构建中国家庭无线网络平台

: wqshand

2007-06-27

构建中国家庭无线网络平台
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王建明、毋云龙、管勇、许珺、郦亮，赫立讯科技（北京）有限公司

摘要：家庭无线网络具有灵活的网络拓扑结构、低成本和容易架设等有线网络所不具备的特点。已成为家庭数字化革命的重要组成部分，这决定了未来广阔的发展前景。它也面临着技术上的挑战，怎样架设一个可靠的无线网络，创建一个将不同设备互连的统一界面，针对不同的客户搭建一个共同的开发平台等等。这篇文章通过剖析家庭无线网络平台的研发内容，回答上述问题。
关键词：家庭无线网络

Build A Wireless Network Platform for Chinese Home

Wang Jianming, Wu Yunlong, Xu Jun, Liliang

Abstract: Home wireless network benefits from its flexible network topology, lower cost, and easy deployment It has become the major part of digital home revolution since the beginning. This will also bring its brilliant prospective in the future. Home wireless network also faces many challenges, such as how to build a reliable wireless network, how to establish the general interface on connecting the different kind of devices, and how to build an open development platform for different clients etc. This paper answers these issues by presenting the development of an innovative home wireless network platform. With this IP-Patented and flexible platform, the real wireless home networks are created and serve for Chinese markets.
Key Words：Home Wireless Network
1 家庭无线网络的广阔前景
家庭无线网络是指在家庭范围内(可扩展至住宅小区)，通过先进的无线网络技术将电脑、家电、安全、照明、娱乐、医疗监护系统互连，实现数据共享和管理，并以广域互联网为接口与外界交互信息的一种新兴的无线网络系统。目前，家庭无线网络平台具有广阔的前景。今年春天，国家发展办公室曾宣布在未来的5年之内，家庭网络的国内市场将达到5000亿元左右，标志着家庭网络应用时代的到来。
家庭数字化是计算机和网络技术紧密结合的产物。众多的IT、网络和家电制造商的联合，大力促进了电子娱乐设施、网络家用电器设施、家务服务设施等的快速发展。无线网络可以很好地满足用户对家庭网络的灵活性、可靠性以及便捷性等需求。不但解决了有线系统的高成本和不方便，消费者还能够通过无线网络方便、快捷地管理家务，监测家居环境、遥控家用电器等。
无线家庭网络的发展在未来的10年内，将与3C、ISP和房地产等市场领域息息相关。过去几年内，国内成立了两大3C行业联盟：IGRS(闪联)和“家庭网络标准产业联盟”E家佳（ITopHome），对家庭网络系统的前景充满信心。电子、家电、通讯、计算机、网络运营等众多领域的企业以完善的产业链形式共同搭建起家庭网络系统平台。目的在于为中国家庭装备数字家居，提供一个技术应用平台。这些举措大大促进了我国网络家庭的快速发展。因此，无线网络家庭的发展应该从行业标准的建设开始。这意味着超出家庭范畴，与电信、家电、软件以及芯片设计行业有密切的关系。因此，标准平台应该是开放的、可以兼容国际多种相关标准的平台。只有这样，生产出来的上下游产品才能实现兼容与匹配，提供一个可以实现网络家庭的环境，起到从高端控制成本与设计实施技术配合、优选的作用。网络家庭产品是对传统家电的更新换代，提供更加舒适的家庭环境。网络家庭通过与网络功能的结合，实现传统家电不能实现的功能，比如售后信息自动反馈、随时随地自由控制、自动升级维护等，越来越符合人们的家居生活习惯。此外，网络家庭产品应具有环保、节能等特点。
2 家庭无线网络的实施
2.1家庭无线网络的应用和特点
家庭无线网络是多种家庭网络中一种，还有其他形式的家庭网络构架。包括：Lonwork系统、Echonet (电源线)系统等。家庭无线网络可认为是短程无线网络的一个应用组群。
根据不同的数据传输率，以下是在家庭网络中扮演三种不同角色的无线网络：
高数据传输率短程无线家庭网络（UWB 技术, 数据传输率大于100Mkb/s），主要使用于娱乐网络；
中等数据传输率短程无线家庭网络(WLAN技术, 数据传输率小于50MKb/s)，主要应用于数据（文件）传输网络；
低数据传输率短程无线家庭网络(ZigBee技术, 数据传输率小于250Kb/s)，主要应用于监测和控制网络。
这三种无线网络都属于家庭网络的范畴。本文中，主要探讨低数据传输率家庭无线监控网络。
低数据率无线家庭网络个性化明显，用户通常会选择符合自己个性化需求的产品。目前的产品主要有：具备远程遥控技术、配有电话、无线通讯等接口的空调、热水器等数字家电；配有有线或无线接口、可远程报警的家用安防传感器设备；具备有线或无线接口的家庭灯光控制器材；可进行防盗、报警、记录的小型摄像机；照顾料理家庭成员的摄像头或可视电话等等。可见，用户的个性化家庭网络配置源于相关产品的多样化。用户对家庭网络产品的安放位置在一定程度上也影响家庭网络的拓扑和连通性。因此，家庭网络应该具备自行组织的能力，真正实现家庭内部的自动化。
根据家庭网络的特点（具有时变和随机的网络拓扑），网络需要进行组织，实现网络配置，保持网络的连通性。在自组织过程结束后，网络进入正常运行阶段。当网络结构再次发生变化时，网络应能够再次进行组织，保持变化后网络的连通性。自组织和正常运行这两个过程依次循环进行，保证家庭网络的正常运行。自组织的过程既可由家庭网关实现，也可以由网络中处理能力较强的网络节点完成。
2.2 家庭无线网络技术的挑战性
如同标准的短程无线网络一样，图1是一个家庭无线网络的链接拓扑。家庭无线网络技术的技术难点主要表现在：无线通讯模块；无线网络技术和应用界面协议等。

家庭无线网络不同于其他应用技术，它需要根据不同的家电、感应器（监测器）、照明、家庭三表和其他电器产品开发出各种相关的硬件和软件。这里将详细描述所遇到的关键技术难点，并阐述在一种新型家庭无线网络平台上实现无线家庭网络的过程。

3家庭无线网络平台的实现
3.1 家庭无线网络平台的标准
短程无线网络标准或无线个人域网标准是组成无线家庭网络的理论基础。国际性的行业联盟ZigBee制订了标准化的无线网络技术。ZigBee联盟先后公布了无线个人域网标准，目前已由最初的V0.75版本(2003)上升到V1.1版本(2005)。ZigBee的标准主要对短程无线网络及其应用给出了清楚的定义和限制，其示意图如图2所示。

一个标准的短程无线网络中包括了以下各层：
物理层和MAC层：它是无线接收发射机的基本结构；
网络层：主要定义网络拓扑和无线网络的数据/控制流；
安全层：提供网络和所有节点安全设置；
设备API和界面：应用和整个网络间的界面；
应用/设备层：真正的控制或监测设备。
由图2可以看出，ZigBee是以IEEE802.15.4无线接收发射机标准为基础的，同时，也规定了无线通讯的网络技术、安全措施、应用接口以及应用技术。
在我国，目前由海尔、春兰等12家集团公司构成的“国家家庭信息平台结构体系总体组”在信息产业部和原国家经贸委的支持和指导下，于2003年推出了基于互联网的《家庭网络系统技术规范》系列标准。本文所描述的平台就是基于国际ZigBee 标准规范和中国《家庭网络系统技术规范》系列标准而展开的。

3.2 家庭无线网络平台的系统结构

图3 家庭无线网络平台结构

图3 所示为家庭无线网络平台的结构图。无线网关是整个网络平台的核心，可以接收各种家电、灯具、安防监控设备、居室环境监控单元以及通用遥控器等无线发送上来的信息。对这些信息进行智能处理后反馈给相应的设备；另一方面，无线网关还可以同局域网/互联网、公用电话网、短信系统等连接，在非现场区域对家庭网络进行遥控和监测。
在家庭无线网络平台中，通用遥控器不仅可以控制各种家用电器以及各种监测控制单元的运行状态，还可以对各种受控设备进行设备添加、删除、参数设置等操作，实现对家庭无线网络平台的现场控制。
在网络平台中，各种网络家电设备，例如电视、冰箱、空调、热水器等, 形成了一个应用平台。这些设备可以接受无线网关或通用遥控器的控制，也可以把自身的工作状态、甚至故障告警信息上传到无线网关，进而通过互联网或电话网告知相关人员。安防监控子网用来对家庭的门、窗等监测和控制。一旦有人非法入侵，安防单元就会立即启动报警系统，并通过无线网关把安防告警信息传递给相关人员或部门。图像采集装置可以记录非法入侵人员的资料。居室环境监控子网对家庭内的各种有害气体、火灾等进行监视和控制。这个单元采用了模糊智能控制技术，一旦预测到有灾情发生，会立即进行关联控制。例如，启动通风设备减小有害气体浓度，启动灭火装置消除隐患。灯光控制子网可以提供舒适的光源和有效的节能措施，方便用户的生活和工作。
3.3 家庭无线网络平台的节点——低数据率短程无线通讯模块
无线通讯模块镶嵌在各种家电、灯具、安防监控单元、居室环境监控单元以及通用遥控器中，作为家庭无线网络中最基本和最重要的节点。
具备同无线网关实时交互数据的功能。要建立一个网络，需要一个真正的TX/RX接收发射机，而不是一个传输器或者接收器。在家庭无线网络平台中，无线模块和无线网关进行网络无缝连接通讯。
短程无线收发模块具有以下特性：
传输速率有限，并保证符合国际和国家的无线电标准规范；
工作频段在国家和国际无线电标准规范所批准的范围之内。
随着微电子技术的不断发展，大多数的接收发射机都集成在CMOS芯片上。一个小型的无线接收发射机可能仅是一个模块。国际无线接收发射机的标准有以下几种：
IEEE802.15.1----- Bluetooth；
IEEE802.15.3a ---- UWB；
IEEE802.15.4 ----- ZigBee。

图4

图4是为家庭无线网络开发的无线通讯模块，其主要技术特点有：
多频带射频收发器
第一代： FSK 模式，传输数据率>19.2Kb/S，传输功率<5MW，工作于868, 915和中国家庭应用频段上。
第二代：基于IEEE802.15.4 标准，传输数据率250 Kb/S，传输功率 < 10 MW，工作于2400 MHz频段。
在这里，模块并不是单纯的硬件，它包含了MAC、兼容ZigBee的网络软件和灵活的API软件。
3.4 家庭无线网络平台的核心部件——功能强大的无线家庭网关
网关是整个无线家庭网络平台的心脏，起着信息处理和内部/外部网络连接的重要作用。无线网关由高档CPU、网卡控制芯片、电话接口电路、语音处理电路以及无线通讯模块等组成，与家庭中的各种家电以及各种监控单元组成了家庭无线网络平台。它们之间的通讯符合国际通讯协议标准，网络拓扑采用星状结构，确保了通讯的可靠与稳定。用于控制各种家电、灯具、安防监控单元、居室环境监控单元等。
家庭网络平台通过无线网关与外部世界相连，既可以通过ADSL、Ethernet、调制解调器等与互联网交互链接，又可以同公用电话网和短信系统交互信息，从而可在非现场区域对家庭网络进行遥控和监测。

图5是家庭无线网络中无线网关的示意图，该网关具有最高工作频率达200MHz的CPU、电话接口电路、网络接口电路等部件。
无线网关上的网络层用来管理星状家庭网络，包括设备的管理、网络的建立和在不同的设备之间构造一个稳定的连接。网络层在保证它下面的MAC层稳定的操作的同时也给应用层提供了完备的服务界面。无线网关的主要功能见表1。

图5家庭无线网络中的无线网关

表1 无线网关的主要功能

3.5 网络平台的开放性与兼容性
大多数家庭中的家电和设备来自不同的厂家和品牌，随着生活水平的提高、科技的不断进步，还会有更多新的家电和设备进入人们的家庭。因此，家庭无线网络平台必须是开放式的，兼容不同功能、不同厂家的产品。为了保证家庭网络的开放性，必须制订统一的设备描述规范，所有OEM设备厂家都应遵循这个规范，以实现设备的互联互通。
设备描述文件规范用统一的格式描述设备的公共信息（厂家，设备类型等）、设备所具有功能的数据格式文件，使家庭无线网关在对设备的管理和操作上摆脱对设备的依赖。设备描述文件的结构定义如图6所示。设备描述文件包括整体描述与服务页面描述两部分：
设备描述规范文件包括两部分：
A、整体描述：设备的公有信息，包括厂家信息，设备描述文件的版本等。类型有下列三种：
B、服务页面描述: 每个设备根据功能分为若干服务页面，每个服务页面中包含若干基本的部件，所有的部件按相对位置组成一个二维数组，每个基本部件都用图标的形式来表示描述，在控制每个设备时，在同一层面的功能放在一起，每一项功能都配上相对应的特征图标，这样就符合人们的一些习惯，使得容易控制设备。
任何厂家的新设备，只要按照设备描述文件规范生成一个设备描述文件，通过无线网络平台注册到网关的设备信息表中，就可以加入这个网络，它的服务功能都在网络平台中控制。
根据以上陈述，家庭无线网络中的设备描述文件包括与设备相关的各种功能，表2给出了微波炉的设备描述文件的一个例子。
一个设备加入到网络中后，设备的图标就出现在设备列表队列中。点击设备图标（如微波炉），用户就能看到其功能列表。功能与设备描述文件的部件图标相对应。用户看到图标就知道其功能。点击后，提示输入相应的参数，即可完成操作。
3.6 无线网络平台软件结构

图6 设备描述文件的结构

表2 微波炉设备描述文件所包含的内容

A、家庭无线网络软件开发的特点
家庭无线网络系统的软件开发具有如下的特点：
分层的软件开发架构：使复杂的系统开发变得清晰、可靠，并提高了系统的可移植性。根据ZigBee 标准规范和中国《家庭网络系统技术规范》系列标准. 如图7所示,家庭网络的软件系统包括物理层、MAC层、网络层和应用层软件系统;
实时系统：家庭网络系统是一个实时系统，对各种传感器或命令做出及时的反应，能够长期稳定的工作。家庭网络系统软件对内存的管理、对消息的反应等都应满足实时系统的要求。
极强的系统扩展性：标准化的无线网络协议、用户接口及设备通讯协议给家庭网络提供了极强的系统扩展性。通过标准的设备通讯协议，不同类型、不同厂家的设备可以互通信息，实现关联控制及统一管理。可以同时接收不同控制终端的各种信息，包括Web CGI程序，语言控制程序，PDA控制程序等，还可扩展开发其他种类的控制程序。
B、软件系统工作流程简介
家庭无线网络的软件系统工作流程如图8所示。
用户接口包括基于WEB界面的CGI程序、电话语音控制程序和PDA的无线接口程序。这些程序虽然操作不同，但都使用相同的命令接口定义来对家庭网络进行管理和控制。对设备的控制也有相应的接口命令，从而使用户的命令通过各自的接口程序传递到用户接口管理程序。
用户接口管理程序把不同的命令传到相应的功能模块，比如用户管理命令被传递到用户管理模块，设备控制命令被传递到设备管理模块。各种命令通过设备通讯协议转化后发给相应的设备。
图7 家庭网络系统结构示意图

图8家庭网络的软件流程图

只有通过设备通讯协议转化，设备才能识别发给自己的信息。经过设备通讯协议转化的数据包将传递到网络层。
网络层根据目标设备的设备ID从设备列表中查出该设备的网络地址，并构造相应的网络层数据包。网络层数据包从与无线通讯模块相连的串行接口传递到无线通讯模块。
数据经过MAC层、物理层后由无线收发器传输给相应的目标接收模块。
目标模块接收到数据后先进行CRC校验，如果数据包有错误，数据将被重发。接收到的数据包在网络层被还原成应用层的数据包后再进行下一步处理。
对网络层的数据进行设备通讯协议转化,有些设备把设备通讯协议转化做到了设备应用程序当中。当然，设备通讯协议转化程序也可以放在设备应用程序中，此时无线通讯模块中就可以省略该步骤。
被无线通讯模块认可的信息可以由自身的串行接口传递到终端设备中，在设备应用程序的管理下完成相应的工作。设备的返回信息将通过相同的路径返回。
4 先进的家庭无线网络
赫立讯科技（北京）有限公司与海尔集团合作共同实现了一种先进的无线家庭网络，图9是一个家庭无线网络样板家庭照片。
这个家庭无线网络实现了信息设备、通讯设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、保安（监控）装置等设备互联，使智能化、人性化的家居生活变成了现实。下面简要介绍一下家庭无线网络的各种功能。
设备自动控制
家庭无线网络具有定时功能。在指定的时间，设备控制命令将被执行。定时功能可以设定一次性执行，也可设定成每天定时执行。这种安排极大地方便了用户，从户外回家后将立刻享受到舒适的家居环境。

图9 家庭网络演示样板家庭实景

设备关联控制
这个功能真正实现了设备间的联系。一个设备的状态变化导致某个预定命令的执行，这个命令可以在一个设备，也可以在不同设备上执行。关联控制为家庭网络平台添加了新的活力。
智能灯光系统
通过灯光系统控制板，灯光系统得以集中控制，实现多种灯光模式，比如用餐模式、聚会模式等。
传感器网络
在家庭中建立无线传感器网络是家庭无线网络的新亮点。传感器用来进行安全检测，也可以进行环境监测，有效地提高家居生活的质量。
视频传输功能
家庭网络系统支持视频的传输。它有一个USB接口，可以直接连接摄像头并通过互联网进行远程视频传输，也可以通过无线模块连接摄像头进行室内监测。
远程互联网控制
家庭网络系统配备单独的WEB服务器和动态域名解析客户端软件，使远程互联网访问成为可能。当今的互联网技术给家庭网络的发展带来了广阔的空间。
电话语音控制
电话语音控制又为家庭远程监控增加了一个便捷方式。对于经常移动的用户这将是一个很好的选择。同时电话语音报警将能够把家庭紧急事件实时汇报给用户。
自动报警功能
通过电话语音、短信以及电子邮件报警。电子邮件报警具有很强的应用性。厂家可以快速诊断设备故障，提高产品质量和服务水平，节省大量费用。另一方面，用户把电子邮件报警发给小区的物业管理，及时提供信息。
实时安防监控
通过传感器建立安防监控网络，大大提高了家居、家庭的安全。
集中遥控系统
家庭无线网络可以通过PDA实现家庭设备的集中遥控。传统的集中遥控器相当复杂，没有图标显示，家庭网络PDA将带来一个全新的家庭管理理念。
5 结论和展望
本文详细介绍了家庭无线网络平台的结构、软硬件设计过程以及重要的技术挑战，给出了一种家庭无线网络的概念。随着家庭无线网络技术的不断完善，家庭无线网络的市场在不断地扩大，有可能成为行业发展的热点。家庭无线网络的发展将带动与之相关的各种产业链的发展，包括家庭安防系统、传感器网络、家用电器及家庭娱乐系统等。家庭网络即将成为人们家居生活的一部分。

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