扩展型家庭网络和多业务平台总体概要设计

广州广联数字家庭产业技术研究院

（广州广联数字家庭产业技术研究院，广东 广州 541000）

0 引言

在家庭环境中，存在大量变化缓慢的对象和“开/关”对象需要遥测和遥控。如果利用基本的家庭局域网轮流遥测/遥控，并且通过基本的电猫来传递，没有必要也很不经济。这时，需要设法配置能够支持大数量和低速率对象的通用遥测遥控业务平台。

1 两级有线家庭局域网解决方案

考虑到基本的基于电力线的家庭局域网使用3～30 MHz频段，其余低端3 MHz频段通过频分复用，可以构建一个平行的低速家庭局域网。这个低速局域网专门用于支持遥测遥控业务平台。基于电力线的低速家庭局域网中的电猫成本可能降低到基本电猫成本的1/4。两级有线家庭局域网解决方案如图1所示。

2 两级有线/无线家庭局域网解决方案

在基本的家庭有线局域网基础之上，在同一个房间之内，构建下一级低速家庭无线局域网。鉴于在同一个房间之内的工作环境，低速家庭无线局域网技术成熟并且成本低廉，因此构建二级低速家庭局域网是现实的解决方案。两级有线/无线家庭局域网解决方案如图2所示。

3 扩展型家庭网络设计目标

扩展型家庭网络，是在以电力线数据传输数字家庭网络为骨干网的基础上，为了解决数字家居生活中对窄带通信的需求而搭建的子网络。扩展型家庭网络和多业务平台与标准型家庭网络和多业务平台的差别仅仅在于增加了无线局域网（WLAN）。

在数字家居生活中，除了如视频传输、数据传输及语音通信等数据流量比较大的应用外，还有许多数据流量较小的家居应用。此类应用的范畴较广，譬如家庭温度检测、湿度检测、煤气泄漏检测、水电气能源消耗测量、电器开关及灯光调控等，涉及层面比较广，如图3所示。

首先，由于涉及家居电器设备较多，如若此类应用的家居设备都配备电力调制解调模块，不仅仅成本比较高，而且电力调制解调模块的高带宽的优势不能得到充分发挥。其次，此类应用的相关家电设备一般来说体积较小，在实际应用当中可以安装在家居空间的任何位置，这些位置很有可能是电力线或者五类线布局设计所不能考虑进去的。然后，现有市场上已经有相当的家电产品具备无线通信的功能，充分利用此类产品的通信特性，能减少厂商的生产成本。

基于这三方面的考虑，未来数字家庭网络需要增加一种相对灵活的，造价成本较低的子网络，以补充电力线载波网络的不足，把各类家居设备以较低的成本纳入到数字家庭网络中去，以便实现通过统一应用平台达到读取家居设备的信息和控制家居设备的状态等目的，以适应消费者不断提高的对数字家庭生活的需求。

从功能划分的角度来看，扩展型家庭网络主要实现数据收集的功能以及简单的数据整理，数字家庭骨干网络以及Internet主要实现传输数据的功能，而服务器端则实现对数据的处理分析的功能并在此基础上作出判断和控制反应的功能，如图4所示。在数据收集部分主要实现与各类家居设备已有通信接口的对接并把设备上的信息收集到扩展型家庭网络的管理设备上。数据传输部分技术上是非常成熟的基于TCP/IP的传输网络。数据处理端是由功能强大的服务器和数据库组成的后台系统，负责各类复杂运算处理任务。

上述功能划分把对硬件性能要求较高的任务安排到服务器端运行，减少了扩展型家庭网络的组建成本，同时也符合“云计算”的发展思路，即通过功能简单的扩展型家庭网络把数据发送到功能复杂的服务器端，在服务器调用相对庞大的资源实现复杂的计算后，最后把分析结果和控制信号反馈回扩展型家庭网络内部的设备中。

4 总体结构

扩展型家庭网络内部将根据家居应用的需求特点采用有别于骨干网TCP/IP的其他协议进行通信，通过家居设备上的通信收发模块收集家居设备的信息或者发送控制命令信号至家居设备。而扩展型家庭网络与数字家庭骨干网络的通信则是通过协议转换模块实现，把扩展型家庭网络内部通信协议数据转换成在数字家庭骨干网络运行的符合TCP/IP标准的通信协议数据包。扩展型家庭网络总体架构示意图如图5所示。

5 技术体制和技术实现

5.1 基于ZigBee标准的扩展型家庭网络通信协议

在现有的技术和市场基础上，ZigBee通信协议在窄带宽无线通信方面具有比较大的优势，其具体表现在:

1）成本低廉。支持ZigBee通信协议的芯片成本远远少于电力线载波通信协议芯片以及基于IEEE802.11系列的WiFi芯片。低廉的成本降低Zig⁃Bee产品的量产压力，促进电子家居产品与ZigBee协议的融合，实现ZigBee网络平台的产品多样化。

2）组网灵活配置快捷。支持ZigBee通信协议的通信模块可以十分灵活方便的组网接入，增加和减少数据点非常容易，省去综合布线的成本，因此能极大减少安装成本。

3）节点能耗低。支持ZigBee通信协议的设备在实现通信的能源消耗极低，从而增加电池使用寿命并延长设备更新周期。

4）双向传送数据和控制命令。支持ZigBee通信协议的设备不但可以从网络节点传出数据，而且双向通信功能可以将控制命令传到与无线终端相连的传感器、无线路由器，也可将数据送入到网络显示或控制远程设备。

5）足够数据传输带宽。支持ZigBee通信协议的设备可以支持高达512 kbit/s传输率的带宽，足够实现一般家庭的监测控制应用。

因此，数字家庭扩展型网络将采用ZigBee无线通信技术来搭建实现数字家居测量和控制的网络平台。

5.2 扩展型家庭网络物理构成

扩展型家庭网络的物理构成包括家居设备、扩展型网络子基站、数字家庭网关、互联网以及服务器和用户终端，如图6所示。

1）家居设备是扩展型家庭网络的数据产生以及接受相应控制信号的节点设备。在基于ZigBee的扩展型家庭网络中，家居设备配有符合ZigBee通信标准的无线收发模块，通过ZigBee收发模块把设备的信息发送至扩展型网络子基站，或者接收从扩展型网络子基站处发来的控制命令进而进行简单的信号处理并转发至设备。家居设备与ZigBee收发模块的连接由设备的具体情况决定，可以是RS-485接口、RS-232接口、1-wire接口或者其他。鉴于RS-485接口的通用性以及对组网的支持，推荐使用RS-485接口作为ZigBee收发模块与家居设备的通信接口。

2）扩展型网络子基站主要包括3个部分:ZigBee收发模块、Ether⁃net通信模块和MCU微处理器。ZigBee收发模块负责子基站与家具设备之间的通信；Ethernet通信模块则负责子基站与其他基于TCP/IP标准的设备的通信；MCU微处理器，除了需要对数据进行分析处理之外，还要对协议进行转换，从而实现ZigBee收发模块与Ethernet通信模块的通话。

3）数字家庭网关在扩展型家庭网络中是透明的，即仅发挥其数据通信的路由功能。但是需要注意的是，扩展型网络子基站从属于数字家庭网关的局域网，所以互联网上的服务器和终端无法直接得知扩展型网络子基站在该局域网内部的IP地址，这在通信时造成一定的困难，需要运用特定的方法解决此问题。

4）服务器是连接到互联网的有相当数据分析处理能力的计算机，其具体实现功能的形式包括数据仓库、数据分析和网络服务等功能。服务器不仅仅可以接收家居设备端传来的信息，同时还可以向家居设备端发送相应的控制信号，如开关灯等。

5）用户终端是指连接到互联网上的个人计算机，可以通过互联网访问服务器的数据库信息。

6）家居设备与扩展型网络子基站通过无线技术传输数据，不需要布线。扩展型网络子基站与数字家庭网关的连接可以是比较常见的五类线，也可以是电力线，两者均支持TCP/IP通信协议；若采用电力线作为传输媒介，需要在扩展型网络子基站内添加电力调制解调模块，使得TCP/IP数据包能够通过电力线传输。

5.3 扩展型家庭网络服务器系统架构

扩展型家庭网络的服务器系统架构主要包括表现层、控制层和数据服务层，如图7所示。

1）表现层中主要是由JSP视图层负责与用户的交互。JSP视图层可以产生出HTML页面供用户浏览，还可以接收用户发出的控制信息（如登录、查表等），传递给控制层。

2）控制层包含控制层和业务逻辑层。控制层采用Struts2的框架，翻译用户从表现层发来的控制信息，调用相应的业务逻辑完成用户预期的操作；业务逻辑层中包含了实现系统功能的各种类、方法及工具，由控制层调用这些方法从而实现特定的功能。

3）数据服务层在整个系统中比较重要，包含两个方面，一个是对数据库的操作，另一个是对远端家庭的数据进行读取与存储。对数据库的操作采用了对象—关系映射的操作方式，数据服务层中有一个DAO（Data Access Object）模块，负责把得到的数据封装成一个个对象。在对象—关系映射中，选用了Hibernate框架来完成，它能把数据库中的关系表映射成对应的对象，这些对象提供给业务层作为其输入，从而使业务逻辑可以集中地采用面向对象的思想来实现。对家庭数据的访问会先由无线家庭ZigBee基站收集家庭内部的信息，通过因特网传给服务器。服务器中有一个用户连接守护进程，该进程采用了多线程—线程池的技术在系统的后台与用户进行连接。完成连接后由DAO层中的数据读取对象将读到的表的信息封装成一个个表的对象，供业务逻辑层使用。

5.4 扩展型家庭网络子基站软件架构

扩展型网络子基站的软件架构主要主控制模块、ZigBee协议模块、TCP/IP通信模块、指令解析模块、数据处理模块和外部事件处理模块，如图8所示。

1）主控制模块主要负责各功能模块的任务间的调度、同步和通信，以及对各类资源（如缓冲区）进行管理，同时还具备一定的异常处理能力。

2）ZigBee通信模块用于家电状态及计量数据的采集，系统采用星型组网方式构建家庭WLAN网络。通过ZigBee通信模块，家电设备与子基站建立直接通信，然后通过串口RS-232把集中的数据发送到TCP/IP模块。

3）TCP/IP模块主要实现了扩展型网络子基站系统与Internet上数据服务器的通信，负责接收服务器的查询、控制命令以及回传服务器所需查询结果，是实现远程查询和控制的核心部件。

4）指令解析模块是实现ZigBee协议与TCP/IP协议转换中间部件，它负责对服务器端的查询命令和控制命令进行解析，以便扩展型网络子基站根据解析结果通知某特定或全部家电设备节点作出相应的操作。

5）数据处理模块负责对ZigBee网络采集到的家庭状况及计量数据进行集中处理和分析，如数据格式的转换、编解码等，同时还具备一定的数据异常处理能力。

6）外部事件处理模块是为提高系统的可靠性和稳健性而设计的，它定义了一组处理外部事件的回调函数，实现对外部事件的实时监控同时保证整个系统的可靠性和稳健性。