擴展型家庭網絡和多業(yè)務平臺總體概要設計

廣州廣聯(lián)數(shù)字家庭產業(yè)技術研究院

（廣州廣聯(lián)數(shù)字家庭產業(yè)技術研究院，廣東 廣州 541000）

0 引言

在家庭環(huán)境中，存在大量變化緩慢的對象和“開/關”對象需要遙測和遙控。如果利用基本的家庭局域網輪流遙測/遙控，并且通過基本的電貓來傳遞，沒有必要也很不經濟。這時，需要設法配置能夠支持大數(shù)量和低速率對象的通用遙測遙控業(yè)務平臺。

1 兩級有線家庭局域網解決方案

考慮到基本的基于電力線的家庭局域網使用3～30 MHz頻段，其余低端3 MHz頻段通過頻分復用，可以構建一個平行的低速家庭局域網。這個低速局域網專門用于支持遙測遙控業(yè)務平臺。基于電力線的低速家庭局域網中的電貓成本可能降低到基本電貓成本的1/4。兩級有線家庭局域網解決方案如圖1所示。

2 兩級有線/無線家庭局域網解決方案

在基本的家庭有線局域網基礎之上，在同一個房間之內，構建下一級低速家庭無線局域網。鑒于在同一個房間之內的工作環(huán)境，低速家庭無線局域網技術成熟并且成本低廉，因此構建二級低速家庭局域網是現(xiàn)實的解決方案。兩級有線/無線家庭局域網解決方案如圖2所示。

3 擴展型家庭網絡設計目標

擴展型家庭網絡，是在以電力線數(shù)據傳輸數(shù)字家庭網絡為骨干網的基礎上，為了解決數(shù)字家居生活中對窄帶通信的需求而搭建的子網絡。擴展型家庭網絡和多業(yè)務平臺與標準型家庭網絡和多業(yè)務平臺的差別僅僅在于增加了無線局域網（WLAN）。

在數(shù)字家居生活中，除了如視頻傳輸、數(shù)據傳輸及語音通信等數(shù)據流量比較大的應用外，還有許多數(shù)據流量較小的家居應用。此類應用的范疇較廣，譬如家庭溫度檢測、濕度檢測、煤氣泄漏檢測、水電氣能源消耗測量、電器開關及燈光調控等，涉及層面比較廣，如圖3所示。

首先，由于涉及家居電器設備較多，如若此類應用的家居設備都配備電力調制解調模塊，不僅僅成本比較高，而且電力調制解調模塊的高帶寬的優(yōu)勢不能得到充分發(fā)揮。其次，此類應用的相關家電設備一般來說體積較小，在實際應用當中可以安裝在家居空間的任何位置，這些位置很有可能是電力線或者五類線布局設計所不能考慮進去的。然后，現(xiàn)有市場上已經有相當?shù)募译姰a品具備無線通信的功能，充分利用此類產品的通信特性，能減少廠商的生產成本。

基于這三方面的考慮，未來數(shù)字家庭網絡需要增加一種相對靈活的，造價成本較低的子網絡，以補充電力線載波網絡的不足，把各類家居設備以較低的成本納入到數(shù)字家庭網絡中去，以便實現(xiàn)通過統(tǒng)一應用平臺達到讀取家居設備的信息和控制家居設備的狀態(tài)等目的，以適應消費者不斷提高的對數(shù)字家庭生活的需求。

從功能劃分的角度來看，擴展型家庭網絡主要實現(xiàn)數(shù)據收集的功能以及簡單的數(shù)據整理，數(shù)字家庭骨干網絡以及Internet主要實現(xiàn)傳輸數(shù)據的功能，而服務器端則實現(xiàn)對數(shù)據的處理分析的功能并在此基礎上作出判斷和控制反應的功能，如圖4所示。在數(shù)據收集部分主要實現(xiàn)與各類家居設備已有通信接口的對接并把設備上的信息收集到擴展型家庭網絡的管理設備上。數(shù)據傳輸部分技術上是非常成熟的基于TCP/IP的傳輸網絡。數(shù)據處理端是由功能強大的服務器和數(shù)據庫組成的后臺系統(tǒng)，負責各類復雜運算處理任務。

上述功能劃分把對硬件性能要求較高的任務安排到服務器端運行，減少了擴展型家庭網絡的組建成本，同時也符合“云計算”的發(fā)展思路，即通過功能簡單的擴展型家庭網絡把數(shù)據發(fā)送到功能復雜的服務器端，在服務器調用相對龐大的資源實現(xiàn)復雜的計算后，最后把分析結果和控制信號反饋回擴展型家庭網絡內部的設備中。

4 總體結構

擴展型家庭網絡內部將根據家居應用的需求特點采用有別于骨干網TCP/IP的其他協(xié)議進行通信，通過家居設備上的通信收發(fā)模塊收集家居設備的信息或者發(fā)送控制命令信號至家居設備。而擴展型家庭網絡與數(shù)字家庭骨干網絡的通信則是通過協(xié)議轉換模塊實現(xiàn)，把擴展型家庭網絡內部通信協(xié)議數(shù)據轉換成在數(shù)字家庭骨干網絡運行的符合TCP/IP標準的通信協(xié)議數(shù)據包。擴展型家庭網絡總體架構示意圖如圖5所示。

5 技術體制和技術實現(xiàn)

5.1 基于ZigBee標準的擴展型家庭網絡通信協(xié)議

在現(xiàn)有的技術和市場基礎上，ZigBee通信協(xié)議在窄帶寬無線通信方面具有比較大的優(yōu)勢，其具體表現(xiàn)在:

1）成本低廉。支持ZigBee通信協(xié)議的芯片成本遠遠少于電力線載波通信協(xié)議芯片以及基于IEEE802.11系列的WiFi芯片。低廉的成本降低Zig?Bee產品的量產壓力，促進電子家居產品與ZigBee協(xié)議的融合，實現(xiàn)ZigBee網絡平臺的產品多樣化。

2）組網靈活配置快捷。支持ZigBee通信協(xié)議的通信模塊可以十分靈活方便的組網接入，增加和減少數(shù)據點非常容易，省去綜合布線的成本，因此能極大減少安裝成本。

3）節(jié)點能耗低。支持ZigBee通信協(xié)議的設備在實現(xiàn)通信的能源消耗極低，從而增加電池使用壽命并延長設備更新周期。

4）雙向傳送數(shù)據和控制命令。支持ZigBee通信協(xié)議的設備不但可以從網絡節(jié)點傳出數(shù)據，而且雙向通信功能可以將控制命令傳到與無線終端相連的傳感器、無線路由器，也可將數(shù)據送入到網絡顯示或控制遠程設備。

5）足夠數(shù)據傳輸帶寬。支持ZigBee通信協(xié)議的設備可以支持高達512 kbit/s傳輸率的帶寬，足夠實現(xiàn)一般家庭的監(jiān)測控制應用。

因此，數(shù)字家庭擴展型網絡將采用ZigBee無線通信技術來搭建實現(xiàn)數(shù)字家居測量和控制的網絡平臺。

5.2 擴展型家庭網絡物理構成

擴展型家庭網絡的物理構成包括家居設備、擴展型網絡子基站、數(shù)字家庭網關、互聯(lián)網以及服務器和用戶終端，如圖6所示。

1）家居設備是擴展型家庭網絡的數(shù)據產生以及接受相應控制信號的節(jié)點設備。在基于ZigBee的擴展型家庭網絡中，家居設備配有符合ZigBee通信標準的無線收發(fā)模塊，通過ZigBee收發(fā)模塊把設備的信息發(fā)送至擴展型網絡子基站，或者接收從擴展型網絡子基站處發(fā)來的控制命令進而進行簡單的信號處理并轉發(fā)至設備。家居設備與ZigBee收發(fā)模塊的連接由設備的具體情況決定，可以是RS-485接口、RS-232接口、1-wire接口或者其他。鑒于RS-485接口的通用性以及對組網的支持，推薦使用RS-485接口作為ZigBee收發(fā)模塊與家居設備的通信接口。

2）擴展型網絡子基站主要包括3個部分:ZigBee收發(fā)模塊、Ether?net通信模塊和MCU微處理器。ZigBee收發(fā)模塊負責子基站與家具設備之間的通信；Ethernet通信模塊則負責子基站與其他基于TCP/IP標準的設備的通信；MCU微處理器，除了需要對數(shù)據進行分析處理之外，還要對協(xié)議進行轉換，從而實現(xiàn)ZigBee收發(fā)模塊與Ethernet通信模塊的通話。

3）數(shù)字家庭網關在擴展型家庭網絡中是透明的，即僅發(fā)揮其數(shù)據通信的路由功能。但是需要注意的是，擴展型網絡子基站從屬于數(shù)字家庭網關的局域網，所以互聯(lián)網上的服務器和終端無法直接得知擴展型網絡子基站在該局域網內部的IP地址，這在通信時造成一定的困難，需要運用特定的方法解決此問題。

4）服務器是連接到互聯(lián)網的有相當數(shù)據分析處理能力的計算機，其具體實現(xiàn)功能的形式包括數(shù)據倉庫、數(shù)據分析和網絡服務等功能。服務器不僅僅可以接收家居設備端傳來的信息，同時還可以向家居設備端發(fā)送相應的控制信號，如開關燈等。

5）用戶終端是指連接到互聯(lián)網上的個人計算機，可以通過互聯(lián)網訪問服務器的數(shù)據庫信息。

6）家居設備與擴展型網絡子基站通過無線技術傳輸數(shù)據，不需要布線。擴展型網絡子基站與數(shù)字家庭網關的連接可以是比較常見的五類線，也可以是電力線，兩者均支持TCP/IP通信協(xié)議；若采用電力線作為傳輸媒介，需要在擴展型網絡子基站內添加電力調制解調模塊，使得TCP/IP數(shù)據包能夠通過電力線傳輸。

5.3 擴展型家庭網絡服務器系統(tǒng)架構

擴展型家庭網絡的服務器系統(tǒng)架構主要包括表現(xiàn)層、控制層和數(shù)據服務層，如圖7所示。

1）表現(xiàn)層中主要是由JSP視圖層負責與用戶的交互。JSP視圖層可以產生出HTML頁面供用戶瀏覽，還可以接收用戶發(fā)出的控制信息（如登錄、查表等），傳遞給控制層。

2）控制層包含控制層和業(yè)務邏輯層。控制層采用Struts2的框架，翻譯用戶從表現(xiàn)層發(fā)來的控制信息，調用相應的業(yè)務邏輯完成用戶預期的操作；業(yè)務邏輯層中包含了實現(xiàn)系統(tǒng)功能的各種類、方法及工具，由控制層調用這些方法從而實現(xiàn)特定的功能。

3）數(shù)據服務層在整個系統(tǒng)中比較重要，包含兩個方面，一個是對數(shù)據庫的操作，另一個是對遠端家庭的數(shù)據進行讀取與存儲。對數(shù)據庫的操作采用了對象—關系映射的操作方式，數(shù)據服務層中有一個DAO（Data Access Object）模塊，負責把得到的數(shù)據封裝成一個個對象。在對象—關系映射中，選用了Hibernate框架來完成，它能把數(shù)據庫中的關系表映射成對應的對象，這些對象提供給業(yè)務層作為其輸入，從而使業(yè)務邏輯可以集中地采用面向對象的思想來實現(xiàn)。對家庭數(shù)據的訪問會先由無線家庭ZigBee基站收集家庭內部的信息，通過因特網傳給服務器。服務器中有一個用戶連接守護進程，該進程采用了多線程—線程池的技術在系統(tǒng)的后臺與用戶進行連接。完成連接后由DAO層中的數(shù)據讀取對象將讀到的表的信息封裝成一個個表的對象，供業(yè)務邏輯層使用。

5.4 擴展型家庭網絡子基站軟件架構

擴展型網絡子基站的軟件架構主要主控制模塊、ZigBee協(xié)議模塊、TCP/IP通信模塊、指令解析模塊、數(shù)據處理模塊和外部事件處理模塊，如圖8所示。

1）主控制模塊主要負責各功能模塊的任務間的調度、同步和通信，以及對各類資源（如緩沖區(qū)）進行管理，同時還具備一定的異常處理能力。

2）ZigBee通信模塊用于家電狀態(tài)及計量數(shù)據的采集，系統(tǒng)采用星型組網方式構建家庭WLAN網絡。通過ZigBee通信模塊，家電設備與子基站建立直接通信，然后通過串口RS-232把集中的數(shù)據發(fā)送到TCP/IP模塊。

3）TCP/IP模塊主要實現(xiàn)了擴展型網絡子基站系統(tǒng)與Internet上數(shù)據服務器的通信，負責接收服務器的查詢、控制命令以及回傳服務器所需查詢結果，是實現(xiàn)遠程查詢和控制的核心部件。

4）指令解析模塊是實現(xiàn)ZigBee協(xié)議與TCP/IP協(xié)議轉換中間部件，它負責對服務器端的查詢命令和控制命令進行解析，以便擴展型網絡子基站根據解析結果通知某特定或全部家電設備節(jié)點作出相應的操作。

5）數(shù)據處理模塊負責對ZigBee網絡采集到的家庭狀況及計量數(shù)據進行集中處理和分析，如數(shù)據格式的轉換、編解碼等，同時還具備一定的數(shù)據異常處理能力。

6）外部事件處理模塊是為提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)健性而設計的，它定義了一組處理外部事件的回調函數(shù)，實現(xiàn)對外部事件的實時監(jiān)控同時保證整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)健性。