CN1481128A - 控制网关及其实现家庭网络控制子网中节点互通的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制网关，用于连接家庭网络的控制子网与外部网络，至少包括：与外部网络的接口、与家庭控制子网的接口以及同时连接上述接口的核心处理单元及其外围处理电路，关键在于该核心处理单元中进一步包括：操作系统以及家庭控制子网(HACN)网络通讯模块，用于实现报文的收发与控制；家庭控制子网(HACN)服务模块，用于完成安全认证、描述信息存储、解释与转换的操作；互联网服务模块，用于提供协议栈并负责互联网的连接；应用层软件模块，用于实现节点的初始化配置以及网络协议的转换。本发明还同时公开了一种利用上述控制网关实现家庭网络控制子网中节点互连的方法，该网关和方法可使控制子网中的节点互连互通、共享资源。

Description

控制网关及其实现家庭网络控制子网中节点互通的方法

技术领域

本发明涉及一种网关设备，特别是指一种适用于家庭网络的控制网关及其实现家庭网络中控制子网上节点互通的方法。

发明背景

随着信息技术的发展和生活水平的提高，家庭中出现了越来越多的电器设备。为了智能互联、资源共享，家庭的电器设备通过各种不同方式连接起来，组成了家庭网络。具体地讲家庭网络(Home network)包括四层含义：①家庭中的信息设备、通讯设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、保安监控装置等互联互通、资源共享，组成家庭智能化、数字化网络系统；②通过网关与社区、互联网连接，实现与家庭外部环境的信息交换；③家庭的设备及其连接的网络应该满足人们安全、方便、舒适、健康与绿色环保的基本需求，为人们提供身心愉悦的体验；④体现以人为本的理念，易于使用、安全可靠、方便维护、价格适宜，满足居家生活的特点。在家庭网络中，各种电子产品和设备，如电视机、空调、微波炉、照明系统、安防系统，在家庭中使用相同的控制规范来进行相互连接，实现网络化、自动化的功能，这就构成了住宅范围内的家庭自动化控制网络(HACN)，又称控制子网。

有了数字化家庭网络，人们的需求也在逐渐提高，除了上网收发E-mail和浏览网页以外，人们还希望能够对信息家电进行远程控制和管理。比如：当用户不在家时，该用户希望能够让他的录像机自动录下所喜欢的电视节目；又比如：用户希望在办公室里就能让他家中的微波炉开始工作，以便下班回家后能够吃到可口的饭菜。

有鉴于此，申请人在另一专利申请中提出了一种数字家庭网络系统，如图1所示，该系统主要由网关11、一个以上主干网设备12和多个控制子网设备13构成，该网关11可以进一步包括两部分：门户网关110和控制网关111，门户网关110与控制网关111之间通过宽带接口相连。基于此系统结构可以看出，该数字家庭网络由主干网和控制子网两个子网组成，其中，由门户网关110及与其连接的家用设备所形成的网络部分称为主干网，主干网主要用于实现信息设备、通讯设备、娱乐设备等的互连；而由控制网关111及与其连接的家用设备所形成的网络部分称为控制子网，控制子网主要用于实现家用电器、自动化设备、保安监控装置等设备的互连。该数字家庭网络的核心思想就是：使家庭网络上的家用设备互连互通、资源共享。在此家庭网络系统中，门户网关、控制网关和服务器可统称为资源管理设备，用于管理网络资源。一般来说，主干网中的设备均具有较强的存储、计算能力，而控制子网中的设备存储、计算能力非常有限。主干网与控制子网之间通过门户网关与控制网关之间的互连实现通信，控制网关负责进行控制子网到主干网的设备描述映射，使主干网可以访问控制子网中的设备。

在家庭控制网络中，所有的家电都是通过数字化控制的设备，其上运行着一个嵌入式的操作系统，各个电器之间通过一个控制子网互连。如何能使这些设备方便地加入网络，正常工作，相互协作，并且可以与外界通信成为家庭网络管理中的关键问题。为了解决这些问题，需要一个管理系统加载到这些设备和网络上来确保整个网络的正常运行。

家庭网络的特点决定了传统的网络管理模式不能完全适用于家庭网络：首先，传统网络的管理模式很难实现家庭网络中的电器设备的即插即用、无需手工配置以及各电器设备之间的自动通信等要求，因此需要寻求新的管理方法。其次，在家庭网络中有各种各样的家电设备，设备参数的种类繁杂，然而单一设备参数的状态数相对而言却比较少。因此设计一套参数描述方法，满足家电状态参数类型众多，状态数相对少的特点。另外，在家庭网络管理中，电器设备附加的处理能力是很有限的，不可能存放很大的管理软件，因此就要求将实现管理功能的系统分离出来。

目前，基于TCP/IP技术的因特网(INTERNET)是最广泛存在的网络。家庭自动化系统上的各个节点出于成本上的限制，不可能全部具备TCP/IP协议连接能力。因此，对家庭自动化系统的控制网关提出的关键要求是使得基于TCP/IP协议的网络能够和基于HACN协议的家庭控制子网之间可以通过一个转换机制来实现互通。

家庭控制子网还具有多种传输媒介，例如：电力线、无线射频、双绞线、红外线、同轴电缆、光纤等等。为了将控制网关与控制子网连接，控制网关应该具备一种以上的通讯媒介的接入能力。

在《基于因特网智能控制中心的电器装置》的专利申请中，公开号为CN 2478177Y，曾公开了一种基于因特网的智能控制中心的电器控制装置。其特点是在电器上使用专用的网络信号传输芯片(PS2000)，使得互联网上的PC机可以经由网关的协议转换控制前端微控制器或采集数据。但其存在着一些缺点：1)为了控制电器，需要在前端微控制器和电器之间接入X.10协议转换器。2)通过人工编写HTML页面，并且只提供了通过PC上的网络浏览器软件进行控制的方式，只适合于人与家电设备之间的交互，不能满足外部系统对家电设备自动控制的需求。3)家电与网关之间只有双绞线一种通讯媒介，不能满足家庭自动化系统多种媒介共存的需求。

在《用于互相转接不兼容网络的协议数据单元的装置》的专利申请中，公开号为CN 1310906A，曾公开了一种用于互相转接不兼容网络的协议数据单元的装置，特别地，提出了一种协议数据单元转换的组格式，用于本地网络与电信网络之间的转接。电信终端设备包含本地固定无线电发射/接收装置，可以和移动无线电发射/无线电接收装置构成远程操作的结构。该装置一方面可以通用地用于语音数据和分组数据传输，另一方面是可以通用地用于各不同网络类型用的设备遥控。其问题在于它的组格式是面向电信通讯设计的，例如分组交换网、无绳电话、无线电话通讯，而并不涉及基于TCP/IP协议的INTERNET。并且，该装置并不具备对家庭自动化控制网络上的设备的初始化配置能力。

在《家庭网络服务器》的专利申请中，公开号为CN 2482284Y，曾公开了一种连接在家用电器与因特网间的设备，尤其是指一种可在家用电器和远程浏览器之间通过互联网进行双向控制的设备。其缺点是：1)每个电器都需要直接连接到网关(NET.NOW)上，允许连接的设备数量不超过网关所提供的接口数量；2)每个电器和网关的之间需要存在接口A和接口B，导致家庭中需要布设过多的线缆；3)只提供了通过PC上的网络浏览器软件进行控制的方式，只适合于人与家电设备之间的交互，不能满足外部系统对家电设备自动控制的需求；4)协议转换采用美国emWare公司的EMIT技术，需要购买专用的转换芯片或者带有版权的嵌入式软件。

可见，迄今为止，还没有适合于家庭网络控制子网使用的控制网关。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种控制网关，使其能支持外部网络和控制子网以及控制子网上的节点之间的互连互通和资源共享。

本发明的另一目的在于提供一种利用控制网关实现家庭网络中控制子网上节点初始化配置的方法，使控制子网的节点能够互连互通、共享资源，也使控制子网上的节点能够通过控制网关访问外部网络。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种控制网关，用于连接家庭网络的控制子网与外部网络，至少包括：与外部网络的接口、与家庭控制子网的接口以及同时连接上述接口的核心处理单元及其外围处理电路，该核心处理单元中进一步包括：操作系统以及家庭控制子网(HACN)网络通讯模块，用于实现报文的收发与控制；

家庭控制子网(HACN)服务模块，用于完成安全认证、描述信息存储、解释与转换的操作；

互联网服务模块，用于提供协议栈并负责互联网的连接；

应用层软件模块，用于实现节点的初始化配置以及网络协议的转换；

该应用层软件模块同时连接家庭控制子网服务模块和互联网服务模块，家庭控制子网服务模块与家庭控制子网网络通讯模块互连，该家庭控制子网网络通讯模块连接家庭控制子网，该互联网服务模块与外部网络相连。

所述的网络接口为无线局域网接口(WLAN)，如802.11a/b；或为以太网接口，如802.3 Ethernet；或为拨号网络接口，如PSTN、PPP、xDSL、Cable Modem；或为移动通信网接口，如GSM、GPRS、3G、SMS、MMS。所述的家庭控制子网接口为电力线媒介接口、或为双绞线媒介接口、或为无线射频媒介接口、或为红外线媒介接口。所述外围电路中的存储器为用于存储代码和数据的只读存储器、或可读写存储器、或其组合。所述的家庭控制子网(HACN)服务模块进一步包括设备描述转换单元、对象封装单元、标准应用编程接口(API)、对象控制语言(OCL)解释器以及面向对象设备(OOD)数据库。

一种利用上述控制网关实现家庭网络控制子网中节点互通的方法，该方法包括以下步骤：

a.当节点设备初始进入家庭控制子网时，该节点设备先检查自身是否已经过配置，如果是，则进入步骤b，否则，该节点设备向控制网关发配置请求报文，控制网关收到后，分配给该节点设备一个合法的HACN地址，该节点与控制网关建立连接；

b.控制网关根据HACN地址从当前接入的节点设备中获取该节点的设备和服务信息，生成控制子网的面向对象设备描述信息，同时生成相对应的主干网面向对象设备描述信息；

c.控制网关根据每个节点的面向对象设备描述信息配置各节点之间的互联关系，并将该关联信息分别存储与控制网关和相关的节点设备上。

其中，HACN地址由控制子网标识和节点标识组合而成。

步骤a中节点检查自身是否已配置是检测该节点数据库中预先存储的表示配置状态变量的值。

该方法进一步包括：节点设备向控制网关发送配置请求报文后，如果在预定时间未收到响应，则重发该请求报文。

该方法进一步包括：节点设备向控制网关重发配置请求报文预定次数后仍未收到响应，则不与控制网关建立连接，直接进入工作状态。

步骤b进一步包括：

b1.控制网关向节点发指令，读取当前节点设备整体描述服务中节点控制对象中服务列表变量的值，获得该节点设备所能提供的服务；

b2.控制网关向节点发出指令，逐个读取服务列表所指出的每项服务的索引对象，获取每项服务的组成和使用方法；

b3.控制网关根据所获得的索引对象和服务类型，创建面向对象设备(OOD)的控制子网描述信息。

因此，本发明所提供的，具有以下的优点和特点：

1)本发明的控制网关结构设计简单，其所有组成部分均可直接采用成熟、低价的芯片或设备，但其能提供各种网络接口和多种传输媒介接口，因此，成本低、功耗低且功能完善。

2)由于本发明控制网关具有多种类型的与家庭控制子网接口，因此可同时支持和连接HACN网络的多种传输媒介。

3)本发明提供了节点互通、控制子网节点与外部网络的互访问的功能，这些功能均是基于节点的初始化配置，而HACN网络初始化的配置只需对每个节点分配相应的标识，操作简单、易于实现。

4)本发明的控制网关支持TCP/IP协议标准，允许外部网络对家庭控制子网上的设备进行控制。

5)在本发明的控制网关中设置有专门的接口封装单元，用于检测用户的合法性，因此，本发明具有良好的安全和加密特性。

附图说明

图1为本发明采用的家庭网络系统结构示意图；

图2为本发明控制网关在家庭网络中所处位置的示意图；

图3为本发明控制网关的基本组成结构示意图；

图4为本发明控制网关详细的组成结构示意图；

图5为本发明控制网关一具体实施例；

图6为本发明控制网关软件组成结构示意图；

图7为本发明控制网关中软件各协议层的相互关系示意图；

图8为本发明控制网关软件结构的详细组成结构图；

图9为本发明控制网关实现控制子网上节点初始化配置的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

如图2所示，本发明的控制网关位于外部网络和家庭网络的控制子网之间，可使外部网络和本地家庭控制子网分别通过控制网关访问对端所提供的资源与服务。而且，控制网关在中间可起到防火墙的作用，向本地家庭控制子网提供安全和加密服务。在这里，外部网络是针对家庭控制子网而言的，是指家庭控制子网以外的所有网络的统称，它包括但不限于：家庭主干网、公用电话网络(PSTN)、无线通讯网络(GSM/GPRS/3G/SMS)、互联网(INTERNET)等。

基于控制网关所处的位置，控制网关的基本组成结构如图3所示，主要包括三部分：与外部网络的接口、与本地家庭控制子网的接口以及用于核心处理的具有运算能力的处理器(CPU)及其外围电路，该外围电路至少包括存储器。

该控制网关详细的组成结构如图4所示，从图4中可以看出，控制网关能够提供多种网络接口与外部网络相连，比如：无线局域网接口、以太网接口、拨号网接口和移动通讯网接口。其中，无线局域网接口遵循802.11协议；以太网接口遵循802.3协议；拨号网接口又进一步包括：点对点协议(PPP)接口、综合服务数字网(ISDN)接口、非对称数字用户环线(ADSL)接口；移动通讯网接口又进一步包括：全球移动通信系统(GSM)、通用分组无线业务(GPRS)以及第三代移动通信网络(3G)的接口。同时，控制网关能提供多种传输媒介接口，与各种物理传输媒介相连，比如：电力线媒介接口、双绞线媒介接口、无线射频媒介接口以及红外线媒介接口等。控制网关的核心处理部分包括：中央处理单元(CPU)、代码/数据存储器、可读写存储器(RAM)和时钟单元，其中，代码/数据存储器可以为只读存储器(ROM)、快闪存储器(FLASH)或可擦写只读存储器(EEPROM)。控制网关的核心处理部分均通过总线或输入输出设备与外部网络和家庭控制子网相连，该总线可以是：本地总线(Local BUS)、PCI总线、ISA总线、GPIO总线、I²C总线、UART总线或SPI总线。

控制网关通常由嵌入式处理器作为核心，只要同时具有连接外部网络和家庭控制子网能力的设备均可作为控制网关，比如：一台普通结构的PC机，通过外接扩展卡、外围设备等方式实现了同时连接基于TCP/IP协议的互联网络和基于HACN协议的家庭控制子网的能力，该计算机也可以作为控制网关。

图5所示为本发明控制网关的一具体实施例，该控制网关的CPU和存储器通过地址、数据和控制总线相互连接，并且，通过总线和以太网接口连接以太网，同时通过总线经由总线扩展接口与家庭控制子网的通讯电路相连。

本实施例利用嵌入式微处理器MCF5307或MCF5272等，加上嵌入式操作系统uClinux，构造上述的控制网关。

本实施例中，控制网关的核心部件是Motorola Coldfire MCF5307 CPU，是一个专为嵌入式应用设计的32位CPU，工作频率90MHz，处理能力75Dhrystone 2.1，功耗910mW。该MCF5307 CPU有以下特性：

1＞8-Kbyte unified cache；

2＞片上4-Kbyte高速静态SRAM；

3＞整数/小数乘-加(MAC)运算单元和除法运算单元；

4＞SDRAM控制器；

5＞4通道DMA控制器；

6＞两个16位通用16位定时器；

7＞具有两个通用异步串行口(UART)、I²C总线接口和并行I/O接口。

该控制网关上的SDRAM有16M字节，速度70ns，通过16位数据总线与CPU交换数据；控制网关上的快闪存储器(FLASH MEMORY)有4M字节，速度70ns，通过16位数据总线与CPU交换数据，擦写次数典型值10万次。该控制网关上的以太网接口是一个完整的基于Realtek公司RTL8019AS芯片的10BaseT以太网接口，包括网络变压器和RJ45插座，可实现与以太网的连接。同时，可以通过在总线上扩展PCI接口，或者直接使用AX88796等局域总线的芯片，实现100M的以太网连接。

本实施例中的控制网关具有两个通用异步串行口(UART)，也就是MCF5307 CPU的两个异步串行口，通过UART可以实现控制网关与本地家庭控制子网之间的连接。每个异步串行口分别有两个输入和两个输出共4个信号，名称分别如下所示：

串口1：RXD1(输入)、-RTS1(输入)、TXD1(输出)、-CTS1(输出)；

串口2：RXD2(输入)、-RTS2(输入)、TXD2(输出)、-CTS2(输出)。

从软件结构上来说，如图6所示，控制网关包括上层应用服务模块、下层HACN网络封装接口模块以及支持其通信的TCP/IP协议栈。其中，HACN接口封装模块由服务管理单元、主干网设备描述、控制子网设备描述、接口封装单元等构成。上层根据不同的应用，可以通过底层所提供的接口API函数，进行配置、查询和控制的操作。

更进一步的说，参见图7和图8所示，本发明控制网关的软件结构可大致划分为五个部分：HACN网络通讯模块、HACN服务模块、互联网服务模块、应用层软件和操作系统。

其中，HACN网络通讯模块主要用于实现HACN分层体系中的传输层、网络层和数据链路层。

HACN服务模块属于HACN分层体系中的应用层，主要设计目标是建立一个开放的、标准的、在HACN控制子网和应用软件之间的接口。HACN服务模块隐藏了底层硬件标准的复杂性，使得提供给上层的接口更自然化，便于软件开发人员和系统集成商理解并应用。该服务模块由以下几个子模块构成：主干网设备描述转换，用来将OOD数据库的信息，即家庭控制子网中的设备描述信息转换成主干网上的设备描述信息，使得主干网上的设备可以对HACN子网的设备进行访问；对象封装单元，用来封装一系列的标准对象，使得应用层可以根据标准的访问方法来操作对象。对标准对象的访问将由对象封装单元进行转换，并发送相应的控制/查询信息到HACN子网上；标准API接口，负责封装标准的API函数，使得应用层可以通过简洁的函数调用来访问HACN上的节点及其功能；OCL解释器，当接收到HACN子网上发来的有效控制帧时，通过OCL解释器来分析控制帧的含义，分析的结果将写入OOD数据库中；OOD数据库，是整个HACN网络上的全部节点的OOD描述的一个映像(Map)，它保存着每个节点尽可能新的各种状态信息，使得外部网络和主干网访问HACN时，可以迅速获得最新的状态。

互联网服务模块为控制网关提供连接到互联网的能力，包含标准的TCP/IP协议栈和网络适配器驱动部分。如果所选择的操作系统支持TCP/IP协议栈，那么互联网服务模块实际上是内嵌在操作系统之中的。

应用层软件，该模块属HACN分层体系中的应用层，同时也属于TCP/IP协议中的应用层部分。应用层软件根据需要设计，主要目的是为了利用底层提供的各种接口函数，实现：a)HACN子网的初始化配置功能；b)互联网与HACN子网的协议转换。其中，初始化配置功能用于实现HACN网络网关端初始化，其由HACN初始化配置模块完成。

对于互联网与HACN子网的协议转换，典型地，允许外部网络通过标准的WWW浏览器进行访问，因此，由以下三个子模块来实现此功能：①网页+数据库；②动态网页交互(如CGI)；③WWW Server网页服务器。而根据具体的应用需求，还可以在网关上集成其他应用软件，来实现更多的功能，例如：日程管理功能等。

该控制网关中的操作系统可以选择具有嵌入式的类型，例如uClinux。控制网关是支持TCP/IP协议的，但操作系统对于实现TCP/IP协议有帮助但并不是必要条件。因此，在控制网关上可选择性地采用操作系统。比如：采用包括标准Linux平台、嵌入式uClinux平台和WIN32平台的操作系统。

在一个基于TCP/IP协议的互联网络上，通常采用人为指定IP地址或利用动态主机配置协议(DHCP)服务来分配地址的方法，网络节点，比如计算机，使用域名服务器(DNS)机制来识别并定位其他网络节点，这样的机制在HACN网络上不适用；因此，本发明提出了简化的、易于在家电设备上实现的设备初始化和地址分配、寻址方法。

通常来说，需要进行节点初始化配置的情况有以下几种：

1)从无到有构造家庭控制子网：全部节点均为刚出厂的、未经配置的；在安装好全部节点后，开始执行配置过程；

2)添加新节点：家庭控制子网已经存在，且已经过配置能正常运作。需要新添加一个或多个新节点，新节点均为刚出厂的、未经配置的，在新节点安装好之后，执行与新节点有关的配置过程；

3)删除已有节点：家庭控制子网已经存在，且已经过配置能正常运作。其中一个或多个节点出现故障或由于其他原因需要从网络中移去，那么在移走节点后，可以将网络中与该节点有关的信息删除；如果不删除相关信息，就要对该相关信息做出标记，以便提醒其它节点或用户此节点不存在，对该节点的操作无效，从而保证即使不在网络中删除相关信息，也不影响对网络中其它节点的操作。

4)添加新节点，但该节点曾被配置：家庭控制子网已经存在，且已经过配置能正常运作。需要新添加一个或多个新节点，该新节点是已经被配置的，但不适合当前网络的情况；在该节点安装前，需要将该节点复位，使其成为未配置模式，然后再按照第2种情况进行处理。

本发明所提出的节点配置过程至少包括以下步骤：

1)家庭控制子网上的每一个节点从控制网关获得一个合法的HACN地址，该HACN地址由两个字节的控制子网标识(Subnet ID)和两个字节的节点标识(Node ID)组成；

2)在控制网关上创建家庭控制子网上每个节点的控制子网面向对象设备(OOD)描述信息，并生成相应的主干网设备描述信息；

3)控制网关根据需求配置各个节点之间的捆绑关系，生成设备描述之间的关联信息，并将该关联信息分别保存在控制网关和相关节点上，即将配置好的关联信息下载到家庭控制子网的相关节点上，每个收到关联信息的节点将该信息保存于自身的数据库中；

完成上述配置过程的家庭控制子网上的各个节点均拥有HACN地址，并且具有通过关联信息实现访问网络上其它节点的能力。

对于一个未初始化或恢复出厂设置后的节点而言，它拥有唯一的产品序列号(PSN，Product Serial Number)，该序列号长度为128位，即16个字节。无论是来自同一个或者不同厂家的节点，产品序列号均不可能出现重复，且是不可修改的。

本发明人曾在另一专利申请中提出一种放置于每个节点的节点装置，该节点装置中包括一个存放节点设备描述信息的面向对象设备(OOD)数据库。在该OOD数据库中，存放着一个变量，称为：configured。当节点未经配置时，configured变量取值为FALSE，表示该节点未经配置；如果该节点被分配了子网编号(Subnet ID)和节点编号(Node ID)，并且完成了设备的关联配置，那么configured取值将被修改为TRUE。

基于此，从当前节点的角度分析，本发明节点配置的详细流程是这样的，如图9所示：

1)节点上电后，检查自身的configured变量值是否为TRUE，如果为TRUE，则结束本流程直接进入正常工作状态；如果为FALSE，则进入步骤2)，进入配置过程。

2)当前节点向网络上发送一个请求分配HACN地址的报文，该报文中含有自身的产品序列号(PSN)，如果累计发送该报文超过5次，表明可能存在网络繁忙、或者网关不存在、网络断开等因素，则进入步骤6)，否则进入步骤3)。

3)请求分配HACN地址报文发送后，该节点立刻进入接收状态。如果在短时间内，比如2秒钟，该节点收到了来自控制网关的反馈数据帧，且该反馈帧中包含的PSN信息和自身PSN相同，表明该反馈数据帧是针对自己的，则进入步骤4)；如果没有收到反馈数据帧，那么在上述短时间过后，则返回步骤2)执行重发；如果收到来自控制网关的反馈数据帧，但包含的PSN和自身PSN不匹配，则继续延迟一定时间，比如10秒钟，返回步骤2)执行重发。

4)当前节点向网关发送一个反馈帧，确认收到HACN地址；当前节点提取反馈帧中所包含的HACN地址，并存储在自身具有掉点保持功能的存储器上。至此，节点已获得控制网关所分配的HACN地址，然后进入步骤5)。

5)当前节点进入接收状态，等待来自控制网关的一个或多个数据帧。再根据每个数据帧的请求，提取自身面向对象设备(OOD)的描述信息，发送给控制网关，使控制网关能够创建相应的设备描述模型。如果在一定时间内，比如10秒，没有收到控制网关发来的数据帧，则转到步骤6)；如果收到控制网关发来的建模结束数据帧，则转到步骤7)。

6)指示配置过程出现错误，当前节点标识配置过程的错误级别，比如：无法获得地址或者无法使网关建立模型等等，说明该节点只能执行本地操作，尚不具备联网能力，进入步骤7)。

7)节点进入工作状态。

从控制网关的角度分析，本发明控制网关所提供的配置功能详细执行流程是这样的，同样参见图9所示：

1)控制网关先于节点上电，进入正常工作状态；

2)如果接收到来自某个控制子网节点的请求分配HACN地址的报文，则进入步骤3)；

3)根据其所在控制子网分配子网编号(Subnet ID)，并选择该子网中的一个闲置的节点编号(Node ID)，加上该节点的PSN信息组合为一个地址分配报文作为反馈帧，然后进入步骤4)；

4)发送一个反馈帧，即地址分配报文给该节点后，进入步骤5)；如果累计发送超过3次，则进入步骤11)；

5)等待节点发出的接收确认报文，如果控制网关在2秒内收到节点的确认报文，则进入步骤6)，否则进入步骤4)重发；

6)控制网关向节点发出指令，获取设备整体描述服务(UniversalService)中节点控制对象(Node_Control_Object)中的服务列表(Service_List)变量的值，了解设备上存在哪些可用服务后，进入下一步；

7)控制网关向节点发出指令，逐个读取服务列表(Service_List)所指出的每项服务的索引对象(Index Object)，了解该服务的组成和使用方法，然后进入下一步；

8)控制网关根据所获得的索引对象和服务类型，创建面向对象设备(OOD)的控制子网描述信息，然后进入下一步；

9)控制网关根据所获得的信息，生成与控制子网OOD描述相对应的主干网OOD设备描述，然后进入下一步；

10)控制网关向节点发送“建模完成”的指令，使节点退出交互状态，开始正常工作；控制网关配置一个节点的工作到此完成，返回步骤2)继续等待其它节点的请求报文；

11)记录一个操作失败，返回步骤2)。

在家庭控制子网中的全部节点初始化结束之后，每个节点都获得了正确的、唯一的HACN地址。在控制网关上也创建了每个节点的OOD模型及其控制子网到主干网设备描述的映射，该网络就象网络中每个节点产品模型的镜像集合，可称为虚拟HACN网络。接下来，用户即可通过网关进行各节点相互控制关系的定义，使得各节点协同工作并互相耦合。

经过上述配置过程，本地家庭控制网络上的每个节点都可以访问控制网关，由于控制网关提供了与各类外部网络相连的多种网络接口，则本地家庭控制网络上的节点就可以通过控制网关，访问包括家庭主干网在内的各种外部网络所提供的资源与服务，同样，外部网络也可以通过控制网关访问到控制子网上的各个节点。

本发明的控制网关是本地家庭控制子网与外部网络的唯一接口，在外部，对家庭控制子网上节点的操作全部经过控制网关才能进行。因此，本地家庭控制子网的安全性就由控制网关来保证。

控制网关对外部采用TCP/IP协议连接，其可基于INTERNET的通用加密、安全协议，比如：①RSA Data Security Inc.授权的安全软件；②通过证书验证个人身份或网站的安全性；③使用安全网站的128位安全连接；④使用安全套接字层或加密套接字协议层(SSL)。

如图6所示，在控制网关软件结构中包括一个接口封装单元，外部网络对本地家庭控制子网的访问必须经过接口封装单元。因此，外部网络每次对接口封装单元进行访问时，均须提供合法用户名称(user)和256位的序列号(sid)，每个user只有经过密码认证后，才能获得由控制网关随机分配的sid编号。此后，user和sid这一对变量将在一定时间内有效，并且两者必须都正确无误，接口封装单元才会执行对家庭控制子网的操作。在超时后，或者用户选择退出时，user和sid将无效，以此来保证本地家庭控制子网的安全可靠性。

Claims (11)

1、一种控制网关，用于连接家庭网络的控制子网与外部网络，至少包括：与外部网络的接口、与家庭控制子网的接口以及同时连接上述接口的核心处理单元及其外围处理电路，其特征在于该核心处理单元中进一步包括：操作系统以及

家庭控制子网(HACN)网络通讯模块，用于实现报文的收发与控制；

家庭控制子网(HACN)服务模块，用于完成安全认证、描述信息存储、解释与转换的操作；

互联网服务模块，用于提供协议栈并负责互联网的连接；

应用层软件模块，用于实现节点的初始化配置以及网络协议的转换；

该应用层软件模块同时连接家庭控制子网服务模块和互联网服务模块，家庭控制子网服务模块与家庭控制子网网络通讯模块互连，该家庭控制子网网络通讯模块连接家庭控制子网，该互联网服务模块与外部网络相连。

2、根据权利要求1所述的，其特征在于：所述的网络接口为无线局域网接口、或为以太网接口、或为拨号网络接口、或为移动通信网接口。

3、根据权利要求1所述的，其特征在于：所述的家庭控制子网接口为电力线媒介接口、或为双绞线媒介接口、或为无线射频媒介接口、或为红外线媒介接口。

4、根据权利要求1所述的，其特征在于：所述外围电路中的存储器为用于存储代码和数据的只读存储器、或可读写存储器、或其组合。

5、根据权利要求1所述的，其特征在于：所述的家庭控制子网(HACN)服务模块进一步包括设备描述转换单元、对象封装单元、标准应用编程接口(API)、对象控制语言(OCL)解释器以及面向对象设备(OOD)数据库。

6、一种利用上述控制网关实现家庭网络控制子网中节点互通的方法，其特征在于包括以下步骤：

a.当节点设备初始进入家庭控制子网时，该节点设备先检查自身是否已经过配置，如果是，则进入步骤b，否则，该节点设备向控制网关发配置请求报文，控制网关收到后，分配给该节点设备一个合法的HACN地址，该节点与控制网关建立连接；

b.控制网关根据HACN地址从当前接入的节点设备中获取该节点的设备和服务信息，生成控制子网的面向对象设备描述信息，同时生成相对应的主干网面向对象设备描述信息；

c.控制网关根据每个节点的面向对象设备描述信息配置各节点之间的互联关系，并将该关联信息分别存储与控制网关和相关的节点设备上。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的HACN地址由控制子网标识和节点标识组合而成。

8、根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤a中节点检查自身是否已配置是检测该节点数据库中预先存储的表示配置状态变量的值。

9、根据权利要求6所述的方法，其特征在于该方法进一步包括：节点设备向控制网关发送配置请求报文后，如果在预定时间未收到响应，则重发该请求报文。

10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于该方法进一步包括：节点设备向控制网关重发配置请求报文预定次数后仍未收到响应，则不与控制网关建立连接，直接进入工作状态。

11、根据权利要求6所述的方法，其特征在于步骤b进一步包括：

b1.控制网关向节点发指令，读取当前节点设备整体描述服务中节点控制对象中服务列表变量的值，获得该节点设备所能提供的服务；

b2.控制网关向节点发出指令，逐个读取服务列表所指出的每项服务的索引对象，获取每项服务的组成和使用方法；

b3.控制网关根据所获得的索引对象和服务类型，创建面向对象设备(OOD)的控制子网描述信息。

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