擴(kuò)展型家庭網(wǎng)絡(luò)和多業(yè)務(wù)平臺總體概要設(shè)計

廣州廣聯(lián)數(shù)字家庭產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院

（廣州廣聯(lián)數(shù)字家庭產(chǎn)業(yè)技術(shù)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(guān)”對象需要遙測和遙控。如果利用基本的家庭局域網(wǎng)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(jīng)濟(jì)。這時，需要設(shè)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(wù)平臺。

1 兩級有線家庭局域網(wǎng)解決方案

考慮到基本的基于電力線的家庭局域網(wǎng)使用3～30 MHz頻段，其余低端3 MHz頻段通過頻分復(fù)用，可以構(gòu)建一個平行的低速家庭局域網(wǎng)。這個低速局域網(wǎng)專門用于支持遙測遙控業(yè)務(wù)平臺?；陔娏€的低速家庭局域網(wǎng)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(wǎng)解決方案如圖1所示。

2 兩級有線/無線家庭局域網(wǎng)解決方案

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

3 擴(kuò)展型家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)計目標(biāo)

擴(kuò)展型家庭網(wǎng)絡(luò)，是在以電力線數(shù)據(jù)傳輸數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)為骨干網(wǎng)的基礎(chǔ)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(wǎng)絡(luò)。擴(kuò)展型家庭網(wǎng)絡(luò)和多業(yè)務(wù)平臺與標(biāo)準(zhǔn)型家庭網(wǎng)絡(luò)和多業(yè)務(wù)平臺的差別僅僅在于增加了無線局域網(wǎng)（WLAN）。

在數(shù)字家居生活中，除了如視頻傳輸、數(shù)據(jù)傳輸及語音通信等數(shù)據(jù)流量比較大的應(yīng)用外，還有許多數(shù)據(jù)流量較小的家居應(yīng)用。此類應(yīng)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(guān)及燈光調(diào)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(shè)備較多，如若此類應(yīng)用的家居設(shè)備都配備電力調(diào)制解調(diào)模塊，不僅僅成本比較高，而且電力調(diào)制解調(diào)模塊的高帶寬的優(yōu)勢不能得到充分發(fā)揮。其次，此類應(yīng)用的相關(guān)家電設(shè)備一般來說體積較小，在實際應(yīng)用當(dāng)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(shè)計所不能考慮進(jìn)去的。然后，現(xiàn)有市場上已經(jīng)有相當(dāng)?shù)募译姰a(chǎn)品具備無線通信的功能，充分利用此類產(chǎn)品的通信特性，能減少廠商的生產(chǎn)成本。

基于這三方面的考慮，未來數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)需要增加一種相對靈活的，造價成本較低的子網(wǎng)絡(luò)，以補(bǔ)充電力線載波網(wǎng)絡(luò)的不足，把各類家居設(shè)備以較低的成本納入到數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中去，以便實現(xiàn)通過統(tǒng)一應(yīng)用平臺達(dá)到讀取家居設(shè)備的信息和控制家居設(shè)備的狀態(tài)等目的，以適應(yīng)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(kuò)展型家庭網(wǎng)絡(luò)主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集的功能以及簡單的數(shù)據(jù)整理，數(shù)字家庭骨干網(wǎng)絡(luò)以及Internet主要實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的功能，而服務(wù)器端則實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理分析的功能并在此基礎(chǔ)上作出判斷和控制反應(yīng)的功能，如圖4所示。在數(shù)據(jù)收集部分主要實現(xiàn)與各類家居設(shè)備已有通信接口的對接并把設(shè)備上的信息收集到擴(kuò)展型家庭網(wǎng)絡(luò)的管理設(shè)備上。數(shù)據(jù)傳輸部分技術(shù)上是非常成熟的基于TCP/IP的傳輸網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)處理端是由功能強(qiáng)大的服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫組成的后臺系統(tǒng)，負(fù)責(zé)各類復(fù)雜運算處理任務(wù)。

上述功能劃分把對硬件性能要求較高的任務(wù)安排到服務(wù)器端運行，減少了擴(kuò)展型家庭網(wǎng)絡(luò)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(kuò)展型家庭網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送到功能復(fù)雜的服務(wù)器端，在服務(wù)器調(diào)用相對龐大的資源實現(xiàn)復(fù)雜的計算后，最后把分析結(jié)果和控制信號反饋回擴(kuò)展型家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的設(shè)備中。

4 總體結(jié)構(gòu)

擴(kuò)展型家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部將根據(jù)家居應(yīng)用的需求特點采用有別于骨干網(wǎng)TCP/IP的其他協(xié)議進(jìn)行通信，通過家居設(shè)備上的通信收發(fā)模塊收集家居設(shè)備的信息或者發(fā)送控制命令信號至家居設(shè)備。而擴(kuò)展型家庭網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字家庭骨干網(wǎng)絡(luò)的通信則是通過協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)，把擴(kuò)展型家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通信協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成在數(shù)字家庭骨干網(wǎng)絡(luò)運行的符合TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議數(shù)據(jù)包。擴(kuò)展型家庭網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)示意圖如圖5所示。

5 技術(shù)體制和技術(shù)實現(xiàn)

5.1 基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展型家庭網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

在現(xiàn)有的技術(shù)和市場基礎(chǔ)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(chǎn)品的量產(chǎn)壓力，促進(jìn)電子家居產(chǎn)品與ZigBee協(xié)議的融合，實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)平臺的產(chǎn)品多樣化。

2）組網(wǎng)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(wǎng)接入，增加和減少數(shù)據(jù)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(shè)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(shè)備更新周期。

4）雙向傳送數(shù)據(jù)和控制命令。支持ZigBee通信協(xié)議的設(shè)備不但可以從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳出數(shù)據(jù)，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(jù)送入到網(wǎng)絡(luò)顯示或控制遠(yuǎn)程設(shè)備。

5）足夠數(shù)據(jù)傳輸帶寬。支持ZigBee通信協(xié)議的設(shè)備可以支持高達(dá)512 kbit/s傳輸率的帶寬，足夠?qū)崿F(xiàn)一般家庭的監(jiān)測控制應(yīng)用。

因此，數(shù)字家庭擴(kuò)展型網(wǎng)絡(luò)將采用ZigBee無線通信技術(shù)來搭建實現(xiàn)數(shù)字家居測量和控制的網(wǎng)絡(luò)平臺。

5.2 擴(kuò)展型家庭網(wǎng)絡(luò)物理構(gòu)成

擴(kuò)展型家庭網(wǎng)絡(luò)的物理構(gòu)成包括家居設(shè)備、擴(kuò)展型網(wǎng)絡(luò)子基站、數(shù)字家庭網(wǎng)關(guān)、互聯(lián)網(wǎng)以及服務(wù)器和用戶終端，如圖6所示。

1）家居設(shè)備是擴(kuò)展型家庭網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生以及接受相應(yīng)控制信號的節(jié)點設(shè)備。在基于ZigBee的擴(kuò)展型家庭網(wǎng)絡(luò)中，家居設(shè)備配有符合ZigBee通信標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)模塊，通過ZigBee收發(fā)模塊把設(shè)備的信息發(fā)送至擴(kuò)展型網(wǎng)絡(luò)子基站，或者接收從擴(kuò)展型網(wǎng)絡(luò)子基站處發(fā)來的控制命令進(jìn)而進(jìn)行簡單的信號處理并轉(zhuǎn)發(fā)至設(shè)備。家居設(shè)備與ZigBee收發(fā)模塊的連接由設(shè)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(wǎng)的支持，推薦使用RS-485接口作為ZigBee收發(fā)模塊與家居設(shè)備的通信接口。

2）擴(kuò)展型網(wǎng)絡(luò)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(fù)責(zé)子基站與家具設(shè)備之間的通信；Ethernet通信模塊則負(fù)責(zé)子基站與其他基于TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備的通信；MCU微處理器，除了需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理之外，還要對協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)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(wǎng)關(guān)在擴(kuò)展型家庭網(wǎng)絡(luò)中是透明的，即僅發(fā)揮其數(shù)據(jù)通信的路由功能。但是需要注意的是，擴(kuò)展型網(wǎng)絡(luò)子基站從屬于數(shù)字家庭網(wǎng)關(guān)的局域網(wǎng)，所以互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)器和終端無法直接得知擴(kuò)展型網(wǎng)絡(luò)子基站在該局域網(wǎng)內(nèi)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(wù)器是連接到互聯(lián)網(wǎng)的有相當(dāng)數(shù)據(jù)分析處理能力的計算機(jī)，其具體實現(xiàn)功能的形式包括數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等功能。服務(wù)器不僅僅可以接收家居設(shè)備端傳來的信息，同時還可以向家居設(shè)備端發(fā)送相應(yīng)的控制信號，如開關(guān)燈等。

5）用戶終端是指連接到互聯(lián)網(wǎng)上的個人計算機(jī)，可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫信息。

6）家居設(shè)備與擴(kuò)展型網(wǎng)絡(luò)子基站通過無線技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，不需要布線。擴(kuò)展型網(wǎng)絡(luò)子基站與數(shù)字家庭網(wǎng)關(guān)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(kuò)展型網(wǎng)絡(luò)子基站內(nèi)添加電力調(diào)制解調(diào)模塊，使得TCP/IP數(shù)據(jù)包能夠通過電力線傳輸。

5.3 擴(kuò)展型家庭網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器系統(tǒng)架構(gòu)

擴(kuò)展型家庭網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器系統(tǒng)架構(gòu)主要包括表現(xiàn)層、控制層和數(shù)據(jù)服務(wù)層，如圖7所示。

1）表現(xiàn)層中主要是由JSP視圖層負(fù)責(zé)與用戶的交互。JSP視圖層可以產(chǎn)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(wù)邏輯層?？刂茖硬捎肧truts2的框架，翻譯用戶從表現(xiàn)層發(fā)來的控制信息，調(diào)用相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯完成用戶預(yù)期的操作；業(yè)務(wù)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(diào)用這些方法從而實現(xiàn)特定的功能。

3）數(shù)據(jù)服務(wù)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(jù)庫的操作，另一個是對遠(yuǎn)端家庭的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取與存儲。對數(shù)據(jù)庫的操作采用了對象—關(guān)系映射的操作方式，數(shù)據(jù)服務(wù)層中有一個DAO（Data Access Object）模塊，負(fù)責(zé)把得到的數(shù)據(jù)封裝成一個個對象。在對象—關(guān)系映射中，選用了Hibernate框架來完成，它能把數(shù)據(jù)庫中的關(guān)系表映射成對應(yīng)的對象，這些對象提供給業(yè)務(wù)層作為其輸入，從而使業(yè)務(wù)邏輯可以集中地采用面向?qū)ο蟮乃枷雭韺崿F(xiàn)。對家庭數(shù)據(jù)的訪問會先由無線家庭ZigBee基站收集家庭內(nèi)部的信息，通過因特網(wǎng)傳給服務(wù)器。服務(wù)器中有一個用戶連接守護(hù)進(jìn)程，該進(jìn)程采用了多線程—線程池的技術(shù)在系統(tǒng)的后臺與用戶進(jìn)行連接。完成連接后由DAO層中的數(shù)據(jù)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(wù)邏輯層使用。

5.4 擴(kuò)展型家庭網(wǎng)絡(luò)子基站軟件架構(gòu)

擴(kuò)展型網(wǎng)絡(luò)子基站的軟件架構(gòu)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(jù)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(fù)責(zé)各功能模塊的任務(wù)間的調(diào)度、同步和通信，以及對各類資源（如緩沖區(qū)）進(jìn)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(jù)的采集，系統(tǒng)采用星型組網(wǎng)方式構(gòu)建家庭WLAN網(wǎng)絡(luò)。通過ZigBee通信模塊，家電設(shè)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(jù)發(fā)送到TCP/IP模塊。

3）TCP/IP模塊主要實現(xiàn)了擴(kuò)展型網(wǎng)絡(luò)子基站系統(tǒng)與Internet上數(shù)據(jù)服務(wù)器的通信，負(fù)責(zé)接收服務(wù)器的查詢、控制命令以及回傳服務(wù)器所需查詢結(jié)果，是實現(xiàn)遠(yuǎn)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(zhuǎn)換中間部件，它負(fù)責(zé)對服務(wù)器端的查詢命令和控制命令進(jìn)行解析，以便擴(kuò)展型網(wǎng)絡(luò)子基站根據(jù)解析結(jié)果通知某特定或全部家電設(shè)備節(jié)點作出相應(yīng)的操作。

5）數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集到的家庭狀況及計量數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理和分析，如數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換、編解碼等，同時還具備一定的數(shù)據(jù)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(shè)計的，它定義了一組處理外部事件的回調(diào)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。