开放型智能家庭网络的结构研究

开放型智能家庭网络的结构研究
汪成义;高刃
【摘要】文章简要分析了传统智能家庭网络的典型结构,结合对用户实际需求的分析以及对下一代网络技术的理解,特别是基于对IPv6的理解,提出了建立面向集中控制和独立控制协同工作的开放型智能家庭网络的体系结构,并着重讨论了开放型家
庭网络的主要问题与相应的解决方案.
【期刊名称】《光通信研究》
【年(卷),期】2007(000)003
【总页数】4页(P35-38)
【关键词】开放型智能家庭网络;家庭网关;集中控制;独立控制
【作者】汪成义;高刃
【作者单位】湖北经济学院,计算机科学与技术学院,湖北,武汉,430205;湖北经济学院,计算机科学与技术学院,湖北,武汉,430205
【正文语种】中文
【中图分类】TN915
智能家庭网络是一个典型的3C(Computer, Communicator 和Consumer)系统，是整个信息网络的末端，即位于骨干网/接入网/用户驻地网结构的最下层。

通常智能家庭网络包括高速的信息网络和低速的控制网络。

随着骨干网、接入网带宽的
快速增长和技术的飞跃发展，原有的上层网络“瓶颈”逐步得到消除，底层网络特
别是位于家庭环境的智能家庭网络的应用即将进入一个快速成长期。

面对家庭用户需由个人付费和使用的特点，网络的价格必须便宜，网络的结构必须体现简单、方便和灵活。

特别地，家庭用户需求的差异性很大，如应用的形式、功能和性能等要求差异大，对这些差异的支持依赖于所采用的具体网络技术，更依赖于网络结构的总体设计，其中一个重要的方面就是网络结构开放性的设计。

1 现有家庭网络的典型结构
目前，国内外的智能家庭网络一般是以一台家庭信息处理平台为中心来构建，依据其家庭信息处理平台的形式、位置不同，主要分为家庭网关和机顶盒两种类型。

家庭网关型智能家庭网络的结构是以家庭网关为中心，利用各种接入技术(如LAN、xDSL、Cable modem、FTTH或其他技术)实现与因特网的连接，并集中提供对
家庭信息网络和控制网络的支持，其特征是将家庭网关作为电信网络的终端设备。

该结构的优点是便于电信运营商运营，便于集中管理。

缺点是不够灵活，不便于用户按需逐步组网。

机顶盒型智能家庭网络的结构是基于有线电视网络来实现的，通常是通过家庭信息控制中心实现多媒体信息的互通，通过在家庭网络侧的控制器实现对信息家电、监控单元的管理与控制。

其优点是便于广电运营商运营，对视频信息有比较好的处理，有众多家电厂家的支持。

缺点是网络的可靠性不高、带宽容量有限，在国内的市场仍然有限。

在这两种结构的智能家庭网络中，高速的信息网络部分技术差异相对较大，但它们恰恰又比较成熟，较容易实现开放型的网络结构，且两者有加速融合的趋势，而两种结构中的低速控制网络部分的技术基本一致。

因此，下面仅就家庭网关型结构进行分析。

在国内，现有智能家庭网络的结构多是按照新近颁布的标准即SJ/T 11316-2005《家庭网络系统体系结构及参考模型》进行设计的。

在该标准中，家庭网络系统体
系结构将家庭网络系统分成家庭主网和家庭控制子网：家庭主网传输高速信息(包
括音、视频信息)，要求的带宽比较宽，通讯模块的成本相对较高；家庭控制子网
传输低速信息(控制信息)，要求的带宽比较窄，通讯模块的成本相对较低。

典型的智能家庭网络体系结构如图1所示，其中的主网关与子网关通常是同一物理设备。

图1 典型的智能家庭网络体系结构
2 开放型家庭网络的主要结构
为了满足家庭用户的个性化需求，充分体现智能家庭网络的灵活性和方便性，可对图1中的结构进行改进，改进后的结构如图2所示，其特点是便于用户按需逐步
组网，并能与下一代网络技术(如IPv6)的优势保持一致。

图2 开放型智能家庭网络体系结构
该结构中的主网关与子网关既可以是同一物理设备，也可以是不同设备。

对前者，主要优势是简化网络结构，减少设备量，营造简洁、易用的环境；而后者则使网络的结构更加灵活，扩展性强，能突出网络结构的开放性特点，能实现开放结构的一致性。

另一方面，也可不经家庭网关设备实现直接的连接，从而进一步提高组网的灵活性，并降低智能家居设备初装门槛。

图中的虚线表示可以穿过网关或不经网关实现直接连接。

3 开放型家庭网络的主要问题与解决方案
3.1 家庭网关如何支持开放性
(1) 对远程控制与本地控制的支持
传统的家电一般是通过遥控器在家中进行控制，即本地控制，这种控制多是采用红外技术在同一室内空间的短距离内进行。

新型的网络家电、网络智能家居产品能支持联网操作，因而要求具有远程控制的能力，这正是家庭网关的核心任务之一，目前技术已较成熟，但要考虑支持多种远程方式的综合控制能力，如通过接入互联网的计算机、移动手机、远程拨号等对接入家庭网关的计算机等设备进行远程控制。

国内在这方面已有较多的尝试，但还没有成熟的商用产品。

另一方面，远程控制对家庭网关的适应能力有较高的要求，由于家居设备不一定是一次购买到位的，即便是已有的家居产品，还要根据主人的喜好决定是否允许远程控制。

因此，即便购买的是网络家电、网络智能家居产品，仍然需要具有本地控制的手段。

(2) 对集中控制与独立控制的支持
现有的家庭网关技术所要解决的问题是如何实现网络家电、网络智能家居产品的集中控制。

传统家电是每台设备一个遥控器，而智能家庭网络的家庭网关则可以一统天下，所有家居设备均通过一个手持设备进行遥控。

集中控制主要分为两种形式：一种是本地集中控制，即在家居环境内通过手持设备与网关的直接通信链路实现对所有智能家庭网络设备的控制；另一种是远程集中控制，即指家庭网关外接的网络设备、手机等通过家庭网关对家中所有智能家庭网络设备进行远程控制。

另一方面，通过家庭网关还可实现多个控制点、多种设备的运行状态的一键式快速设置，如到家前20 min通过一键式远程控制指令使多个门、窗关闭，且使空调进入运行状态，又如，通过一键式本地控制指令进行复杂灯光场景的调节。

随着片上系统(SoC)的广泛运用，特别是片上系统性能的快速提升和价格的逐步降低，生产价格低廉而功能强大的适用于网络家电、智能家居产品的控制核心已成可能；而下一代网络技术(如IPv6技术)已在骨干网成功商用，且其技术特点特别能
满足组建智能家庭网络的灵活性需求，从而为构建更为灵活的网络结构和控制方式提供了可能。

也就是说，在提供集中控制的形式之外，对一部分重点网络家电、智能家居产品可采取独立控制的方式，如直接进入这些产品内嵌的Web平台，进行更为直接而细致的控制操作。

独立控制的形式同样可以是本地的，称为本地独立控制，即在家居环境内，通过手持设备经由网关或直接通信链路进入设备的控制核心，实现对智能家庭网络设备的
控制，其功能与传统遥控器类似，但存在一个重要的差别,即后者是每台或每种设
备需要一个遥控器，前者则具有符合家庭网络标准的特征，与集中控制方式是一种兼容的互补关系，能对多种、多台设备逐一进行控制，其判别只需一个标识号，如基于IPv6的IP地址。

独立控制的形式也可以是远程的，称为远程独立控制，即指家庭网络之外的外接网络设备、手机等穿过家庭网关甚至不经家庭网关，远程地进入设备的控制核心，实现对智能家庭网络设备的控制。

集中控制与独立控制的特点比较见表1。

由此可见，独立控制方式是有其实用意义的，即在用户零星购建智能家居设备时，有部分设备不愿上外网时，网关出现故障时，特殊人群的特殊应用(如留守老人需要看管)时，需灵活选择控制方式时等均可借助独立控制方式来实现。

总之，构建一个有一定规模的智能家庭网络时，应优先考虑采用集中控制方式，同时也可将独立控制方式作为补充；对零星购置的起步阶段的智能家庭网络，可优先考虑是否需要先采用独立控制方式作为过渡。

独立控制方式还便于厂家进行远程维护。

表1 集中控制与独立控制的特点比较控制方式集中控制独立控制适合形式本地、
远程本地、远程需要标准是是体现IPv6的优势否是适应性一般强安全依赖网关
IPv6协议需要网关是不一定厂家远程维护不方便方便是否适合主用是宜作为补充(3) 对即插即用的支持
因为家居设备不一定是一次购买到位的，有些产品是后来出现的，即便是已有的家居产品，还要根据主人的喜好决定是否允许远程控制，这就要求家庭网关具有灵活、及时的控制界面自动生成机制，即需要具有“即插即用”的能力，同时还需具有权限控制能力。

另一方面，购买家居设备需考虑价格、个人喜好等因素，不应限制只买一个厂家的家居产品，更何况再大的企业，其产品线也是有限的，故对不同厂家产品的远程控制支持是家庭网关开放性能力的一个重要方面，而这点的实现关键在于标准的推出
和遵循。

3.2 智能家庭网络产品如何支持开放性
(1)智能家庭网络产品控制的开放性
智能家庭网络产品控制的开放性是从用户的角度来看的，主要表现为：对即插即用的控制信息传送的支持；能接收公共家庭网关平台的控制信息，并进行及时、有效的控制操作而与产品的生产厂家无关；对集中控制和独立控制的双重支持，具体可由设置来选定等。

实现智能家庭网络产品控制的开放性的关键在于相关产品需支持同一标准。

智能家庭网络产品控制的开放性还可表现为变被动控制为能够主动请求服务。

如设备系统出现故障时可主动请求厂家远程诊断，并通知主人处理结果，也可主动请求远程升级软件等。

(2) 智能家庭网络产品平台的开放性
图3 典型软硬件平台的分层架构
智能家庭网络产品平台的开放性是从开发者的角度来看的，主要表现为在几个不同的层面上对开放性的支持：在最低层，是各个具体设备的设备驱动接口，不具有开放性；在中间层，体现为用来开发智能家庭网络产品控制核心的硬件平台是否具有通用性，即适合嵌入各种类型的家居产品之中，同时要求主要结构能公开，如采用典型的嵌入式系统、片上系统；同样在中间层，还体现为用来开发智能家庭网络产品控制核心的软件平台是否具有通用性，如嵌入式Linux是一个源代码公开的典型嵌入式操作系统；在上面的应用层，开放性则体现为可方便地移植到不同硬件平台和软件平台上。

图3是基于一种典型软硬件平台的分层架构。

3.3 支持开放型结构的标准问题
从以上内容可知，要实现开放型智能家庭网络，必须有相应的标准作后盾；反过来说，要支持本文中的开放型智能家庭网络，则需有针对性地完善现有家庭网络的相
关标准，并全面支持IPv6。

3.4 开放型智能家庭网络的实现平台
作为一个初步验证开放型智能家庭网络结构的实验环境，家庭网关采用XScale体系结构的基于PXA270处理器的开发板，嵌入式操作系统为支持IPv6的Linux系统平台，通过PC机作为家庭网络设备，并通过ARM(先进的精简指令集处理器)
体系结构的基于S3C44BOX处理器的开发板及外围电路建立家庭网络控制终端，共同构成支持开放型结构的基本环境。

4 结束语
开放型智能家庭网络结构是为提升网络家电、智能网络产品构建家庭网络的灵活性、实用性而提出的，其特点是利用且顺应了下一代网络特别是IPv6的特点和发展趋势。

参考文献：
[1] ITU-T Recommendation J.192-2004，A residential gateway to support the delivery of cable data services [S].
[2] 郑灵翔. 嵌入式系统设计与应用开发 [M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2006.
[3] 国家信息产业部行业标准SJ/T 11316-2005，家庭网络系统体系结构及参考模型 [S].
[4] Silvia Hagen(著)，技桥(译). IPv6精髓 [M].北京：清华大学出版社，2004.
[5] 刘骊，吕杨，欧阳鑫，等. 嵌入式开放平台在家电信息网络化中的研究与实现[J]. 计算机工程与设计，2006， (1):232-234.。