擴展型家庭網絡和多業務平臺總體概要設計

廣州廣聯數字家庭產業技術研究院

（廣州廣聯數字家庭產業技術研究院，廣東 廣州 541000）

0 引言

在家庭環境中，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量和低速率對象的通用遙測遙控業務平臺。

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，是在以電力線數據傳輸數字家庭網絡為骨干網的基礎上，為了解決數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務平臺與標準型家庭網絡和多業務平臺的差別僅僅在于增加了無線局域網（WLAN）。

在數字家居生活中，除了如視頻傳輸、數據傳輸及語音通信等數據流量比較大的應用外，還有許多數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勢不能得到充分發揮。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，現有市場上已經有相當的家電產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字家庭網絡中去，以便實現通過統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等目的，以適應消費者不斷提高的對數字家庭生活的需求。

從功能劃分的角度來看，擴展型家庭網絡主要實現數據收集的功能以及簡單的數據整理，數字家庭骨干網絡以及Internet主要實現傳輸數據的功能，而服務器端則實現對數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。在數據收集部分主要實現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。數據傳輸部分技術上是非常成熟的基于TCP/IP的傳輸網絡。數據處理端是由功能強大的服務器和數據庫組成的后臺系統，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”的發展思路，即通過功能簡單的擴展型家庭網絡把數據發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的其他協議進行通信，通過家居設備上的通信收發模塊收集家居設備的信息或者發送控制命令信號至家居設備。而擴展型家庭網絡與數字家庭骨干網絡的通信則是通過協議轉換模塊實現，把擴展型家庭網絡內部通信協議數據轉換成在數字家庭骨干網絡運行的符合TCP/IP標準的通信協議數據包。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

5.1 基于ZigBee標準的擴展型家庭網絡通信協議

在現有的技術和市場基礎上，ZigBee通信協議在窄帶寬無線通信方面具有比較大的優勢，其具體表現在:

1）成本低廉。支持ZigBee通信協議的芯片成本遠遠少于電力線載波通信協議芯片以及基于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協議的融合，實現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）節點能耗低。支持ZigBee通信協議的設備在實現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）雙向傳送數據和控制命令。支持ZigBee通信協議的設備不但可以從網絡節點傳出數據，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，也可將數據送入到網絡顯示或控制遠程設備。

5）足夠數據傳輸帶寬。支持ZigBee通信協議的設備可以支持高達512 kbit/s傳輸率的帶寬，足夠實現一般家庭的監測控制應用。

因此，數字家庭擴展型網絡將采用ZigBee無線通信技術來搭建實現數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、數字家庭網關、互聯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據產生以及接受相應控制信號的節點設備。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模塊，通過ZigBee收發模塊把設備的信息發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來的控制命令進而進行簡單的信號處理并轉發至設備。家居設備與ZigBee收發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收發模塊、Ether?net通信模塊和MCU微處理器。ZigBee收發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，除了需要對數據進行分析處理之外，還要對協議進行轉換，從而實現ZigBee收發模塊與Ethernet通信模塊的通話。

3）數字家庭網關在擴展型家庭網絡中是透明的，即僅發揮其數據通信的路由功能。但是需要注意的是，擴展型網絡子基站從屬于數字家庭網關的局域網，所以互聯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網的有相當數據分析處理能力的計算機，其具體實現功能的形式包括數據倉庫、數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網上的個人計算機，可以通過互聯網訪問服務器的數據庫信息。

6）家居設備與擴展型網絡子基站通過無線技術傳輸數據，不需要布線。擴展型網絡子基站與數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架構

擴展型家庭網絡的服務器系統架構主要包括表現層、控制層和數據服務層，如圖7所示。

1）表現層中主要是由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務邏輯層。控制層采用Struts2的框架，翻譯用戶從表現層發來的控制信息，調用相應的業務邏輯完成用戶預期的操作；業務邏輯層中包含了實現系統功能的各種類、方法及工具，由控制層調用這些方法從而實現特定的功能。

3）數據服務層在整個系統中比較重要，包含兩個方面，一個是對數據庫的操作，另一個是對遠端家庭的數據進行讀取與存儲。對數據庫的操作采用了對象—關系映射的操作方式，數據服務層中有一個DAO（Data Access Object）模塊，負責把得到的數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，它能把數據庫中的關系表映射成對應的對象，這些對象提供給業務層作為其輸入，從而使業務邏輯可以集中地采用面向對象的思想來實現。對家庭數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的后臺與用戶進行連接。完成連接后由DAO層中的數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協議模塊、TCP/IP通信模塊、指令解析模塊、數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）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及計量數據的采集，系統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把集中的數據發送到TCP/IP模塊。

3）TCP/IP模塊主要實現了擴展型網絡子基站系統與Internet上數據服務器的通信，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，是實現遠程查詢和控制的核心部件。

4）指令解析模塊是實現ZigBee協議與TCP/IP協議轉換中間部件，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點作出相應的操作。

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

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