信息家电研究论文

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1信息家电集锦

11可访问互联网的移动电话

新型多频手机内带有符合WAP（无线应用协议）的微型浏览器。WAP是一种新的通信标准，通过使用它可使移动电话能够直接和Internet连接，把网页缩小到在移动电话的显示屏上进行显示，真正实现把互联网装进口袋里。另外，它可以通过Modem和红外线接口与电脑相互通信。此外还有带个人记事本功能、基于Java的双频手机，机内的数据可与PC同步。

微软公司推出了一种采用WinCE操作系统的移动电话原型。这种手机带一个彩色显示屏，还有一个可移动光标的指点装置，可浏览任何用HTML语言编写的网页。它能以文字、电话、录制的语音文件或传真四种方式回复电子邮件。12具有自学习与记忆功能的厨房家

1999年由英国推出的智能冰箱，通过条形码扫描仪来对储存和消耗食品进行登记，同时一个13″的彩色显示屏可向主人显示食品的保质期，还会提醒主人储存的牛奶等食品是否已快吃完，能将需要重新购买的食品列成购物清单，以方便主人购买。还有在其门上嵌入触摸屏和计算机并连接到互联网的网络冰箱。网络微波炉可以从网上下载烹调信息自动烹调菜肴，还可在做饭过程中随时与朋友交流经验，记忆和改进烹调食谱。空调可以在主人回家前半小时自动启动。装有电脑标签的衣服在放入洗衣机清洗时，标签能够告诉洗衣机应当用那一档速度进行清洗。各种智能家电除可通过电话线与因特网相连，上网发送电子邮件，也能用来进行电子购物。网络家电可以方便地从网站下载新的程序、菜谱和其它新的功能，或根据自己的爱好编制新的程序。"厨房电脑"正在逐步形成。

13普及型电脑

作为移动信息产品的掌上电脑(PalmsizePC)或手持电脑(HandheldPC－HPC)，均是小巧型计算机产品，其特点是能够不受线缆的影响而能随时随地进行声音和数据通信。硬件方面最关键的技术在于RISC(精简指令集计算机)核心芯片，如日立公司的SH3或MIPS公司的R3000，目前多为32位，主频133MHz，软件方面则主要由操作系统和应用程序两部分组成。操作系统主要是微软公司的WindowsCE和3Com公司的PalmOS。典型的掌上电脑除RISC处理器外，内置16MBSDRAM内存16MBROM(均可通过CF卡扩展)，以及56kV90高速Modem卡，可以方便地接入Internet网络，可以播放电影中的MP3以及处理数字图像。该类电脑中还有个人上网接入设备WebPAD、瘦客户机、低端掌上电脑PDA等不同类型。

14机顶盒

机顶盒STB(SetTopBox)是一种简化的没有硬盘的计算机，利用用户的电视机作为显示设备，通过拨号连接互联网，进行网页浏览和电子邮件功能。同时配备有红外无线键盘和遥控器，形成交互式电视系统，向用户提供集互联网接入，交互式电视影像和声音、数字视频录像为一体的多媒体服务技术。因机顶盒使用EEPROM或FLASH这两种存储器来记忆数据，因此能实现电源关掉后保存数据，而且可以反复擦写。

机顶盒与PC在结构上没有很大的区别，二者都是以微处理机CPU为核心的应用系统。但机顶盒只需要完成上网、播放VCD、玩光碟游戏这些特定的功能。机顶盒的数据及电视节目通常可通过电话线、有线电视电缆(CATV)、VCD／DVD播放机、直播卫星DBS(DirectBroadcastSatellite)这4种通道来接收。低价位型机顶盒可以奔腾266MHz处理器、声卡、56Kbpsmodem、USB接口、21GB硬盘配置构成，它没有显示器、软驱及光驱，可用于文字处理、上网、收发电子邮件，不带Windows。新一带电视顶置盒，则可是运行速度达175MHzMIPS的64位处理器，联网速度为56kbps，支持最新的互联网技术标准。图1示出了STB的连接功能及其内部结构框图。同时，高档STB将会促使PC与TV相结合。15交互式电视

传统的电视观众只能被动地接收电视台播放的节目。之后的个性化电视，不仅能将观众感兴趣的电视节目送入电视机顶盘，而且还能根据客户的个人信息及条件发送特别的广告。交互式电视则在个性化电视的基础上又增加了交易功能，实现了电视购物(TCommerce)，它能对不同客户推出不同的商品和广告，从而大大地方便了客户，使客户与商家的关系亲近了许多。发展交互式电视的目标是创建一对一的模式，实现与客户的动态对话，包括将信息传送给用户、交易和服务三个步骤。

在交互式电视方面，NDS公司的XTV技术能将大量的数码内存存储到机顶盒或数字电视中，使电视观众不受节目播放次序的限制，自由选择收看。此外，宽带多媒体交互电视已由Marconi、Motorola、Oracle、SGI和ViaGate五家公司(以下简称MMOSV)联作合手开发成功。创造了一套完整的面向交互式电视(ITV)和数字视频流市场的端到端商务和技术解决方案，将先进的计算机硬软件融为一体，从而使用户方便地改变其电视界面和内容，并可从播放的列表中选择视频内容，或使用Web浏览器从Internet上查找信息、玩电子游戏等。

151ITV的应用对象主要集中于家庭用户

它由以下三部分组成：

(1)服务中心--包括硬件平台(视频服务器)及视频服务软件，主要提供数据流。

(2)网络传输系统--由ATM宽带网(主干网)和用户接入网(ADSL、VDSL、Cable等)两部分组成。

(3)客户终端--机顶盒接入方式及PC接入方式。

152MMOSVITV解决方案及其特点

(1)Marconi的ATM网络交换机将内容送入用户家里。它提供(可以传输声音、图像和数据)的宽带网访问交换机，其ForeThoughtInterlligentInfrastructure软件，可实现网络的预测性控制和管理。通过该软件作为一种解决方案可最大限度地利用分布宽带网。

(2)用户终端采用MotorolaStreamaster机顶盒，接收信息流并将其送到用户的电视机上。在Streamaster上运行的一些特定应用程度，可以支持用户使用系统的个性化。Streamaster完全支持Web浏览器以及基于Web的应用程度，此外它还支持在线游戏，并且选装DVD影碟机和经过集成的硬盘驱动器。ITV配置的特点就是必须满足用户的需要。围绕交互式视频娱乐传输的各种服务是关键。

(3)软件部分采用Oracle8i数据库和Oracle的视频服务器(OVS)，将内容分配到网上。OVS具有一些与众不同的特点，包括具有可视化的快进和倒退、个性化的视频流、专有的实时RAID以及可以传输大量格式的能力。OVS还具有一种基于服务器的服务的功能，允许用户录制实况电视，同时在进行实况视频传送时还可提供全VCR式控制键，以达到经济地管理和存储数据的目的，从而使ITV解决方案的配置能够吸引用户。

(4)采用SGIorigin硬件服务器平台来储存视频内容。并且有可扩展性，可做到无缝升级，最多可扩充到256个CPU，同时提供2000路并发视频流。由于此产品采用模块化设计，使扩容变得非常容易。只要添加网络接口模块，就可增加带宽；添加磁盘控制模块和磁盘，就可增加存储容量；软件服务器解决方案也同样容易扩展。无需进行重大修改。

(5)ViaGate的VajetA400调制解调器和ViawayA406住宅网关接收内容并将其送到用户的机顶盒。

16带硬盘的电视机或家电硬盘的普及化将使每个家电都可成为家庭网络智能节点。特别是称为超媒体(Hypermedia)互动式电视的维纳斯电脑，是人类网络时代的信息家电，可作为来自PC、TV、DVD、Internet(宽带Cable、ADSL、DDN、LAN、PSTN)各种信息的综合平台，它无需键盘，以手写可使用电脑；可打IP电话或开可视会议；可作DVD播放器，也可移植上千种Windows游戏，可一遥控器上网，选择网站就象选择电视频道一样方便。

在维纳斯(Venus)和Microsoft的TV平台策略中，MicrosoftTV1.0和MicrosoftTV2.0引人注目。MicrosoftTV1.0采用WindowsCE操作系统，有TV浏览器和广播服务功能，有路图(Roadmap)功能。MicrosoftTV2.0的特点是家庭上网能力，有1394、HomePNA、μPnP等方式，并可在家庭网络上分配视频，有宽带数据共享，兼容世界的各种数字电视(DTV)标准，如ATSC、DVB、ARIB等，有全部的IE浏览器功能。

2信息家电平台体系

信息家电平台的功能主要有：

(1)接收并播放数字视频节目；

(2)支持多协议的Internet功能，具有良好的Web性能，使家中设备良好地实现Internet共享；

(3)支持多家电网络协议的家庭网络控制中心功能，提供足够的宽带通信服务接口，同时还应当能够对家用电器实施各种有效的控制机制。

(4)具有家庭信息服务器的功能，为家庭事务管理提供必要的数据服务，最终完成家庭购物、办公、交互教学、视频点播等全方位应用。

根据信息家电平台的功能，相应的结构框图分为控制子系统、数字处理子系统、接口子系统、用户／扩展接口子系统。IBMRedwoodⅢ数字信息家电平台的硬件结构是以ROMEO为处理器的单芯片方案。ROMEO芯片内有MPEG2传输流解复用器，DVB(DigitalVedioBroadcast)通用解扰器，MPEG2视频解码器，NTSC／PAL编码器，PowerPC401D2RISC内核，用于DRAM、FLASH、SDRAM等的外部总线接口单元，以及GPIO(GeneralPurposeI/O)、16550串口、1824并口、IC卡、IRDA遥控器、Modem、时间控制器(Timer/PWM)、I2C接口等8种外设接口单元。

3信息家电的硬件平台结构

Internet技术的快速发展得力于PC机的硬件平台和软件操作系统高度标准化，因此人们用来上网的方式也大同小异。然而，对于各类家用电器或智能装置情况就不同了，它们的"心脏"是一颗被称之为微控制器的单片机芯片，世界上制造微控制器芯片的厂商众多又缺乏统一标准，从而使得这些微控制器的硬件结构和指令系统各不相同，造成各类家用电器或智能装置无法象PC机那样通过标准的硬件接口及接口软件直接接入Internet网络。必须采用其它的途径。

31Webchip

实现信息家电的方法之一是在家用电器中内置一块Web接口芯片Webchip，将其作为智能装置连接到Internet网上的"桥梁"。Webchip是独立于各种微控制器MCU的专用网络芯片，通过标准的输入输出口，可与所有的微控制器相接。这样，微控制器可以通过Webchip接收并执行经由Internet远程传来的命令，或将一些数据交给Webchip发送出去，这样就将Internet技术延伸到了一个更广阔的应用领域。可以说，Internet使21世纪的地球披上了一层"神经网络"，Webchip则使这个"网络"中的"神经末梢"不再仅仅是清一色的PC机，而是增添了无数的智能终端。

家用电器中的微控制器是微处理器CPU芯片并集成了若干外围电路的单片机，它们的运算速度和系统资源根本无法运行复杂的Internet网络协议TCP／IP。事实上，各类家用电器接入网络只需要传送简单的命令或数据，并不需要复杂的功能，但实现成本要低。Webchip既能满足这些功能又有最低的价格，因此是连接家用电器与Internet的理想桥梁。家用电器采用Webchip接入Internet的网络结构如图2上半部分所示，Webchip通过标准的SPI串口与家用电器的单片机相连接，又通过一个称之为Gateway的网关与网络连通。这样，冰箱、空调、洗衣机、微波炉、电饭煲和电热器等各种家用电器只要在其中内置一块Webchip就能将它们连接到Internet网，实现智能化，这将带来二方面的好处。一方面，使用者可通过手机、个人数字助理和PC上的Web浏览器对它们作远程控制；另一方面，家电制造商可通过Internet对售出的产品进行监控，如果出现故障，它们会自动发出维修请求信号，并指出故障部位，从而使售后服务更为迅捷。Transmeta公司推出的神秘芯片Crusoe，以其优异的性能和极低的耗电量在信息家电领域引起轰动。

32嵌入式芯片

在消费类电子产品中，将嵌入式CPU芯片嵌入到各类设备中，是单片机技术与消费类电子产品技术充分结合的一种表现形式。同时也将嵌入式操作系统固化在其中，通过运行针对系统编写的应用程序来对装有嵌入式芯片的设备进行控制和管理，以使该设备具有相当的智能。要想将Internet上的TCP／IP通信协议移植到以MCU为核心的嵌入式系统上，最理想的解决方案是采用嵌入式Internet网络技术。这种网络结构如图2下半部分所示。

与Webchip方案类似，嵌入式Internet网络中有一个被称为EmGateWay的网关，它可以是一台以Windows操作系统为平台的普通PC机，它支持复杂的TCP／IP协议并能提供http服务，从而允许客户通过网络浏览器来远程访问它，这使得它象Internet服务器；另一方面，EmGateWay通过RS232、RS485、现场总线CAN等轻量级网以及Modem、RF、IrDA等方式，将多个嵌入式设备或智能家电连接在一起，并担当TCP／IP和下级网之间有关协议的转换任务，这又使它像Internet网关。EmGateWay及其相关技术已是一个标准化了的技术，全球著名的Motorola、AT＆T、Philips、Hitachi等厂商都已宣布支持这一标准。

同样也需有网络芯片iChip，用于解决EmGateWay与嵌入式设备间的连接问题，iChip是一个低成本的8位或16位芯片，其内部固化了能技术各种轻量级总线网络协议的软件，它通过标准的SPI串口与嵌入式设备或智能家电的MCU相连接。当你在远方通过Internet向自己家中某个智能家电发出一个控制命令时，信息通过电话网、EmGateWay和iChip传达到这台智能家电，它只需遵命行事。如果这台智能家电要向维修中心报告一个故障命令，这只需将信息发送给iChip，其它的事则由iChip、EmGateWay和Internet来完成了。

决定信息家电功能和性能的主要因素在于它所使用的操作系统。微软公司推出了可裁减、可定制的嵌入式操作系统开发平台WindowsEmbedded,专门为嵌入式应用提供灵活方便的开发工具。最新推出的有WindowsCE3.0、WindowsCEPlatformBuilder3.0和Windows2000ServerApplianceKit等。另外，Linux这一自由软件的明珠已经相当成熟，在桌面和服务器领域足以和Windows相抗衡，Linux的最大特点是它的源代码是完全开放的，除价格极为低廉外，它支持大多数常见的CPU,其中包括广泛用于信息家电的MIPS和StrongARM在内。现在使用嵌入式Linux的信息家电产品，无论从功能和价格上都可以使用WindowsCE或Palm的同类产品相比美。同样，MobileLinux的推出更激起人们对用于信息家电嵌入式系统的热潮。网虎Xlinux公司开发出100K字节级的嵌入式操作系统QUARK(夸克)和总容量不到2MB的嵌入式Linux，已经在Intel公司新推出处理器芯片StrongARM上获得成功的应用，从而可让用户随心所欲地上网了。

33单片系统芯片(SOC)

真正的SOC虽然还没有登场，但已在姗姗走来。SOC在一片硅片上集成有CPU和高密度逻辑电路，再加上模拟和混合信号电路、存储器和通信电路，有的SOC甚至还包含电子学以外的功能。

为了对高度复杂芯片的设计进行验证和仿真，推出了虚拟逻辑仿真器VLE(VirtualLogicEmulator)和VStation验证站(Verification)。虚拟逻辑仿真器VLE与相应的软件结合，可提供全面的仿真测试，包括存储器模型、同步时钟有效性模型、自动分割、仿真模型的快速编辑、以及对全部内部和外部信号的分析。VStation验证站可对多达数百万个门的高复杂电路的设计进行验证，它既可以用作传统的电路级仿真器，也可作为电路级与模型级混合使用，是一个崭新的验证平台。

4信息家电平台内部联网接口方案

家庭内部网络接口的媒体层方案是家庭网络快速发展道路上最迫切需要统一规范的方面。直接关系到用户的实际使用和安装。

41IEEE1394

IEEE1394是一种用于信息家电和个人电脑互联的通用串行数字化接口，定义了介质拓扑和传输协议，主要侧重于线缆连接应用，是一个硬件和软件集成标准。该标准具有完全的数字接口，无需模拟／数字的转换，减少了数据丢失率；支持热插拔，用户可以在总线有效状态下插拔1394设备；具有传输速率可升级体系，100／200／400Mb／S可在同一总线上依照应用特性随时变更；具有灵活的网络拓扑结构，支持链形、树形的多级桥连；同步通信方式可用于多媒体数据传输，异步通信方式可用于控制信号传输。

42HomePNA

HomePNA是一种基于电话线解决家庭中电脑和设备之间通信的网络解决方案。支持Internet访问，支持接口协议V90、ADSL和CableModem，家庭信息设备通过网络共享数据和服务，可通过系统的调整和改善使电话线的速率达到IMb／s。但HomePNA的方案尚在制定中。

43SWAP

SWAP提供一个开放的家庭信息平台，使各种可互操作的消费电子设备进行无线的音频和数据通信。以建立一个家庭无线网络。主要是利用PC在家庭的主导作用来分配和TCP／IP协议信息，解决家庭网络问题。

44兰牙(Bluetooth)技术

Bluetooth是目前发展最为迅速的无线通信协议，它是一种通过无线短程链接传送语音和数据的技术开放性标准，适用于静止或者运动的环境。其目标是用无线替代电话和笔记本电脑等设备的互连缆线，使网络更易于使用。技术特点：工作频率245GHz，通信半径10m，可以延展到100m，传输速率IMb／S，设计适用于多种频率的环境，使用前向纠错(ForwardErrorCorrection)限制远程链接的频率干扰。其组成包括语音单元，无线单元链接控制模块、链接管理部件和软件单元。

5信息家电平台的外部联网方案

信息家电的迅速发展会使得1／3以上的因特网终端不再是PC机，但是却不会完全取代PC机的，相反，它需要通过一台PC机来将各类信息家电组成一个易于管理的网络。在由此构成的智能住宅中，所有的家电都具有联想和交换信息功能，并自动执行操作程序，如下雨时会自动关窗。阳光暴晒时卷帘会自动下落，家里没人时暖气会自动调低，出现紧急情况还会自动报警。将家庭内部网络与户外现存的各种网络互联可以采用有线或无线方式，有线方式有Modem、CableModem、xDSL技术、数据广播技术等，无线方式有WAP、LDMS(局域性多点分布服务)等。

51有线CableModem方式

CableModem方式是信息家电平台外向联网最具潜力的方式，主要采用OAM信道调制方式。CableModem有IEEE802.14和MCNS－DOCSS两种标准体系，前者的物理层支持IEEE的ITUAnnexA／B／C、64／256QAM，介质访问子层支持ATM；后者MCNS－DOCSS的物理层支持ANNEXB，协议访问层支持变长数据包机制。CableModem的接口部分包括10／100／1000Base……T以太网卡、外部通用串行总线Modem。

52利用无线技术进行家庭网络接人

上行通道多采用模拟调制解调器，通过标准SLIP／PPP联接到本地IP，实际速度根据调制解调器速率而定。其中LDMS是一种双向的数字式广播系统，主要利用地面设备进行数据收发。LMDS使用G波段，由于频率高，所以采用集线站和网络中心的转发器传输数据。这个通信中心的作用是处理所有的路径选择、线路交换以及桥接到Internet上等一些问题。虽然LMDS不是一个完全的交换式网络，但是它可以建立虚拟的点对点连接，正如其他高速访问方案一样，LMDS也是非对称的系统。

6信息家电平台软件体系

信息家电平台的软件总体结构可分为设备驱动层、基本操作系统层、逻辑资源层、中间件运行环境层和应用层。

61设备驱动程序层

设备驱动程序层是根据信息家电平台不同操作系统的设备驱动规则，为应用程序提供透明的、规范的控制机制所采用的软件接口。由于信息家电平台的CPU厂家众多，各种平台的结构存在差异，给编程带来较大难度。

62基本操作系统层

基本操作系统本身是一个完整的操作系统，可以直接为应用程度和上层软件提供核心服务，应用程度可直接调用其功能，基本操作系统层的调用界面遵循POSIX系列标准，以保证应用程序有良好的可移植性。目前的嵌入操作系统有WINCE、Linux、PSOS、OSopen、QAX等，嵌入式操作系统应当完成普通操作系统的大部分功能，如进程管理、线程管理、内存管理、设备管理、文件系统等。

63逻辑资源层

处于这一层的软件均为可选择安装的模块，可以根据特定的环境来选用。这一层中常用的模块有以下几种：(1)TCP／IP模块：该模块一般是必需的，因为TCP／IP协议是访问Internet的基础，也是管理Jave设备的前提。(2)界面系统：信息家电的硬件平台不同，显示设备也大不相同。它们可以是液晶字符显示板或者是高分辨率的彩色显示器，而有的甚至不配备显示器。针对这些情况，信息家电平台的界面系统也应该有多种形式，提供图形窗口系统、字符窗口系统、行字符系统等。

(3)文件系统：在信息家电平台，将文件系统从基本操作系统中分离出来，作为一个单独的模块，这样就给了用户较大的选择空间，用户可以根据兼容性或其他方面的需要选择不同格式的文件系统，如FAT、FAT32、NTFS、CDFS、I节点等。

(4)中文环境：中文环境主要完成中文的输入、处理和显示。一般包括汉化内核、移植现有的中文字库、移植现有的中文输入法、汉化重要操作系统的运行库。

64中间件／运行环境层

中间件技术是信息家电平台软件的关键环节，目前的HAVI、Jini、UpnP(UniversalPlugandPlay)、JavaTV等家庭网络方案的技术实质，就是基于中间件概念来完成应用功能的。中间件／运行环境层是介于应用层和操作系统层之间的虚拟机，为应用程序提供一个相对统一的开发环境和运行环境，以便于应用程序的开发移植，一般插入Pantalk、Jave、HTML、MHEG5等的解释器，同时可管理各种厂商制定的连接网络，并将它们映射到一个统一的管理网中。

65应用层

目前的应用层以JavaTV或其他基于Java的应用开发平台为主，其他非Java平台的厂商也正在进行Java应用的嵌入，以便于实现众多的网络@应用。

7家庭内部网络协议层方案及标准

UPnP、HVAI.Jini、是目前家庭内部网络的较有影响的协议层规范，世界许多著名厂商已加入到这几个标准中。对今后信息家电平台的整体应用的框架有较大影响。

71UPnP技术

UPnP扩展了PnP简单自动的原则，通过使用开放式的硬件软件标准和协议实现家电设备网络控制。UPnP技术的特点：

(1)支持发现和列举具有网络和服务功能的设备。

(2)支持对等(PeertoPeer)模型结构，在无PC参与下使设备可以直接为其他的设备发现并使用。

(3)扩展了协议功能发现机制，能够列举每一个设备的独特特性，包括通信协议。

(4)建立在一个低成本的微处理器ASICS上，只需IGB的RAM和闪存以及其他很少的系统资源。

(5)基于XML的描述原则提供了一种直接、灵活的方式实现设备的功能，不必为新加入的系统资源支付额外的开销。(6)支持现有的重要工业标准，如TCP／P、HTML、XML、HTTP、DNS、LDAP等。

72HAVI体系

HAVI体系是关于家庭网络中音频／视频电子产品互联和控制方面的标准，它建立在IEEE1394底层协议的基础上，主要实现HAVI设备之间的数字音频／视频内容的传送以及对该内容的操作，如播放、录像、回放。典型的AV内容由信息家电平台接收的数字电视和由录像机、数字相机、CD或MD产生的内容。互操作性是HAVI标准的主要特性，一个HAVI设备上的应用软件可以探测到并使用联入HAVI网络上的其他设备提供的功能。HAVI体系充分利用IEEE1394为传输媒介，没有选择IP作为HAVI协议中的网络协议。一旦IETF(InternetEngineeringTaskForce)完成了IP数据在IEEE1394上传输的规范，HAVI就可以通过信息流管理机制处理它们，如同现在HAVI通过IEEE1394处理MPEG信息流一样。

73Jini技术

Jini由一系列Java代码组成，它把网络上的各种设备和各种软件组合成一个动态单一的分布式系统，使网络更易于操纵和管理，具有更高的可配置性。Jini系统可以看成是一个工作组，规模可大可小，也可以把几个Jini系统联合成一个更大的系统。