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【中心議題】

• 提出了一種基于智能網絡的家庭自動化管理與控制系統
• 給出了具體設計方案

【解決方案】

• 采用CAN(controller area network)總線方式
• 利用HTTP服務器和CGI(common gate intergace)技術實現數據在內部家庭網絡和互聯網的雙向流動

1引言

隨著社會的發展和科學技術的不斷進步,數字網絡的生活時代已經到來,其表現形式就是家庭智能化、物業管理現代化和社區服務信息化等。家庭智能化就是通過綜合采用先進的計算機、通信和控制等技術建立一個由家庭安全防護、網絡服務和家庭自動化組成的家庭綜合服務與管理集成系統。家庭智能化是現代IT技術、網絡技術、控制技術向傳統家電產業滲透發展的必然結果。

國際上對家庭智能化的研究始于20世紀80年代,目前,美國、日本和歐洲等國家和地區都已對家庭智能化系統制定了技術標準,并按照技術標準進行智能化住宅建設,應用于智能化住宅小區的基礎產品在發達國家已成系列。我國的家庭智能化研究起步較晚,尚未形成統一的國家標準,但已將建設智能化小康示范小區列入國家重點的發展方向,家庭智能化的日益普及已是一種必然趨勢。目前國內的家庭智能化系統在網絡連接方面基本上用總線方式聯網、電話聯網或者通過以太網方式來實現,產品雖然很多,但更多的是系統相互獨立、集成度比較低、各個系統相互聯系不大、家庭內部沒有統一的平臺,例如早期的智能中控器往往只具備安防、三表采集、簡單文字信息發布和簡單的家電控制功能。

2系統總體設計

本系統設計的總體結構如圖1所示。按照設備及連接時所使用的介質和底層協議類型的不同,可以將本網絡系統劃分為AV子網、測量子網、控制子網、文件服務子網和無線子網等。AV子網主要設備有多媒體計算機、機頂盒、HDTV和數字攝像機等,主要實現音視頻多媒體信息的家庭娛樂功能。測量子網主要實現對流量、壓力、溫度等物理量設備的數據測量、記錄及遠傳功能。控制子網通過控制服務器完成電壓、電流、功率和開關量等物理量設備的控制功能。文件服務子網通過打印機和掃描儀等共享設備實現對文件的操作和服務。無線子網與無線設備連接,實現無線控制信號傳輸和處理功能。

系統中的網絡控制部分包括家庭內部控制網絡和遠程監控網絡,家庭內部控制網絡主要用于對各種智能家電進行監控和調整,采用CAN(controller area network)總線方式,因此需要開發現場總線的驅動程序。遠程監控網利用HTTP服務器和CGI(common gate intergace)技術實現數據在內部家庭網絡和互聯網的雙向流動,可以使用遠程監控軟件,在離家很遠的地方通過互聯網遠程操作和控制家用電器。家庭網關將智能家電連接到互聯網,實現內外部網絡間的連接、轉換與安全保密功能,水、電、煤氣表可以進行自動抄表和自動結算。網關通信接口支持寬帶下行通信和一定的上行通信能力,上層協議采用TCP/IP協議族,媒體信息也可以直接承載于底層接口之上。底層接口包括以太網接口、有線電視接口、電話接口和ADSL接口等。

3系統通信模型與控制模型

3.1系統通信模型分析

本系統中的家庭網關可以抽象為站點,家庭內部的被控對象可以抽象為節點,站點與遠程監控機之間通過TCP/IP協議進行通信,站點與節點之間通過現場總線協議進行通信。為了實現遠程監控機對節點的透明訪問,應該有一套新的協議體系,負責遠程監控軟件與會話層及下層協議的交互,稱之為遠程監控協議,屬于應用層協議,系統的通信模型如圖2所示。

通信模型中的對象管理器完成站點/節點對象的注冊、刪除、定位與修改,對網絡上各個站點和節點統一管理,實現對網絡上各種信息資源的定位,提供對虛擬數據庫的標準訪問接口,并為系統提供名字服務。過程接口是用戶過程與應用層的接口,無論用戶的過程是本地的還是遠程的,對于用戶來說都是相同的。對調用的區分由過程接口完成,它首先訪問虛擬數據庫判斷調用的類型,再將該過程調用送到不同的過程調用模塊處理。本地過程調用模塊處理模塊內連接,它直接將本地調用轉由本地執行并返回,只有那些模塊間連接才由遠程調用模塊負責,遠程調用模塊負責將消息封裝并與監控層通信。數據封裝及其接口模塊負責遠程監控機與智能家用電器連接的建立、會話的控制、指令與信息的數據傳輸成幀、信息傳輸與遠程控制的協議邏輯等。

3.2系統控制模型分析

本系統采用網絡環境下的用戶對設備的間接控制方式,用戶與一個用戶接口代理設備進行交互,代理將產生一個命令,并通過網絡傳輸到目標設備,這里的代理必須具有可以控制的接口,如按鈕、調節器、轉換開關等,必須能夠以某種語言產生相應命令,并且這一命令能夠被目標設備理解,還必須能夠將這一命令發送到相應設備,最好能夠返回給用戶一個可視化反饋信息以表明目標的響應情況。例如用戶想讓DVD播放一個唱片,代理是DTV,用戶先在電視機上調用一個顯示頁,該家庭網絡主頁按類別顯示家庭網絡中可以使用的設備圖標。當用戶通過類似于鼠標雙擊的動作來調用某一圖標時,就會將該類設備的主頁調入,用戶瀏覽該頁并找到了目標設備,例如是DVD播放器,用戶調用DVD播放器圖標,該調用使電視機形成一個HTTP形式的Get命令,并通過網絡將該命令發送給DVD播放器。在家庭網絡中,最上層主頁是HN(homenetwork)主頁,它是用戶對設備控制的起點。每一個設備由一個圖標及相應的文本名字來代表,最上層主頁應該是瀏覽器的缺省頁。當用戶單擊某個設備圖標時就能夠進入該設備的圖形用戶接口的主頁,并且為了用戶控制需要,該頁應該是尺寸可調的瀏覽器窗口。如果有設備被插入或拔下,HN主頁應能自動更新。為了能顯示最新的主頁,瀏覽器不能緩存諸如圖標文件、名字文件等文檔。這樣,家庭網絡中的設備可以在家庭內被訪問和控制,也可以通過WWW在家庭外被訪問和控制。當從外部控制時,需有顯示家庭內系統狀態的互聯網Web頁,利用這種Web頁,用戶就可以通過點擊圖標來控制家庭內的系統狀態,如關燈、啟動安全系統等。

本系統的詳細控制模型如圖3。圖中顯示了受控設備和圖形用戶接口及相互關系,該機制的目標是能夠使設備動作或改變受控硬件或其所提供的服務D的狀態。

嵌入到受控設備中的應用軟件C可以直接作用于硬件或服務D,所以該機制的任務是提供到嵌入式應用軟件的接口。圖3中C提供給A可控制的功能和應用接口的圖形描述。A和C直接交互并決定接口細節,C發出的命令在A中被表示形成接口描述。表示引擎B轉換并交付用戶接口描述A傳送來的命令,從而實現了與用戶的交互。用戶可以在GUI(B)中激活嵌入式應用軟件對應的圖形用戶接口部分,從而將產生的命令或動作發送到嵌入式應用軟件C中,對此的響應可能是一個確認或機器的相應動作,或是返回給B一個新的或改變了的GUI描述。

當客戶端具有GUI表示引擎的Web瀏覽器時,也可以采用基于Web技術的用戶對設備的控制方式。Web屬于客戶/服務器模型,受控服務在Web的服務器端,用戶接口控制器是Web的客戶端,DTV之類的設備既可以控制MPEG的解碼和顯示,又可以提供用戶接口控制功能。

3.3遠程監控功能設計

遠程監控是本系統的主要功能之一,必須通過家庭網關才能實現。本系統設計中的家庭網關采用一種基于ADSL接入互聯網和電話自動響應接入PSTN的嵌入式解決方案。硬件系統采用嵌入式芯片作為系統處理器,操作系統選用小型專用嵌入式系統,遠程控制系統采用瀏覽器/服務器(B/S)結構,系統首先要完成瀏覽器端和服務器端的連接,然后實現遠程控制功能,如圖4所示。

圖4中家庭網關的嵌入式Web Server作為服務器端,提供B/S結構下的交互Web界面,而工作在嵌入式WebServer下的CGI程序完成互聯網協議與家庭控制網絡協議的轉換。用戶終端部分是遠程瀏覽器端,通過互聯網上的公共服務器的中轉來完成IP地址的傳送過程,為點對點的B/S結構的建立提供支持。家庭網關與遠程監控機通信程序主要采用Socket系統調用,將傳輸協議數據單元和監控協議數據單元封裝為TCP/IP協議報頭,使之在家庭網關與遠程監控機之間傳輸,這時需要規定遠程監控協議使用固定的TCP端口號1001。當在遠程監控軟件界面上瀏覽某家庭網關內部各個智能家電的參數信息時,該家庭網關處于激活狀態,遠程監控軟件定時向該網關下的家用電器采集參數信息。

4多媒體信息流分析

本系統中的多媒體信息流具備復雜性和多樣性的特點,信息流數據量最大的是連續播放的視頻圖像,一般需要較大的存儲容量,另外還有音頻數據、文件數據及控制量數據等。系統中傳輸的數據一般是包含時間成分的流式數據,流式傳輸方式可保證所有數據都按原來的順序從發送端傳送到接收端,廣播方式是相同的數據同時向多個接收站點傳送,而視頻點播方式只有在用戶點播時才向該用戶發送,多媒體會議及網上視頻點播需要雙向實時信息流的傳輸。傳輸文本和圖形媒體數據的流速較快,而實時傳輸音頻和視頻,在數據沒有壓縮情況下時延相對較長,并且因為受到網絡的終端數量及物理硬件等的限制,實際的網絡性能可能比設計的還要低,而經過壓縮后的視頻數據在網絡中的傳輸時延則可以大大縮短。

系統中傳輸的多媒體數據的一個重要來源是AV中心。AV中心接收來自衛星電視、有線電視以及小區視頻點播等系統的數字音視頻信號,一般為MPEG-2形式的數字數據流。若傳輸到HDTV進行流暢地播放,則所占用的網絡帶寬一般為19 Mbit/s左右,同時還需要保證網絡的QoS。另外通過網絡收聽CD質量音頻也需要約0.265 Mbit/s的網絡帶寬,而IP電話、視頻電話、語音對講系統在工作時所需要的網絡最大帶寬約為2 Mbit/s。

上述音視頻多媒體數據占據了本系統繁忙時總數據量的90%左右。假設本系統擁有5個監控視頻頭和一臺HDTV,當它們同時無沖突地工作時,多媒體信息流所占用的網絡總的帶寬大約為31 Mbit/s,此時系統總的數據流量所占用的網絡帶寬應該在35 Mbit/s以上。考慮到外界干擾和實時性要求等因素,主干帶寬應該至少留有20%的余量,即主干帶寬要求在44 Mbit/s以上,現有的100 Mbit/s快速以太網就可以滿足這一帶寬要求。此外,交換式以太網在全雙工模式下的網絡性能可以達到100%,即使在半雙工模式下,發生沖突的可能性也很小,在重載的情況下網絡性能也可以達到85%以上,因此選用以太網作為本系統的主干是完全能夠滿足帶寬要求的。至于QoS問題,由于TCP/IP協議本身是面向無連接的,所以可以充分利用以太網成本低廉的特點,提供一部分帶寬來獲得高速實時通信的保障。

5結束語

互聯網應用的發展趨勢是網絡化與智能化產品的進一步結合,即與互聯網相連的各種智能設備之間可以相互交流與雙向控制,并實現遠程監控與監測。本系統中家庭網絡可以連接的節點包括電腦、打印機、智能家電、電話、紅外遙控器、手機、無線PDA、檢測模塊和傳感模塊等,可以實現的自動化管理與控制功能有可視監控、手機遙控、網頁瀏覽監控、三表抄送、醫療求助、小區廣播、視頻點播、場景監測等。

隨著未來嵌入式技術和產品的不斷完善和應用,家庭智能化網絡通信模型和控制模型的定義和開發一定會形成標準,因為各節點設備間的統一協議和標準是建立通信和控制的基礎,而網絡延時和故障帶來的網絡控制的不可靠性和非實時性問題,卻是任何家庭智能化系統需要深入研究和探討的課題。