无线家庭控制网络系统

牛旭光

概 述

家庭网络是在家庭范围内，实现信息设备、通讯设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、保安监控装置等设备互联、资源共享的一种网络，是构成数字家庭的基础平台。家庭网络主要由家庭控制子网和高速家庭主网组成。家庭网络通过电话和互联网, 可以实现家庭网络与外部的信息连接，从而实现家庭网络的远程控制。

家庭控制子网（Home Control Network，简称HCN)是一个家庭的局域通讯控制网络。HCN网络提供了标准化的通讯能力用作设备间的数据和服务的交换。

在HCN中，有两种可能的传输媒介：有线和无线。分别构建家庭有线控制网络（Wired Home Control Network）和家庭无线控制网络（Wireless Home ControlNetwork）。

本文仅仅讨论无线射频媒介和无线收发器构建的网络，这些接收器安置在家电上。本文称无线媒介家庭控制网络为WHCN（WirelessHomeControlNetwork）。

家庭无线控制网络(WHCN)属于IEEE标准定义的低数据率的无线个人域网络Wireless Personal Access Network（WPAN）。这样一个低数据率WPAN，也是一个简单的、低成本的无线通信网络，这种网络支持低功率和允许要求灵活应用的无线联接。WHCN的主要目标是在家电、传感器和监视器之间，实现易安装、可靠数据传输、短距离工作、低成本和低功耗的无线网络。同时，支持简单和灵活的网络拓扑。

无线网络支持无线通讯的功能，支持家庭控制子网设备之间的数据通信、实时传输数据信息、人机交互式操作和具有图形用户界面控制功能，使用户方便直观地操作和控制各个设备。

WHCN中的主要设备以及它们的关系

无线媒介家庭控制网络由家庭控制子网网关、移动控制终端和多个通讯模块组成，见图1所示。各个部分的作用如下所述：

1.家庭控制子网网关

无线控制子网网关是家庭无线控制网络的中心。主要有如下两种作用：

（1）家庭无线控制网络的信息和控制中心。

（2）外界信息网络（如：以太网、电话系统等等）和家庭无线控制网络之间的接口或信息交换中心，以及家庭信息网络和家庭无线控制网络之间的联合点。

作为家庭无线控制网络的信息和控制中心，通过无线通讯中心节点模块提供如下功能：

●给出友好的人机界面。用户可以进入任一个电器的控制选项界面，控制各个家庭控制子网设备，操作简单。

●具有管理各种家庭控制子网设备的功能。当新的设备加入到家庭控制子网网络系统时，家庭控制子网网关可以注册新设备。当网络中的设备要求从子网系统中断开时，家庭控制子网网关可以删除该设备

●作为星状网络信息的互连器，所有信息都被发送到和转送到子网网关。同时，子网网关再给预期节点发送已获得的信息。与各个通讯模块进行数据交换。家庭控制子网网关与各个通讯模块之间的通讯协议遵从家庭控制子网通讯协议。

子网网关在家庭控制子网中作为设备的一个网关，主要功能是把家庭控制子网设备和家庭主网及主要的信息网络（如：以太网）连接起来，并实现家庭控制子网内部设备的互连。子网网关是一个符合家庭控制子网通讯协议的设备，可以与家庭控制子网设备进行数据交换。

用户可以通过以太网、电话线以及无线本地存储网络连接家庭主网关，家庭主网关可以是服务器、电话调制解调器和无线本地存储网络基站。

当用户通过以太网或ADSL登录到家庭主网关时，就可以进入一个数字家庭网络的控制画面，这个画面出现当前家庭控制子网设备，点击要控制的家电设备的图标，可以进入此家电的控制界面。控制界面上显示了此家电的所有控制选项，用户点击想要进行相应控制的选项，子网网关与主网关通过主网关与子网网关之间的通信协议获得相关的控制信息，并使用家庭控制子网通信协议控制相关的设备。

用户通过电话系统登录到家庭主网关时，用户可得到一个简单声音控制“声音信息/控制命令”。有了这个“命令菜单”后，用户获得状态查询并设置控制命令。 这个子网网关所控制的设备的通讯模块接收到这个数据帧，物理层对此数据帧进行基于MAC命令的处理，得到有效载荷。有效载荷再传输给MAC层，MAC层判断其正确性和有效性，如正确，则得到控制命令和有效数据信息，再将它们传输给网络层和设备的控制接口。如不正确，则不对此数据进行处理。

被控设备的控制接口层对所得到的控制命令和有效数据进行数据转换，传输给此设备应用层，由此应用层得到控制此设备的相应控制命令和有效参数，此设备根据这些数据信息执行相应的动作，在此动作完成后，返回给子网网关相应的反馈信息，反馈信息指示了当前此家电的现行状态，子网网关进而把信息传递给主网关。当主网关接收到反馈信息后，更新此家电的控制界面，显示此家电当前的运行状态。

运行状态包括事件信息和警告信息，这些信息可以发送给用户，用户产生进一步的指示和命令。 这是子网网关在遵循家庭控制子网通信协议，进行的一次完整的通讯过程。

2.移动控制终端

移动控制终端在WHCN是一个专用和简单的显示器和控制终端，它不是网关。移动通信控制终端loaded加载一个无线模块，它通过无线通讯方式与家庭控制子网设备通信。

移动控制终端具备三个主要功能：

（1） 用户可以通过移动控制终端获得各种服务的平台；

（2）与家庭控制子网网关相互通讯，实现所有家庭控制子网设备的集中控制；

（3） 在紧急情况下，移动控制终端可以和各个节点直接通讯。

移动控制终端支持无线通讯的功能，支持家庭控制子网设备之间的数据通信、实时传输数据信息、人机交互式操作和具有图形用户界面控制功能，使用户方便直观地操作和控制各个设备。 移动控制终端与各个通讯模块之间的通讯协议遵从家庭控制子网通信协议。

3.无线通讯模块

无线通讯模块是家庭控制子网设备的通讯核心，通讯模块是各个家庭控制子网设备和无线网络的无线通讯接口单元。无线通信模块支持家庭控制子网内部各个设备之间的数据通信，通讯模块遵从家庭控制子网通信协议。

在家庭无线控制子网中，无线通讯模块是基本单元。在家庭控制子网网关和移动控制终端中，无线通讯模块是部分功能模块。一般来说，子网网关中的无线通讯模块，叫做无线通讯中心节点模块，发挥协调器的作用。

4.无线通讯转发器

对于一个包含较大工作范围的网络或工作环境复杂（室内环境）的网络，需要一种专用单元：无线通讯网络转发器。

无线通讯网络转发器是一个专用无线通讯模块。它从一个或多个方向接收信号，然后向全部方向或特殊方向发射处理信号。

处理包括：

●扩大收到信号的能量；

●改变网络中传输信号的路径方向。

转发器和无线通讯模块的不同点：

●转发器不是全功能无线通讯模块；

●转发器不与设备连接。

5.家庭控制子网网关和移动控制终端之间的关系

从功能方面来看，家庭控制子网网关和移动控制终端都是WHCN的控制终端，它们在无线网络中发挥核心作用。

家庭控制子网网关是WHCN的控制中心，它不仅支持无线收发器的网络管理，也支持设备的管理。同时，它是家庭控制子网和外界信息网络的唯一网关。

在WHCN中，移动控制终端是一个特殊的无线收发器，是有较大存储空间的专用无线通讯模块。当网络联接建立起来后，移动控制终端从网关下载注册信息，移动控制终端保存WHCN的所有信息。否则，移动控制终端对这个网络来说可能是一个PDA或者打包PC机，也可能是一个监视终端。移动控制终端可以接收网络设备的数据和状态并且借助网关给每个设备发送控制命令。

无线家庭控制子网通信协议体系结构

家庭无线控制子网通讯协议使遵循规范的各个家庭控制子网设备之间实现无线通信。网络结构不仅是WHCN数据/管理服务体系，也是WHCN中每个无线收发器的系统结构。

本规范将给出无线收发器的规范以及基于这种网络结构WHCN规范。

子网的基本网络体系结构包括：物理层、媒介访问控制层、网络层和应用层，前三层全部在无线模块内。在应用层的顶部，有一个设备和模块共同拥有的设备亚层。

设备亚层直接与设备（如：家用电器、感应器等）和制造商有关。在应用中其功能和界面是不同的。因此，本文不包含此层的研讨。

子网从上至下划分为以下层次（见图二）

应用层（Application Layer）

负责处理特定的应用程序细节，实现设备与 WHCN连接的接口和信息交换。通过应用层，在WHCN中的其它设备只需了解虚拟的网络对象描述而不必了解该设备的具体实现细节就能实现控制/状态查询。

网络层（Network Layer, 简称NWK）

WHCN使用网络层通讯中间件来实现统一的网络通讯，网络层隐藏了底层通讯媒介的复杂性，为应用层提供设备到设备的通信。它所做的工作包括:

数据管理是把应用程序交给它的数据传送给下面的媒介通讯接口层 (MAC/PHY)。

传输服务管理：提供网络路径服务和网络信息，传输控制信息/状态查询在此层中进行，以及网络信息共同被传送到预期设备。

MAC层（媒介存储控制层，简称MAC）

由于不同的媒介所采用的码元编码方式，数据通讯速率、CSMA/CA实现方式、硬件连接方式等等各有不同。这一个层次就是根据不同的要求和网络来确定不同的媒介通讯接口。在这一层中，实现了数据链路层部分，包括底层设备驱动程序和网络接口硬件。

物理层（Physical Level, 简称PHY）

处于网络通讯协议的最底层，在无线通信中，物理层负责射频传输/接收端的启动。物理数据服务有助于物理协议数据单元（PDUs）的传输/接收越过物理无线电信道。物理层的主要的流出是无线收发器的活动和释放、能量探测、连接质量说明、频道选择、清晰频道评估和越过物理媒介传输以及接收。

无线家庭控制网拓扑结构

为了本规范和IEEE定义的WPAN标准的兼容性，在PHY、MAC和网络层规范中，不提及无线通讯模块、子网网关，只使用中心节点和节点。

拓扑是网络总体结构。为满足实际应用的要求，WHCN有一种或两种拓扑：星状拓扑或对等拓扑，如图3。在星状拓扑中，通信建立在一个中心控制器和设备之间，中心控制器也叫WHCN中心节点。设备的典型应用是作为网络通讯的起始节点或者终止节点。

WHCN中心节点的具体应用是能够初始、终止或者路由网络中的通信。WHCN中心节点是WHCN的主要控制中心。在两种网络拓扑中，节点必须有独一无二的8比特地址。

星状拓扑基本结构如图3，全功能收发器第一次启动后，就建立自己的网络成为WHCN中心节点。所有的星状网络都独立于正在工作的其它星状网络。在射频通信范围内，通过选择没有被别的网络使用的WHCN标识，就可以建立一个新的网络。一旦WHCN标识被选定，WHCN中心节点允许别的设备加入网络。WHCN中心节点可以是由电力线供电，而节点可能是电池供电或电力线供电。

对等拓扑与星状拓扑不同的是：如果任何其他节点在某节点无线电范围内，这两个节点会开始通信。对等布局可以产生更复杂的网络形式，例如，网孔拓扑等。对等拓扑可以特设、自组织和自恢复，它也支持多跳跃实现信息从一个设备到另一个设备的路由。本文并不讨论这种拓扑结构。

无线家庭控制网特征概述

WHCN所有的特征都基于用户要求和无线个人域网的经验积累（Wireless Personal Access Networks，简称WPAN）。WHCN基本特征如下：

●无线模块8比特地址寻址；

●CSMA/CA方式访问信道；

●全握手协议确保传输的可靠性；

●低功耗；

●能量探测；

●联接质量指示；

●有关允许无线频道的多重通讯信道；

●本版本支持星状拓扑，将来的版本会支持网状拓扑。

家庭无线控制子网通信功能

与流程的简要说明

1.中心节点的功能与流程

中心节点是星状拓扑网络的中心点。一般情况下，子网网关的无线模块是中心节点。 在无线网络中，中心节点遵循家庭控制子网通信协议，可以与家庭控制子网设备通过无线的方式进行数据交换。中心节点是有足够存储空间的专用节点。 中心节点通过子网网关获得用户的查询/控制命令。中心节点传输关于WHCN的这些查询和控制命令并传送到预期的节点。该节点与被控设备连接。

被控设备的控制接口层对所得到的控制命令和有效数据进行数据转换，传输给此设备应用层，由此应用层得到控制此设备的相应控制命令和有效参数，此设备根据这些数据信息执行相应的动作，在此动作完成后，返回给中心节点相应的反馈信息，反馈信息指示了当前此家电的现行状态。子网网关进而把信息传递给主网关。运行状态包括事件信息和警告信息，这些信息可以发送给用户，用户产生进一步的指示和命令。

中心节点也从被控制设备接收信息，接收到的数据传输到物理层，物理层对此数据帧进行处理，得到有效载荷，有效载荷再传输给MAC层，MAC层对此有效载荷进行拆包，并判断其正确性和有效性，如正确，则得到控制命令和有效数据信息。中心节点可以决定向控制网络报告信息或转寄信息给与被控制设备相连接的其他无线节点。

在星状网络中，中心节点提供必要的网络功能如：

●连接和分离

●定时

●路由路径

2.子节点的功能与流程

无线通讯模块是家庭无线控制子网设备的核心。无线收发器称为子节点安置在每个设备上，子网网关和中心节点通过无线收发器来实现。

从功能方面来看：中心节点是全功能的无线收发器，而家电设备上的子节点是简化功能的无线收发器。无线网络通信就是这些无线设备之间的通信。

子节点是各个家庭控制子网设备的通讯接口单元。控制家电的通讯模块接收指令、数据和其它信息，并传输到物理层。物理层对此数据帧进行处理，得到有效载荷，有效载荷再传输给MAC/网络层，MAC/网络层对此有效载荷进行拆包，并判断其正确性和有效性，如正确，则得到控制命令和有效数据信息，再将它们传输给应用层和设备的控制接口。这些指令可能来自子网网关、中心节点或其他通讯模块。

此设备根据这些数据信息执行相应的动作，在此动作完成后，返回给WHCN 相应的反馈信息，反馈信息指示了当前此设备的现行状态或应答信息。当然，子节点也给WHCN传输连接设备的查询信号/反馈信息。