基于IPv6的智能家居網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與研究

劉霞 鄧瑜 湖北省醫(yī)藥學(xué)校, 武漢 430064

基于IPv6的智能家居網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與研究

劉霞 鄧瑜 湖北省醫(yī)藥學(xué)校, 武漢 430064

本文對IPv6在智能家居網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)勢進(jìn)行了分析，并結(jié)合家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)現(xiàn)狀和國內(nèi)家庭控制子系統(tǒng)的實(shí)況，提出了智能家居網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案。

IPv6；智能家居；網(wǎng)絡(luò)

愈來愈多的家庭迫切需要在家中隨時隨地就可以訪問外界的信息源，或者在家庭外部控制家中的家電，甚至在家庭內(nèi)實(shí)現(xiàn)智能化。IPv6的出現(xiàn)使得這種理想更加迅速的成為現(xiàn)實(shí)。IPv6地址空間充足，可以為地球上每個家電都分配一個全局IPv6地址，使設(shè)備連接到Internet上，從而解決了由于Ipv4地址短缺給構(gòu)建智能家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成的瓶頸。同時IPv6地址和服務(wù)的自動配置能力強(qiáng)，使得在家庭信息網(wǎng)絡(luò)中添加家電設(shè)備時幾乎不需要做任何配置。加上它的安全性高、對移動性的支持及QoS支持使得IPv6的智能家居時代已經(jīng)到來。

1.IPv6對網(wǎng)絡(luò)家電的支持

IPv6是為了解決IPV4所存在的一些問題和不足而提出的，同時它還在許多方面提出了改進(jìn)。擴(kuò)大了地址空間，提高了處理速度，增強(qiáng)了安全保密性。IPv6協(xié)議在構(gòu)建家庭信息網(wǎng)絡(luò)方面具有如下優(yōu)勢：（1）地址空間充足，可以為每個家電都分配一個全局IPv6地址，使設(shè)備連接到Internet成為可能。(2)地址和服務(wù)的自動配置能力強(qiáng)，使得在家庭信息網(wǎng)絡(luò)中添加家電設(shè)備時幾乎不需要做任何配置。(3)安全性高，可以保證用戶與家電設(shè)備之間通信的安全，保護(hù)家庭信息網(wǎng)絡(luò)。(4)移動性支持，使得用戶可以在移動狀態(tài)或者離開家庭信息網(wǎng)絡(luò)后仍然能夠通過移動設(shè)備來訪問家庭信息網(wǎng)絡(luò)中的資源而不需進(jìn)行額外配置。(5) QoS支持，IPv6頭標(biāo)中對QoS的支持功能可以確保家庭信息網(wǎng)絡(luò)中高帶寬或者實(shí)時通信的需要。

2.家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的現(xiàn)狀

家庭網(wǎng)絡(luò)是代表家庭信息化的一種新概念，它是全方位提供智能化服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它是指在家庭環(huán)境中，利用各種介質(zhì)將數(shù)字設(shè)備和消費(fèi)電子產(chǎn)品連接起來，通過各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)信息傳輸和信息共享，完成家居環(huán)境的智能控制，提供用戶所需的各種服務(wù)功能的一種分布式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

九十年代中期以來，家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開始起步。在國際上比較有影響的系統(tǒng)有：美國的X-10，CEBus(Consume Electronic bus)和Lonwork；日本的HBS(Home Bus System)；歐洲的EIB(European Installation Bus)和EHS(European Home System)。我國對家庭網(wǎng)絡(luò)的研究目前成熟的，主要集中在一些分散的智能家庭控制子系統(tǒng)上，如三表抄送子系統(tǒng)、門禁子系統(tǒng)、可視對講子系統(tǒng)等。這些子系統(tǒng)互相獨(dú)立，不能實(shí)現(xiàn)信息共享，使得安裝和使用很不方便。只有智能家庭網(wǎng)絡(luò)才能將這些電氣子系統(tǒng)以及電氣設(shè)備連接起來。隨著集成技術(shù)、通訊技術(shù)、互操作能力和布線標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展而不斷改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)它們之間信息共享，使得系統(tǒng)安裝方便、使用靈活。近年來EIOT物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)引起了人們極大的關(guān)注，增強(qiáng)了人們對智能家居實(shí)現(xiàn)的信心。

3.家庭網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

3.1 家庭網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)

在進(jìn)行設(shè)計家庭網(wǎng)絡(luò)時，首先，我們要根據(jù)現(xiàn)在普通家庭的實(shí)際情況，對信息家居的總體功能進(jìn)行設(shè)計，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，并適當(dāng)考慮前瞻性，對整個系統(tǒng)進(jìn)行合理地規(guī)劃和設(shè)計。

如圖l所示的一個典型的數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中，家庭內(nèi)的所有信息家電通過以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)，或者其他物理層技術(shù)組成家庭信息網(wǎng)絡(luò)，加上網(wǎng)絡(luò)通信模塊后就可以具有家庭網(wǎng)絡(luò)接入能力，再通過家庭網(wǎng)關(guān)連接到IPv6 Internet上。

在信息家電的內(nèi)置芯片中采用IPv6協(xié)議，之上使用各種高層互聯(lián)技術(shù)以保證家庭信息網(wǎng)絡(luò)的互操作性，通過芯片控制接口來對信息家電進(jìn)行訪問和控制。

對于家庭網(wǎng)關(guān)，采用IPv6協(xié)議通過各種物理層接人技術(shù)和各種信息家電、IPv6互聯(lián)網(wǎng)相連，并提供多種功能以控制和管理家庭信息網(wǎng)絡(luò)。這樣的家庭信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不但和已有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相兼容，而且使得家庭信息網(wǎng)絡(luò)更加靈活，更容易進(jìn)行擴(kuò)展。

家庭信息網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的信息家電均具有一個全局的IPv6地址和鏈路局部IPv6地址，客戶主機(jī)可以在家庭信息網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部或者家庭信息網(wǎng)絡(luò)外部對家庭信息網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的信息家電進(jìn)行訪問和控制，從而方便了人們的生活。

在家庭網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，我們根據(jù)家居環(huán)境的特點(diǎn)，采用了藍(lán)牙技術(shù)、IEEE1394技術(shù)和無線編碼技術(shù)相結(jié)合的混合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案，三個網(wǎng)絡(luò)通過家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行互聯(lián)。其中藍(lán)牙技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)家庭設(shè)備數(shù)據(jù)通訊，IEEE1394用以實(shí)現(xiàn)高速A/ V數(shù)據(jù)通訊，無線編碼技術(shù)主要用在低速信號傳輸方面，如傳感器信號傳輸、家電控制信號傳輸。

圖1 家庭網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

圖2 藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖3 家庭多媒體網(wǎng)絡(luò)

圖4 無線編碼子網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 混合網(wǎng)絡(luò)和子系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 藍(lán)牙子網(wǎng)設(shè)計

如圖2所示，藍(lán)牙家庭網(wǎng)絡(luò)是由多個功能單元組成的微網(wǎng)連接而成，每個微網(wǎng)包括幾個緊密相關(guān)的藍(lán)牙單元，不同的微網(wǎng)又通過“設(shè)備共用”聯(lián)系在一起。家庭網(wǎng)關(guān)是整個網(wǎng)絡(luò)的控制核心，每一個微網(wǎng)中都有單元與它相連，它負(fù)責(zé)著信息家電、各種設(shè)備的運(yùn)作和信息傳輸，同時又是信息家庭和外部連接的通道。家庭網(wǎng)關(guān)和PC之間用的是網(wǎng)絡(luò)接口連接，因?yàn)樵谖磥淼募揖泳W(wǎng)絡(luò)中，PC與家庭網(wǎng)關(guān)間的數(shù)據(jù)流量比較大，藍(lán)牙目前的不足1Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率還是比較難以滿足PC的需求。

3.2.2 IEEE1394總線子網(wǎng)設(shè)計

圖3 是以家庭網(wǎng)關(guān)為中心的家庭IEEE1394網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。家庭網(wǎng)關(guān)是整個家庭控制和信息管理的中心，它負(fù)責(zé)家居設(shè)備的控制、家庭網(wǎng)絡(luò)的管理、家庭信息的存儲和家庭娛樂設(shè)備的管理。IEEE1394模塊主要用來實(shí)現(xiàn)高速流媒體數(shù)據(jù)傳輸功能。以家庭網(wǎng)關(guān)為中心，其他多媒體的數(shù)字設(shè)備直接或間接通過IEEE1394與其相連。高速網(wǎng)絡(luò)激光打印機(jī)直接通過線纜與家庭網(wǎng)關(guān)相連。

在家庭網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用IEEE1394實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字A/V信號的傳輸，不但可以提高系統(tǒng)性能，減少連線，省略了數(shù)模轉(zhuǎn)換過程，而且使數(shù)字設(shè)備在無主CPU的參與下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸成為可能。即插即用和自動識別功能也使得系統(tǒng)組成更加方便靈活。

3.2.3 無線子網(wǎng)設(shè)計

圖4是無線編碼子網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖，各傳感器每隔一定時間向家政保安監(jiān)控器發(fā)送一個無線編碼信號，家政保安監(jiān)控器根據(jù)接收到的信號判斷傳感器是否正常工作和是否有緊急情況發(fā)生，并與家庭網(wǎng)關(guān)保持聯(lián)系，接收查詢和緊急情況上報，家庭網(wǎng)關(guān)判斷緊急情況種類，采取相應(yīng)的措施，發(fā)出求救信號，并通告主人。

4.結(jié)束語

隨著家電技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，人們生活水平的提高，智能家居市場潛力巨大。國內(nèi)已有很多大城市的高檔小區(qū)實(shí)現(xiàn)了部分智能家居功能，得到了人們的好評。但智能家居的成本問題也始終是困擾其發(fā)展的一個不可忽視的實(shí)際問題。隨著安卓智能手機(jī)的推廣，zigbee協(xié)議的應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，IPv6智能家居必將迎來一個美好的明天。

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[2]劉云，張紅.國外家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展分析.信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化.2005.03

[3]屈剛，趙莉鵑，等.家庭無線網(wǎng)絡(luò)與藍(lán)牙無線傳輸技術(shù).電子工程師.2000. 11

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.17.039