無線家庭控制網絡系統

牛旭光

概 述

家庭網絡是在家庭范圍內，實現信息設備、通訊設備、娛樂設備、家用電器、自動化設備、保安監控裝置等設備互聯、資源共享的一種網絡，是構成數字家庭的基礎平臺。家庭網絡主要由家庭控制子網和高速家庭主網組成。家庭網絡通過電話和互聯網, 可以實現家庭網絡與外部的信息連接，從而實現家庭網絡的遠程控制。

家庭控制子網（Home Control Network，簡稱HCN)是一個家庭的局域通訊控制網絡。HCN網絡提供了標準化的通訊能力用作設備間的數據和服務的交換。

在HCN中，有兩種可能的傳輸媒介：有線和無線。分別構建家庭有線控制網絡（Wired Home Control Network）和家庭無線控制網絡（Wireless Home ControlNetwork）。

本文僅僅討論無線射頻媒介和無線收發器構建的網絡，這些接收器安置在家電上。本文稱無線媒介家庭控制網絡為WHCN（WirelessHomeControlNetwork）。

家庭無線控制網絡(WHCN)屬于IEEE標準定義的低數據率的無線個人域網絡Wireless Personal Access Network（WPAN）。這樣一個低數據率WPAN，也是一個簡單的、低成本的無線通信網絡，這種網絡支持低功率和允許要求靈活應用的無線聯接。WHCN的主要目標是在家電、傳感器和監視器之間，實現易安裝、可靠數據傳輸、短距離工作、低成本和低功耗的無線網絡。同時，支持簡單和靈活的網絡拓撲。

無線網絡支持無線通訊的功能，支持家庭控制子網設備之間的數據通信、實時傳輸數據信息、人機交互式操作和具有圖形用戶界面控制功能，使用戶方便直觀地操作和控制各個設備。

WHCN中的主要設備以及它們的關系

無線媒介家庭控制網絡由家庭控制子網網關、移動控制終端和多個通訊模塊組成，見圖1所示。各個部分的作用如下所述：

1.家庭控制子網網關

無線控制子網網關是家庭無線控制網絡的中心。主要有如下兩種作用：

（1）家庭無線控制網絡的信息和控制中心。

（2）外界信息網絡（如：以太網、電話系統等等）和家庭無線控制網絡之間的接口或信息交換中心，以及家庭信息網絡和家庭無線控制網絡之間的聯合點。

作為家庭無線控制網絡的信息和控制中心，通過無線通訊中心節點模塊提供如下功能：

●給出友好的人機界面。用戶可以進入任一個電器的控制選項界面，控制各個家庭控制子網設備，操作簡單。

●具有管理各種家庭控制子網設備的功能。當新的設備加入到家庭控制子網網絡系統時，家庭控制子網網關可以注冊新設備。當網絡中的設備要求從子網系統中斷開時，家庭控制子網網關可以刪除該設備

●作為星狀網絡信息的互連器，所有信息都被發送到和轉送到子網網關。同時，子網網關再給預期節點發送已獲得的信息。與各個通訊模塊進行數據交換。家庭控制子網網關與各個通訊模塊之間的通訊協議遵從家庭控制子網通訊協議。

子網網關在家庭控制子網中作為設備的一個網關，主要功能是把家庭控制子網設備和家庭主網及主要的信息網絡（如：以太網）連接起來，并實現家庭控制子網內部設備的互連。子網網關是一個符合家庭控制子網通訊協議的設備，可以與家庭控制子網設備進行數據交換。

用戶可以通過以太網、電話線以及無線本地存儲網絡連接家庭主網關，家庭主網關可以是服務器、電話調制解調器和無線本地存儲網絡基站。

當用戶通過以太網或ADSL登錄到家庭主網關時，就可以進入一個數字家庭網絡的控制畫面，這個畫面出現當前家庭控制子網設備，點擊要控制的家電設備的圖標，可以進入此家電的控制界面。控制界面上顯示了此家電的所有控制選項，用戶點擊想要進行相應控制的選項，子網網關與主網關通過主網關與子網網關之間的通信協議獲得相關的控制信息，并使用家庭控制子網通信協議控制相關的設備。

用戶通過電話系統登錄到家庭主網關時，用戶可得到一個簡單聲音控制“聲音信息/控制命令”。有了這個“命令菜單”后，用戶獲得狀態查詢并設置控制命令。 這個子網網關所控制的設備的通訊模塊接收到這個數據幀，物理層對此數據幀進行基于MAC命令的處理，得到有效載荷。有效載荷再傳輸給MAC層，MAC層判斷其正確性和有效性，如正確，則得到控制命令和有效數據信息，再將它們傳輸給網絡層和設備的控制接口。如不正確，則不對此數據進行處理。

被控設備的控制接口層對所得到的控制命令和有效數據進行數據轉換，傳輸給此設備應用層，由此應用層得到控制此設備的相應控制命令和有效參數，此設備根據這些數據信息執行相應的動作，在此動作完成后，返回給子網網關相應的反饋信息，反饋信息指示了當前此家電的現行狀態，子網網關進而把信息傳遞給主網關。當主網關接收到反饋信息后，更新此家電的控制界面，顯示此家電當前的運行狀態。

運行狀態包括事件信息和警告信息，這些信息可以發送給用戶，用戶產生進一步的指示和命令。 這是子網網關在遵循家庭控制子網通信協議，進行的一次完整的通訊過程。

2.移動控制終端

移動控制終端在WHCN是一個專用和簡單的顯示器和控制終端，它不是網關。移動通信控制終端loaded加載一個無線模塊，它通過無線通訊方式與家庭控制子網設備通信。

移動控制終端具備三個主要功能：

（1） 用戶可以通過移動控制終端獲得各種服務的平臺；

（2）與家庭控制子網網關相互通訊，實現所有家庭控制子網設備的集中控制；

（3） 在緊急情況下，移動控制終端可以和各個節點直接通訊。

移動控制終端支持無線通訊的功能，支持家庭控制子網設備之間的數據通信、實時傳輸數據信息、人機交互式操作和具有圖形用戶界面控制功能，使用戶方便直觀地操作和控制各個設備。 移動控制終端與各個通訊模塊之間的通訊協議遵從家庭控制子網通信協議。

3.無線通訊模塊

無線通訊模塊是家庭控制子網設備的通訊核心，通訊模塊是各個家庭控制子網設備和無線網絡的無線通訊接口單元。無線通信模塊支持家庭控制子網內部各個設備之間的數據通信，通訊模塊遵從家庭控制子網通信協議。

在家庭無線控制子網中，無線通訊模塊是基本單元。在家庭控制子網網關和移動控制終端中，無線通訊模塊是部分功能模塊。一般來說，子網網關中的無線通訊模塊，叫做無線通訊中心節點模塊，發揮協調器的作用。

4.無線通訊轉發器

對于一個包含較大工作范圍的網絡或工作環境復雜（室內環境）的網絡，需要一種專用單元：無線通訊網絡轉發器。

無線通訊網絡轉發器是一個專用無線通訊模塊。它從一個或多個方向接收信號，然后向全部方向或特殊方向發射處理信號。

處理包括：

●擴大收到信號的能量；

●改變網絡中傳輸信號的路徑方向。

轉發器和無線通訊模塊的不同點：

●轉發器不是全功能無線通訊模塊；

●轉發器不與設備連接。

5.家庭控制子網網關和移動控制終端之間的關系

從功能方面來看，家庭控制子網網關和移動控制終端都是WHCN的控制終端，它們在無線網絡中發揮核心作用。

家庭控制子網網關是WHCN的控制中心，它不僅支持無線收發器的網絡管理，也支持設備的管理。同時，它是家庭控制子網和外界信息網絡的唯一網關。

在WHCN中，移動控制終端是一個特殊的無線收發器，是有較大存儲空間的專用無線通訊模塊。當網絡聯接建立起來后，移動控制終端從網關下載注冊信息，移動控制終端保存WHCN的所有信息。否則，移動控制終端對這個網絡來說可能是一個PDA或者打包PC機，也可能是一個監視終端。移動控制終端可以接收網絡設備的數據和狀態并且借助網關給每個設備發送控制命令。

無線家庭控制子網通信協議體系結構

家庭無線控制子網通訊協議使遵循規范的各個家庭控制子網設備之間實現無線通信。網絡結構不僅是WHCN數據/管理服務體系，也是WHCN中每個無線收發器的系統結構。

本規范將給出無線收發器的規范以及基于這種網絡結構WHCN規范。

子網的基本網絡體系結構包括：物理層、媒介訪問控制層、網絡層和應用層，前三層全部在無線模塊內。在應用層的頂部，有一個設備和模塊共同擁有的設備亞層。

設備亞層直接與設備（如：家用電器、感應器等）和制造商有關。在應用中其功能和界面是不同的。因此，本文不包含此層的研討。

子網從上至下劃分為以下層次（見圖二）

應用層（Application Layer）

負責處理特定的應用程序細節，實現設備與 WHCN連接的接口和信息交換。通過應用層，在WHCN中的其它設備只需了解虛擬的網絡對象描述而不必了解該設備的具體實現細節就能實現控制/狀態查詢。

網絡層（Network Layer, 簡稱NWK）

WHCN使用網絡層通訊中間件來實現統一的網絡通訊，網絡層隱藏了底層通訊媒介的復雜性，為應用層提供設備到設備的通信。它所做的工作包括:

數據管理是把應用程序交給它的數據傳送給下面的媒介通訊接口層 (MAC/PHY)。

傳輸服務管理：提供網絡路徑服務和網絡信息，傳輸控制信息/狀態查詢在此層中進行，以及網絡信息共同被傳送到預期設備。

MAC層（媒介存儲控制層，簡稱MAC）

由于不同的媒介所采用的碼元編碼方式，數據通訊速率、CSMA/CA實現方式、硬件連接方式等等各有不同。這一個層次就是根據不同的要求和網絡來確定不同的媒介通訊接口。在這一層中，實現了數據鏈路層部分，包括底層設備驅動程序和網絡接口硬件。

物理層（Physical Level, 簡稱PHY）

處于網絡通訊協議的最底層，在無線通信中，物理層負責射頻傳輸/接收端的啟動。物理數據服務有助于物理協議數據單元（PDUs）的傳輸/接收越過物理無線電信道。物理層的主要的流出是無線收發器的活動和釋放、能量探測、連接質量說明、頻道選擇、清晰頻道評估和越過物理媒介傳輸以及接收。

無線家庭控制網拓撲結構

為了本規范和IEEE定義的WPAN標準的兼容性，在PHY、MAC和網絡層規范中，不提及無線通訊模塊、子網網關，只使用中心節點和節點。

拓撲是網絡總體結構。為滿足實際應用的要求，WHCN有一種或兩種拓撲：星狀拓撲或對等拓撲，如圖3。在星狀拓撲中，通信建立在一個中心控制器和設備之間，中心控制器也叫WHCN中心節點。設備的典型應用是作為網絡通訊的起始節點或者終止節點。

WHCN中心節點的具體應用是能夠初始、終止或者路由網絡中的通信。WHCN中心節點是WHCN的主要控制中心。在兩種網絡拓撲中，節點必須有獨一無二的8比特地址。

星狀拓撲基本結構如圖3，全功能收發器第一次啟動后，就建立自己的網絡成為WHCN中心節點。所有的星狀網絡都獨立于正在工作的其它星狀網絡。在射頻通信范圍內，通過選擇沒有被別的網絡使用的WHCN標識，就可以建立一個新的網絡。一旦WHCN標識被選定，WHCN中心節點允許別的設備加入網絡。WHCN中心節點可以是由電力線供電，而節點可能是電池供電或電力線供電。

對等拓撲與星狀拓撲不同的是：如果任何其他節點在某節點無線電范圍內，這兩個節點會開始通信。對等布局可以產生更復雜的網絡形式，例如，網孔拓撲等。對等拓撲可以特設、自組織和自恢復，它也支持多跳躍實現信息從一個設備到另一個設備的路由。本文并不討論這種拓撲結構。

無線家庭控制網特征概述

WHCN所有的特征都基于用戶要求和無線個人域網的經驗積累（Wireless Personal Access Networks，簡稱WPAN）。WHCN基本特征如下：

●無線模塊8比特地址尋址；

●CSMA/CA方式訪問信道；

●全握手協議確保傳輸的可靠性；

●低功耗；

●能量探測；

●聯接質量指示；

●有關允許無線頻道的多重通訊信道；

●本版本支持星狀拓撲，將來的版本會支持網狀拓撲。

家庭無線控制子網通信功能

與流程的簡要說明

1.中心節點的功能與流程

中心節點是星狀拓撲網絡的中心點。一般情況下，子網網關的無線模塊是中心節點。 在無線網絡中，中心節點遵循家庭控制子網通信協議，可以與家庭控制子網設備通過無線的方式進行數據交換。中心節點是有足夠存儲空間的專用節點。 中心節點通過子網網關獲得用戶的查詢/控制命令。中心節點傳輸關于WHCN的這些查詢和控制命令并傳送到預期的節點。該節點與被控設備連接。

被控設備的控制接口層對所得到的控制命令和有效數據進行數據轉換，傳輸給此設備應用層，由此應用層得到控制此設備的相應控制命令和有效參數，此設備根據這些數據信息執行相應的動作，在此動作完成后，返回給中心節點相應的反饋信息，反饋信息指示了當前此家電的現行狀態。子網網關進而把信息傳遞給主網關。運行狀態包括事件信息和警告信息，這些信息可以發送給用戶，用戶產生進一步的指示和命令。

中心節點也從被控制設備接收信息，接收到的數據傳輸到物理層，物理層對此數據幀進行處理，得到有效載荷，有效載荷再傳輸給MAC層，MAC層對此有效載荷進行拆包，并判斷其正確性和有效性，如正確，則得到控制命令和有效數據信息。中心節點可以決定向控制網絡報告信息或轉寄信息給與被控制設備相連接的其他無線節點。

在星狀網絡中，中心節點提供必要的網絡功能如：

●連接和分離

●定時

●路由路徑

2.子節點的功能與流程

無線通訊模塊是家庭無線控制子網設備的核心。無線收發器稱為子節點安置在每個設備上，子網網關和中心節點通過無線收發器來實現。

從功能方面來看：中心節點是全功能的無線收發器，而家電設備上的子節點是簡化功能的無線收發器。無線網絡通信就是這些無線設備之間的通信。

子節點是各個家庭控制子網設備的通訊接口單元。控制家電的通訊模塊接收指令、數據和其它信息，并傳輸到物理層。物理層對此數據幀進行處理，得到有效載荷，有效載荷再傳輸給MAC/網絡層，MAC/網絡層對此有效載荷進行拆包，并判斷其正確性和有效性，如正確，則得到控制命令和有效數據信息，再將它們傳輸給應用層和設備的控制接口。這些指令可能來自子網網關、中心節點或其他通訊模塊。

此設備根據這些數據信息執行相應的動作，在此動作完成后，返回給WHCN 相應的反饋信息，反饋信息指示了當前此設備的現行狀態或應答信息。當然，子節點也給WHCN傳輸連接設備的查詢信號/反饋信息。