集中式家庭网关将要进入网络家电

1  前言

    当今网络基础设施已经遍及全世界，Internet接入已不仅局限于个人计算机和工作站，各种电器也可以接入Internet。这得益于最新的数字与网络技术，诸如空调、冰箱、电视、洗衣机等许多消费电子设备以及打印机等办公设备都已成为“网络化”设备，这些设备我们称之为网络家电。

    网络家庭已成为公认的下一个网络革命前沿目标，消费电子技术与Internet的交叉结合将会改变人们的生活方式，网络化电器将融入我们未来的生活。随着计算能力和网络技术的不断进步，全自动化的智能家庭概念已不是可望不可及。不久的将来，我们生活中的所有电器将能够互联并接入Internet。

2  电器网络化解决方案

2.1  网络电器系统结构

给出改造传统家用电器，使之网络化的系统结1  前言

    当今网络基础设施已经遍及全世界，Internet接入已不仅局限于个人计算机和工作站，各种电器也可以接入Internet。这得益于最新的数字与网络技术，诸如空调、冰箱、电视、洗衣机等许多消费电子设备以及打印机等办公设备都已成为“网络化”设备，这些设备我们称之为网络家电。

    网络家庭已成为公认的下一个网络革命前沿目标，消费电子技术与Internet的交叉结合将会改变人们的生活方式，网络化电器将融入我们未来的生活。随着计算能力和网络技术的不断进步，全自动化的智能家庭概念已不是可望不可及。不久的将来，我们生活中的所有电器将能够互联并接入Internet。

2  电器网络化解决方案

2.1  网络电器系统结构

给出改造传统家用电器，使之网络化的系统结构。

2.2  网络模块的硬件结构

    网络模块可以连接10/100BaseT以太网络，为实现该模块的功能，我们将使用两个控制器（如图2所示）。以太控制器负责物理介质上的以太通信，而MCU控制器负责以太控制器的设置和命令操作。MCU控制器仅运行被称之为协议栈软件的板级程序代码，协议栈软件由以太控制器的接口驱动程序和各种网络协议组成，这些网络协方钶以用于网络家电的远程通信。所有其它的部件和电路则用于对基本以太组件的支持和完成其它附加功能。 

    网络模块上的Web服务器由存储在EEPROM存储器上的程序和数据所支持，它们包括html文件和图像数据等。MCU控制器可以取得来自于太网上的远程浏览器对网络家电的操作请求，并提取出串行存储器上相应的html文件和图像内容。MCU控制器通过I2C总线连接接口与传统家电相连，传递操作请求，同时将家电状态反馈数据打包成TCP包，并发送到以太网上，返回到发出请求的Web浏览器。

2.3  协议线——网络模块软件结构

    网络模块实现Internet连接的机制是基于Internet协议栈，这些协议包括：

    ①应用层——Web服务器和其它面向用户的软件，包括SMTP（简单邮件传输协议）、POP3（电子邮局协议）和HTTP（超文本传输协议）。

    ②传输层——确保建立在Internet层之上的通讯层面的可靠性，所谓可靠性是指检测和修复错误，例如漏包和误码。包括UDP（用户数据报协议）和TCP（传输控制协议）。

    ③Internet层——完成从发送端到接收端数据传送的寻址与路由。包括IP（Internet协议）和ICMP（Internet控制信息协议）。

    ④网络访问层（也称链路层）——管理诸如以太网络的硬件界面。包括PPP（点对点协议）和Ethernet（局域网协议）。

    ⑤物理层——通讯介质，例如：双绞线、同轴电缆、电话线、无线和光纤。

    网络家电的上层工作原理主要基于HTTP协议，超文本传输协议用于将文本和图像传送给Web浏览器。远程的Web浏览器通过网络家电上的Web服务器实现与网络家电的互联。

    Web浏览器向网络家电发出请求或发送控制数据采用规定的信息传送格式。从Web服务器返回状态信息给浏览器的操作称之为“get”，发送数据给Web服务器上控制程序的操作称之为“post”。当浏览器发出“get“信号时，网络家电上的Web服务器会通过开放的TCP连接将html文件等信息返回给浏览器。“post”操作常用于将相关的控制数据传送给Web服务器上的程序。得到用来控制网络家电的数据后，网络家电将状态信息连同随机生成的html文件一并返回给浏览器，类似查找internet搜索引擎，返回搜索结果。

2.4  小结

    采用上面所讨论的解决方案，我们研制了网络空调、电视、洗衣机、三防系统、网络摄像机等，推动了网络家电市场。

    上述的方案通过分配给每一个电器以唯一的固定IP地址并都嵌入一个小Web服务器得以实现家电网络化，任何一个浏览器都可以监控网络家电的参数。但是，在具体应用时，受到许多实际情况的限制。Internet技术并非为小的嵌入式设备所设计，小的、低价的控制设备有着各自不同的特点，它们不同于计算机，家电有着不同的网络结构需求。
3  另一个能够保证现在和未来更好衔接的解决方案

    图4显示了一个智能家庭的例子。如今实现电器接入Internet的方法层出不穷，各种方法都有着各自的优点和缺陷。在下面一个完整的解决方案中，描绘了家庭网关在智能家庭中所实现的电子服务的景象。智能家庭网络构架通过抽象控制信息，提供数据转换和操控的灵活环境，发布分布式对象接口。使之具有可靠、可测和易管理性。

3.1  智能家庭解决方案

    家庭网络有许多种类，它们的重要区别在于针对不同的服务采用不同的技术，可分为：数据、娱乐（音频/视频）和控制等。

    家庭数据网络类似于办公室环境，提供了计算机的高速连接。娱乐网络可将家庭中的音视频流从一端送往另一端。家庭控制网络将电灯开关、安防系统、家电等互相连接起来，并接入Internet。

    家庭网络技术有多种多样的形式，远远超出了连接PC机和打印机的范围。应用这些技术，在我们的方案中。智能家庭通过连接Internet，并将新型的电子服务应用于家庭中的每一个家电和设备，提供这种电子服务的核心产品就是家庭网关。

3.2  家庭网关
    家庭用户面临着复杂的多节点交换的问题，包含多种家庭网络连接技术（例如：无线、电力线、电话线）和最后一公里技术。为了设计解决这些问题的方案，使消费者避开这些复杂性，唯一的选择就是家庭网关。

    家庭网关的作用就是屏蔽这些复杂性，它可以定义为一个具有传统路由和集线器功能的瘦服务器设备，它可以建立广域网与局域网之间的连接。

    家庭网关具有下列功能： 

    ①实现不同家庭网络技术的无缝连接（电话线、电力线、无线等）

    ②实现家庭网络与外部网络的连接（有线电视、ISDN、无线网、xDSL等）

    ③为消费者提供家居服务平台，包括现有服务和未来新增的服务。

    除了以上功能，家庭网关还可以为用户提供下列的智能服务：

    ①安全性服务（例哪：防火墙、包过滤、加密）

    ②动态IP地址管理（例如：DHCP服务，局部域名服务），使一个家庭只使用一个IP地址。

    ③Qos服务（质量服务模块）
    ④节目单软件
    ⑤自动网络配置模块，使网络家电接入时不需要进行网络地址配置，并且当风络家电移到不同的地方时能够动态地学习以适应新的环境。

    ⑥远程管理（例如：SMMP适应、TFTP服务允许下载新的网关配置）。该性能使得服务提供商能够远程向家庭网关提供服务。

3.3  家庭网关的硬件结构
    图5描述了家庭网关的典型硬件结构。采用广域网技术，通过xDSL或者电缆调制解调器等与服务提供商建立连接。

    处理器和存储器（RAM、ROM、FLASH等）的选择取决于它们的价格。

    家庭局域网（LAN）接口采用多种技术。例如：电力线网络采用CeBus，在电话线上采用HomePNA实现以太连接等。

3.4  家庭网关的软件结构
    基本软件平台包括：

    ①系统软件：嵌入式操作系统（Linux、uC/OS-II等），还包括Internet通信协议和瘦Web服务器等。

    ②应用软件：专用通讯协议、配合核心服务的管理服务框架软件（生命周期管理、注册等）和设备管理软件等。

3.5  智能家庭的关键技术

    我们的智能家庭展示了一系列的适俣于家庭自动化解决方案的核心特征。这是一个开放的技术，它支持各种不同的传输介质（例如：电力线、无线或双绞线），并且成本低，能满足市场需求。我们的智能家庭还有许多其它显著特征：

    ①多服务家庭网关关键技术
    家庭网关是一个单一的、智能的、标准化的、灵活的、统管整个家庭网络界面的设备，它接收来自外部网络的各种通讯信号，通过家庭内部网络为消费电子设备传送广泛的服务。

    ②智能家电设备
    嵌入式网络控制器应用于各种家用设备中，包括：家电，电灯泡开关、安防系统和电表等。嵌入式控制器嵌入在这些设备中，并附有设备描述文件（DDF），这个文件描述了设备的各个功能。应用DDF，允许以精确和模糊的方式来描述应用功能，实现了家电的互操作性。

    ③即插即用是智能家庭的关键技术
    即插即用是通过结合注册和登记两个功能得以实现的。注册配置包括中心节点负责跟踪所有的地址和根据请求来分配地址。登记使家电之间互相告知各自的存在性和改变地址。家电被分为受控家电（例如：入侵探测器）和控制家电（如：安防控制系统）两类。受控家电在收到以请求和初始化时，采用广播协义发送自己的设备描述文件。控制类电器通过设备描述文件来管理受控家电，它存储着每个网络家电的地址以及确认信息，根据该确认信息，受控家电也存储了控制类家电的网络地址。

    ④可下载功能和远程维护
    多服务模型基于灵活性和增值服务的考虑，这些服务由网关来完成。通过广域网连接下载新的软件到网关上，这使得设备升级和添加新的系统功能成为可能，使得远程故障诊断的代价达到最小。

    ⑤安全通信
    安全性是我们重点关注的问题，春兰家庭网关提供了访问控制的口令保护和授权，还具有加密特征，使得重要数据不受攻击。

    ⑥支持多种广域网接口
    IP提供了基本构架，能够在多种广域网上运行。家庭网关支持不同的媒介以适应广泛的配置，包括：PSTN、以太、光纤、电力线和无线等。通信接入到户时，对于不同的区域，采用合适的物理媒介实现通信。PSTN是最广泛的接入方式，随着双向有线电视和xDSL的社会建设，基于10BaseT以太网逐渐增加。

    ⑦家庭的远程访问
    消费者可以通过任意一个Internet接入设备来访问家庭网络系统。最普通的设备是Web浏览器和无线电话，通过语音、文字、文本信息或者WAP来实现远程访问。WAP是家庭网络远程控制的理想窗口，还有PDA，网页和Email报警等。

4  结论

    几乎所有的人都同意带有集中网关的家庭网络解决方案是最有效的，是最终的解决方案。由于现有的外部网络具有多样性特征，各个服务商的不同商业模式，现有的和正在研发的网络接口设备的差异以及许多其它的技术和商业问题的存在，所以没有单一的家庭网关解决方案能够适应可预见的未来。虽然分布式网关方法具有众多的支持者，制造商和服务提供商仍然面临着智能网关的挑战。完整的集中式家庭网关将会是连接外部网络和家庭内部网络设备的最有效的解决方案。