家庭智能网关的分析与设计

Bachelor’s Thesis

摘 要：随着人们对居住环境要求的提高，智能家居逐渐形成并发展起来。家庭网关的设计是智能家居系统的设计一个重要组成部分，它是连接家庭网络与外界网络的桥梁，是家庭内外信息交流的枢纽。本文除了简要的介绍家庭网关的功能、特点、实现形式外，还介绍了家庭网关设计的两种方法，这两种方法实现的智能家庭网关具有开发快、稳定性好、成本低、体积小、功耗低等特点。并对家庭网关技术标准和发展趋势进行了一定的阐述。

关键词：家庭网关；分析；设计

中图分类号：TP14

The analysis and design of the home intelligent gateway

Xu Xu  （Tutor：Jiang Guo Zhou）

(College of Educational Information and Technology, Hubei Normal University, Huangshi, Hubei, 435002)

Abstract: With the improvement of the living environment for people, intelligent home gradually formed and developed. Family gateway design is the design of smart home system is an important part of, it is a bridge to connect family network and outside network, is a hub of internal and external information exchange. Home gateway is not only the family to a node in the network, and the Internet into the entrance node of the family. Besides briefly introducing family gateway, this paper also gives two home intelligent gateway design method. These two kinds of method to realize intelligent home gateway has developed fast, good stability, low cost, small volume, low power consumption, is a kind of ideal solution.

Keyword: The family gateway; analysis and design

家庭智能网关的分析与设计

1 前言

近年来，我国的住宅建设产业迅速发展，对先进的电子信息技术需求迫切。在智能小区的公共智能化设施开发方面已经取得很大的进展。但是在具有小区集中互联能力和联接互联网能力的先进智能家居设备，以及适用于住宅小区的控制网络的开发方面，虽然投入的人力物力巨大，但迄今为止尚未取得实用化的成果。智能家居是信息时代和计算机应用科学的产物，是现代高科技、现代建筑与现代生活理念的完美结合。加快启动智能家居发展，必将大大推动我国实现家庭信息化进程。智能家居能够为人们提供更加轻松、有序、高效的现代生活方式，在不久的将来，没有智能家居系统的住宅肯定不合潮流。

家庭网关是位于现代家庭内部的一个网络设备，它的作用是使家庭用户连接到Internet，使位于家庭中的多种智能设备都能得到Internet的服务，或者使这些智能设备相互之间实现通信。简单的说，家庭网关是使家庭内部多种智能设备之间实现联网，以及从家庭内部到外部网络实现互联的一座桥梁。从技术角度说，家庭网关在家庭内部以及从内部到外部实现桥接/路由、协议转换、地址管理和转换，承担防火墙的职责，并提供可能的VoIP/Video over IP等业务。

家庭网关可使多个设备共享Internet的连接，同时接受网络服务，包括：家庭内部设备(比如打印机)和媒体文件(比如视频、音乐)的共享、家庭内部网络(比如无线局域网)连接、防火墙(父母控制)、IP话音业务、IPTV/IP VOD等IP视频业务、远程健康跟踪、家庭保安、家庭自动化、远程抄表作业等服务；多种业务通过单一的网络实现，可简化网络管理，降低运营成本。

家庭网关发展的驱动力主要来自两个方面：宽带Internet接入和家庭网络。 随着宽带接入的普及和家庭网络的兴起，家庭网关设备具有很大的潜在市场空间。无线SOHO路由器在北美已经比较流行，主要的设备供应商包括：D-link、Linksys、Netgear等。而许多芯片制造商也看到了这个市场，Intel、Conexant、TI、Broadcom、Motorola都纷纷推出他们的家庭网关芯片解决方案。据ABI(Allied Business Intelligence)预测，到2006年，家庭网关设备的全球年市场容量大约有71亿。

2 家庭网关简介

家庭网关在家庭内部建立统一的数据处理中心，对家庭内部数据进行管理，实现内部设备之间的信息交互；同时对外连接运营商的网络，提供家庭网络内部各设备与外部设备相互通信的桥梁。在分布式系统结构中，家庭主网关连接家庭网络和外部网络，各子网关连接家庭网络中的各子网和主网，网络结构能实现各节点信息共享。

2.1 家庭网关功能

（1）运行支持TCP / IP协议，提供HTTP服务， 可以通过网络浏览器为远程访问的用户提供服务；

（2）Internet接入功能包括路由、地址转换等等；

（3）家庭网络中各种不同通信协议之间的协议转换，以及家庭网络系统与TCP / IP协议之间的转换；

（4）运行家电管理软件，以将使用不同通信协议的家用电器都接入到家庭网络中，并统一管理起来。

2.2 家庭网关特点

● 模块化、可式设备

该系统的各个模块分别按功能设计的模块，可以选择部分功能模块安装，同时可以分步骤安装。这种功能结构不仅适合小区而且同样适合别墅安装，把家庭引入网络化环境。     

● 设备兼容、分步实施 

该网关具有很好的扩展性、配置的灵活性和易操作性，用户可面对现实，立足现在，先满足当前的基本需求，然后再根据需要进行扩展。在需要时，用户可以首先选择最具实用功能的部分，以后随着经济条件的不断改善，再购买新的模块产品并连接到该平台，分步实现高级智能家居功能。 

● 可兼顾大量存在的非智能家电 

● 方便将来需要通过电视上网的用户 

由于网络化功能强大，因而将来通过电视实现上网的家庭可以通过电视来监控家居状况。据统计，到2003年我国将近有5000万人需要通过电视实现上网。 

● 适合于智能家居的DIY 

智能家居有一个重要特点，就是要个性化定制。与选择家庭装修、家电设备、衣物和玩具一样，家庭网关模块的选配和安装也需要用户自己的参与，因此DIY将是未来智能家居发展的方向。

2.3 家庭网关实现形式

家庭网关可实现桥接/路由、协议转换、地址管理和转换、防火墙、VPN连接、QoS管理等功能，但家庭网关这些具体功能的实现还是存在不同的形式和特点。

2.3.1 SOHO路由器网关

SOHO路由器一般通过以太网或USB连接到宽带modem，然后通过它实现家庭内部多个设备之间的Internet共享。可以把它看成一个双设备的解决方案(SOHO路由器和宽带modem)，通过这个路由器可以组建起一个家庭网络(无论是WLAN或者有线的以太网)。

2.3.2 cable网关

cable路由器网关是从cable modem发展而来，是在cable modem中集成了路由功能，增加了VPN等功能，从而以单个设备实现Internet的共享和家庭网络的组建。

北美的Cable运营商正在推行一种Cable MTA(Multimedia Terminal Adapter)网关，它的特点是采用PacketCable的标准在cable上开展话音业务，称为voice over cable。

根据实现方式的不同有两种MTA：EMTA(Embedded MTA)是把voice over cable的功能集成在cable modem设备的内部，是一种单设备的解决方案；SMTA(Standalone MTA)把voice over cable的功能模块于cable modem内，使MTA出来。voice over cable与传统voice over IP的不同是：基于PacketCable的voice over cable不仅定义了话音业务的呼叫信令，还规范了QoS、安全、运营等方面的内容，比VoIP更加全面。

2.3.3 DSL网关

把SOHO路由器、家庭网关、家庭网络(无线、有线)的功能集成到DSL modem的内部，就构成了一个单设备解决方案的DSL路由器家庭网关。若再把VoIP的功能集成进来，就能更进一步而成为DSL 综合接入家庭网关。

2.3.4 数字机顶盒网关

传统的机顶盒(STB)主要用来实现HDTV、内容保护、个人录像机、EPG等功能，结合Internet以后可以实现一些Internet的功能，比如基于TV的web浏览，email业务。传统STB从有线电缆、地面广播、卫星广播得到内容，随着宽带业务的发展，IP机顶盒也将从Internet得到内容，并通过家庭网络把内容发布到位于家庭中的其他设备进行播放。随着媒体数字化和网络化发展，STB很可能成为家庭的媒体中心，成为一个集成STB、宽带modem、家庭网络hub和流媒体中心的多功能家庭网关设备。

3 家庭网关的设计

3.1基于ARM的智能家庭网关总体设计

本智能家庭网关的设计目标：设计一个高性能、低成本、 低功耗的嵌入式智能家庭网关。通过本网关可以实现对家电设备的监控，并且可以远程通过互联网Internet 实现监控功能。用户可以选择本地和远程两种方式来进行控制。

（1）在本地可以直接通过LCD 屏幕查看设备状态，并且可以通过红外遥控器输入命令，来控制设备。

（2）可以在远程通过互联网Internet 登陆智能家庭网关管理系统的Web 页面来实现对家电设备的监控与控制。

3.1.1 硬件平台的选择

要设计一个嵌入式设备，第一个需要选择的就是系统的核心（微控制器的种类）。根据本智能家庭网关对微控制器处理速度以及外围接口电路的要求，通过对比多种类型的微控制器， 最终选定了菲利普公司新出的基于ARM7T DMI-S 内核的微控制器LPC2210。LPC2210 采用ARM7 架构，具有低功耗、 高速度以及带有硬件调试功能，而且价格非常便宜，价格跟一个增强型的8 位51 系列微控制器相当。

3.1.2 软件平台的选择

考虑到系统的复杂性以及系统可靠性的需要,我们决定使用一个嵌入式的操作系统。嵌入式的操作系统有很多, 经过对比, 最终选用了稳定性好,开发源代码, 运行资源需求少的嵌入式操作系统u C/ OS。

因为要实现网络功能, 那就必须要实现TCP/IP 协议栈。有硬件TCP/ IP 协议栈和软件TCP/IP 协议栈可供选择。考虑到成本的问题, 最终选用了周立功单片机公司开发的软件TCP/ IP 协议栈—— ZLG/ IP。

3.1.3 硬件系统的设计

智能家庭网关硬件结构如图1 所示。

图1 家庭网关硬件结构图

3.1.4 软件系统的设计

在软件设计过程中，软件的分层设计是很重要的。层次的划分就是软件的架构设计，设计过程中尽量使得层次与层次之间只有一次耦合的关系，并且每层的功能要单一化。由于各个层次功能单一化，并且各个层次之间的耦合又尽量的少， 这样有利于多人分工合作开发，加快开发的进度。在设计智能家庭网关软件系统时，也采用了分层的思想。整个软件系统分为4 个部分：应用软件、应用程序接口( API ) 、 操作系统、设备驱动。每部分实现特定的功能， 并且各个层次之间只有少量的接口。

3.2 ARM的智能家庭网关的家庭网络与Internet互联子方案

3.1.1 硬件平台的选择

考虑到家庭网络通信需要的协议简单，而嵌入式系统具有体积小、专业化强、配置要求低、使用简单、实时性强、成本低廉等特点，提出一种用嵌入式网关来实现家庭网络与Internet互联的方案，采用的是LPC2210单片机和网卡TE-2008的主芯片RTL8019AS来研究单片机在以太网卡数据通信中的应用。

3.1.2 软件平台的选择

由于家庭网关解决家庭局域网络和互联网的据传输通讯的，所以系统接入互联网需要解决的主要问题就是实现TCP / IP协议，并解决数据的封装、编码及发送等问题。嵌入式网关就是把TCP / IP协议栈固化在单片机内，使单片机具有以太网接入功能的一种廉价的网络接入装置。这种方法的实现框图如图2所示。

图2 嵌入式系统接入Internet的实现框图

只要微控制器对网络接口芯片进行控制和通信,并通过自主开发TCP / IP协议栈，把标准网络技术( TCP / IP)运用到嵌入设备中，就能在网络环境下在任何时间从任何地点对它进行监控，利用传统的Web和因特网机制对远程监视数据和运行情况控制。

3.2.2硬件系统的设计

家庭网关的微处理器LPC2210单片机，负责承载网络层以上的协议及提供网络访问服务；以太网控制器芯片采用Realtek公司生产的RTL8019AS，负责物理层和链路层的协议和进行互联网的数据传输工作；和家用计算机的连接采用RS232接口有线连接，和家庭网关及各个智能控制节点的连接采用无线收发模块进行无线连接。

3.2.3 软件系统的设计

以太网控制器RTL8019AS 接口软件的设计部分是主要用来实现以太网控制器的数据发送和数据接收。程序主要分三大部分：

初始化过程

网络接口控制芯片RTL8019AS 有两种复位方法，一是可以通过把其复位引脚RSTDRV 置高为电平进行冷复位；二是可以通过读写其复位端口RSTPORI进行热复位。复位后，中断状态寄存器的RST 标志位为1，此时为离线工作状态，即不能发送或接收数据帧。为了使接口控制芯片启动并处于准备接收或发送数据的状态，需要进行一系列初始化工作。

接收过程

将RTL8019AS内置存储空间的一部分指定为缓冲环的地址空间，页起始地址由PSTART 寄存器指定，页终止地址由PSTOP寄存器来指定，页起始地址与页终止地址相邻，构成循环队列式的缓冲环结构。CURB 寄存器指向新接收到的帧存放的起始页，作为本地DMA 的写指针；BNRY 寄存器指向未读的帧的起始页，作为远程DMA 的读指针。当CURB寄存器追上BNRY 寄存器，表示接收缓冲环已满，后续接收到的帧会被丢弃；当BNRY 寄存器追上CURB寄存器，表示接收缓冲环已空。

接收帧时, 首先RTL8019AS接收网络上的数据帧, 然后通过本地DMA 通道将接收到的数据帧放在接收缓冲环中。当无错误的接收到一帧数据后,中断状态寄存ISR中的PRX标志位置为0。再通过远程DMA 通道由嵌入式微处理器将接收缓冲环的数据帧由数据总线读入存储单元。当远程DMA 读操作完成后, RTL8019AS将中断状态寄存器ISR 中的RDC 位置为0, 通过此标志位的状态可判断远程DMA 读操作是否结束。

数据帧的接收可采用中断或查询方式进行，采用查询式接收帧的程序流程如图3所示。CR 寄存器中的RD2,，RD I，RDO 这3 个位组合起来设定DMA 的有关操作。001则启动远程读操作； 010 则启动远程写操作；011则发送网卡数据包；1* * 则终止或结束DMA 的读写操作。

图3 查询式接收帧的程序流程图

发送过程

发送帧时, 发送方将待发送的数据按帧格式要求封装成帧, 再通过处理器的I/O 通道和网络接口控制器的远程DMA 通道将数据写入本地发送缓冲。当远程DMA 写操作完成后, RTL8019AS将中断状态寄存器ISR中的RDC位置0, 通过此标志位的状态可判断远程DMA写操作是否结束。然后网络接口控制器将数据帧发送到网络的传输线上, 由接收方接收。在发送完毕, 测试发送状态寄存器TSR 中的各标志位来检验是否数据帧已经无错发送完成。

发送帧的程序流程如图4 所示。RSARO 和RSAR I寄存器是用来指定远程DMA 写操作时数据存放的缓冲区首地址。远程字节计数寄存器RBCRO和RBCR l用来指明本次远程DMA操作时传输数据的字节数。

图4 发送帧的程序流程图

4 家庭网关技术标准

4.1 国内外家庭网络标准发展近况

家庭网络处于不断发展的过程中，家电/IT行业与电信行业对于家庭网络的理解和发展思路也不一样，因此无论国际和国内都有很多从事家庭网络标准化的组织，标准不统一。

  中国正在制订家庭网络相关标准的组织主要有3个，分别是信息设备资源共享协同服务标准工作组(IGRS)、e家佳和中国通信标准化协会(CCSA)，目前都已有了一些研究成果。为了提高中国在家庭网络领域自主创新的能力，进一步加快中国家庭网络的标准化进程，3个标准化组织应该打破行业壁垒，加强合作，实现优势互补，以合作共赢的态度研究中国自主的家庭网络标准。

4.2家庭网关应用程序栈

家庭网关的应用程序栈实现了家庭网关的核心功能，这些应用程序栈主要包括以下功能组件：

(1)基本网络通信协议栈：路由、桥接、地址管理(DNS、DHCP、NAT)、QoS管理(基于类的QoS、RSVP)、安全(VPN、IPSEC、firewall)、远程管理和系统管理(SNMP、远程软件升级管理、HTML UI、Upnp)。

(2)voice over IP(H.323、SIP、MGCP)，voice over DSL(DSL论坛BLES)，voice over cable(PacketCable)的相关软件子系统。

(3)音频/视频的流媒体传输(RTP、RTCP、SDP、RTSP)和服务方面的软件子系统.

家庭的网关的软件模块均建立在相应的开放标准(IEEE、IETF RFCs、ITU)或行业规范(DSL/ATM论坛、Cablelabs PacketCable、UPnP论坛)之上。

4.3 家庭网络标准的发展趋势

 必须看到，尽管家电/IT行业与电信行业对于家庭网络的理解和最初发展的思路不一样，3个标准化组织的研究领域也不重叠，但家庭网络仍处于不断发展的过程中。从发展趋势来看，两个行业的理念在相互借鉴，相互融合，其最终的发展目标是完全一致的。家庭网络最终将发展成的目标是：家庭网络不仅仅是一个为了完成家庭内部各种设备资源共享、协同工作的网络，还能通过与外部网络(电信网/Internet/社区网)的连接，实现家庭内部设备与外部网络信息交流的目的，通过丰富多彩的业务和应用使用户享受到舒适、便利、安全的新的生活体验。

 因此，随着家庭网络概念的不断发展以及对其研究的不断深入，中国家庭网络三大标准化组织的发展将最终殊途同归，其标准化的研究领域将会出现必然的重合。为了提高中国在家庭网络领域自主创新的能力，加快中国家庭网络的标准化进程，进一步提升中国自主标准的层次和质量以及在国际上的地位和影响力，三大标准化组织应该打破行业分割，加强合作，实现优势互补，各尽所长，携起手来以合作共赢的态度研究中国自主的家庭网络标准。

5 家庭网关发展趋势

4.1 市场发展预测

数字化和网络化技术也正在改变着传统的家庭生活和娱乐方式，随着家庭网络技术的成熟，必将在不久的将来兴起一场数字化、网络化家庭的。

Internet服务和丰富的数字媒体将更快更好的渗入到每个家庭，并通过家庭网络传播到每个房间、每个设备，从而改变人们的生活和娱乐方式。

SOHO路由网关是一个的路由器设备，它一方面连接宽带接入modem，另一方面组建一个家庭的网络；宽带modem网关是在宽带modem的内部集成了家庭网关的功能(桥接、路由)，宽带modem网关的具体表现形式和组网结构就如上面所说的DSL路由器网关和cable路由器网关；多业务网关同时提供话音、视频和家庭网关的功能；专用家庭网关只提供某个专门的网关功能，比如家庭保安、自动化等。

Parks Association在对家庭网关进行以上分类的基础上，对家庭网关的市场发展进行了预测，结果表明：家庭网关将从SOHO路由器网关和宽带modem网关，发展到STB网关、多业务网关，最后到全家庭网关。同时它预测了到2005年底，以媒体网关为主要功能，并包含了其他家庭网关功能的STB网关将占据所有家庭网关市场的53%。

4.2 国际DLNA标准

早在几年以前，Intel就提出“数字家庭”的概念。“数字家庭”其中一个目标就是要把PC域和CE域有机的结合起来，充分利用PC强大的管理、存储和处理能力，并结合CE的舒适性和易用性。使数字化的媒体内容可以灵活方便的在众多的设备上进行分享，达到“任何地方、任何时间、任何设备”的目标。并创造出多种多样的创新用例，以满足人们的需要，提高人们的生活质量。

2003年上半年，英特尔就带领包括微软、索尼、飞利浦、富士通、Gateway、惠普、Intel(英特尔)、IBM、健伍、联想、Matsushita Electric(松下)、NEC CustomTechnica、诺基亚、三星、夏普、STMicroelectronics及Thomson等17家业界领先的消费电子、计算机和移动设备公司，发起并宣告“数字家庭工作组”(DHWG)正式成立。

DHWG专门致力于简化网络消费电子、移动设备和个人电脑等设备间的数字内容共享，如数字音乐、数码照片和数字视频等。众多的工业标准自身并不能始终确保各种设备间的互操作，数字家庭工作组建立的互操作性框架和技术设计准则将为开发多品牌产品和解决方案提供指导，从而使它们彼此之间能够更好地配合工作。工作组的目标就是制订一套指导准则，并在未来12个月内开发出第一款符合该标准的产品。

2004年，这个组织改名为“数字生活网络联盟”(DLNA)，其目的一方面是把这个行业组织所覆盖的范围从家庭拓展到整个数字化生活的各个领域，另一方面也想表明，该组织的研究工作已经有了成果，不再是一个工作组，而是一个联盟。DLNA v1.0的标准已经制定完成，目前正在进行v2.0版本的制定工作。在v2.0版本中，主要集中在远程用户接口和数字传输内容保护方面。

4.3 国内闪联标准

“闪联”是由信息产业部主导，国内IT五巨头(联想、长城、海信、康佳、TCL)发起成立的“信息设备资源共享协同服务标准化工作组”。工作组的任务是在信息技术领域内，通过开发IGRS(信息设备资源共享协同服务)协议，在有限范围网络域(有线、无线)内，支持多种信息设备、家用电器、通信设备之间的设备自动发现、动态组网、资源共享和协同服务，从而提高这些设备间的互操作性和易用性，并创造出新的应用模式和丰富的应用。

闪联的目标和技术策略实际上与DLNA是基本相同的，不同的是闪联是中国自己的行业联盟。在中国市场上推起一个属于自己的标准，并且使这个标准成为未来国际产业标准一个重要组成部分。

根据五巨头共同描绘的未来蓝图，一旦这个标准成为现实，那将意味着，所有信息设备之间将实现“互通互联”，不同企业的产品都将归纳于一个体系之下。通过这个标准，用户可以利用电视，方便的收看掌上电脑、手机、或者数码相机上的图片，实现双向式的互动，利用手机和音响的结合可以欣赏美妙音乐，利用电脑和手机的配合方便的实现诸如电话号码同步更新，在编辑收发短信的时候也完全可以借用身边计算机的键盘完成这个功能，而不用再登陆网站或用手机键盘实现这样一个发送过程，同时ＰＤＡ产品与投影结合，以及计算机与打印机间的相互使用也都可以实现。闪联最终的愿景就是让用户摆脱具体物理环境和设备的约束，让计算无处不在，让信息随时、随地、随意可得。

制定这样的标准的重大意义还在于，国内企业看到了新的市场和技术所带来的新机遇。通信、信息、娱乐等技术迅速成熟并开始融合，同时这种应用模式也是构成下一代互联网应用框架的重要组成部分，也是产业发展到一定阶段的需要，因此，必要的技术规范对促进新的产业模式的形成和快速发展将起到非常重要的作用。

5. 参考文献

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学士学位论文（设计）答辩评审表

注：所有表格内的填写内容中文字体为小四号宋体，英文为小四号Times New Roman，行距1.25。