基于智能网络的家庭自动化管理与控制系统的研究

【中心议题】

• 提出了一种基于智能网络的家庭自动化管理与控制系统
• 给出了具体设计方案

【解决方案】

• 采用CAN(controller area network)总线方式
• 利用HTTP服务器和CGI(common gate intergace)技术实现数据在内部家庭网络和互联网的双向流动

1引言

随着社会的发展和科学技术的不断进步,数字网络的生活时代已经到来,其表现形式就是家庭智能化、物业管理现代化和社区服务信息化等。家庭智能化就是通过综合采用先进的计算机、通信和控制等技术建立一个由家庭安全防护、网络服务和家庭自动化组成的家庭综合服务与管理集成系统。家庭智能化是现代IT技术、网络技术、控制技术向传统家电产业渗透发展的必然结果。

国际上对家庭智能化的研究始于20世纪80年代,目前,美国、日本和欧洲等国家和地区都已对家庭智能化系统制定了技术标准,并按照技术标准进行智能化住宅建设,应用于智能化住宅小区的基础产品在发达国家已成系列。我国的家庭智能化研究起步较晚,尚未形成统一的国家标准,但已将建设智能化小康示范小区列入国家重点的发展方向,家庭智能化的日益普及已是一种必然趋势。目前国内的家庭智能化系统在网络连接方面基本上用总线方式联网、电话联网或者通过以太网方式来实现,产品虽然很多,但更多的是系统相互独立、集成度比较低、各个系统相互联系不大、家庭内部没有统一的平台,例如早期的智能中控器往往只具备安防、三表采集、简单文字信息发布和简单的家电控制功能。

2系统总体设计

本系统设计的总体结构如图1所示。按照设备及连接时所使用的介质和底层协议类型的不同,可以将本网络系统划分为AV子网、测量子网、控制子网、文件服务子网和无线子网等。AV子网主要设备有多媒体计算机、机顶盒、HDTV和数字摄像机等,主要实现音视频多媒体信息的家庭娱乐功能。测量子网主要实现对流量、压力、温度等物理量设备的数据测量、记录及远传功能。控制子网通过控制服务器完成电压、电流、功率和开关量等物理量设备的控制功能。文件服务子网通过打印机和扫描仪等共享设备实现对文件的操作和服务。无线子网与无线设备连接,实现无线控制信号传输和处理功能。

系统中的网络控制部分包括家庭内部控制网络和远程监控网络,家庭内部控制网络主要用于对各种智能家电进行监控和调整,采用CAN(controller area network)总线方式,因此需要开发现场总线的驱动程序。远程监控网利用HTTP服务器和CGI(common gate intergace)技术实现数据在内部家庭网络和互联网的双向流动,可以使用远程监控软件,在离家很远的地方通过互联网远程操作和控制家用电器。家庭网关将智能家电连接到互联网,实现内外部网络间的连接、转换与安全保密功能,水、电、煤气表可以进行自动抄表和自动结算。网关通信接口支持宽带下行通信和一定的上行通信能力,上层协议采用TCP/IP协议族,媒体信息也可以直接承载于底层接口之上。底层接口包括以太网接口、有线电视接口、电话接口和ADSL接口等。

3系统通信模型与控制模型

3.1系统通信模型分析

本系统中的家庭网关可以抽象为站点,家庭内部的被控对象可以抽象为节点,站点与远程监控机之间通过TCP/IP协议进行通信,站点与节点之间通过现场总线协议进行通信。为了实现远程监控机对节点的透明访问,应该有一套新的协议体系,负责远程监控软件与会话层及下层协议的交互,称之为远程监控协议,属于应用层协议,系统的通信模型如图2所示。

通信模型中的对象管理器完成站点/节点对象的注册、删除、定位与修改,对网络上各个站点和节点统一管理,实现对网络上各种信息资源的定位,提供对虚拟数据库的标准访问接口,并为系统提供名字服务。过程接口是用户过程与应用层的接口,无论用户的过程是本地的还是远程的,对于用户来说都是相同的。对调用的区分由过程接口完成,它首先访问虚拟数据库判断调用的类型,再将该过程调用送到不同的过程调用模块处理。本地过程调用模块处理模块内连接,它直接将本地调用转由本地执行并返回,只有那些模块间连接才由远程调用模块负责,远程调用模块负责将消息封装并与监控层通信。数据封装及其接口模块负责远程监控机与智能家用电器连接的建立、会话的控制、指令与信息的数据传输成帧、信息传输与远程控制的协议逻辑等。

3.2系统控制模型分析

本系统采用网络环境下的用户对设备的间接控制方式,用户与一个用户接口代理设备进行交互,代理将产生一个命令,并通过网络传输到目标设备,这里的代理必须具有可以控制的接口,如按钮、调节器、转换开关等,必须能够以某种语言产生相应命令,并且这一命令能够被目标设备理解,还必须能够将这一命令发送到相应设备,最好能够返回给用户一个可视化反馈信息以表明目标的响应情况。例如用户想让DVD播放一个唱片,代理是DTV,用户先在电视机上调用一个显示页,该家庭网络主页按类别显示家庭网络中可以使用的设备图标。当用户通过类似于鼠标双击的动作来调用某一图标时,就会将该类设备的主页调入,用户浏览该页并找到了目标设备,例如是DVD播放器,用户调用DVD播放器图标,该调用使电视机形成一个HTTP形式的Get命令,并通过网络将该命令发送给DVD播放器。在家庭网络中,最上层主页是HN(homenetwork)主页,它是用户对设备控制的起点。每一个设备由一个图标及相应的文本名字来代表,最上层主页应该是浏览器的缺省页。当用户单击某个设备图标时就能够进入该设备的图形用户接口的主页,并且为了用户控制需要,该页应该是尺寸可调的浏览器窗口。如果有设备被插入或拔下,HN主页应能自动更新。为了能显示最新的主页,浏览器不能缓存诸如图标文件、名字文件等文档。这样,家庭网络中的设备可以在家庭内被访问和控制,也可以通过WWW在家庭外被访问和控制。当从外部控制时,需有显示家庭内系统状态的互联网Web页,利用这种Web页,用户就可以通过点击图标来控制家庭内的系统状态,如关灯、启动安全系统等。

本系统的详细控制模型如图3。图中显示了受控设备和图形用户接口及相互关系,该机制的目标是能够使设备动作或改变受控硬件或其所提供的服务D的状态。

嵌入到受控设备中的应用软件C可以直接作用于硬件或服务D,所以该机制的任务是提供到嵌入式应用软件的接口。图3中C提供给A可控制的功能和应用接口的图形描述。A和C直接交互并决定接口细节,C发出的命令在A中被表示形成接口描述。表示引擎B转换并交付用户接口描述A传送来的命令,从而实现了与用户的交互。用户可以在GUI(B)中激活嵌入式应用软件对应的图形用户接口部分,从而将产生的命令或动作发送到嵌入式应用软件C中,对此的响应可能是一个确认或机器的相应动作,或是返回给B一个新的或改变了的GUI描述。

当客户端具有GUI表示引擎的Web浏览器时,也可以采用基于Web技术的用户对设备的控制方式。Web属于客户/服务器模型,受控服务在Web的服务器端,用户接口控制器是Web的客户端,DTV之类的设备既可以控制MPEG的解码和显示,又可以提供用户接口控制功能。

3.3远程监控功能设计

远程监控是本系统的主要功能之一,必须通过家庭网关才能实现。本系统设计中的家庭网关采用一种基于ADSL接入互联网和电话自动响应接入PSTN的嵌入式解决方案。硬件系统采用嵌入式芯片作为系统处理器,操作系统选用小型专用嵌入式系统,远程控制系统采用浏览器/服务器(B/S)结构,系统首先要完成浏览器端和服务器端的连接,然后实现远程控制功能,如图4所示。

图4中家庭网关的嵌入式Web Server作为服务器端,提供B/S结构下的交互Web界面,而工作在嵌入式WebServer下的CGI程序完成互联网协议与家庭控制网络协议的转换。用户终端部分是远程浏览器端,通过互联网上的公共服务器的中转来完成IP地址的传送过程,为点对点的B/S结构的建立提供支持。家庭网关与远程监控机通信程序主要采用Socket系统调用,将传输协议数据单元和监控协议数据单元封装为TCP/IP协议报头,使之在家庭网关与远程监控机之间传输,这时需要规定远程监控协议使用固定的TCP端口号1001。当在远程监控软件界面上浏览某家庭网关内部各个智能家电的参数信息时,该家庭网关处于激活状态,远程监控软件定时向该网关下的家用电器采集参数信息。

4多媒体信息流分析

本系统中的多媒体信息流具备复杂性和多样性的特点,信息流数据量最大的是连续播放的视频图像,一般需要较大的存储容量,另外还有音频数据、文件数据及控制量数据等。系统中传输的数据一般是包含时间成分的流式数据,流式传输方式可保证所有数据都按原来的顺序从发送端传送到接收端,广播方式是相同的数据同时向多个接收站点传送,而视频点播方式只有在用户点播时才向该用户发送,多媒体会议及网上视频点播需要双向实时信息流的传输。传输文本和图形媒体数据的流速较快,而实时传输音频和视频,在数据没有压缩情况下时延相对较长,并且因为受到网络的终端数量及物理硬件等的限制,实际的网络性能可能比设计的还要低,而经过压缩后的视频数据在网络中的传输时延则可以大大缩短。

系统中传输的多媒体数据的一个重要来源是AV中心。AV中心接收来自卫星电视、有线电视以及小区视频点播等系统的数字音视频信号,一般为MPEG-2形式的数字数据流。若传输到HDTV进行流畅地播放,则所占用的网络带宽一般为19 Mbit/s左右,同时还需要保证网络的QoS。另外通过网络收听CD质量音频也需要约0.265 Mbit/s的网络带宽,而IP电话、视频电话、语音对讲系统在工作时所需要的网络最大带宽约为2 Mbit/s。

上述音视频多媒体数据占据了本系统繁忙时总数据量的90%左右。假设本系统拥有5个监控视频头和一台HDTV,当它们同时无冲突地工作时,多媒体信息流所占用的网络总的带宽大约为31 Mbit/s,此时系统总的数据流量所占用的网络带宽应该在35 Mbit/s以上。考虑到外界干扰和实时性要求等因素,主干带宽应该至少留有20%的余量,即主干带宽要求在44 Mbit/s以上,现有的100 Mbit/s快速以太网就可以满足这一带宽要求。此外,交换式以太网在全双工模式下的网络性能可以达到100%,即使在半双工模式下,发生冲突的可能性也很小,在重载的情况下网络性能也可以达到85%以上,因此选用以太网作为本系统的主干是完全能够满足带宽要求的。至于QoS问题,由于TCP/IP协议本身是面向无连接的,所以可以充分利用以太网成本低廉的特点,提供一部分带宽来获得高速实时通信的保障。

5结束语

互联网应用的发展趋势是网络化与智能化产品的进一步结合,即与互联网相连的各种智能设备之间可以相互交流与双向控制,并实现远程监控与监测。本系统中家庭网络可以连接的节点包括电脑、打印机、智能家电、电话、红外遥控器、手机、无线PDA、检测模块和传感模块等,可以实现的自动化管理与控制功能有可视监控、手机遥控、网页浏览监控、三表抄送、医疗求助、小区广播、视频点播、场景监测等。

随着未来嵌入式技术和产品的不断完善和应用,家庭智能化网络通信模型和控制模型的定义和开发一定会形成标准,因为各节点设备间的统一协议和标准是建立通信和控制的基础,而网络延时和故障带来的网络控制的不可靠性和非实时性问题,却是任何家庭智能化系统需要深入研究和探讨的课题。