0 概述

       家庭網絡接入Internet目前主要通過PC機接入Internet和采用嵌入式產品通過以太網控制器接入Internet兩種方式。前者優點是明顯的，如靈活性、大量現有的可用的軟件環境和高級的用戶接口及軟件工具。但是對于智能家庭網絡來說，網絡的使用者希望能方便快捷地獲得服務，所需熟悉的操作要盡可能地少，并且在任何地方都能對家中設備進行監控;而PC不能隨意移動，對設備的控制就會受到局限。因此，目前在智能家庭網絡中，網關產品的設計主要采用嵌入式系統。

       一個智能家庭網關可以看成是一個信息處理系統，組成系統的各單元就是連接在網絡各節點的設備?？刂破脚_一方面輔助不具備信息化條件的設備實現信息化，即提供信息處理的能力;另一方面又提供統一的信息交換接口及控制規則，從而實現從內部家庭網絡到Internet信息的互通。目前實現信息管理和協議轉換的方式有兩種:一種是:瀏覽器+WEB Server+CGI技術;另一種是:監控軟件十應用服務器+現場總線驅動技術[1]。以瀏覽器+WEB Server+CGI為主的技術手段只能獲取單個家庭網絡中的節點信息。而以監控軟件+應用服務器十現場總線驅動為主的技術手段卻可以同時獲取多個家庭網絡的節點信息，有助于實現多個家庭網絡的同類節點的實時監控[2](如上網流量監控)。近幾年來國內許多高校和一些知名企業所研制的智能家庭網絡系統的協議轉換主要以:瀏覽器+WEB Server+CGI技術為主，有應用范圍的局限性。鑒于現有網關產品的種種缺陷，本文主要致力于:以監控軟件+應用服務器+現場總線驅動技術為核心技術，而瀏覽器+WEB Server+CGI為輔助技術設計并實現家庭網關。

圖1 網絡控制系統模型

1 總體設計分析

1.1智能家庭網關的設計要求
 
       家庭網關類似于一個龐大的計算機系統，所有的家庭設備都連接在上面，受它的集中控制。總體而言，網關要起到三個功能：

1）Internet接入功能，包括路由、NAT(地址轉換)等等;
2）家庭網絡中各種不同通信協議之間的轉換，以及家庭網絡系統與TCP/IP協議之間的轉換;
3）運行家電管理軟件，將使用不同通信協議的家用電器都接入到家庭網絡中，并統一管理起來;

可以看出，網關是家庭網絡中的物理上和邏輯上的核心。

1.2 家庭網關網絡控制模型分析

       根據系統的體系結構將家庭網關抽象為站點[3]，將家庭內部的被控對象(智能電冰箱、智能微波爐等等)抽象為節點。其網絡控制模型如圖1所示。

       站點:站點是通過Internet訪問家庭內部網絡的驛站，它可以將來自互聯網絡的各種信息通過協議轉換的方法傳遞到家庭內部網絡，同時提取家庭內部網絡的各種信息增加TCP/IP協議報頭、報尾使之可以在廣域網甚至Internet上發布并向遠端監控機傳遞，使遠端監控機可以對其控制，而具備此項功能的站點我們通常稱其為家庭網關。

       節點：節點負責對單個家用電器實施控制使其按照使用者的要求正常運行，同時以特定的通訊協議將本地信息傳送到家庭網關或者接收來自家庭網關的指令以改變現在的運行狀況。所以可以把它理解為以單片機為核心的智能家用電器，由于不同的家用電器要連接到同一個網關上，要使它們相互連接又互不影響，采用現場總線是個很好的辦法，所以節點還應該支持現場總線協議。

2 硬件結構

       根據前面的分析，可以確定硬件系統應具備的功能特征，圖2給出了智能家庭網關的硬件結構。

圖2 系統硬件結構

       為保證家庭網關的實用性和可擴展性，網關平臺需要選用高性能的微處理器，廉價的8位處理器己經無法滿足設計的要求，考慮到以后系統的升級以及32位處理器的價格不斷下降，設計中決定采用32位的MPU（S3C2410）[4]作為整個系統的核心。

       由于網關要實現服務器的功能，因而需要文件系統的支持，同時需要操作系統來支持多任務，這些都決定了硬件平臺中需要有擴展的SDRAM和Flash(或者EEPROM )等存儲芯片。Flash中存儲操作系統和文件系統，系統啟動后將復制到SDRAM中運行。通用I/O接口的設計，用于完成外部信號的接入。為完成與外部信號線的連接，MPU需要支持一定數量的通用I/O口。

       家庭網關要實現與Internet的連接，需要有相應的連接模塊。Ethernet模塊就是為了完成與外部網絡的物理連接。

       同時，家庭網關還要連接內部輕量級網絡[5] (家庭網絡中一般使用485. 232等輕量級網絡互聯)。一般這些網絡都可以通過UART口與網關相連。而家庭網關的一些控制或調試信息也需要通過UART口輸出到宿主機的虛擬平臺。

       JTAG接口用于實現MPU中程序的實時監控，絕大多數的32位MCU都支持JTAG格式的在線調試功能。

       X10系統[6]與網關的接口是整個家庭網絡控制方面至關重要的一個接口。網關通過一個普通I/0口進行過零點信號檢測，通過另一個普通I/O口向電力線載波系統發出控制命令，最后達到控制大多數家電的目的(照明，空調，熱水器等等)。目前所實現的控制是單向的，由于控制命令數據量少，而受控電器的狀態數據可以根據控制命令進行判斷，所以這種控制在目前是可以滿足使用要求的。

3 軟件設計

       家庭網關是為家庭智能網絡服務的，由于家庭網絡本身的復雜性（網絡種類多，終端種類多等），嵌入式網關的軟件設計也要考慮諸多因素。圖3是軟件設計體系結構。

圖3 軟件體系結構

        該系統是一個三層系統，不同層次協同工作，各層之間通過不同的協議進行信息交互。為了適應復雜的網絡環境，該系統采用了以監控軟件+應用服務器+現場總線為主，以瀏覽器+WEB Server+CGI為輔的雙技術體系。該3層系統中客戶子系統用來運行提供用戶接口和前端處理的應用程序（即瀏覽器和監控軟件）。中間層子系統的宿主既是家庭網關，它包括應用服務器和Web服務器用于發布信息和數據及指令的傳達，另外它還包含數據庫服務器提供可供客戶機使用的各種資源和服務。現場控制系統是最終執行控制指令、實現控制目標和性能指標的執行機構。

       在本文的三層軟件體系結構中，發出數據庫查詢的應用可以駐留在數據庫以外的任何機器上，客戶子系統不論處于何地，只要能夠通過網絡與數據庫服務器進行通訊，就可以發出查詢并檢索結果。如果在家庭網絡內部進行查詢，僅僅從本地數據庫中進行檢索并返回結果即可。如果在家庭網絡外部進行查詢那么必須通過虛擬數據庫，找到目標站點及節點，由虛擬數據庫發送傳送參數指令，現場控制系統接到指令后進行檢索，并返回查詢結果給虛擬數據庫最后顯示在用戶監控界面中。當用戶發出控制指令時，無論是在家庭網絡內部還是外部，控制指令都可以通過不同的網絡協議可靠地到達被控對象并完成相應的操作，最后把執行結果（成功或者失敗）返回給指令的發出者。在一般的C/S概念中，客戶端是廉價的個人PC，服務器是價格昂貴、功能強大的專用Server。但對于本系統來講，嵌入式家庭網關是應用服務器和Web服務器的宿主，而嵌入式系統本身資源有限，所以在事物處理時不應將過多的任務分配給服務器，避免因服務器負擔過重而使整個網絡性能下降，要充分發揮客戶端計算機的作用，合理分配網絡資源，提高數據處理的效率。

4 結語

       本文首次將監控軟件+應用服務器+現場總線以及瀏覽器+WEB Server+CGI兩種技術融合到智能家庭網關產品中，較好的解決了傳統產品的缺陷。通過本系統在實際家庭智能網絡中的運行表明，該系統達到了設計初期的各項要求,能夠通過Internet實時控制系統中的智能家電并精確的獲取家電狀態信息。相信在未來的信息家電、智能小區[7]等領域嵌入式智能家庭網關將得到廣泛的應用。