数字家庭标准综述与应用分析

2012-03-15丁森华李学伟张乃光梁晋春

电视技术 2012年14期

丁森华，李学伟，张乃光，梁晋春

（广播科学研究院，北京 100866）

数字家庭概念的起源很早，国外也有称之为智能家居、E-home、E-house等。数字家庭涉及多种设备（自动化设备、计算机、家用电器、手持音视频终端、水电气设备、安全监控设备等）、多种网络（有线电视网、光纤网、3G、无线局域网、以太网、低速控制网络等）、多种协议（DLNA、闪联、e家佳、OSGi等），是一个跨领域的融合性产业。由于设备和网络相关技术标准尚未统一，相关厂商提供的解决方案和市场的接受能力一直有差距，数字家庭一直没有得到广泛应用。

近年来，随着网络和设备技术的发展，设备制造成本越来越低。与此同时，随着收入增长，人们的消费能力和生活水平要求越来越高，家庭拥有的各种家电、PC、数码设备等也越来越多。数字家庭的网络化、信息化、智能化成为业内的发展方向，数字家庭标准之争也日益激烈。相关厂家都推出符合相应标准的产品或产品线，希望提供给消费者更丰富和舒适的体验，从而在数字家庭领域占得先机。

1 数字家庭发展历程

国内外数字家庭的相关重要事件如下[1]：

20世纪90年代初，美国人第一次提出数字家庭（智慧屋Smart-Home）。

1999年，比尔·盖茨在中国举行“维纳斯计划”发布会。

1999年3月，Sun Microsystems、IBM、爱立信等成立的开放标准化组织 Connected Alliance，后改名为OSGi Alliance。

2003年6月，由英特尔和微软等17家公司带头发起成立的DHWG（数字家庭工作组）后改名为DLNA。

2003年，联想、TCL、康佳、海信、长城等国内5家企业发起的“信息设备资源共享协同服务标准化工作组”，并发布了“闪联”品牌。

2004年，“数字电视接收设备与家庭网络平台标准工作组”（简称标准工作组）的部分骨干成员单位发起并成立了“中国家庭网络标准产业联盟”——ITopHome（简称e家佳）。

2006年1月，Intel推出针对数字家庭市场的Viiv平台。同年6月，AMD推出与Intel的Viiv所对应的Live平台。

2008年7月，中国向ISO/IEC JTC1提交的闪联（信息设备资源共享协同服务，英文简称IGRS）国际标准提案，正式成为ISO/IEC JTC1国际标准。

2010年4月23日，e家佳联盟主导提报的国际标准项目《家庭多媒体网关通用要求》，英文名称《MULTIMEDIAGATEWAYINHOMENETWORKS——GUIDELINES》，正式成为IEC国际标准。

2 数字家庭核心内涵

目前数字家庭还没有通用的定义，但从各方对数字家庭的描述，以及消费者需求的角度出发，其至少包含了以下的内容：

1）网络化

数字家庭需要实现设备之间的互联互通，实现外部网络与家庭设备之间的网络数据传输和控制。网络包括两个层次：一是家庭网络内部平台，由信息网络（数据和多媒体等）和控制网络等构成；二是外部网络和家庭网络之间的通信、控制和数据传输。

2）信息化

设备需要具备一定的信息处理能力，能够向外提供数据和设备接口。传统家电和部分数码设备往往不具有该接口，因此需要做一些接口适配器，将这些设备也纳入到管理范围。

3）智能化/人性化

需要提供友好的人机交互界面，包括智能遥控器和易使用的用户界面。友好的交互界面让用户更快学会数字家庭系统和设备的操控，从而提高对数字家庭的认同和接受。

4）安全性

需要提供身份认证、设备访问、内容保护功能，以确保用户和服务提供商的合法权益不受侵犯。

5）一体化服务

需要提供一体化服务的解决方案，为生活提供更多服务和便利。数字家庭一体化服务涵盖文化娱乐教育、生活服务消费、社会公益事业等方面。

3 数字家庭主要标准介绍

目前主要的数字家庭组织和标准如下所述。

3.1 OSGi

OSGi Alliance（Open Service Gateway Initiative Alliance）是一个由Sun Microsystems、IBM、爱立信等于1999年3月成立的开放的标准化组织，最初名为Connected Alliance。该组织及其标准原本主要目的在于使服务提供商通过住宅网关，为各种家庭智能设备提供各种服务。目前该平台逐渐成为一个为室内、交通工具、移动电话和其他环境下的所有类型的网络设备的应用程序和服务进行传递和远程管理的开放式服务平台[2]。

OSGi是一个基于Java语言的服务（业务）规范，核心部分是一个定义了应用程序的生命周期模式和服务注册的框架，基于这个框架定义了OSGi服务，包括日志、配置管理、偏好，HTTP、XML分析、设备访问、软件包管理、许可管理、星级、用户管理、IO连接、连线管理、Jini和UPnP等[2]。

OSGi分层模型如图1所示。

分层模型具体包含如下内容：1）捆绑应用（Bundle），该层捆绑了应用商开发的OSGi组件。2）服务，该层定义了一个集成在生命周期层中的动态协作模型，是一个集发布、动态寻找、绑定为一体的服务模型。3）生命周期，该层提供了一组API来控制Bundle应用的运行时操作，可以动态地对Bundle进行安装、启动、停止、升级和卸载等操作。4）模块，该层定义了类的装载策略。5）安全，该层处理安全方面的问题。6）执行环境。

总而言之，OSGi规范提供了一个具有非常有效的API的成熟和全面的组件模型。

3.2 DLNA

DLNA的全称是Digital Living Network Alliance，成立于2003年，成员包括飞利浦、索尼、三星、英特尔、松下、微软等。DLNA致力于建立不同厂商产品之间连接和适应的工业标准，通过无线网络和有线网络实现个人计算机、移动终端和消费电器的相互交互和连通，从而实现数字媒体的共享。DLNA采用了目前广泛应用的技术和协议，以期获得各厂商的认可和支持。

DLNA技术组件主要包括如下几个部分：

1）网络与互连

IPv4协议是家庭网络和数字家庭连接的基础，互联网协议（IP）也提供了互联网上设备的底层网络通信方法。DLNA支持基于IP的技术，如以太网、WiFi的IEEE 802.11、蓝牙、HPNA、MoCA和WiFi直连。互联网工程任务组目前正积极推行从IPv4到IPv6平滑演进的过渡技术，这些技术将适用于家庭设备和住宅网关。

2）媒体格式和传输模型

DLNA媒体格式模型的目的是实现网络的互联互通，并鼓励媒体编解码的技术创新。在给定的码率下，媒体编解码器的技术进步能够实现更好的网络带宽利用率和媒体质量。DLNA要求支持媒体内容可以基于家庭网络从DMS或M-DMS设备传输到DMP或M-DMP设备。

3）受保护的流/链路保护

DLNA采用基于IP的数字传输内容保护协议（DTCP-IP）对数字家庭网络中设备间的商业内容进行保护。受保护的流指定为保护家庭网络内的两个设备之间的内容流，防止商业内容被盗版和非法分配。

4）媒体管理、分配和控制

媒体管理、分配和控制实现固定的家庭网络中设备和应用之间的识别、管理和分配，以及将其传输到移动设备。根据DLNA网络设备互操作性指南,UPnP的音视频定义了UPnP音视频设备和相关的控制点应用之间的互动模式，允许设备支持任何格式和传输协议的任何娱乐内容，并且定义了以下5个由媒体服务器和媒体渲染的托管服务，即内容目录服务、连接管理器服务、音视频传输服务、渲染控制服务和预定的录音服务。

5）可管理性

提供更多管理和支持信息，以帮助消费者维护和使用他们的消费数码产品。

3.3 闪联（IGRS）

2003年7月，闪联标准工作组在信息产业部支持下，由联想、TCL、康佳、海信、创维、长虹、长城、中和威8家大企业联合发起成立，中文简称闪联，同年开始制定信息设备智能互联与资源共享协议（简称IGRS）。2005年6月，其标准1.0版本被正式颁布为国家行业推荐性标准，成为我国3C协同领域的第一个国家标准[3]。

闪联标准以智能互联、资源共享和协同服务为核心理念，其标准包括3个部分：闪联基础协议、闪联智能应用框架和闪联基础应用，目前v1.0包括基础协议标准和智能应用框架标准，其标准体系如图2所示[3]。

如图3所示，IGRS层次结构包括：

1）基础应用及扩展应用

该部分是用户开发的应用，通过协议栈服务和客户描述规范包装，应用可以发布在闪联设备上，从而成为闪联服务和客户[4]。

2）设备协同服务平台

IGRS应用框架抽象定义了标准服务和交互规则，基于相应框架，各IGRS应用可进行标准化实现。

3）设备发现与资源共享平台

IGRS基础协议规定了IGRS设备发现和资源共享机制，包括设备相互发现、设备间管道创建、服务发现制、设备组管理、会话管理和服务访问等方面[4]。

4）设备交互消息框架

设备交互消息框架基于HTTP/1.1协议。

5）传输与网络协议

传输与网络协议基于TCP/IP协议

6）设备连接

IGRS支持各种设备通过有线局域网、无线局域网以及蓝牙等网络连接。

3.4 e家佳

2004年7月26日，家庭网络标准产业联盟（ITopHome，e家佳）由“数字电视接收设备与家庭网络平台标准工作组”的部分骨干成员单位共同发起成立，目前其成员发展到200多家，涵盖家电、IT、通信、仪器、建筑、建材、安防等[5]。

e家佳对家庭网络系统的定义是：家庭网络系统指的是融合家庭控制网络和多媒体信息网络于一体的家庭信息化平台，是在家庭范围内，实现信息设备、通信设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、照明设备、保安（监控）装置及水电气热表设备、家庭求助报警等设备互联和管理，以及数据和多媒体信息共享的系统[6]。

目前，e家佳标准体系由如下6个标准构成，即《家庭主网通信协议规范》、《家庭主网接口一致性测试规范》、《家庭控制子网通信协议规范》、《家庭控制子网接口一致性测试规范》《家庭网络系统体系结构及参考模型》以及《家庭网络设备描述文件规范》。

作为e家佳标准体系的基础，《家庭网络系统体系结构及参考模型》描述了家庭网络的网络规范、体系结构和参考模型3个方面的内容。根据标准内容，家庭网络体系结构及参考模型如图4所示。

《家庭主网通信协议规范》规定了家庭主网设备（包括家庭主网关、信息设备、娱乐设备、家庭控制子网关等）所构成的家庭主网的通信协议规范。

《家庭控制子网通信协议规范》规定了家庭控制子网设备（包括家庭控制子网关、移动控制终端、照明设备、保安监控装置及水电气热表、家庭求助报警和家用电器等）之间运行状态和控制数据的传递和管理技术规范。

《家庭网络设备描述文件规范》规定了家庭控制子网设备的设备描述文件格式，在信息一致性、功能和性能、用户界面等方面提出了技术要求。

《家庭主网接口一致性测试规范》和《家庭控制子网通讯协议一致性测试规范》规定了家庭主网和子网接口与通信协议等一致性测试方法，规范了主网和子网设备的相互联接测试以及生成和监测。

3.5 主要标准比较

由于各标准组织的组织构成、目的和定位、标准应用场景和技术特点等有所不同，所形成的标准侧重点也有所不同，表1从多角度对主要标准进行比较。

表1 数字家庭主要标准比较

4 数字家庭典型应用

目前支持各标准的厂商都推出符合各自标准的设备和系统，下面列举了一些典型的设备和系统应用。

4.1 OSGi应用

OSGi应用具体如下：

1）智能药盒与服药提醒系统。智能药盒与服药提醒系统可以提供服药提醒、药盒监控和药盒定位的功能[7]。

2）智能遥控器。某款智能遥控器，能够提供一个单一且易于管理的平台，除了能够自定义它的用户界面之外，它主要通过WiFi的无线技术（IEEE 802.11）与网络连接，除了可掌握电视节目表，还能作为上网浏览的一个平台查看电子新闻或收发电子邮件[7]。

3）安全守护系统。该安全守护系统主要是通过无线传感器的方式，测量病人的各种生理特征（如体温、血压和心率变化等），通过路由器传送相关数据给身在远程的医生，让医生实时监看居家病人的健康情形并进行双向联系[7]。

4.2 DLNA应用

DLNA应用具体如下：

1）DLNA电视。索尼某款DLNA电视可以通过绑定网站上所提供的电影、电视及娱乐、新闻等网络视频内容免费或收费共享，另外还可以使用电视连接家庭网络，享用家庭网络上的图片、音乐、视频资源等。

2）DLNA手机。目前包括Android等系统的智能手机都可以通过无线网络分享和使用家庭网络上的媒体资源，比如在支持DLNA计算机或电视上分享图片和音视频等，或者在手机上播放计算机上的图片、视频、音乐。

3）DLNA计算机。安装Windows系统的计算机可以非常简单地将图片、音乐和视频输出到家庭网络上的所有设备，也可播放其他设备上的媒体资源。

4）其他设备。其他还有支持DLNA的高清多媒体网络存储器、支持DLNA的无线路由设备等。

4.3 闪联应用

闪联应用具体如下：

1）闪联智能高清播放器。闪联某款智能高清播放器，采用Android 2.2系统，基于闪联VUFS技术，通过WiFi网络，将计算机上共享的文件夹虚拟成U盘，从而让支持USB播放功能的电视机具备闪联DMA功能，可以在电视机上直接欣赏计算机中的电影、图片、音乐等媒体内容。

2）闪联电视。目前海信、TCL等公司已经推出了支持闪联标准的电视，实现电视与家庭网络上支持闪联标准的设备互联。

3）其他应用。相应厂家推出了基于闪联标准的智能家居产品、电力载波宽带通信产品等。

4.4 e家佳应用

e家佳应用具体如下：

1）智能家居系统。海尔推出了基于e家佳联盟家庭网络标准体系的U-home智能家居，并建立了名为“云社区”的体验中心。该智能家居实现了媒体娱乐、可视对讲、安防、环境监测、智能灯光等功能。

2）网络洗衣机。基于e家佳的某款网络洗衣机，采用家电远程控制系统技术，通过因特网、短信和电话等网络，用户可以在离家时实现远程洗衣。

3）高清流媒体播放器。基于e家佳的某款高清流媒体播放器，可以把家庭影院设备和计算机通过网络连接起来，在家庭影院设备上显示计算机中存储的节目，其中计算机作为媒体节目下载存储设备，播放器作为解码设备，家庭影院作为显示设备。

4.5 其他应用

除了以上几种应用，还有苹果的AirPlay应用值得关注。借助 AirPlay，用户可以将视频、音乐和照片从iPhone，iPad或iPod touch以无线方式流化到Apple TV，以及将音乐流化到 AirPlay扬声器或接收器，包括Air-Port Express，也可以将视频和音乐从计算机以无线方式流化到 Apple TV。通过这种技术，手机屏幕、PC电脑屏幕以及电视屏幕各种设备之间将能够进行智能交互，实现多设备屏幕的实时共享，实现多人娱乐与协作。