CN101312422B - 一种基于总线方式的家庭网关子系统以及数字家庭系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种家庭网关子系统，该子系统包括：主机设备，用于将外部网络接入家庭内部，以及基于数字总线方式对家庭内部各信息家电进行控制；用户操作设备，通过数字总线接口与主机设备进行通信，提供各种用户操作接口和控制单元。本发明还涉及一种数字家庭系统，该系统包括：家庭网关子系统，通过IP接入与外部通信网相连；家庭网关子系统包括：主机设备；用户操作设备，通过数字总线接口方式与主机设备进行通信；多个无线信号收发器，与家庭网关子系统主机设备相连。本发明提供的家庭网关子系统以及基于该家庭网关子系统的数字家庭系统实现了基于数字总线方式对家庭内部各种家电进行控制，内部的所有信息家电都是主机模块的计算机外部设备。

Description

一种基于总线方式的家庭网关子系统以及数字家庭系统

技术领域

本发明涉及一种基于总线方式的家庭网关子系统以及数字家庭系统，尤其是一种基于总线方式，在外网和内网之间进行信息传递的，由主机设备和用户操作设备构建而成的家庭网关子系统；以及基本由家庭网关子系统和家庭内部无线USB收发器构建而成的数字家庭系统。 

背景技术

随着网络技术与信息家电产业的发展，使得原有单纯的家电设备可以与网络连接，从而产生了信息家电，也叫做网络家电。 

家庭中家电设备与互联网连接必须要通过家庭网关，现有家庭网关装置有三种形式：第一种是机顶盒，主要是实现对电视机的控制。第二种是计算机。第三种是通信网关，主要负责家庭外部接入和内部联网，对信息家电设备的控制能力弱。 

现有的信息家电可以单独通过家庭网关与互联网连接，也可以将多个家电统一的通过一个家电网关与互联网进行通信。如果将多个信息家电与家庭网关连接，并通过家庭网关进行统一的通信管理，便构成了数字家庭系统，现有的家电系统主要是通过局域网的方式，每个家电设备就是台小电脑，由于IPv4地址有限，一般设备IP都是私网地址，即每个家电设备都会有一个IP地址，当各个信息家电与外部网络之间的IP通信，需经过家庭网关的NAT处理，这种处理比较复杂，而且采用了TCP/IP协议栈后，家电成本较高，每个家电设备都需有处理器来处理通信。 

因此，现有的家庭网关及数字家庭系统存在以下缺陷： 

1)现有技术中，很多家电设备采用独立的家庭网关与互联网进行信息交互的，例如：电视机顶盒，它是针对电视机的专用网关设备，对其他家电的控制管理能力较弱。这种方式不便于家电设备的统一管理。 

2)在现有技术中的数字家庭系统中，网关设备与外部通信网的通信需经过家庭网关的NAT处理，然后再发送给信息家电。这种局域网的通信方式对 于家电系统来说并非必要，加重了家电设备和网关设备的负荷，并且不利于信息安全管理，具体来说： 

例如，该控制指令是用户通过移动终端发出的，如果信息家电对于移动终端发来的指令进行较强的安全认证，则增加了信息家电的计算开销，相应的将增加成本。如果信息家电对于移动终端发来的指令所进行的安全认证不够强，这样虽然节省了开销，但降低了安全性，对家庭信息的安全构成隐患。 

3)另外，对于家庭网关本身来说，用户操作所需的光驱、USB接口等一般都直接设置在家庭网关的主机设备上，用户操作不太方便。 

某些家庭网关可提供外置式的光驱和USB接口，增强了用户操作的方便性，但这些外置式的光驱和USB接口必须采用专用的线缆(如USB线缆、PCI-E接口线缆)与主机设备相连接。另外，现有家庭网关的键盘和鼠标要么必须采用信号线缆(如USB线缆)与主机设备相连接，要么必须采用无线接口(如蓝牙、红外线)。 

对于采用信号线缆与主机设备相连接的方式，若用户需操作设备(如通过USB接口、串口、并口连接的设备，例如：键盘、鼠标、光驱、小液晶显示屏、扬声器、耳机麦克插孔、仿真电话机(由仿真叉簧、仿真电话手柄、仿真电话机键盘组成))与主机设备之间有一定距离，则用户操作设备与网关主机设备间的连接线缆不便于部署，例如：主机设备置于放电视的墙面一侧，而用户需操作设备置于另一侧放沙发墙面，考虑到美观和操作方便的因素，很难进行部署。 

对于采用无线接口与主机设备相连接的方式，对于外置式的光驱和USB接口，与主机模块之间的通信速率要求较高(10Mbps以上)，若采用WLAN或蓝牙的方式，则与附近的其他同频段或相近频段的无线设备之间存在无线干扰问题，可能造成数据传输速率和质量的降低。 

某些采用无线接口的外置式的光驱和接口装置需配置电池，其充电次数达到一定数量之后，待机时间和通话时间都将明显缩短。若更换电池，则增加用户的使用成本、增加资源消耗。 

发明内容

本发明的第一目的是解决现有技术存在的缺陷，提供一种基本由主机设备和用户操作设备构建而成的，基于数字总线的家庭网关子系统，实现家庭内网与家庭外部的通信网络相互隔离，提高家庭网络的安全性，并且将家庭内网中的所有信息家电设备进行统一管理。

本发明的第二目的是解决现有技术存在的缺陷，提供一种数字家庭系统，其基本由家庭网关子系统和无线收发器构建而成，实现向家庭内部网络提供基于数字总线的接口，使得家庭内部信息家电和可接收数字总线信号的家电设备作为家庭网关子系统的外部设备，家庭内部网络对外部网络是不可见的。 

为实现上述第一目的，本发明提供了一种家庭网关子系统。该子系统包括： 

主机设备，用于将外部网络接入家庭内部，以及基于数字总线方式对家庭内部各信息家电进行控制；用户操作设备，通过数字总线接口与所述主机设备进行通信，提供用户操作接口和控制单元； 

其中，所述主机设备包括：主处理板，设置有CPU处理器，用于信息处理、控制信号的产生以及进行鉴权认证，给家电设备分配地址；数字总线信号处理单元，与所述主处理板通过计算机总线接口连接，用于对数字总线信号内容进行分析处理，仿真逻辑端口和电平变化信息，逻辑端口和地址进行关联，将这些信息告知所述主处理板；MAC层帧处理单元，与所述数字总线信号处理单元连接，主要用来区分数字总线信号帧和以太网帧，并对它们作分流；通信连接选择配置单元，与所述MAC层帧处理单元连接，用于自适应选择家电通信链路；电视信号处理单元，用于进行数字电视信号的解码及模拟电视信号和数字电视信号之间的转换；电视信号控制及选频单元，用于接收电视信号，并进行电视信号的控制及频道的选择；外部通信模块，与所述主处理板通过计算机总线连接，用于对信息进行协议转换，与外部通信网络进行通信；其中，所述MAC层帧处理单元包括：MAC层帧控制子单元，用于分析传来的数据包，分析包头判断以太网帧和非以太网帧，并将它们分别送至不同端口；第一端口，与MAC层帧控制子单元和外部通信模块通信，用于将MAC层帧控制子单元送到的以太网帧交给外部通信模块处理，由其发送至外部网络，或反向处理；第二端口，与MAC层帧控制子单元和数据总线信号处理单元通信，用于将MAC层帧控制子单元送到的非以太网帧传送给数据总线信号处理单元进行处理；第三端口，与MAC层帧控制子单元和通信连接选择配置单元相连，用于传输数据包。 

为实现上述第二目的，本发明提供了一种数字家庭系统。该数字家庭系统包括： 

家庭网关子系统，通过IP接入与外部通信网相连，用于提供控制信号；所述家庭网关子系统包括：主机设备，用于将外部网络接入家庭内部，以及基于数字总线方式对家庭内部进行控制；用户操作设备，通过数字总线接口与所述主机设备进行通信，提供用户操作接口和控制单元； 

多个无线信号收发器，与所述家庭网关子系统主机设备相连，用于接收电力线通信PLC载波信号和收发无线信号，并完成PLC载波信号和无线信号的双向转换； 

其中，所述主机设备包括：主处理板，设置有CPU处理器，用于信息处理、控制信号的产生以及进行鉴权认证，给家电设备分配地址；数字总线信号处理单元，与所述主处理板通过计算机总线接口连接，用于对数字总线信号内容进行分析处理，仿真逻辑端口和电平变化信息，逻辑端口和地址进行 关联，将这些信息告知所述主处理板；MAC层帧处理单元，与所述数字总线信号处理单元连接，主要用来区分数字总线信号帧和以太网帧，并对它们作分流；通信连接选择配置单元，与所述MAC层帧处理单元连接，用于自适应选择家电通信链路；电视信号处理单元，用于进行数字电视信号的解码及模拟电视信号和数字电视信号之间的转换；电视信号控制及选频单元，用于接收电视信号，并进行电视信号的控制及频道的选择；外部通信模块，与所述主处理板通过计算机总线连接，用于对信息进行协议转换，与外部通信网络进行通信；其中，所述MAC层帧处理单元包括：MAC层帧控制子单元，用于分析传来的数据包，分析包头判断以太网帧和非以太网帧，并将它们分别送至不同端口；第一端口，与MAC层帧控制子单元和外部通信模块通信，用于将MAC层帧控制子单元送到的以太网帧交给外部通信模块处理，由其发送至外部网络，或反向处理；第二端口，与MAC层帧控制子单元和数据总线信号处理单元通信，用于将MAC层帧控制子单元送到的非以太网帧传送给数据总线信号处理单元进行处理；第三端口，与MAC层帧控制子单元和通信连接选择配置单元相连，用于传输数据包。 

由以上技术方案可知，本发明提供的家庭网关子系统以及基于该家庭网关子系统的数字家庭系统实现了基于数字总线和USB总线方式对家庭内部各种家电进行控制，内部的所有信息家电都是主机模块的计算机外部设备。因此，数字家庭内部网络对外部网络而言是不可见，外部网络只能看到家庭网关主机设备本身。这样，所有的安全认证功能都集中在主机设备上。由于主机设备提供通用的计算资源，就使得在基本不增加信息家电计算开销的基础上，为信息家电提供了高度的安全性能。 

电源线及电源插座是家庭内分布最广的线缆系统。采用本发明所提出的家庭网关系统，用户操作设备与主机设备之间可以直接通过电力线通信，也可配置无线接口，在用户操作设备部接电源时，通过内部电池供电实现无线通信。因此，用户可以更方便地部署及操作本家庭网关系统。 

下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。 

附图说明

图1为本发明家庭网关子系统实施例1的结构示意图； 

图2为本发明家庭网关子系统实施例2的结构示意图； 

图3为本发明家庭网关子系统实施例3的结构示意图； 

图4为本发明家庭网关子系统中主机设备的具体结构示意图1； 

图5为本发明家庭网关子系统中主机设备的具体结构示意图2； 

图6为本发明家庭网关子系统中主机设备的具体结构示意图3； 

图7为本发明家庭网关子系统中主机设备的具体结构示意图4； 

图8为本发明家庭网关子系统中主机设备的具体结构示意图5； 

图9为本发明家庭网关于系统中主机设备的具体结构示意图6； 

图10为本发明家庭网关子系统中主机设备的MAC层帧处理单元的具体结构示意图； 

图11为本发明家庭网关子系统中用户操作设备的一个具体结构示意图； 

图12为本发明家庭网关子系统中用户操作设备的另一个具体结构示意图； 

图13为本发明数字家庭系统实施例一的结构示意图； 

图14为本发明数字家庭系统实施例二的结构示意图； 

图15为本发明数字家庭系统实施例三的结构示意图； 

图16为本发明数字家庭系统实施例四的结构示意图； 

图17为本发明数字家庭系统实施例五的结构示意图； 

具体实施方式

本发明提供的家庭网关子系统，基本由主机设备和用户操作设备构成，实现家庭内网与家庭外部的通信网络相互隔离，提高家庭网络的安全性，并且将家庭内网中的所有信息家电设备进行统一管理。 

如图1所示，本发明家庭网关子系统实施例1的结构示意图，包括：主机设备1，设置有硬盘2，用于将外部网络接入家庭内部，以及基于数字总线方式如USB总线方式、1394总线方式或者其他总线方式对家庭内部各信息家电进行控制；用户操作设备4，通过数字总线接口1001如该数字总线接口承载在电力线上的PLC接口或者以无线USB方式承载的无线接口，与所述主机设备1进行通信，提供各种接口和控制单元。图1所示的家庭网关子系统，是采用了PLC进行信号传送，这种家庭网关子系统只要通过电源接口接到电源插座就行。当电源插座出现异常情况，如出现松动，没有接通电源时，该家庭网关子系统可以使用自己的备用电池。即在主机设备1上设置有第一电池及电源模块3，在用户操作设备4设置有第二电池及电源模块5，与分别第一电力线滤波器和第二电力线滤波器相连，通过滤波器输出电源给该两个电池及 电源模块充电；通过这两个备用电源模块，可以使得家庭网关子系统一直处于接通状态，避免出现异常问题。 

在图1所示的家庭网关子系统的结构示意图基础上，图2家庭网关子系统实施例2的结构示意图，在该图中，家庭网关子系统还包括有显示设备6与主机设备1通过电视接口1002相连，显示设备可为模拟电视机，也可为数字电视机，包括兼具电脑显示器功能的数字电视机。电视机的屏幕负责显示主机设备输出的视频信息，电视机的扬声器负责播放主机设备需输出的音频信息。电视机不仅可以是信息家电，同时也充当了家庭网关系统的显示设备。 

在上述家庭网关子系统中还包括遥控器7，如图3所示的实施例3结构示意图，遥控器7通过家庭内部无线接口1003如无线USB接口、蓝牙接口、红外线接口等，实现与主机设备1之间的数据通信，通过主机设备实现对数字家庭各个应用子系统的某些控制功能。该遥控器上有一些专用按键、一个小的彩色液晶显示屏、一个扬声器。对于家庭网关主机设备，该遥控器是一个基于USB总线的计算机外部设备。而该USB总线信号被调制为无线信号以实现遥控器与主机设备1之间的无线通信。该无线信号为无线USB信号。 

如图4所示，家庭网关子系统中主机设备1的具体结构示意图1，该主机设备1包括：主处理板101、计算机总线与逻辑信号适配单元102、第一电力线调制解调单元103、第一电力线滤波器104和外部通信模块105。在主处理板101上设置有通用CPU处理器，用于信息处理、控制信号的产生以及进行鉴权认证，给家电设备分配地址，为数字家庭提供通用计算资源；计算机总线与逻辑信号适配单元102，与主处理板101通过数字总线接口如USB接口连接，同时也和第一电力线调制解调单元103相互传递信号，用于进行逻辑信号和数字总线信号如USB信号的转换，缓存转换后的数字总线信号如USB，并在USB适当总线时间传回主处理板101以及信号译码；此单元完成数字总线信号与逻辑信号的转换功能。对于简单家电设备的控制，可以经由此单元完成信号译码。该单元还是数字总线信号的一个终结 点，所有简单家电的反馈信号被转为USB信号，都会在此单元缓存，并反馈至主处理板；第一电力线(PLC)调制解调单元103，与计算机总线与逻辑信号适配单元数字总线信号处理单元102相连，用于转换电力线信号和逻辑信号，传送控制信号；第一电力线滤波器104，与所述第一电力线调制解调单元103相连，用于对电力信号进行滤波，输出电源以及输出PLC载波信号；以及外部通信模块105，与所述主处理板101通过计算机总线1005连接，用于对信息进行协议转换，与外部通信网络进行通信。上述的计算机总线可以采用USB总线或者1394总线方式或者其他总线方式。在具体实施中，数字总线信号处理单元102采用USB总线方式，做成USB总线信号处理单元。 

主机设备1与外部通信网之间的外部通信模块105采用插卡式设计。外部通信模块105插卡与主处理板101之间通过计算机总线(PCI、PCI-E、或USB)连接。主机设备1与外部通信网的通信基于IP协议。物理层接入技术可采用多种方式，包括：无线方式(如HSDPA、WiMAX等)、五类线方式、光纤方式、有线电视同轴电缆方式、DSL方式、基于供电线路的PLC方式等。外部通信模块105采用插卡式设计旨在提高家庭网关的模块化程度，提高系统的可维护性、便于升级改造。当家庭网络要建立或变动与外部通信网络的物理层接入方式时，通过插/拔主机设备中相应的通信板卡即可满足所需的硬件配置要求。 

如图5所示为主机设备的结构示意图2，主机设备还包括数字总线信号处理单元106，与所述主处理板101通过计算机总线接口连接，用于对数字总线信号内容进行分析处理，仿真逻辑端口和电平变化等信息，逻辑端口和地址进行关联，将这些信息告知所述主处理板；即，模拟USB集线器的功能，通过软件处理，获得逻辑端口和电平信息，仿真集线器端口变化，并告知主处理板该端口变化；逻辑端口和家电设备的地址进行关联，缓存USB信号，并在USB总线正确时隙送至主处理板或向下转发；具体为在下行端口空闲时，接收MAC层帧处理单元送来的USB信号，分析信号内容，若为上电信号，则 仿真端口变化等信息告知主处理板，若为一般USB信号，则直接交给主处理板处理；或将在主处理板上的根集线器(相当于总线接口)送来的USB信号送至MAC层帧处理单元。MAC层帧处理单元107，与所述外部通信模块105和数字总线信号处理单元106连接，主要用来区分数字总线信号帧和以太网帧，并对它们作分流；通信连接选择配置单元110，与所述MAC层帧处理单元107和第一电力线调制解调单元103连接，用于自适应选择家电通信链路。 

在上述图5所示的结构示意图中，图6所示，还可以增加一微型基站单元111，与通信连接选择配置单元相连，用于利用无线信号与家电通信。该微型基站单元可以为WLAN无线上网的AP，也可以为无线USB信号的收发装置，也可以是红外、蓝牙等其他无线通信方式的收发装置。 

图7所示为主机设备的结构示意图4，主机设备1还设置有电视信号处理单元108，与主处理板101连接，用于进行数字电视信号的解码及模拟电视信号和数字电视信号之间的转换；电视信号控制及选频单元109，与主处理板101和电视信号处理单元108连接，用于接收电视信号，并进行电视信号的控制及频道的选择。主处理板101通过计算机总线如PCI、PCI-E、或USB连接有电视信号处理单元108和电视信号控制及选频单元109。 

由电视信号控制及选频单元109、电视信号处理单元108、和主处理板101所提供的电视信号处理功能共同组成，具有类似机顶盒功能。该组合提供电视信号，并实现对电视机的控制。 

并且，主机设备1的VGA显示信号和音频输出信号经电视信号处理单元108适配之后，可提供多种接口以适配多种类型的电视机。这些接口至少包括： 

1)S-VI DEO接口，输出S视频信号。该接口通过另配的音频转接线还可输出AUD IOAV音频信号。 

2)VIDEO接口，输出复合视频信号。该接口通过另配的音频转接线还 可输出AUDI0 AV音频信号。 

3)VGA接口，15针，输出计算机显卡的模拟RGB信号。或通过另配的分量信号转VGA连接线，输出YPbPr高清分量视频信号。 

4)AUDIO AV接口、AUDIO PC接口，输出音频信号。 

5)电视天线接口，模拟电视射频信号输出。 

当主机设备1所接收的广播电视信号为模拟电视广播信号时，模拟信号仍然通过有线电视电缆直接进入电视机。当接收数字电视广播信号时，1)对于数字电视机，仍然通过有线电视电缆直接进入电视机。2)对于模拟电视机，可以经由主机设备1内置的上述单元组合获得的机顶盒功能解调后再进入电视机。 

在图7所示的主机设备结构示意图是基于图6基础，增加了一电视信号处理单元108和电视信号控制及选频单元109。该电视信号处理单元108和电视信号控制及选频单元109也可在图4或者图5所示的主机设备结构示意图基础上增加，连接关系与图7所示相同，在附图中，省略结构示意图。 

如图8所示为主机设备的结构示意图5，主机设备1包括：主处理板101，设置有CPU处理器，用于信息处理、控制信号的产生以及进行鉴权认证，给家电设备分配地址； 

数字总线信号处理单元106，与主处理板101通过计算机总线接口连接，用于对数字总线信号内容进行分析处理，仿真逻辑端口和电平变化等信息，逻辑端口和地址进行关联，将这些信息告知所述主处理板；与图5中所述数字总线信号处理单元功能相同； 

MAC层帧处理单元107，与数字总线信号处理单元106连接，主要用来区分数字总线信号帧和以太网帧，并对它们作分流； 

通信连接选择配置单元108，与MAC层帧处理单元107连接，对有线信号和无线信号进行选择通信；

第一电力线调制解调单元103，与通信连接选择配置单元108相连，用于转换电力线信号和数字总线信号，传送控制信号； 

第一电力线滤波器104，与第一电力线调制解调单元103相连，用于将对电力信号进行滤波、耦合，输出电源以及输出PLC载波信号； 

外部通信模块105，与主处理板101和MAC层帧处理单元107通过计算机总线连接，用于对信息进行协议转换，与外部通信网络进行通信。 

在图8所示的结构示意图中，还可以增加一计算机总线与逻辑信号适配单元102，与主处理板101通过数字总线接口如以无线USB方式承载的无线接口连接，同时也和第一电力线调制解调单元103相互传递信号，用于进行数字总线信号如USB信号和逻辑信号的转换，缓存转换后的USB信号以及信号译码；此单元完成数字总线信号与逻辑信号的转换功能。对于简单家电设备的控制，可以经由此单元完成信号译码。也还可以增加一微型基站单元109，与所述通信连接选择配置单元相连，用于利用无线信号与家电通信。微型基站单元109可以为WLAN无线上网的AP，也可以为无线USB信号的收发装置，也可以是红外、蓝牙等其他无线通信方式的收发装置。计算机总线与逻辑信号适配单元102和微型基站单元109也可以同时增加在图8所示的结构图中。在图5所示的主机设备结构示意图上，也可以设置有电视信号处理单元108，与主处理板101连接；电视信号控制及选频单元109，与主处理板101和电视信号处理单元108连接，用于接收电视信号，并进行电视信号的控制及频道的选择。具体描述如图7所述，在此不赘述。在主机设备中如图9所示为主机设备的结构示意图6，还设有：移动通信装置身份识别卡模块111，与主处理板101和外部通信模块105通过PCI总线相连，用于向网络侧提供对主机设备进行身份验证的信息。在主机设备上增加该移动通信装置身份识别卡模块之后，网络侧可以通过对主机设备进行验证，从而达到向验证通过的主机设备进行提供服务。 

在图9所示的主机设备结构示意图增加了移动通信装置身份识别卡模 块111。该移动通信装置身份识别卡模块111也可在上述任一所示的主机设备结构示意图基础上增加，连接关系与图9所示相同，在附图中，省略结构示意图。 

图5-图9所示的主机设备结构示意图中，硬盘2也是通过PCI总线与主处理板相连接。 

上述MAC层帧处理单元107的内部结构，如图10所示，这个MAC层帧处理单元107包括：MAC层帧控制子单元1070、第一端口1071、第二端口1072以及第三端口1073。第三端口1073与MAC层帧控制子单元1070和通信连接选择配置单元108相连，用于接收从通信连接选择配置单元传输来的数据包，接收到数据包之后，MAC层帧控制子单元1070对该数据包进行分析，分析包头判断以太网帧和非以太网帧，并将它们分别送至不同端口，如是以太网帧，将其送至第一端口1071；第一端口1071与MAC层帧控制子单元1070和外部通信模块通信105，用于将MAC层帧控制子单元送至的以太网帧交给外部通信模块处理105，由其发送至外部网络，或反向处理；如是非以太网帧，将其送至第二端口1072；第二端口1072，与MAC层帧控制子单元1070和数据总线信号处理单元106通信，用于将MAC层帧控制子单元送至的非以大网帧传送给数据总线信号处理单元106进行处理。 

使用这种三端口结构的MAC层帧处理单元107，可以在家庭内部联网中去除了以太网层，简化了协议栈模型；主机设备内相应功能处理单元更加简化，同时通过更底层的包分析判断，使得处理速度更快，包分发能力更强；简化了层结构之后，使得层与层之间的地址映射变得简单，寻址过程更加简化。 

用户操作设备4的具体结构图如图11所示，第二PLC滤波器41，与主机设备1的第一PLC滤波器通过电力线连通，用于对电力信号进行滤波，输出电源，输出PLC载波信号；第二电力线(PLC)调制解调单元42，与第二PLC滤波器41相连，用于转换PLC载波信号和数字总线信号如USB信号； 数字总线信号集线器43，与第二PLC调制解调单元42相连，用于提供各种USB接口，对USB信号统一接入和控制。用户操作设备4与主机设备1之间的通信基于数字总线方式如USB信号承载于PLC方式。用户操作设备也可设置为以无线方式承载，即在该设备中除了第二电力线(PLC)调制解调单元42，与第二PLC滤波器41相连，还配置有无线信号收发单元，其与数字总线信号集线器43相连，与主机设备进行信号交互。这样设置的用户操作设备实现了既能与主机设备有线连接也能无线连接。尤其在周围环境发生停电等异常时，可将有线连接方式自动切换到无线连接方式。 

用户操作设备4与主机设备1是分离设置的，以便于用户操作各种接口和功能单元。用户操作设备4与主机设备1之间的通信基于数字总线方式如USB信号承载于PLC方式。用户操作设备基于数字总线还提供各种接口如图12所示，另一具体结构图，包括：光驱、USB接口、串口、并口、电脑键盘、鼠标、小液晶显示屏、扬声器、耳机麦克插孔、和/或由仿真叉簧、仿真电话手柄、仿真电话机键盘组成的仿真电话机。这些设备可以都是基于USB接口的。 

用户操作设备4包括用户需操作的各种接口和功能单元，包括：光驱、USB接口、串口、并口、键盘、鼠标、小液晶显示屏、扬声器、耳机麦克插孔、仿真电话机和/或由USB仿真叉簧、USB仿真电话手柄、USB仿真电话机键盘组成的仿真电话机。 

为便于用户操作，在本数字家庭网关子系统中，用户操作设备与主机设备是分离设置的。用户操作设备上的各种接口和功能单元统一采用数字总线接口如USB总线接口到主机设备上的主处理板。用户操作设备4与主机设备1的主处理板101之间的数字总线信号如USB总线信号，由第二PLC调制解调单元42将信号调制到供电线路上传送给用户操作设备4。 

在图1-图12所示的家庭网关子系统中主机设备在系统中起到核心控制的作用，为数字家庭提供通用计算资源和通信网关枢纽功能。对于家庭外部 网络，主机设备是数字家庭的网络接入点。对于家庭内部的所有信息家电，主机设备是主控计算机，也即：家庭内部的所有信息家电都是主机设备基于数字总线如USB总线或者1394总线或者其他总线方式的计算机外部设备。对于家庭网关子系统自身，除了电视机(用作主机设备的显示器)之外，其他所有设备，包括用户操作设备和遥控器，都是主机设备基于数字总线如USB总线的计算机外部设备。因此，将家庭内网和家庭外部的通信网络如IP接入网相隔离，所有的家庭内部的信息家电或者可接收无线信号的无线家电设备对外部网络来说是不可见的，家庭网关子系统保证了家庭内部的安全性。 

本发明提出的家庭网关子系统采用模块化结构，组成子系统的各个设备可分布式放置，由一台主机设备、一台电视机、一台用户操作设备、一个或多个遥控器组成。 

如图13所示，为本发明数字家庭系统实施例一的结构示意图，数字家庭系统100由家庭网关子系统20以及多个无线信号收发器11构成，家庭网关子系统12，与通过IP接入网10接入外部通信网络用于提供各种控制信号；所述家庭网关子系统12包括：主机设备1，设置有硬盘2，用于将外部网络接入家庭内部，以及基于数字总线方式如USB总线方式对家庭内部进行控制；用户操作设备4，通过数字总线方式与所述主机设备进行通信，提供各种用户操作接口和控制单元；该数字总线方式如USB信号承载于PLC或者无线接口上；多个无线信号收发器11，与所述家庭网关子系统主机设备1相连，用于收发PLC载波信号和收发无线信号，并完成PLC载波信号和无线信号的双向转换。图12所示的家庭网关子系统，是采用了PLC进行信号传送，这种家庭网关子系统只要通过电源接口接到电源插座就行。当电源插座出现异常情况，如出现松动，没有接通电源时，该家庭网关子系统可以使用自己的备用电池。即在主机设备1上设置有第一电池及电源模块3，在用户操作设备4设置有第二电池及电源模块5，通过这两个备用电源模块，可以使得家庭网关子系统一直处于接通状态，避免出现异常问题。

如图14所示数字家庭系统实施例二，在数字家庭系统10，多个可接收无线信号的家电设备12，通过无线信号接口1006如USB接口与所述无线信号收发器11相连；如图15所示数字家庭系统实施例三，还可包括：信息家电13，用于通过供电线路与主机设备进行数字总线信号通信；也可以包括多个可接收无线信号的家电设备12直接通过数据总线接口与主机设备相连，此时数据总线接口是主机设备中的微型基站单元提供的接口形式，可以是无线USB收发装置；如图16所示数字家庭系统实施例四，还可包括上网计算机14，通过电脑上网接口1007与所述主机设备1相连。实施例四是在实施例3的基础上增加了上网计算机14，该上网计算机也可在实施例一和实施例二的基础上增加，其连接关系与实施四中的相同，在附图中，省略结构示意图。如图17所示数字家庭系统实施例五，还包括：远程控制器15，通过移动IP1008接入IP接入网，用于通过IP接入网和主机设备远程控制各种家电设备。 

可接收无线信号的家电设备具有无线信号处理单元，用来接收无线控制信号，在这种可接收无线信号的家电设备接收到无线控制信号后，家电设备核心处理单元根据该无线控制信号进行对家电设备的控制。如无线空调、冰箱、微波炉、热水器等。 

此处，信息家电是相对于可接收无线信号的家电说的，即不采用无线方式通信的家电，如直接连CABLE的电视机，接电力线的电灯开关等。 

若上述可接收无线信号的家电没有配置无线功能，也可采用电力线信号传输。 

在该数字家庭系统中，家庭网关子系统的结构图，如图1-图12所示，在此不再赘述。利用该数字家庭系统用户通过家庭网关子系统中的遥控器，通过无线接口将控制信息发送给主机设备，主机设备将该无线控制信号转换成电力线信号，找到信息家电对其进行控制。数字家庭系统中，也有各种可接收无线信号的家电设备，这些家电设备通过安装在房间、车库或者庭院中 的无线信号收发器，将无线信号发送给这些无线信号收发器，或者通过无线信号收发器接收从主机设备中无线信号处理单元发出的无线信号，对这些家电设备进行控制，控制信号可以直接是遥控器发送给主机设备的主板处理器，该主板处理器对发送来的各种控制信号进行分析判断，然后将控制信号通过无线信号处理单元处理后发送给家电设备进行控制。用户也可以通过移动通信装置如手机对数字家庭系统中的家电进行控制，通过主处理板以及无线信号处理单元、第一电力线调制解调单元和电力线滤波器的作用，将该控制信号发送给家庭内部的家电。在该数字家庭系统中，主机设备接入网络服务器时，网络服务器对其移动通信装置识别模块进行身份识别，移动通信装置识别模块中存放有身份识别信息，验证该主机设备是否有权接入。 

同时，在数字家庭系统中，电视机可以作为公知电视机使用，直接播放有线电视节目，或者电视机作为家庭网关子系统的一个显示设备，通过用户操作设备提供的键盘、鼠标、光驱、音箱等，而电视机则可以作为主机设备显示器，这样便实现了一个分离设置的电脑，便于用户使用。例如，可以将用户操作设备设置在沙发的附近，在该用户操作设备上用户控制键盘和鼠标，而沙发对面放置电视机作为主机设备的显示装置，用户可以很方便的在沙发上通过键盘和鼠标对网关系统进行控制，而不必考虑布线上的问题，如果采用传统的方式，键盘、鼠标和显示器的连接线不易部署，会受到距离及家庭中其他设备的限制。 

在该数字家庭系统中，由于由电视信号控制及选频单元、电视信号处理单元、和主处理板所提供的电视信号处理功能共同组成，具有类似机顶盒功能，因此，通过家庭网关子系统主机设备就能够进行电视节目的收看。 

在该数字家庭系统中，用户使用计算机上网，可以将计算机接到家庭网关子系统的电脑上网接口登录网络。 

在本发明数字家庭系统的组网去除了以太网的结构，采用最简单便利的布网方式：以家庭最常见的电力线为主要承载线路，数字总线信号如USB信 号直接适配到电力线上；各房间和车库、庭院等范围内都设有无线信号收发器，近距离内设备可直接采用无线信号通信；通过电力线与无线信号收发器的连接，延长了无线无线信号的通信距离。 

在本发明中，数字总线信号可考虑采用USB信号或者1394信号或者其他的总线方式。 

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (48)

1.一种家庭网关子系统，其特征在于包括：

主机设备，用于将外部网络接入家庭内部，以及基于数字总线方式对家庭内部各信息家电进行控制；

用户操作设备，通过数字总线接口与所述主机设备进行通信，提供用户操作接口和控制单元；

其中，所述主机设备包括：

主处理板，设置有CPU处理器，用于信息处理、控制信号的产生以及进行鉴权认证，给家电设备分配地址；

数字总线信号处理单元，与所述主处理板通过计算机总线接口连接，用于对数字总线信号内容进行分析处理，仿真逻辑端口和电平变化信息，逻辑端口和地址进行关联，将这些信息告知所述主处理板；

MAC层帧处理单元，与所述数字总线信号处理单元连接，主要用来区分数字总线信号帧和以太网帧，并对它们作分流；

通信连接选择配置单元，与所述MAC层帧处理单元连接，用于自适应选择家电通信链路；

电视信号处理单元，用于进行数字电视信号的解码及模拟电视信号和数字电视信号之间的转换；

电视信号控制及选频单元，用于接收电视信号，并进行电视信号的控制及频道的选择；

外部通信模块，与所述主处理板通过计算机总线连接，用于对信息进行协议转换，与外部通信网络进行通信；

其中，所述MAC层帧处理单元包括：

MAC层帧控制子单元，用于分析传来的数据包，分析包头判断以太网帧和非以太网帧，并将它们分别送至不同端口；

第一端口，与MAC层帧控制子单元和外部通信模块通信，用于将MAC层 帧控制子单元送到的以太网帧交给外部通信模块处理，由其发送至外部网络，或反向处理；

第二端口，与MAC层帧控制子单元和数据总线信号处理单元通信，用于将MAC层帧控制子单元送到的非以太网帧传送给数据总线信号处理单元进行处理；

第三端口，与MAC层帧控制子单元和通信连接选择配置单元相连，用于传输数据包。

2.根据权利要求1所述的子系统，其特征在于还包括：

显示设备，与所述主机设备相连，用于显示主机设备输出的视频信息以及播放主机设备输出的音频信息。

3.根据权利要求2所述的子系统，其特征在于还包括：

遥控器，通过无线接口与所述主机设备进行数据通信，用于通过主机设备对家庭内部各信息家电进行控制。

4.根据权利要求1-3任一所述的子系统，其特征在于所述主机设备还包括：

计算机总线与逻辑信号适配单元，与所述主处理板和第一电力线调制解调单元连接，用于进行逻辑信号和数字总线信号的转换，缓存转换后的数字总线信号以及进行信号译码；

第一电力线调制解调单元，与所述计算机总线与逻辑信号适配单元相连，用于转换电力线信号和逻辑信号，传送控制信号；

第一电力线滤波器，与所述第一电力线调制解调单元相连，用于对电力信号进行滤波、耦合，输出电源以及输出电力线通信PLC载波信号。

5.根据权利要求4所述的子系统，其特征在于，

MAC层帧处理单元与所述外部通信模块连接；

通信连接选择配置单元与所述第一电力线调制解调单元连接。

6.根据权利要求5所述的子系统，其特征在于所述主机设备还包括： 

微型基站单元，与所述通信连接选择配置单元相连，用于利用无线信号与家电进行通信。

7.根据权利要求1-3任一所述的子系统，其特征在于所述主机设备还包括：

第一电力线调制解调单元，与所述通信连接选择配置单元相连，用于转换电力线信号和数字总线信号，传送控制信号；

第一电力线滤波器，与所述第一电力线调制解调单元相连，用于对电力信号进行滤波、耦合，输出电源以及输出电力线通信PLC载波信号。

8.根据权利要求7所述的子系统，其特征在于所述主机设备还包括：

微型基站单元，与所述通信连接选择配置单元相连，用于利用无线信号通信。

9.根据权利要求7或8所述的子系统，其特征在于所述主机设备还包括：

计算机总线与逻辑信号适配单元，与所述主处理板和第一电力线调制解调单元连接，用于进行逻辑信号和数字总线信号的转换，缓存转换后的数字总线信号以及进行信号译码。

10.根据权利要求4所述的子系统，其特征在于，

所述电视信号处理单元，与所述主处理板连接；

所述电视信号控制及选频单元，与所述主处理板和电视信号处理单元连接。

11.根据权利要求7所述的子系统，其特征在于，

所述电视信号处理单元，与所述主处理板连接；

所述电视信号控制及选频单元，与所述主处理板和电视信号处理单元连接。

12.根据权利要求5、6或8所述的子系统，其特征在于，

所述电视信号处理单元，与所述主处理板连接；

所述电视信号控制及选频单元，与所述主处理板和电视信号处理单元连 接。

13.根据权利要求9所述的子系统，其特征在于，

所述电视信号处理单元，与所述主处理板连接；

所述电视信号控制及选频单元，与所述主处理板和电视信号处理单元连接。

14.根据权利要求4所述的子系统，其特征在于所述主机设备还包括：移动通信装置身份识别卡模块，与所述主处理板和外部通信模块通过PCI总线相连，用于对主机设备进行身份验证。

15.根据权利要求7所述的子系统，其特征在于所述主机设备还包括：移动通信装置身份识别卡模块，与所述主处理板和外部通信模块通过PCI总线相连，用于对主机设备进行身份验证。

16.根据权利要求5、6或8所述的子系统，其特征在于所述主机设备还包括：移动通信装置身份识别卡模块，与所述主处理板和外部通信模块通过PCI总线相连，用于对主机设备进行身份验证。

17.根据权利要求9所述的子系统，其特征在于所述主机设备还包括：移动通信装置身份识别卡模块，与所述主处理板和外部通信模块通过PCI总线相连，用于对主机设备进行身份验证。

18.根据权利要求1-3任一所述的子系统，其特征在于所述用户操作设备包括：

第二PLC滤波器，与所述主机设备相连；

第二PLC调制解调单元，与所述PLC滤波器相连，用于转换电力线通信PLC载波信号和数字总线信号；

数字总线信号集线器，与所述PLC调制解调单元相连，用于提供数字总线接口，对总线信号统一接入和控制。

19.根据权利要求18所述的子系统，其特征在于所述用户操作设备还设有：光驱、串口、并口、键盘、鼠标、小液晶显示屏、扬声器、耳机麦克插 孔和/或由仿真叉簧、仿真电话手柄、仿真电话机键盘组成的仿真电话机。

20.根据权利要求18所述的子系统，其特征在于所述用户操作设备还包括：

无线信号收发单元，与数字总线信号集线器相连，用于与主机设备进行信号交互。

21.根据权利要求1所述的子系统，其特征在于所述数字总线接口是电力线通信PLC方式承载或者无线方式承载。

22.根据权利要求4所述的子系统，其特征在于所述用户操作设备包括：

第二PLC滤波器，与所述主机设备相连，用于对电力信号进行滤波，输出电源，以及输出电力线通信PLC载波信号；

第二PLC调制解调单元，与所述PLC滤波器相连，用于转换PLC载波信号和数字总线信号；

数字总线信号集线器，与所述PLC调制解调单元相连，用于提供数字总线接口，对总线信号统一接入和控制。

23.根据权利要求22所述的子系统，其特征在于所述用户操作设备还设有：光驱、串口、并口、键盘、鼠标、小液晶显示屏、扬声器、耳机麦克插孔和/或由仿真叉簧、仿真电话手柄、仿真电话机键盘组成的仿真电话机。

24.根据权利要求22所述的子系统，其特征在于所述用户操作设备还包括：

无线信号收发单元，与数字总线信号集线器相连，用于与主机设备进行信号交互。

25.一种数字家庭系统，其特征在于包括：

家庭网关子系统，通过IP接入与外部通信网相连，用于提供控制信号；所述家庭网关子系统包括：主机设备，用于将外部网络接入家庭内部，以及基于数字总线方式对家庭内部进行控制；用户操作设备，通过数字总线接口与所述主机设备进行通信，提供用户操作接口和控制单元； 

多个无线信号收发器，与所述家庭网关子系统主机设备相连，用于接收主机设备发送的电力线通信PLC信号，并转换为无线信号发送给家电，或做反向处理；

其中，所述主机设备包括：

主处理板，设置有CPU处理器，用于信息处理、控制信号的产生以及进行鉴权认证，给家电设备分配地址；

数字总线信号处理单元，与所述主处理板通过计算机总线接口连接，用于对数字总线信号内容进行分析处理，仿真逻辑端口和电平变化信息，逻辑端口和地址进行关联，将这些信息告知所述主处理板；

MAC层帧处理单元，与所述数字总线信号处理单元连接，主要用来区分数字总线信号帧和以太网帧，并对它们作分流；

通信连接选择配置单元，与所述MAC层帧处理单元连接，用于自适应选择家电通信链路；

电视信号处理单元，用于进行数字电视信号的解码及模拟电视信号和数字电视信号之间的转换；

电视信号控制及选频单元，用于接收电视信号，并进行电视信号的控制及频道的选择；

外部通信模块，与所述主处理板通过计算机总线连接，用于对信息进行协议转换，与外部通信网络进行通信；

其中，所述MAC层帧处理单元包括：

MAC层帧控制子单元，用于分析传来的数据包，分析包头判断以太网帧和非以太网帧，并将它们分别送至不同端口；

第一端口，与MAC层帧控制子单元和外部通信模块通信，用于将MAC层帧控制子单元送到的以太网帧交给外部通信模块处理，由其发送至外部网络，或反向处理；

第二端口，与MAC层帧控制子单元和数据总线信号处理单元通信，用于 将MAC层帧控制子单元送到的非以太网帧传送给数据总线信号处理单元进行处理；

第三端口，与MAC层帧控制子单元和通信连接选择配置单元相连，用于传输数据包。

26.根据权利要求25所述的数字家庭系统，其特征在于还包括：

多个可接收无线信号的家电设备，通过无线信号接口与所述无线信号收发器相连。

27.根据权利要求26所述的数字家庭系统，其特征在于还包括：

信息家电，用于通过输电线路与主机设备进行数字总线信号通信。

28.根据权利要求25-27任一所述的数字家庭系统，其特征在于还包括：

上网计算机，通过电脑上网接口与所述主机设备相连。

29.根据权利要求28所述的数字家庭系统，其特征在于还包括：远程控制器，通过移动IP接入家庭网关子系统，用于通过外部通信网和主机设备远程控制家电设备。

30.根据权利要求25所述的数字家庭系统，其特征在于所述家庭网关子系统还包括：

显示设备，与所述主机设备相连，用于将显示主机设备输出的视频信息以及播放主机设备输出的音频信息。

31.根据权利要求30所述的数字家庭系统，其特征在于所述家庭网关子系统还包括：

遥控器，通过无线接口与所述主机设备进行数据通信，用于通过主机设备对家庭内部各信息家电进行控制。

32.根据权利要求25所述的数字家庭系统，其特征在于所述主机设备还包括：

计算机总线与逻辑信号适配单元，与所述主处理板和第一电力线调制解调单元连接，用于进行数字总线信号和逻辑信号的转换，缓存转换后的数字总线信号以及进行信号译码；

第一电力线调制解调单元，与所述计算机总线与逻辑信号适配单元相连，用于转换电力线信号和逻辑信号，传送控制信号；

第一电力线滤波器，与所述第一电力线调制解调单元相连，用于对电力信号进行滤波、耦合，输出电源，以及输出PLC载波信号。

33.根据权利要求32所述的数字家庭系统，其特征在于，

MAC层帧处理单元与所述外部通信模块连接；

通信连接选择配置单元与所第一电力线调制解调单元连接。

34.根据权利要求33所述的数字家庭系统，其特征在于所述主机设备还包括：

微型基站单元，与所述通信连接选择配置单元相连，用于利用无线信号与家电进行通信。

35.根据权利要求25所述的数字家庭系统，其特征在于所述主机设备还包括：

第一电力线调制解调单元，与所述通信连接选择配置单元相连，用于转换电力线信号和数字总线信号，传送控制信号；

第一电力线滤波器，与所述第一电力线调制解调单元相连，用于对电力信号进行滤波、耦合，输出电源以及输出电力线通信PLC载波信号。

36.根据权利要求35所述的数字家庭系统，其特征在于所述主机设备还包括：

微型基站单元，与所述通信连接选择配置单元相连，用于利用无线信号通信。

37.根据权利要求35或36所述的数字家庭系统，其特征在于所述主机设备还包括：

计算机总线与逻辑信号适配单元，与所述主处理板和第一电力线调制解调单元连接，用于进行逻辑信号和数字总线信号的转换，缓存转换后的数字 总线信号以及进行信号译码。

38.根据权利要求32-36任一所述的数字家庭系统，其特征在于，

所述电视信号处理单元，通过计算机总线与所述主处理板连接；

所述电视信号控制及选频单元，通过计算机总线与与所述主处理板和电视信号处理单元连接。

39.根据权利要求37所述的数字家庭系统，其特征在于，

所述电视信号处理单元，通过计算机总线与所述主处理板连接；

所述电视信号控制及选频单元，通过计算机总线与所述主处理板和电视信号处理单元连接。

40.根据权利要求32-36任一所述的数字家庭系统，其特征在于所述主机设备还包括：移动通信装置身份识别卡模块，与所述主处理板和外部通信模块通过PCI总线相连，用于对主机设备进行身份验证。

41.根据权利要求37所述的数字家庭系统，其特征在于所述主机设备还包括：移动通信装置身份识别卡模块，与所述主处理板和外部通信模块通过PCI总线相连，用于对主机设备进行身份验证。

42.根据权利要求25所述的数字家庭系统，其特征在于所述用户操作设备包括：

第二PLC滤波器，与所述主机设备相连，用于对电力信号进行滤波，输出电源，以及输出PLC载波信号；

第二PLC调制解调单元，与所述PLC滤波器相连，用于转换PLC载波信号和数字总线信号；

数字总线信号集线器，与所述PLC调制解调单元相连，用于提供数字总线接口，对总线信号统一接入和控制。

43.根据权利要求42所述的数字家庭系统，其特征在于所述用户操作设备还设有：光驱、串口、并口、键盘、鼠标、小液晶显示屏、扬声器、耳机麦克插孔和/或由仿真叉簧、仿真电话手柄、仿真电话机键盘组成的仿真 电话机。

44.根据权利要求42或43所述的数字家庭系统，其特征在于所述用户操作设备还包括：

无线信号收发单元，与数字总线信号集线器相连，用于与主机设备进行信号交互。

45.根据权利要求25所述的数字家庭系统，其特征在于所述数字总线接口是PLC方式承载或者无线方式承载。

46.根据权利要求32-36，39或41所述的数字家庭系统，其特征在于所述用户操作设备包括：

第二PLC滤波器，与所述主机设备相连，用于对电力信号进行滤波，输出电源，以及输出PLC载波信号；

第二PLC调制解调单元，与所述PLC滤波器相连，用于转换PLC载波信号和数字总线信号；

数字总线信号集线器，与所述PLC调制解调单元相连，用于提供数字总线接口，对总线信号统一接入和控制。

47.根据权利要求46所述的数字家庭系统，其特征在于所述用户操作设备还设有：光驱、串口、并口、键盘、鼠标、小液晶显示屏、扬声器、耳机麦克插孔和/或由仿真叉簧、仿真电话手柄、仿真电话机键盘组成的仿真电话机。

48.根据权利要求47所述的数字家庭系统，其特征在于所述用户操作设备还包括：

无线信号收发单元，与数字总线信号集线器相连，用于与主机设备进行信号交互。 

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