嵌入式智能家庭网研究

1.智能家庭网络

舒适的居住环境一直是人类追求的目标。随着电子信息技术的飞速发展，从收音机、电视机、电话到计算机、internet 网络甚至最近要在全国推广的数字电视，每一新事物的出现都给我们的日常生活带来了舒适和方便。家庭网络化、智能化已经成为21 世纪家居发展的新方向。目前，家用设备的自动化已经有了很大的发展。我们可以使用全自动洗衣机、自动调节的微波炉、带可视屏幕的电子锁等等。但随着人么生活水平的日益提高，对家用设备的智能化要求就会随之而来。试想一下，如果你可以通过internet，在网络上了解到家里的情况，比如冰箱里面食物准备是否充足，那么你就可以在下班后准备好了。然后到家之后，通过自动门禁系统进入家里，家里的照明系统自动按照你的要求打开；同时，录像机已经按照你的要求自动将电视台白天播放的你喜爱的节目录制下来等你欣赏。这是一个多么理想的场景呀，这些场景的实现都离不开智能家庭网络。智能家庭网络是指在家庭内部通过一定的传输介质（如电力线、双绞线、同轴电缆、无线电、红外等）将各种电气设备和电气子系统连接起来，采用统一的通信协议，对内实现资源共享；对外能通过网关与外部网（如Ethernet、ISDN、3DDW等）互连进行信息交换[1]。随着目前“无处不在的计算”和“可穿戴计算”的发展，智能家庭网络已经有了一些新的发展趋势：由过去的单纯对家庭设备进行互联发展为家庭设备的远程控制；由过去的家居内部安全控制发展到家居远程实时监控；由过去的智能家庭网络功能以控制为主发展到以多媒体、娱乐应用为主。随着中国加入世界贸易组织，国外一系列的先进技术和理念都进入中国。因此无论对于中国信息产业的发展还是对于中国家电行业的振兴，研究智能家庭网络都是十分具有战略意义的。

2.智能家庭网络研究中的一些问题

随着信息技术的发展，各种家电设备能通过网络互联已经成为现实。同时，各种各样的消费类电子产品也更多的走进了人们的生活。这些电子产品具有“小型化”、“智能化”、“网络化”的明显特点。如何能够将现有的这些市场潜力巨大的消费类电子产品（如PDA、MP3）与智能家庭网络相结合，成为一个新的研究热点。21 世纪的智能家庭网络研究呈现出许多新的特点：

智能家庭网络向分布式发展。分布式网络结构能够实现各个节点之间的信息共享，并且节点之间地位平等，可以任意通信。某一个节点出现了问题，不会影响整个系统的运行。从现已投入实用的系统来看，分布式结构将是未来智能家庭网络发展的主要方向。同时，ad hoc 网络的广泛应用也将会给智能家庭网络带来深刻的影响。

传输介质的研究与发展。在现已投入实用的多数智能家庭网络中，传输介质主要采用电力线和双绞线， 红外主要用于遥控。随着802.11 、BLUETOOTH 等无线技术的成熟与发展，未来的智能家庭网络的设计中，必将更多的采用上述技术等先进的通信标准。通信协议的研究。采用合适的通信协议对于智能家庭网络的高效、高速运行起着关键作用。是否采用ISO/OSI 的参考模型，是否使用类似TCP/IP协议中的寻址方式，如何在物理层做到协议带宽与兼容性的平衡都是需要进行探讨的问题。

与外部网络信息的交换。智能家庭网络不能只局限于将家中的各种电气设备联系起来，还应该能和Internet 互联、通信。具有通过Internet 进行远程访问、控制和监控功能的家庭网络才能使人们真正的享受到“无处不在的网络”所带来的惊喜和魅力。

设备接口规范和即插即用性。如果将众多的不同厂商、不同品牌的电气设备，使用最小的成本互联起来，提出一个可行的通用接口标准是非常重要的。这个标准需要兼顾通信速率、现有标准以及成本等方面的考虑。而即插即用性能更应该是这个标

准的重要特性。安全性和可靠性。智能家庭网络系统必须做到安全和可靠，否则就会偏离其为用户带来方便舒适生活的初衷。在此系统的安全性主要是指家庭内部

信息不会轻易为外界获取，特别是当与互联网连接时，信息安全性更显突出；另外安全性也要求系统能够抵御和防止外界或者内部各种非法信息的入侵。可靠性是指系统运行的稳定性以及控制和报警信号的正确性，这将牵涉到系统硬件和软件两方面的设计和实现。

3.目前国内外发展现状

3.1 目前国际上投入实用的一些产品

国际上对智能家庭网络的研究起于20 世纪70年代，主要集中在发达国家。由于这些研究都是在各国独立进行，并具有不同的目标和市场战略，因此并没有形成统一的标准。

（1）X-10：X-10 是最早流行于美国的智能家庭网络系统[1]。其主要特点是采用易于获得的电力线作为传输介质。该产品在美国主要用于旧房改造，其优点是造价低；但传输速率低下、抗干扰能力差和可扩展性差使得该产品的进一步推广收到了限制。

（2）CEBus：美国电子工业协会（EIA）于1984年4 月组织开发的家庭网络标准，于1992 年正式推出了CEBus（Consumer Electronic Bus），定为EIA-600 标准[1]。CEBus是一种完全开放式的家庭网络标准，它定义了几乎所有传输介质中信号的传输标准，符合标准的电气产品均可以直接互联互通。但由于对信道的传输速率标准定义得太低（10Kbps），无法满足逐渐飞速发展的多媒体应用的需求。造价昂贵，也使得CEBus系统应用并不广泛。

（3）HBS：HBS（Home Bus System）标准由日本首先提出，但是只规定了通信协议由物理层、数据链路层和网络层组成，上层应用留作工程问题解决[2]。

（4）EIB：EIB（European Installation Bus）是欧洲安装总线协会EIBA（European Installation BusAssociation）推出的用于电气安装领域的智能控制网络[1][3]。EIB系统采用分布式结构，主要使用双绞线作为传输介质。通信协议使用物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。EIB受到西门子、ABB公司的大力推广，在欧洲应用比较广泛，在我国也有一些应用。

（5）EHS：EHS（European Home System）是由欧洲ESPRIT（European Strategic Programme forResearch and Development in InformationTechnology）项目组支持开发的一种开放的家庭网络系统，它采用客户/服务器方式连接[1][4]。EHS主要传输介质有电力线和双绞线。通信协议采用了ISO/OSI模型中的物理层、数据链路层、网络层和应用层。

3.2 目前一些新的研究动向

虽然目前已经有不少在实际中得到应用的较为成熟的产品，但是对智能家庭网络的研究并没有因此而停滞不前。与此相反，随着电子技术的飞速发展，更多的网络化、智能化的设备进入我们的日常生活，并且扮演了越来越重要的角色。“无处不在的计算”和“可穿戴计算”逐渐的引起大家的重视，也使得家庭智能网络的研究更进一步。

（1）“无处不在的计算”与“可穿戴计算”的结合

“无处不在的计算”（ubiquitous computing）首先由Mark Weiser在1988 年提出[5]。在智能家居中，“无处不在的计算”使得智能家电可以组成一个分布式的家庭网络，而在这个网络中，房间主人可能就会需要和在这个智能家居中的众多设备通信。但是这也会有很多问题[5]。首先，隐私问题非常重要。试想，如果家里有“无处不在的计算”，家中的各种状况都可以通过网络让我（当然也有可能别人）通过Internet查询，那么我的个人隐私如何保护呢？显然，人们是无法信任没有安全感的系统的。其次，个人信息更新问题。如果想真正做到家居的智能化，那么个人信息的更新和维护也是非常困难的。一般，公众将可穿戴计算机（ wearablecomputer）等同于头戴显示器、随身携带电脑及演讲和单手键盘接口。学者却更愿意使用一些独立于硬件实现的术语来描述其的一些特性，例如context-aware、proactivity、手持的和非手持等。然而，市场人士可能尽可能松散的定义可穿戴计算机为任何戴在人身上的设备[6]。可穿戴计算由于佩戴在使用者身上，能够比较好的保护使用者的私人信心，同时，由于使用者可以使用这个设备较长时间，那么个人信息的更新和维护也会较为方便。但是，使用可穿戴计算机确在获得位置信息、位置控制和

资源管理上遇到困难。这正好是使用ubiquitouscomputing的优点。将两者结合起来，发挥各自的长处，较少或者避免两者的短处，是智能家庭网络发展的新方向[8]。利用context-aware技术的发展，将使得我们在日常生活中更加享受信息化带来的乐趣。

（2）家庭网关的最新研究

作为智能家庭网络中的一个非常关键的部分，家庭网关的研究一直非常活跃，并且经常能看到一些最新的研究成果。家庭网络与外部公共网络互联是智能家庭网络发展的趋势，而家庭网关真是实现这钟互联互通的关键。合适的家庭网关结构能够将家庭内的各种网络进行互联互通，并充分发挥各个本地网络的带宽优势，最大限度的解决带宽瓶颈问题；好的家庭网络需要解决网络安全的问题，使得从公共网络上来的攻击无非对家庭网络造成损失；家庭网关还要完成“代理服务器”的功能，进行各种协议转换，允许从外部网络的正常访问等。[7]文中提出了一种家庭网关结构和具体的实现，其特点有：通过网关连接家庭网络和外部网络（Internet）。网关还包括了路由器、桥及协议转换的功能；为了能解决从外部网络访问和一系列的安

全问题，要求家庭网关的实现需要有IP 协议和转发的能力；家庭网络内部的通信仍然依靠其自身的链路层协议；家庭网关“代理服务器”的功能使得从其他地方都能访问家庭网络；定义一个“自动配置”的功能用于收集、显示设备信息和内容；家庭网关还支持必要的媒体转换功能，以提供一些多媒体服务。在[9][10][11][12]都提到了将蓝牙技术应用于家庭智能网络中。[9]文中比较详细和全面的介绍了蓝牙技术，我们在此就不详述蓝牙技术细节了。文中亦提出了一些蓝牙技术在家庭网络中的应用。如无线手持设备、微型电话；另外可以使用蓝牙接口将需要数据传输的设备与PC 相连；以及取代一些在智能家庭网络中的有线设备。[10][11]都将蓝牙协议作为智能家庭网络中的一个重要内容，并提出了新的家庭网络系统。[10]

系统中最重要的部分是具有HTTP功能的多媒体网关。系统中有带有蓝牙协议的个人通信助理（PCA），用于处理用户与多媒体网关之间的通信。[11]使用蓝牙PAN profile[13]来接受应用请求，并在系统中使用了ECHONETTMver3[14]来控制和监控各种应用。但是这个系统的实现需要ASP的配合。[12]提出了一个BWIG（Bluetooth Web InternetGateway）的结构，对有蓝牙接口的手持设备，如PDA、笔记本电脑、WAP 手机等提供类似ad hoc网络的功能，并实际开发了一个原型系统。另外有很多人也在家庭网关中间件的研究方面取得了相当的进展，很多系统软件体系结构的设

计中都包括有中间件[15][16]。Carlos de M.Coreiro等在[17]中介绍了一种新的蓝牙结构BlueStar，能很好的完成通过802.11WLAN 全局访问BluetoothWPAN 的功能。而为了使人与周伟环境的信息交互更加的智能化，[17]在家庭应用中提出了“个人家庭服务器”（personal home server）的新结构。在这个结构中，

每一个用户有一个家庭服务器，并是可随身携带的。通过这个服务器，可以根据环境和各种参数来定制各种应用。这很可能是智能家庭未来发展的一个重要方向。

4.下一步工作和结论

智能家庭网络研究下一研究将主要是如下几个方面：

对现有的应用比较成功的系统进行改造和更新，使其能够克服缺点，充分发挥各自的特点和优势；研究新的家庭网络体系结构，提高异构网络整体效率，将最新的各种技术，如Bluetooth、802.11等应用到家庭网络中，尽可能的代替有限传输介质；

随着嵌入式技术的发展，高性能CPU、嵌入式操作系统、网络处理器也将是未来家庭智能网络开发的主力军。同时，引入高性能的处理器和操作系统的同时，也就为我们解决家庭网络信息安全和可靠性方面提出了新的要求；结合“无处不在的计算”和“可穿戴计算”，提高家庭网络的智能化程度，充分利用家庭网关、多代理平台（multi-agent）等技术，在人与周围环境、设备的信息交互上做更多的一些工作；

综上所述，智能家庭网络必将随着人们生活水平的进一步提高而更多的走近人们的生活。人们将无时无处不享受数字化、信息化生活所带来的惊喜和乐趣。虽然欧美、日本都提出了一些投入实用的智能家庭网络系统，但是在科技日新月异的今天，这些系统都或多或少的不能满足新时代人们都家居智能化的要求。对智能家庭网络的研究还将继续深入并引起越来越多人的注意。