利用Home.Net模型/架構(gòu)實現(xiàn)對家居電器的管理與控制

通過分析信息家電、家用電腦、家居網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨向，提出Home.Net模型/架構(gòu)體系，并從硬件平臺與軟件平臺方面詳細(xì)地論述該模型/架構(gòu)體系。主要希望能夠在信息化時代，就如何構(gòu)造家居網(wǎng)絡(luò)信息平臺，更有效地管理家居信息電器，實現(xiàn)家居信息資源共享方面提出新的思路、新的觀點。

一、問題提出

1.信息家電與嵌入式系統(tǒng)

技術(shù)是應(yīng)用科學(xué)之母。過去，人們的視野局限于PC、服務(wù)器、交換機、路由器等；近來，在硬件設(shè)備功能日益增強、價格越來越便宜的情況下，人們開始注意到技術(shù)如何與家居生活更貼近的問題。1999年底，所謂的信息家電吸引了人們的目光，特別是那些國內(nèi)家電企業(yè)，在國內(nèi)已經(jīng)成熟的家電市場沒有太大發(fā)展空間的情況下，找到了增強企業(yè)繼續(xù)發(fā)展的動力。信息家電的概念最早為國人所知是由微軟的“維納斯”計劃開始的?！熬S納斯信息家電”實際上是將家用電腦、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、娛樂教育三大應(yīng)用集中在一體。由于微軟擺脫不了電腦的概念，最后沒能成功。但微軟推出的嵌入式操作系統(tǒng)WinCE經(jīng)過幾年的改進(jìn)，已成為現(xiàn)在許多信息家電的軟件平臺。當(dāng)時，國人擔(dān)心微軟會統(tǒng)治國內(nèi)的嵌入式操作系統(tǒng)市場；但不久，中科院下的凱思公司適時推出了嵌入式操作系統(tǒng)“女媧”，獲得國人的喝彩。

從概念來看，信息家電IA（Information Appliance ）可準(zhǔn)確譯為信息電器，是計算機通信技術(shù)與傳統(tǒng)家用電器相結(jié)合的創(chuàng)新產(chǎn)品；是為數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛深入家庭生活而設(shè)計的新型家用電器。信息家電應(yīng)具有網(wǎng)絡(luò)功能、數(shù)字化、信息化、智能化、低成本、穩(wěn)定性強等特點。但各個公司廠商對信息家電模型的理解各不相同，出現(xiàn)了不同概念的信息家電?？梢孕蜗蟮卣f，現(xiàn)在是信息家電的戰(zhàn)國時代?，F(xiàn)在出現(xiàn)的有WebTV、IPTV、機頂盒、PDA、VOD、網(wǎng)絡(luò)空調(diào)、網(wǎng)絡(luò)冰箱，還有網(wǎng)絡(luò)VCD、DVD等，大多是概念，市場還未成熟，也未被廣大消費者接受，但PDA卻比較火爆。其實，信息電器的提法最好。因為在企業(yè)中也有信息產(chǎn)品，如1999年底SUN公司推出的一項具有重大革新意義的軟件技術(shù)“Hot Desk”，體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)門戶的計算思想，其產(chǎn)品是SUN公司的SUN Ray I信息電器。它打破了以往的瘦客戶機架構(gòu)，成為真正的企業(yè)信息電器。該產(chǎn)品不運行任何應(yīng)用程序或系統(tǒng)源代碼，不須配置或管理桌面，復(fù)雜的事務(wù)放置在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部（后臺）解決，使一種類似于電話設(shè)施的計算模型成為可能。SUN的信息電器雖然與微軟的“維納斯”計劃將近同時推出，但沒能給人們留下深刻的影響。所以，人們習(xí)慣用信息家電的概念統(tǒng)稱信息電器。據(jù)權(quán)威部門預(yù)測，未來10年后，信息家電的銷量將是PC的10倍。信息家電具有廣闊的市場，所以許多IT廠商和家電企業(yè)投入相當(dāng)多的人力與資金研究與開發(fā)信息家電。

由于快速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)市場，使得信息家電的市場比傳統(tǒng)的計算機市場大得多；使嵌入式軟件將成為21世紀(jì)信息產(chǎn)業(yè)的支柱之一。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，軟硬件可裁減的專用計算機系統(tǒng)。它主要由嵌入式處理器、相關(guān)支持硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件組成，是集軟、硬件于一體的可獨立工作的“器件”。嵌入式操作系統(tǒng)通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器Browser等。據(jù)統(tǒng)計，僅應(yīng)用于信息電器的嵌入式操作系統(tǒng)就有40種左右，如Windows CE、Palm OS、Real-Time Linux、VxWorks、pSOS、OS-9等。Windows CE、Palm OS當(dāng)前應(yīng)用較廣；VxWorks、pSOS、OS-9是傳統(tǒng)的系統(tǒng)代表，但應(yīng)用并不廣泛，需要在網(wǎng)絡(luò)化等方面擴(kuò)展；Linux系統(tǒng)，是現(xiàn)在嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展的熱點，它具有開放源代碼，系統(tǒng)內(nèi)核小、效益高、內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整，裁減后的系統(tǒng)符合信息家電的開發(fā)。嵌入式微處理器主要有X86、PA-RISC、Power PC、ARM、Strong ARM、MIPS、68XXX等。嵌入式操作系統(tǒng)一般與嵌入式微處理器硬件平臺相配合。

2.家用電腦的發(fā)展趨向

回顧PC的發(fā)展歷程，家用電腦的歷史在某種意義上并不長。聯(lián)想于1992年首倡家用電腦的概念；1997年推出功能電腦；1999年底又推出因特網(wǎng)電腦。到了2000年下半年，各種家用因特網(wǎng)電腦紛紛出現(xiàn)，包括體現(xiàn)“應(yīng)用網(wǎng)電腦”理念的方正電腦；詮釋“家庭服務(wù)器”設(shè)計理念的海信電腦；強調(diào)增值服務(wù)與整體應(yīng)用解決方案的TCL新概念電腦；體現(xiàn)“因特網(wǎng)生命”價值與“互聯(lián)的個性電腦”的聯(lián)想電腦等等。聯(lián)想是國內(nèi)典型代表，注重發(fā)展因特網(wǎng)電腦和個性化電腦；方正與海信重在家庭智能控制，使家用電腦以“家庭服務(wù)器”的身份出現(xiàn)，以無線與有線的方式與家庭內(nèi)各種家用電器、通信設(shè)備以及其他數(shù)字化產(chǎn)品連接，完成對它們的操控。與國內(nèi)大多數(shù)PC廠商不同，國外如IBM新推出的NetVista電腦，其含義是用戶通過IBM新的個人計算設(shè)備可對網(wǎng)絡(luò)（net）風(fēng)景（vista）一覽無余，倡導(dǎo)將家用電腦與商用電腦相結(jié)合的理念，提出網(wǎng)絡(luò)邊際的概念，針對不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行細(xì)分。

從總體上來看，各主要家用電腦廠商在家用電腦的發(fā)展策略與設(shè)計思想上幾乎都體現(xiàn)了：網(wǎng)絡(luò)化、智能化、個性化。網(wǎng)絡(luò)化將不再是簡單的一鍵上網(wǎng)和瀏覽，而是重在更全面的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用整體解決方案，包括無縫整合的深層次網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如寬帶接入、網(wǎng)絡(luò)安全等。智能化重在智能家居控制，實現(xiàn)遠(yuǎn)程與近程智能控制家居中的各種信息家電。但計算機與各種信息家電之間的接口尚無通行的標(biāo)準(zhǔn)，這方面一旦有需求推動就會有發(fā)展。個性化體現(xiàn)在現(xiàn)代社會對個性的需求，對不同的用戶提供不同的產(chǎn)品。未來，家用電腦會各種各樣，但發(fā)展趨向?qū)⑹蔷W(wǎng)絡(luò)化、智能化、個性化的綜合。須要提出一點的是，家用電腦在某種意義上也是信息家電。

3.家居網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀與未來

家居網(wǎng)絡(luò)是指在集成協(xié)同環(huán)境中把計算機、音頻、視頻設(shè)備以及其他各種家用電器和自動子系統(tǒng)，包括能量管理、保險、加熱、通信、安全等連在一起，以實現(xiàn)家居資源的共享與管理，組成一個家電網(wǎng)絡(luò)。也就是把具有各種能力的產(chǎn)品混合在一起，確保不同技術(shù)實現(xiàn)透明地?zé)o縫集成。

目前家居自動化有幾種方式，如歐洲家居系統(tǒng)、歐洲設(shè)備總線等，提供的是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，從而使家用電器組成網(wǎng)絡(luò)。近年來，有些采用標(biāo)準(zhǔn)總線，如IEEE1394和IP協(xié)議組建家居網(wǎng)絡(luò)，或基于ATM的家居網(wǎng)絡(luò)，目的在于提供方便可靠的訪問網(wǎng)絡(luò)的集成方式。互聯(lián)網(wǎng)界也在研究擴(kuò)展IP協(xié)議，適合基于IP的家居網(wǎng)絡(luò)。目前最成功的是美國的ECHELON公司，提出采用現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)——LON Works，組建家居網(wǎng)絡(luò)，再通過網(wǎng)關(guān)和互聯(lián)網(wǎng)相連，使家電組成局部網(wǎng)，但要求家電控制器采用帶有專用協(xié)議的芯片?？偟膩砜矗揖泳W(wǎng)絡(luò)由于家庭電器的對象結(jié)構(gòu)與特性完全不同，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。組建局部網(wǎng)采用何種協(xié)議，如何與互聯(lián)網(wǎng)相連；家電易受各種環(huán)境干預(yù)，采用何種較低價位的組網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)；與現(xiàn)在的家電如何接口等，這些問題限制了家居網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。在家居網(wǎng)絡(luò)的研究與開發(fā)中，國內(nèi)投入力量不多，而國外一直在軟件與硬件上優(yōu)先，并提出了許多模型。用發(fā)展的觀點看，家居網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該采用開放分布處理模型和多種物理連網(wǎng)方式，借用互聯(lián)網(wǎng)的IP協(xié)議，同時要兼顧現(xiàn)在的家居電器的情況。

4.Home.Net模型/架構(gòu)的提出

隨著Internet的普及與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及各種信息家電的出現(xiàn)，可以估計在未來的5年內(nèi)家居生活需要一個嶄新的工作與管理平臺，即以網(wǎng)絡(luò)為中心的信息平臺。我們稱之為Home.Net平臺。在這里，智能家居管理平臺具有很大的市場，每家每戶都有可能是潛在的用戶，現(xiàn)在主要的是如何設(shè)計與構(gòu)造符合家居生活的平臺。我們認(rèn)為Home.Net平臺可由家居網(wǎng)絡(luò)中心HNC（Home Networks Center）和普通家用電腦組成。家居網(wǎng)絡(luò)中心是一個多功能網(wǎng)絡(luò)管理與控制中心，主要管理由信息家電以及家居中具有簡單聯(lián)網(wǎng)功能的電器，使它們通過不同通信媒介組成家居網(wǎng)，相互交換信息，并實現(xiàn)信息資源共享；同時又具有安全路由器和安全網(wǎng)關(guān)功能，將家居網(wǎng)通過寬帶接入與Internet互聯(lián)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程管理與維護(hù)家用電器，實時監(jiān)控與獲取家居信息。普通家用電腦與家居網(wǎng)絡(luò)中心通過接口連接，作為家居智能控制中心。智能控制中心用圖形化方式，利用電腦良好的交互式界面，自動完成用戶預(yù)設(shè)或即時的各種操控，管理與控制家居電器，同時配置家居網(wǎng)絡(luò)中心的各種控制參數(shù)。

前面提到的未來家用電腦，實際上也是向家居信息平臺的方向發(fā)展，但它未能重點突出網(wǎng)絡(luò)中心的作用，而且功能集成太多，過于復(fù)雜，反而影響了使用性能。Home.Net平臺將網(wǎng)絡(luò)管理功能從家用電腦中分離，突出強調(diào)未來網(wǎng)絡(luò)管理在家居中的重要性。只要配置好參數(shù)，家居網(wǎng)絡(luò)中心可自行管理家居網(wǎng)絡(luò)；如果要控制與管理家用電器，只需要一臺普通家用電腦，配以相宜的軟件，即可構(gòu)成家庭智能控制中心。這樣方便使用，并可應(yīng)用在不同情況。

二、模型/架構(gòu)體系

1. 總體框圖

Home.Net模型/架構(gòu)的總體框圖如圖1所示。從大的方面看，可由2部分組成：家居網(wǎng)絡(luò)中心（HNC）和普通家用電腦（PC）。本文將重點討論家居網(wǎng)絡(luò)中心的模型/架構(gòu)，即如何構(gòu)造適合現(xiàn)代家居的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（至于普通家用電腦，需要一般硬件配置即可）；著重于應(yīng)用軟件的功能，即如何充分發(fā)揮與利用Home.Net平臺的功能資源，以及采用何種方式與家居網(wǎng)絡(luò)中心接口最好。

該模型/架構(gòu)的最終目的：① 家居網(wǎng)絡(luò)中心突出網(wǎng)絡(luò)功能，是一個信息交換，資源共享中心；② 提供多種通信媒介接口，包括有線與無線，高速與低速通信，高價位與低價位的組網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)，盡量滿足現(xiàn)在家用電器的連網(wǎng)方式，適合不同家用電器的對象結(jié)構(gòu)與特性；③ 對于不同的通信媒介網(wǎng)絡(luò)，提出一個開放的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，能夠包容不同協(xié)議，使不同家用電器能夠?qū)崿F(xiàn)透明地?zé)o縫通信；④ 提供Internet單一寬帶接入口，使家居網(wǎng)絡(luò)中的家用電器都能與Internet連接，同時對家居網(wǎng)絡(luò)與Internet連接時進(jìn)行安全管理與認(rèn)證，控制訪問Internet的信息流，相當(dāng)于路由器與網(wǎng)關(guān)功能；⑤ 只需普通家用電腦與家居網(wǎng)絡(luò)中心平臺接口，利用電腦的圖形化、交互式界面環(huán)境，實現(xiàn)對家居電器的管理與控制。

從圖1看，普通家用電腦部分很簡單，主要是與家居網(wǎng)絡(luò)中心的接口。家居網(wǎng)絡(luò)中心包括幾大部分：主控單元；簡單的LCD顯示與人機接口；與普通家用電腦的接口以及網(wǎng)絡(luò)接口。下面重點討論網(wǎng)絡(luò)接口部分。

網(wǎng)絡(luò)接口包括5個方面：① Internet寬帶接入。Internet的深入發(fā)展，使家居生活對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求加大。各種寬帶接入技術(shù)的出現(xiàn)，未來在家居寬帶Internet接入方面會出現(xiàn)很大的市場。至于家居采用何種寬帶接入技術(shù)，如ISDN、ADSL、光纖、CATV等，現(xiàn)在還無統(tǒng)一方式，這里也不提出具體接入方式。采用Internet接入，對未來網(wǎng)絡(luò)安全將非常重要，須要提供網(wǎng)絡(luò)安全管理和訪問信息資源的控制，以及遠(yuǎn)程訪問控制家居電器時如何保證安全確認(rèn)等。② 家居無線網(wǎng)?，F(xiàn)有無線傳輸技術(shù)大多是紅外技術(shù)（IrDA），只能同時一對一直線傳輸，中間不能有阻擋；而于1998年5月推出的新型通信技術(shù)——藍(lán)牙技術(shù)，是未來組建家居無線網(wǎng)絡(luò)的最佳選擇。其作用在于簡化小型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信，連接距離達(dá)100m，不限制在直線傳輸，并且可連接多個設(shè)備，適合構(gòu)造個人區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)。一旦其芯片價格下降到3“4美元以下，其應(yīng)用前景將十分廣闊。③ 家居LAN總線網(wǎng)。一般在高價位的信息家電中可配以10M網(wǎng)卡，組建家居網(wǎng)絡(luò)。④ 家居USB總線網(wǎng)。USB總線是通用串行總線，速度較快。USB總線估計有時在家用數(shù)字相機等高檔電器中使用，可不重點考慮。⑤ 家居其他通信媒介網(wǎng)與接口。一般如RS232、RS485口，由于價格低，在小型家用電器中使用相當(dāng)廣。提供這方面接口，是為滿足低價位的組網(wǎng)方式。另外可提供一些模擬接口，如仿真Modem口等，主要考慮到其他電器接口方式。

2.硬件平臺

家居網(wǎng)絡(luò)中心的主要功能在于網(wǎng)絡(luò)，因而可選擇具有較強通信處理能力、價格適當(dāng)?shù)?a target="_blank">微處理器作為主要的控制器，如Power PC、ARM等，配以各個網(wǎng)絡(luò)接口芯片，如Internet寬帶接入、藍(lán)牙技術(shù)、LAN總線等?，F(xiàn)在，這些功能是組合的，未來的發(fā)展方向應(yīng)是系統(tǒng)芯片SOC（System on Chip）。

3.軟件模塊

軟件包括2部分：家居網(wǎng)絡(luò)中心的系統(tǒng)軟件和運行于家用電腦上的家居智能控制軟件。家居網(wǎng)絡(luò)中心的軟件平臺有2種：一是購買通用操作系統(tǒng)軟件；二是利用Linux軟件進(jìn)行裁減開發(fā)。最好采用Linux，因源代碼開放，可以按照需要對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動，形成專用的操作系統(tǒng)，更能發(fā)揮系統(tǒng)硬件功能。

4.網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

家居網(wǎng)絡(luò)中心的目標(biāo)是組建一個開放式的網(wǎng)絡(luò)管理與數(shù)據(jù)交換平臺，應(yīng)該有一個開放的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。按照OSI模型與TCP/IP協(xié)議模型，對于家居網(wǎng)絡(luò)存在多種不同網(wǎng)絡(luò)通信媒介。我們提出一個類似于IP協(xié)議的家居網(wǎng)絡(luò)體系。家居網(wǎng)絡(luò)體系可分三層，即應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層。應(yīng)用層負(fù)責(zé)處理控制網(wǎng)絡(luò)中各個家用電器的數(shù)據(jù)流向，提供特定應(yīng)用；網(wǎng)絡(luò)層處理數(shù)據(jù)分組在不同媒介中的選擇通路，確定數(shù)據(jù)流通媒介，可通過地址識別或其他方式；鏈路層包括操作系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動程序和對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口卡，處理物理接口細(xì)節(jié)。網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議可借鑒IP協(xié)議模型，實現(xiàn)不同通信媒介的數(shù)據(jù)統(tǒng)一交換。另外，還要注意解決家居網(wǎng)與Internet的TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

三、總結(jié)

Home.Net模型/架構(gòu)體系只是提出一個大概的開放的模型/架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)構(gòu)思，無論在硬件與軟件平臺上都很淺顯，須要更進(jìn)一步在技術(shù)上、結(jié)構(gòu)上等多方面進(jìn)行補充、提高、充實。本文希望能夠在這方面做一個拋磚引玉的作用。

Home.Net模型/架構(gòu)包含內(nèi)容較多，主要是有關(guān)網(wǎng)絡(luò)方面的技術(shù)。有些技術(shù)還正在發(fā)展，而且系統(tǒng)包括硬件平臺與軟件平臺的開發(fā)。如何在現(xiàn)有條件下，保證項目資金來源、人力資源、技術(shù)資源、開發(fā)設(shè)備資源、開發(fā)時間要求等，都要考慮到。如要開發(fā)，該項目可分4大步驟：① 調(diào)研國內(nèi)外的有關(guān)技術(shù)情況，分析市場需求情況，消化技術(shù)，包括硬件與軟件、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，在此基礎(chǔ)上提出完整的模型/架構(gòu)，論證可行性。② 選定與設(shè)計硬件平臺，并制作調(diào)試平臺，編寫各個設(shè)備的驅(qū)動程序，為下一步軟件開發(fā)做準(zhǔn)備。③ 軟件操作系統(tǒng)的開發(fā)，采用何種系統(tǒng)，以及系統(tǒng)內(nèi)部特別是網(wǎng)絡(luò)軟件如何設(shè)計等。④ 在硬件與軟件平臺上，編寫應(yīng)用程序，包括普通電腦部分的應(yīng)用程序。

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