新技术的发展将 推动不同形式家电的爆炸性增长。在这些发展过程中，信息家电将呈 现出以下几种明显的趋势【4 】： 少数信息家电将是通用型装置，多数则将是带有最佳接口而 成为便于执行特点任务的装置。好的信息家电将与个性化操作融为一 体，完全适合用户所执行的特定任务的要求，操作起来非常方便并且 不会分散用户的注意力。 ， 各种信息家电尽可能使用一种无线技术实现互连，以充分利 用w e b 提供的信息资源。同时，可以连接到信息家电的基于w r e b 的 业务将为进行这种业务的用户所共享。 新技术将为新的信息家电带来更多新的应用。 提供前所未有的新业务的全新概念将产生出惊人的发明创 造。例如：通过芯片对空调情况的各种记录、判别、控制、反馈等过 程进行处理，并将这些过程在一个网络平台上实现集成，能按用户的 需求通过电脑或手机实现远程控制。 1 2 信息家电相关技术及其发展 为满足不同使用者的各种需求，信息家电必然向多元化方向发 展，并呈现三大趋势：一是从以电脑为中心的设计转向以消费者为 硕士学位论文 中心的设计；二是多行业标准并存；三是具有互动性、带宽保证等先 进网络特性。这在与信息家电相关的技术上也得到充分体现。信息家 电产业相关技术主要包括家庭网络架构、家庭网络技术、嵌入式技术 和人机接口技术等。 1 2 1 家庭网络架构 目前的家庭没有真正意义上的网络，各个网络都是独立引入用户 家庭的，如电话网络、i n t e r n e t 接入、移动网络等，它们之间没有交 互，家庭网络的目的就是将它们统一起来，实现不同网络、不同设备 甚至电信、家电以及移动终端之间的互联互通。 目前业界提出了未来的一种家庭网络组织形式，其主要思想有以 下几方面：首先采用统一的接入手段将网络引入家庭，可以是家庭网 关或其他设备形式，实现目录服务功能和安全功能；其次i p 域和家 电、移动终端以及其他设备域之间采用网关的形式实现信息互通和协 议转换功能；不同域设备之间能够通过网关实现信息共享和交互，真 正实现家庭中信息随处可得；在家庭信息服务方面需要一种媒体适配 器和服务器，用于不同设备之间媒体格式的转换和家庭中媒体信息的 存储、下载【5 j 。 1 2 2 家庭网络技术 信息家电设备必备的功能之一即是网络通讯。目前应用于信息家 电通讯的网络技术主要包括无线及有线技术，其中无线网络虽然较具 吸引力，但在数据传输速率上却不及有线技术。以下是各项家庭网络 技术介绍： ( 1 ) h a v i t 6 j ( 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 ) 是由八家世界 级的视听设备制造商( 包括飞利浦) 所共同发展的一种用于家庭视听 娱乐的数字网络及连接技术。它以i e e e l 3 9 4 接口为前提条件的家庭 信息家电与家庭网络结构的研究及实现 网络软件规范，采用j a v a 字节码。所实现的应用环境与操作系统和 微处理器芯片无关，且向网络接入时自动使用登记表。支持高速数据 传输，允许设备预定带宽和其它资源，所以特别适合实时a v 数据流 的不间断传输。还具有即插即用的功能，提供直观的用户界面和将来 的可扩展性。 互操作性是地蝴标准的主要特性，一个h a v i 设备上的应用软 件可以探测并直接使用连入h a v i 网络上其它设备所提供的功能，能 够很方便地实现家庭内部不同娱乐设备之间的相互操作。在家庭娱乐 系统中一般采用这种协议。不论产品来自哪个厂商，只要符合酬 标准，都可以连到这个家庭网络里。 ( 2 ) h o m ep n a t 7 】是将原以太网络( e t h e r n c t ) 的媒体存取控制 协议( m e d i u ma c c e s sc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 用在传统的电话线上，使得 家用计算机可以通过家中现存的电话线网络连接，因此是成本非常低 廉的家庭网络解决方案。该技术是由三c o r n 、a m d 、a t & tw h l e s s 等l l 家通信大厂所共同制定，标准组织为h o m ep h o n e l i n en e t w o r k i n g a l l i a n c e 。目前的标准规格为h o m e p n as p e c2 0 ，数据传输率可达 l o m b p s 。 ( 3 ) x 1 0 t 8 1 是一种利用电力传输网络来传送低速率资料的技术， 大部分用来做控制传统的电器产品。最基本的应用为利用个人计算机 上的w e b 口来控制电器开关。将来若是家电设备能够内建x 1 0 标准 并连接该电器上的各种功能控制，在应用上将会更为广泛。 ( 4 ) b i u e t o o t h 【9 】：1 9 9 8 年e r i c s s o n 、n o k i a 、i n t e l 、i b m 、t o s h i b a 等横跨无线通信、信息及消费电子产业的五家国际知名公司组成蓝牙 ( b l u e t o o t h ) 联盟。希望借此使通信、信息与消费电子产品能够串连 起来做短距通信，达到如同i n t e r n e t 网络可连结所有计算机的目标， 使蓝牙的无线讯号可以连结十公尺内所有的电子产品。如手机与手提 电脑问的通信( 取代红外线) ，进而应用至无线局域网络、个人随身 网络( p e r s o n a la r e an e t w o r k s ) 、视听设备网络( a vn e t w o r k s ) 、无 硕士学位论文 线电话网络( c o r d l e s sp h o n en e t w o r k s ) 等。自从“蓝牙技术联盟” ( b l u e t o o t hs p e c i a li n t e r e s tg r o u p ，简称b l u e t o o t hs i g ) 成立后，全 球已有超过1 5 0 0 家公司加入这个行列，并有超过2 0 0 位工程师参与 标准规格的制定。 1 2 3 嵌入式技术 嵌入式系统是信息家电重要的基础构架之一，它是以应用为中 心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【1 0 1 。 嵌入式系统支持的功能主要有：浏览器支持：e m a i l 支持：i n s t a n t m e s s a g i n g ( i c q i r c ) 支持；2 d 3 d 图形支持；多媒体应用；字体支 持：多种语言支持；文档系统支持；联网支持等。现在有许多嵌入式 操作系统已经研发上市，目前比较著名的嵌入式系统国外的有： w i n d o w sc e ，v x w o r k s ，v r t x 、p s o s ，q n x ，p a l mo s ，u c o s i i ， o s 9 、l y n x o s 、n u c l e a r 、各种i t r o n o s 、o s e 、嵌入式l i n u xs y m b i a n o s 、 s m a r t p h o n e 2 0 0 3 等；国内的有e e o s 、h o p e no s 、d e l t ao s 等【1 1 】【1 2 1 。 1 2 4 人机接口技术 人机接口技术关系到信息家电的实用性，就基本技术而言可区 分为：信息呈现技术( i n f o r m a t i o nv i s u a l i z a t i o na n dp r e s e n t a t i o n ) 、浏 览控制技术( n a v i g a t i o nc o n t r 0 1 ) 、个人化界面技术( p r o f i l i n ga n d a d a p t a t i o n ) 和信息管理技术( c o n t e n tm a n a g e m e n t ) 等四个层面【1 3 1 。 信息呈现技术 有限的屏幕呈现空间是信息家电应用上的一大挑战，信息呈现往 往必须在“大尺寸、低分辨率”( 如电视) 或是“小尺寸、高分辨率” ( 如移动电话) 之间挣扎，目前已有多个信息网站提供特别针对信息 家电显示特性所量身订作的信息内容，信息家电在取得适当内容后， 信息家电与家庭网络结构的研究及实现 再根据本身的显示特性选择适当的字型和尺寸来确保文字清晰可读。 就语音信息呈现技术而言，目前的语音合成技术在逼真度上已近成 熟，尤其是英语的合成几乎做到以假乱真，诸如电子邮件的阅读已经 达到令人满意的程度，目前的应用瓶颈反而是在如何进行摘要式读出 以及特殊图表的处理。 浏览控制技术 浏览控制技术主要是提供有效的方法让使用者可以通过信息家 电取得自己所需的信息，就目前而言以无线遥控和语音控制技术最符 合未来信息家电在使用性上的需求。 ， 无线遥控将从目前的单纯遥控功能进一步结合通讯和显示功能 而成为新一代的简易移动信息家电，除了在家提供信息分道( 主要资 讯显示于大屏幕，辅助信息显示于手持遥控器) 、浏览控制等功能外， 在外更提供行动通讯及信息存取等功能，目前已有多家厂商将这一类 产品列入开发规划之中。 个人化接口技术 个人化接口技术未来的发展方向，在于更进一步探索使用者的内 在需求，当然无可避免地将涉及个人隐私及互信基础等非技术性的争 议。 信息管理技术 目前信息管理技术的重点是如何将大量的信息通过使用者的基 本喜好分析来呈现和使用者最相关的一面。如何将众多的信息浓缩来 满足使用者的个人需求，是当前信息管理技术所面临的挑战，也是未 来技术发展的走向。 1 3 信息家电的国内外研究现状 信息家电是2 l 世纪信息产品的发展方向，所以国内外各电子公 硕士学位论文 司竟相开发，不断推出形形色色的信息家电产品。信息家电的不断发 展打开了计算机最大的一个市场，信息家电也为家用电器的更新换代 创造了契机。据预测，在不久的将来，信息家电的市场份额将高达数 万亿美元，而对如此巨大的市场，电脑和家电企业无不为之动心。世 界著名的电脑和家电企业如i b m 、夏普、微软、英特尔、康柏、苹果、 松下、n e c 、东芝等都大力开发研制自己的信息家电产品。我国的许 多公司如海尔、联想、长虹、海信、t c l 等已投入信息家电的开发工 作。 1 3 1 国外研究现状 据权威机构发布，至2 0 0 8 年，数字家庭技术市场的市值将达到 1 1 0 亿美元，消费电子产业规模在过去四年里增长一倍，全球1 6 亿 家庭组成了蕴藏3 7 0 0 0 亿美元的巨大市场【1 4 】。受此利益的驱使，国外 各大家电企业与i t 企业纷纷采取联合的方式形成开发联合体，并制 定各自的行业技术标准，一时间形成了“百花齐放、百家争鸣”的局面， 根据所处行业不同大致可以将它们分为四类：第一类以i t 类厂商为 主，如d l n a ，u p n p ；第二类是以家电类厂商为主导，如e c h o n e t ； 第三类是由网络设备商组成的组织，如0 s g i ，i l i a ；第四类以家庭 自动控制厂商为核心，代表组织是l o n m a r k 。下面主要对这些标准化 组织进行介绍【1 5 】。 以i t 厂商为主的标准化组织 这类标准化组织的基本思路是以p c 为家庭网络业务核心，制定 家庭内部电子设备间的互操作规范，其目标是实现基于p c 系统软、 硬件结构的功能和业务在家庭范围内的扩展。 ( 1 ) u o p f ( u b i q u i t o u so p e np l a t f o r mf o r u m ) 日本“泛在开放平 台论坛( u o p f ) ”是一家由日本国内电子与互联网服务供应商共同于 2 0 0 4 年2 月成立的业界团体。2 0 0 5 年4 月1 日成员已达5 3 家。该团 信息家电与家庭网络结构的研究及实现 体的目的是实现数字家电互联的统一技术标准与指南。 ( 2 ) d l n a ( d i g i t a ll i v i n gn e t w o r ka l l i a n c e ) 原名d h w g ( 数 字家庭工作组) ，成立于2 0 0 3 年6 月。它是一个主要由消费电子、计 算机工业和移动设备公司组成的跨工业的组织。该工作组旨在建立一 个基于开放的工业标准的互操作性平台，并将确立技术设计规则，供 企业用来开发数字家庭有关的产品，使得消费者可以通过家中的有线 或无线网络共享各种设备的数字内容。 ( 3 ) 家庭a p i 技术f 1 6 】( h o m ea p i ) 由m i c r o s o t t 、i n t e l 、p h i l i p s 等公司发起的h o m ea p i 工作组为加速家庭网络应用软件的开发，正 在研发一套适宜于家庭网络的通用a p i 的工业规范以及相应的s d k ( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ) 。h o m ea p i 与其它方案的不同之处是它 定义了独立于协议的a p i 和通用的编程模型，可以在很大程序上补充 其它方案。 以家电厂商为主的标准化组织 e c h o n e t ( e n e r g yc o n s e r v a t i o na n dh o m e c a r en e t w o r k ) 协会于 1 9 9 7 年1 2 月成立，由日立联合日本国内1 5 2 家企业组建而成，期间 得到了日本政府的支持。该组织的主要目标是制定家庭网络标准体 系，并应用至家庭能源管理、居家医疗保健等服务上，最新的标准是 e c h o n e tv e r 3 0 。为了提高兼容性，s a n y o 、s h a r p 、t o s h i b a 和 m i t s u b i s h ie l e c t r i c 四公司于2 0 0 3 年1 2 月建立一个计划，拟联合开发 遵循v e r 3 0 技术规格的网络家电核心技术龇a d y ，确保不同品牌 间的网络家电互联。这类标准化组织主要是实现家电设备的控制和远 程数据传输。 以网络设备商为主的标准化组织 ( 1 ) i h a ( i n t e r n e th o m ea l l i a n c e ) 于2 0 0 0 年成立，是成立较早 的家庭网络组织，主要成员包括思科、g m 、惠普、i b m 、松下，s u n 、 惠而普及微软等公司，全部成员有3 0 多家，包括了一些通讯设备、 硕士学位论文 自动化软件开发商及厨具制造商和零售商等。该联盟主要解决白色家 电在家庭网络中的互连、互联网接入及相关服务，比如在出现故障时 能够与厂商自动接通以确定故障部位。 ( 2 ) 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 ) 是由i b m 、h p 、 p h i l i p s 、s u n 等公司共同发起，为连接i n t e m e t 商业服务和下一代智 能电器定义的一种开放标准。0 s g i 体系由服务网关、服务提供商、 服务集成商、网关操作员、广域网和局域网络以及连接设备组成，具 有平台独立、应用独立、高安全、多任务、兼容不同通信标准 ( b l u e t o o t h ，i e e e l 3 9 4 ) 和支持多种设备连接技术( 如u p n p ，j i n i ) 的优点。这类组织主要是定义家庭网络与外部互联网的接口、提供认 证和服务规范。 以自动化控制类厂商为主的标准化组织 自动化控制类厂商是利用已有的工业总线和传感器、变送器等技 术，从家庭电器控制、三表、安防等应用领域出发，提出了针对性设 计，并逐渐衍生出了一些新的总线技术。其中，最具代表性的是 l o n m a r k 协会，它基于美国e c h e l o n 公司的l o n w o k s 技术。在1 9 9 4 年，由e c h e l o n 和l o n w o r k s 用户集团成立了l o n m a r k 协会对互操作 进行认证检测。l o n w o r k s 技术的核心标准l o n t a ( 协议已被 e i c e m a 、a n s i 和i e e e 等批准组织确定为正式标准。目前，e c h e l o n 公司已经将该技术和产品发展到了第三代，l o n w o r k s 技术已经应用 于世界范围内数千家设备和系统制造商的产品中，并在中国市场得到 了一些应用。 1 3 2 国内研究现状 我国的智能家居产品行业兴起于九十年代的末期。随着i n t e m e t 网向普通家庭生活不断扩展，消费电子、计算机、通讯一体化趋势日 趋明显，现代智能家居由于其安全、方便、高效、快捷、智能化等特 信息家电与家庭网络结构的研究及实现 点在2 1 世纪将成为现代社会和家庭的新时尚。各个大企业进入小区 智能产品市场，例如：联想收购了黄金眼、普天开进了闭路监控市场， 而t c l 、厦新、长虹、澳克玛等大型家电企业先后拓展了新业务，进 入了安防领域，海尔集团也开始涉足小区智能产品市场。 2 0 0 3 年7 月l o 日，以联想、t c l 、康佳、海信、长城5 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 ( 中文简称闪联，英文简称i g r s ) 在信息产业部支持下正式成立。 2 0 0 5 年5 月，在中关村管委会支持下，闪联信息产业协会成立，成 为闪联中立的法人实体1 1 7 1 。i g r s 标准于2 0 0 5 年6 月2 9 日正式获批 成为国家推荐性行业标准，成为中国第一个“3 c 协同产业技术标准”。 目前，i g r s 标准提案已经被国际标准组织接纳为委员会草案。闪联 强调以p c 为核心组建家庭娱乐中心与办公环境下不同设备的有效互 联，它以产业化为驱动，以市场化为导向，是国内标准建设中产业化 步伐进展最快、取得成果也最多的标准组织。闪联产业联盟涵盖中国 信息和家电产业链上下游的重要企业，形成了产学研一体化的组织， 国际影响力日渐增大，台湾、日本、韩国、美国、以色列等企业积极 申请加盟，目前会员已发展到了8 6 家。 2 0 0 4 年7 月2 5 日，由海尔集团领衔，中国网通、清华同方、上 海广电、春兰集团、长城、上海贝岭参与，7 家厂商共同推广家庭网 络系统标准和平台产业化的家庭网络标准产业联盟一e 家佳 ( i t o p h o m e ) 成立。e 家佳主要是针对家庭环境，强调智能家电、家 庭网络与以t v 为核心的家庭娱乐中心的建设，其制定的标准有家 庭信息设备互联和家庭多媒体网关规范 i s 】。 虽然上述国内外已有的各信息家电标准都号称自己是开放性平 台标准，但是相互之间开发出来的产品在实际使用时却很难兼容，各 种信息设备和终端间的网络互联、信息互通和应用上的互操作和可移 植性也很差，主要原因是由于它们本质上都没有从信息家电结构和其 特殊性的角度出发，从根本上去解决信息家电的互操作、即插即用性 硕士学位论文 和协同合作等问题。 1 4 本文的研究意义 随着以计算机技术为核心的信息技术，特别是数字技术、多媒体 技术和网络技术的飞速发展和普及应用，网络化正在向非计算机领域 扩展。通信、计算机与家用电器产业的进一步融合，使得数字化、智 能化和网络化的信息家电得以快速发展，信息家电产业将成为社会一 大消费热点。 信息家电产业整合了3 c 概念：计算机( c o m p u t e r ) 、通讯 ( c o m m u n i c a t i o n ) 及消费性电子( c o n s u m e re l e c t r o n i c s ) 的特性， 不仅成为未来的大势所趋，也可能为人类生活带来了根本性的改变。 由于信息家电影响未来信息用品市场的态势相当明显，因此，不管是 计算机业、家电业、网络业或通讯业，各领域的厂商无不纷纷投入。 同时，也由于信息家电尚在起步阶段，产品规格、应用层面、市场方 向、经营模式等，都尚未统一。因此在以知识经济和信息网络发展为 主题的今天，谁掌握了标准的制定权，谁的技术成为主导标准，谁就 掌握了市场的主动权，技术标准已成为经济全球化竞争的重要手段。 在我国，信息家电产业目前处于市场启动前的准备阶段。目前制约我 国数字家庭发展的主要因素有：价格昂贵、消费意识缺乏、标准滞后 导致市场难以发展、承载数字家庭的基础网络建设不健全、面向数字 家庭的内容服务比较缺乏、尚未形成完善的产业链等。所以迫切需要 制定一个对所有的信息家电产品都能适用的行业标准，真正体现出开 放性和通用性。为此，从信息家电结构和其特殊性的角度进行研究， 建立智能家庭网络将不同类型家电设备连接起来，实现他们之间的互 操作和信息共享以及信息家电的远程控制和智能维护等功能，有着重 要的实用价值和战略意义。 信息家电与家庭网络结构的研究及实现 1 5 本文的研究内容及结构 本文从信息家电结构和其特殊性出发，基于信息家电的接口定义 语言( i 6 皿l ) 来研究信息家电的结构，该结构应与具体的操作系统、 编程语言及具体的信息家电的功能实现等无关。研究内容主要包括： 信息家电的结构框架、信息家电内部逻辑结构、信息家电及服务的描 述、信息家电命令解释器的设计、家庭网络技术及智能家庭组网、家 庭网关和远程遥控器的逻辑结构、信息家电远程智能监控和维修、基 于i d l 的自动更新和食品自动定购的理论框架和工作流程等内容。力 求从根本上去解决信息家电的互操作、即插即用性和协同合作等问 题，使多种信息设备、家用电器、通讯设备能够在有线和无线环境中 实现设备的自动发现、动态组网、资源共享和协同服务，并使它们具 备一定的智能性和可扩展性。 本文共分4 章，各章内容分别如下： 第一章为绪论，主要介绍信息家电的概念、特点、提供的服务以 及相关技术及其发展、国内外研究现状，本文研究的内容、意义和论 文的结构等基本内容； j 第二章从分析当前信息家电结构需要解决的问题入手，研究信息 家电结构框架，并在此基础上提出了信息家电内部逻辑结构，文章随 后介绍了信息家电服务的描述，提出了相应信息家电命令解释器的设 计思路、结构框架以及其对用户控制命令匹配的实现，本章最后提出 了基于i a i d l 的家庭网络通信模型；， 第三章通过介绍和分析现有各种有线和无线网络技术的特点以 及各类信息家电的需要，提出了智能家庭网络架构，分析了家庭网关 和远程遥控器的功能和逻辑结构。随后对该架构中基于蓝牙技术的信 息家电与家庭网关的通信进行了重点研究，并在此研究基础上通过相 关硬件和软件平台的搭建，实现了计算机和a r m 9 ( $ 3 c 2 4 1 0 ) 间模 拟信息家电与家庭网关的蓝牙无线通信； 硕士学位论文 第四章在前文研究的基础上提出一个智能家庭网络维护模型，并 对该模型中家电设备远程智能监控和维修、基于i d l 的软件和驱动的 自动更新以及食品的自动定购的理论框架和工作流程进行了研究分 析； 结束语总结了论文的研究成果，对本文的不足进行了分析，并展 望后续研究工作。 最后是致谢和参考文献。 1 4 信息家电与家庭网络结构的研究及实现 2 1 信息家电结构框架 2 1 1 概述 2 信息家电结构 从分布计算理论上可知，分布式对象是通过接口定义语言( i n t e r - f a c ed e f i n i t i o nl a n g u a g e ，i d l ) 来定义的，因此基于i d l 是解决异构 系统集成的关键。为此，我们将从信息家电的特殊性出发，基于信息 家电的接口定义语言( i n f o r m a t i o na p p l i a n c ei n t e r f a c ed e f i n i t i o nl a n g - u a g e ，i a i d l ) 来研究信息家电的结构，该结构应与具体的操作系统、 编程语言及具体的信息家电的功能实现等无关。从功能的角度看，当 前信息家电结构主要需要解决以下四个问题1 9 1 ： 1 ) 相互操作问题 信息家电不仅为用户提供基本家电的功能，还要为用户与网络系 统之间建立信息互动平台，这就要求它能与家庭网关交互，与控制设 备交互，还要与家庭网络内部的其它家电设备进行交互。如何使交互 之间的双方能相互理解，这就需要制定一个标准规范来，建立信息家 电互连的一致性接口描述。 2 ) 即插即用问题 即插即用问题主要指信息家电设备可以动态地加入到网络，到家 庭网关注册，自动获取p 地址，向家庭网关公布服务，同时也可以 了解网络中存在的其它设备以及那些设备所提供的服务，并且可以接 受其它设备的控制，或者去控制其它设备。 3 ) 安全机制问题 在信息家电能提供越来越多的服务之前，其作为一个网络结点的 硕士学位论文 安全性是必须要加以保证的，因此，必须提供一个完整的安全机制来 保证在使用服务时一切非法活动都会被予以禁止和处理，使其带来的 影响降至最低。 4 ) 协同服务问题 主要指人们根据自己的意愿将家电所产生的事件按因果关系组 织起来，当某一事件产生时，系统会按照预先设定的信息自动触发其 它设备，使之产生相关的事件，从而使得信息家电更加智能。例如当 一项任务需要几个家电设备协同合作完成时，如果是第一次合作，则 应该由用户设置，如果要再次完成相同的任务，它们应能根据以前的 记录进行自学习形成知识库。 2 1 2 信息家电结构框架 通过对现有的信息家电解决方案、平台及需要解决的问题介绍和 分析，基于分布计算、w e b 服务、中间件、网格计算、网络代理、资 源复制模型、人工智能和上下文感知模型和融合网络安全等理论，可 以将信息家电结构框架分为如下几层：基础应用及扩展应用层、协同 服务平台、基于i a i d l 的互操作性平台、消息传输层、网络协议层 和网络连接层，下面将对其分别进行介绍【2 0 1 。 1 、基础应用及扩展应用层 基础应用层主要是面向各类信息家电，满足它们定义所需的各种 支持。扩展应用层则是面向设备生产厂家和技术研发部门，使他们可 以基于互操作性平台和应用框架开发用以扩展设备的功能。 2 、协同服务平台 协同服务平台主要包括面向最终应用而定义的一系列应用交互 规则，如面向家庭安防系统的应用框架，信息格式的定义等。 3 、基于i a i d l 的互操作性平台 1 6 信息家电与家庭网络结构的研究及实现 基于i a i d l 的互操作性平台主要包括设备间的安全规范、资源 共享机制、设备发现和管理机制、服务发现和访问机制、会话管理机 制： ( 1 ) 安全规范则主要指各种机制中的安全交互机制，例如数据传 输加密、用户身份认证、授权等机制。 ( 2 ) 设备发现和管理机制指信息家电设备在线注册和发现其它设 备信息以及定义设备属性的远程读取、修改、删除的机制。 ( 3 ) 服务发现和访问机制指用户如何发现信息家电设备提供的服 务、如何发布设备服务信息的服务以及用户使用设备上服务时采用的 交互规则的机制； ( 4 ) 会话管理机制指客户使用设备时的会话创建和维护的机制。 4 、消息传输层 消息传输层主要采用相关通信协议来实现信息家电间互操作和 远程控制。目前w w w 服务器使用的主要协议是h t t p 协议，即超 文本传输协议( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 。它是一种为分布式、合 作式、多媒体信息系统服务、面向应用层的