囊稳敛蠢ｉａ％ｏｆＥ ｎｇｉｎ ｅｔｒｉｎｇ ．Ａ ｃＡＤＥＭＩＣ学Ｆ术ＯＲ论Ｕ坛Ｍ Ｉ 【本文献信息】高怀恩，常克．基于２．４ ＧＨｚ无线通信技术的数字家庭控制网络［Ｊ】电视技术，２０１２，３６（Ｓ１）． 基于２．４ ＧＨｚ无线通信技术的数字家庭控制网络 高怀恩 ，常【摘克 （１．广东工业大学，广东广州５１０００６；２．广东科学中心，广东广州５１０００６） 要】利用２．４ ＧＨｚ无线通信技术的组网方便、成本较低、灵活定制等特点组成数字家庭控制网络，通过“家居设备一 ，控制网络子基站一家庭网关一服务器”的一整套系统实现了对家居设备的监测与控制。 【关键词】数字家庭；控制网络；无线通信：ＺｉｇＢｅｅ 【中图分类号】ＴＮ９１５ 【文献标识码】Ａ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｈｏｍｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ２．４ ＧＨｚ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧＡＯ Ｈｕａｉ’ｅｎ’，ＣＨＡＮＧ Ｋｅ 【，Ｊ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０００６，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｃｅｎｔｅｒ，ＧｕⅡｎｇｚｈ０Ｍ ５１０００６，Ｃｈｉｎａ） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】 Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＺｉｇＢｅｅ ｏｎ ２．４ ＧＨｚ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｓ ｓｅｌｆ－ｏｒｇａｎｉｚｅｄ， ｌｏｗ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｆｌｅｘｉｂｌｅ． ａｎｄ ｉｓ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｈｏｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｎｅｔｗｏｒｋ． Ｗｉｔｈ ＺｉｇＢｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｏｓｅ ｈｏｍｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ， ｂａｓｅ－ｓｔａｔｉ０ｎ．ｈｏｍｅ ’ ｇａｔｅｗａｙ ａｎｄ ｓｅｒｖｅｒ ａｒｅ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ａｓ ａ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｍｏｎｉｔｏｒｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｓ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅｓ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】ｄｉｇｉｔａｌ ｈｏｍｅ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｎｅｔｗｏｒｋ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍ珊ｕｎｉｃａｔｉｏｎ：ＺｉｇＢｅｅ １ 数字家庭概念 数字家庭终端 数字家庭（Ｓｍａｒｔ—Ｈｏｍｅ）的概念于２０世纪９０年代 初由美国人第一次提出，其含义是借助信息和通信技 【电子终端¨电子终端Ｊ【电子终端Ｊ］ 术对住宅中的各种通信、家电、安保设备进行监视、控 数字家庭网络 、 制与管理。目前的数字家庭定义更偏重于技术和业 ｌ家庭网关ｌ｛社区网关ｌ’ －＿＿ｗ＿－＿＿－＾．＿－＿＿＿＿． ＿．－＿．・－一’ ＿－＿ ・＿．－．＿．－．－．－＿．－．＿＿＿＿。－一 务功能层面，比较流行的观点认为“数字家庭”是一类 臣圃 圃 应用系统，其中一个被大众所普遍认同的定义来自互 联网数据中心（ＩＤＣ）：数字家庭是指将各种家庭通信 产品、计算机产品、消费类电子产品，按照各类家庭数 图１ 数字家庭建设基本架构图… 字化需求，形成家庭网络，通过外部网络接入与社会 数字家庭控制网络是数字家庭最重要的组成部 全方位的信息交互，组成家庭信息、娱乐、控制服务和 分之一，它是家居生活智能化、自动化和人性化的基 信息功能系统。 础，它是以传送控制信息和状态信息为目的的网络系 数字家庭建设的基本架构如图１所示。家庭终端 统和应用服务。控制网络的建设也遵循数字家庭建 包括以电视、计算机、网络家电等为代表的个人、家庭 设基本架构图的思路和方法（见图１），包括电子终端、 消费类产品，是可以将社会服务送达个人和家庭的电 网络互通和后台服务管理等基本组成元素。控制网 子产品，是使数字家庭产生真实应用价值的基础设 络实现了各类家居电子终端的网络接入，并把电子终 施。家庭终端有多样化、网络化、人性化和无处不在 端的信息通过网络融人到信息服务平台中，实现信息 等特点；数字家庭网络是实现家庭内外部互联互通的 交互和统计分析等综合性服务功能。 基础设施，以家庭网关为核心，利用各类技术，通过网 面对未来数字生活的发展，通过统一的家庭网络 络实现与外界沟通之目的；社会服务体系（包括公共 平台实现数据的传输和管理是数字家庭的发展趋 基础网络）是实现数字家庭可持续发展的支撑基础， 势。就目前的技术和市场成熟度而言，ＴＣＰ／ＩＰ通信协 也是数字家庭发展的根本应用需求。家庭终端、家庭 议业已得到市场的充分认可并将扩大其通用性和应 网络以及社会服务体系三者对于数字家庭建设缺一 用范围。可以预见的将来，数字家庭的骨干网络应该 不可，互为补充。 是支持ＴＣＰ／ＩＰ通信协议的统一的通信平台，而数字家 投稿网址ｈｔｔｐ：ｆｗｗｗ．ＶｉｄｅｏＥ．ｃａ ｌ《电视技术》第３６卷第ｓ１期（总第３８９期） ３７ ＩＩ Ａｃ Ｍ 庭控制网络则是在此基础上搭建的子网络。 右。但蓝牙技术的通信协议过于复杂，不适合大规模 数字家庭控制网络在功能上可以独立组建局域 组网。２）ＷｉＦｉ技术，又称ＩＥＥＥ ８０２．１ｌｂ标准，它的最 网并通过调制解调模块与Ｉｎｔｅｍｅｔ连接。具体在数字 大优点在于其较高的传输速度和较长的有效通信距 家庭家居环境下，数字家庭控制网络通过与基于ＴＣＰ／ 离，但其缺点在于数据安全性能较低，数据传输质 ＩＰ协议的数字家庭骨干网络的连接，实现与公共网络 量不稳定等。３）ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅｂａｎｄ）技术是使用 的互联互通，从而实现随时随地检测与控制数字家 １ ＧＨｚ以上带宽的最先进的无线通信技术，其特点在 电。在此角度下，数字家庭骨干网络仅提供路由和数 于不使用载波通信原理，而直接通过其高频脉冲直接 据传输的服务，而数据整合和分析功能可以在互联网 把数字信号发送到接收方，这种发送脉冲的方式大大 上任何地方的服务器上实现，同时其他用户终端也可 减少了耗电量，而其超高频的脉冲波可以实现每秒几 以通过互联网查询相关信息。数字家庭控制网络与 百兆比特以上通信带宽。但目前ＵＷＢ技术尚在研究 数字家庭骨干网络的关系如图２所示。 阶段，大规模的产业化生产还没有实现。４）ＺｉｇＢｅｅ 技术［２，８１是一种新兴的基于ＩＥＥＥ ８０２．１５．４通信协议的 无线网络技术，具有距离短、低速率、低功耗、低成 本、方便组网、自配备、安全性高等特点。ＺｉｇＢｅｅ主要 用于近距离无线连接，在数千个微小的功耗非常低 的传感器之间通过接力的方式相互协调实现通信， 因此通信效率非常高。 图２数字家庭控制网络与骨干网络的关系 ３ 控制网络的总体思路 ２ 国内外相关研究 实现控制网络的技术方案有各自的技术特点，适 数字家庭控制系统要求家居电器和网络能够彼 用于要求不同的数据传输率和数据传输范围的场 此互联互通，目前使用的技术种类繁多 ，可以大体 合。然而，并不是上述全部技术均适合在数字家庭控 分成有线技术和无线技术两大类。 制场景下使用，例如：ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线适用于智能楼宇 目前使用较多的有线技术是基于总线协议的通 控制而不适用于家庭使用，且价格偏高；Ｘ一１０的抗干 信机制，把原先处于控制室的控制模块和输入输出模 扰能力较差，寻址空间小，对模拟量的支持不够；ＣＥ． 块放人具有通信功能的现场设备，因而能够不依赖中 Ｂｕｓ解决了这个问题，但接口技术复杂，价格也难以让 央控制，实现彻底的分布式控制。现场总线系统在技 人接受。并且现场总线技术需要进行网络铺设，无法 术上具有分布式控制、开发和互用性、功能自治性等 应对越来越多的移动设备和生活应用中对可搬移的 特点，加上其对环境的高度适应性，能够支持多种线 家电进行控制和检测的需要，这使得上述的现场总线 材线缆的通信介质，具有较强的灵活性和抗干扰能 技术不适用于此类应用场合。 力，在满足安全防爆要求的同时，实现基于两线制的 无线技术摆脱了现场总线技术需要布线的不 通信和供电。比较成型的总线标准协议包括：支持多 足，适应现代家居生活的需求。其中，无线技术的 种拓扑结构、多种物理介质的ＬｏｎＷｏｒｋｓ协议；基于电 ＷｉＦｉ和ＵＷＢ技术都是针对大数据流应用而设计，对 力线通信的结构简单、成本低的ｘ一１０协议；基于双绞 于控制系统而言，大数据流意味着协议栈的复杂和 线和同轴电缆，采用ＣＳＭＡ侦听多路访问技术的ＨＢＳ 芯片成本的增加以及芯片发热量大，这都影响了 总线标准；针对消费电子的ＣＥＢｕｓ总线标准；实现多 ＷｉＦｉ和ＵＷＢ技术在控制方面的应用；而蓝牙技术目 主通信的ＣＡＮ局域控制网协议；专注于采暖制冷行业 前大部分的应用都在点对点的家居视听设备中，而 的ＢＡＣｎｅｔ自动控制网络协议等。 对于网络构建方面则涉及较少；另一方面，ＺｉｇＢｅｅ技 无线技术方面，使用比较多的是蓝牙、ＷｉＦｉ、Ｚｉｇ． 术具有优良的网络拓扑能力，并且成本低、功耗低、 Ｂｅｅ和ＵＷＢ等技术：１）蓝牙（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）技术用微波取 时延短以及安全性能良好等优势，相对比较适合数 代传统网络中错综复杂的电缆实现低功耗的快速、灵 字家庭控制网络的各种需求。所以，在技术方案选 活的数据通信。蓝牙模块的天线发射频段在２．４０２～ 型中，认为通过ＺｉｇＢｅｅ技术搭建的控制通信网络是 ２．４８０ ＧＨｚ之间的ＩＳＭ免费波段，通信距离为１０ Ｉｎ左 个较优的选择。 ３８ 《电视技术》第３６卷第ｓ１期（总第３８９期）Ｉ投稿网址ｈｔｔＤ： ｎ＾，、『Ｉｆ．Ｖｉｄｅ０Ｅ．ｃｎ Ａ ｃ Ｍ。擀 一 最后，基站和终端的建立连接的过程可简化为 图１０。 图７终端入网大致流程 ２）区分每个家庭各自的控制网络 在这里，使用人为制定的ＰＡＮＩＤ来区分每个家庭 的网络，只用相同的ＰＡＮＩＤ的基站和终端才可以进行 图１Ｏ终端加入到特定的协调器 组网。每当有基站收到终端申请加人时，先判断该终 ４．３窄带通信协议与宽带通信协议的转换问题 端的ＰＡＮＩＤ是否与自己的一致，如果一致则允许该终 控制网络与骨干网络的通信协议分别是针对窄 端加入，否则不作应答，而该终端继续发出请求，去寻 找新的基站。由于在每个家庭需要独立工作，故要求 带通信的ＺｉｇＢｅｅ协议和针对宽带通信的ＴＣＰ／ＩＰ协议， 通过两个通信网络的对话将家庭内部的数据发送到 每个家庭ＰＡＮＩＤ是唯一的。 外部的网络。而通信连接建立和保持以及协议的转 协调器创建网络过程如图８所示。 化是实现支撑和管理网络对话的前提。通信对接功 网 能两种通信协议间转换的技术难点主要体现在通信 协议的转换以及数据的正确接收。 对于协议转换问题，控制网络内部使用ＺｉｇＢｅｅ协 议进行处理。当需要和外网连接时，则使用ＴＣＰ／ＩＰ 协议处理。由于两种协议使用的规约、处理过程都 有所不同，不能直接连接，所以这里涉及到协议转换 的策略。 参考ＩＳＯ七层模型，两个协议可以当作是两个有 各自分层架构实现不同功能的协议框架。这就需要 在两个协议层框架的最高层，即应用层上，建立一种 图８协调器创建网络 虚拟的连接，实现数据的转换。 当网络创建完成后，协调器便可以接受终端的加 按照前面的方案把两个不同的协议运行在不同 入，协调器与终端这两个设备就构成了父子的关系。 的硬件芯片上。这种做法，分开地实现了两个协议， 终端加入网络流程如图９所示。 使得不同的协议各司其职，避免协议栈交叉运行、事 圆 件处理不明确的情况。参考两芯片的功能结构，在底 层物理层传输中，它们均可使用串口与外界进行通 信，而两个芯片的串口可以进行相连，进行数据的传 输控制。也就是可以在应用层上建立这种虚拟连接， 实现连接的硬件基础在于可互联互通的串口Ｉ／Ｏ。串 口承载了需要传输的数据，成为协议转换过程中协议 沟通的媒体。 如何在串口上正确接收数据，这是两个协议进行 通信的重要部分。考虑到可能会有数据分几个中断 进行接收或一个中断接收多组数据的情况。解决方 法是：使用一个足够大的循环数组来对接收到的数据 图９终端入网信息流程 进行存储，然后在每次的串口处理中，对循环数组进 投稿网址ｈｔｔｐ：／＾＾ｎ＾ Ｖｉｄｅ０Ｅ．ｃｎ ｌ《电视技术》第３６卷第ｓ１期（总第３８９期）４１ Ｉ｜Ａｃ Ｍ。 行扫描，取出一条完整的数据段，再进行处理。图１１ 是一个完整数据段结构示意图。 囊鞠基■ ｉ Ｅ０匹ｎ ｉ ｆ ｒｉ 次新来的数据也要得到保存，并且能知道数据到达的 先后顺序。使用循环数组，并使用多个指针，标明何 处是接收的开始，何处是处理的开始，当到数组末尾 时，指针自动指向第一个元素。这种方法，满足合理 ｆ开始指针 ｆ结束指针 缓存数据的要求。并且，对比如使用多个数组的其他 方法，节省空间，操作简易。 图１１ 串口数据的完整数据段 对数据段的判断，首先需要知道数据段的帧格 式，如表２和表３所示。 表２实时查询请求帧 ５ 总结 数字家庭控制网络通过通信技术把家庭内的各 种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭包安装并 置入到网络中，进行集中或异地的监视控制及家庭事 数值０ｘ６８ 设备编号０ｘ２２ ０ｘ２２ 校验和 Ｏｘ１６ 务性管理。通过ＺｉｇＢｅｅ无线通信技术可以实现多种 家居设备的控制和沟通，并把它们组成一个网络与公 共网络连接。 注：ＴＣＰ通信模块到ＺｉｇＢｅｅ通信模块，共６ ｂｙｔｅ 表３查询结果返回帧 本文探讨采用ＺｉｇＢｅｅ无线通信技术国际标准设 计的控制网络方案，针对ＺｉｇＢｅｅ无线通信技术本身以 及其与骨干网络的对接所涉及的关键性技术难题做 数值 ｏｘ６８ 恭善 设备状态数据 校验和 Ｏｘｌ６ ￣：ＺｉｇＢｅｅ信模块￣１］ＴＣＰ信模块，共８ ｂｙｔｅ ＂阐述，包括：１）控制终端通信模块的能耗问题；２）Ｚｉｇ— Ｂｅｅ协议的组网问题；３）窄带通信协议与宽带通信协 议的转换问题。在数字家庭应用场景下，分别针对上 述３个关键性问题提出包括定制选择编译选项、协议 从表２和表３中可以看出，各类数据帧长度是各 自固定的，并均以０ｘ６８开始，以０ｘ１６结尾。所以下面 可以用这个特征去进行判断数据段的完整性。 栈精简、定制通信协议等相对应的解决方案。 参考文献： ［１］王颖．中国数字家庭发展研究报告［Ｒ】．北京：社会科学文献出 版社，２００９． 【２］瞿雷，刘盛德，胡咸斌．ＺｉｇＢｅｅ技术及其应用【Ｍ】．北京：北京航 空航天大学出版社，２００７． 每次读取，从当前循环数组的开始指针开始扫 描，如果遇到一个０ｘ６８数据，说明有可能是数据段 的开始标记，则扫描对应长度后（实时查询帧长度 为６ ｂｙｔｅ，查询结果返回帧长度为８ ｂｙｔｅ），检测数据是 否为Ｏｘ１６，如果是，则说明这个为合法的数据段，进行 处理；如果不是，则说明开始查到的０ｘ６８，只是作为数 【３］孙玉．电信网络总体概念讨论【Ｍ】．北京：人民邮电出版社， ２００７． 据存在，而不是开始标志，继续扫描。不论何种结果， 都将查询的０ｘ６８置为ＯｘＦＦ，避免在下一次的循环扫描 中，继续处理这一个数据。 针对上述的实现，采取这种处理方法的原因在于 以下２点： ｆ４］孙玉．数字家庭网络总体技术［ＭＩ．北京：电子工业出版社， ２００７． 【５】汪成义．家庭控制网络联网技术及标准浅析【Ｊ］．光通信研究， ２００９（４）：３７—４０． ［６］车进，刘大铭．下一代无线家庭网络的研究『Ｊ１．宁夏大学学报： １）可以完整判断数据段。在实际的工作中，可以 自然科学版，２００６（４）：３２７—３２９． ［７］汪婵婵，汪挺挺，徐兴雷．家庭网络的构建和维护ｌＪ１．科技信 息，２０１１（８）：２１７—２１７． 发现，串口传输过来的数据，有很多的乱码，这堆乱码 中就有可能包括了开始标志０ｘ６８。并且，在传输的有 效数据中，就有可能也包含有与０ｘ６８相同值的数据。 如果不使用这种判断完整数据段的机制，而只判断开 始标志就进行处理，会将一些无效数据段也发送出 去，造成错误。 ［８】蒋挺，赵成林．紫蜂技术及其应用【Ｍ】．北京：北京邮电大学出版 社．２００６． 【９］广州广联数字家庭产业技术研究院．扩展型家庭网络和多业 务平台总体概要设计［Ｊ］．电视技术，２０１１，３５（Ｓ１）：７５—７８． ２）使用循环数组，满足串口的处理方式。串口接 责任编辑：薛京 收稿日期：２０１２—０３—１０ 收到的数据，需要合理的缓存起来。所谓合理，首先 不能覆盖掉在此之前接收但还未进行处理的数据，其 ４２ 《电视技术》第３６卷第ｓ１期（总第３８９期）ｌ投稿网址ｈｔｔＤ：／＾Ⅳｗｗ．ＶｉｄｅｏＥ．ｃｎ