家庭網關是將計算機互聯網與自主構建的家庭網絡連接在一起的智能網絡。它能夠實現家庭終端的統一智能化管理，用戶只需通過GUI界面進行簡單的操作就能實時調取家電的工作狀態信息，并能控制家庭終端；同時智能家庭網關還有自動控制功能，能夠處理一些無需人工操作的工作。

項目研究目的如下

要實現的基本功能為：

通過外部網訪問家庭網關，可以遠程控制家庭終端設備。

智能家庭網關有一定的自主處理能力，可以自動控制一些無需人工干預的終端設備的操作。

預期在項目之后可擴展實現的功能為：

制作成功簡易低成本的智能家庭網關產品，網關包括嵌入式操作系統，界面友好，可以作為所有外部網接入到家庭網的物理接口。

智能家庭網關為家庭內部的設備分配內部專用的唯一的IP地址，并且具有路由功能和網絡地址翻譯(NAT)功能。

智能家庭網關可以在家庭網絡內部傳輸音頻、視頻流，支持視頻點播（VOD），視頻共享等，營造友好舒適的多媒體環境。

加入無線控制模塊，各種終端設備無需使用傳輸線與網關相連，而是采用無線控制，增強靈活性。

項目研究意義

家庭網關在家庭網絡中扮演著重要角色，借助現有的計算機網絡技術，將家庭內部各種家電和設備連網，通過網絡為人們提供各種豐富、多樣化、個性化、方便、舒適、安全和高效的服務。在家電控制方面，用戶可以根據自己的需求來配置家電，從而方便地對家電進行遠程控制；在視頻監控方面，通過遠程調取安裝在家里的監控設備所拍攝到的視頻信息，用戶可以及時清楚地了解家里的情況，一旦出現異常情況，及時報警；在多媒體接入方面，通過家庭數字機頂盒，用戶不僅可以觀看到高清的數字節目，還可以互動點播節目和瀏覽網頁，真正實現多媒體在家庭中的應用；在信息服務方面，通過將智能家庭網絡與其他網絡系統互連，用戶可以及時得到諸如商品售后、健康等方面的服務。家庭網關已成為人們日常生活中不可缺少的一部分，因此，對低成本、安全性好、可靠性高的家庭網關進行研究，具有重要的意義。

項目應用前景和學術價值

隨著人們生活質量的提高，家庭內部的電子產品越來越多，采用智能家庭網關進行集中控制管理，將給人們的生活帶來極大的方便。因此，家庭網關的應用將會是大量的。以前家庭內部出現的小型網絡路由器的功能有限，其應用是在家庭內多個PC同時共享一個寬帶網絡接入。它只能控制PC終端，對于其他如冰箱、空調等家電就無能為力了。智能家庭網關則不僅能夠提供寬帶接入，而且可以控制管理家庭內部的各種電器。例如，在網絡應用方面，家中的小孩可以接入Web來學習學校的課程，同時另外一個家庭成員可以進行網上購物。多個人可以同時進行網絡操作，而不需要等待其他人完成操作；在多媒體應用方面，家庭網關不僅管理高速Internet的接入，而且對日益豐富的多媒體應用，如視頻點播(VOD)，視頻共享，混合視頻和音頻信息流的可視電話，以及其它交互形式的娛樂服務，如網絡游戲等提供更加人性化的管理服務；此外，在家庭電子終端的控制管理方面，家庭網關可以智能化控制家電，視頻監控家庭情況，與小區物業聯網便于接收即時服務信息，智能化抄寫電表、水表等，為日常生活提供極大的便利。因此，其應用前景將是十分廣泛的。

智能家庭網關的研究在我國正在逐步走向成熟，但相對國外來說，在這方面還是比較落后。具體體現在技術設備落后，制造成本較高。目前很多家庭網關產品是采用PC機作為服務器或以單片機作為核心芯片的技術方案，功耗及成本較高，而且靈活性不夠。通過設計低成本、安全和可靠的智能家庭網關，參與目前家庭網關的研究發展討論，熟悉和掌握UDP協議內容、數據的加解密算法、網絡地址轉化（NAT）以及GUI用戶交互式界面的設計，真正理解整個家庭網關的工作流程，也可以為其他設計者及廠商提供一些技術借鑒。

現有研究基礎、條件

項目研發的技術基礎：

①UDP協議是主要傳輸協議之一。采用改進的UDP協議，一定程度上提高數據傳輸可靠性，滿足智能家庭網關的傳輸需要；

②數據加解密算法采用RC4算法，可以有效提高數據信息的安全性；

③運用網絡地址轉化(NAT)可以將內網地址與外網地址進行轉化，使得家庭網關成為連接計算機互聯網和家庭內部網絡的橋梁；

④GUI界面的設計，使得用戶操作簡單、明了、方便。

(2)項目團隊的工作基礎

①C、C++語言的熟練掌握，有一定嵌入式的開發經驗；

②在UDP傳輸協議方面有一定的基礎。

研究目標

在項目預期時限內，完成智能家庭網關基本功能的設計及測試，即能夠通過外部網發送控制信息，管理家庭內部終端設備；同時完成家庭網關的自動控制功能，即完成不需人工控制管理的應用，自動協調家庭電器設備的開、關及其他調節。

在完成基本功能后，如有時間，則繼續完成擴展功能，包括路由地址轉換，操作系統移植，視頻點播及共享以及實現無線控制。

要解決的關鍵問題是要對每個家庭終端設備分配唯一的地址，并實現路由功能，以便使用網關控制不同的設備。

擬采取的研究方法、技術路線及可行性分析

縱觀國內外在智能家庭網關領域的發展，有三種技術方案代表著智能網關不同發展時期的技術特點：PC架構的智能控制系統出現在中國智能家庭網關的萌芽階段，基本上停留在向使用者展示智能家庭網關的概念階段，實用性并不強，屬于第一代；目前很多國內外智能家庭網關廠商研制的機遇單片機架構的智能控制系統在實用性、易用性和專業性方面有了很大程度上的提高，屬于第二代；而基于嵌入式系統的家庭智能系統在國內的發展也處于初級階段，隨著嵌入式技術更加廣泛的應用，成本逐步降低，中國的智能家庭網關最終將走向嵌入式。

本設計采用基于改進UDP協議的智能家庭網關技術方案，采用單片機PIC來控制以太網模塊，無需操作系統支持，以適合項目預期及低成本、低功耗、實時性好、擴展性強的要求。

項目基本功能的實現是在兩個主要控制芯片PIC單片機和Ethernet網絡接口，采用改進的UDP協議，完成大部分的控制信息的傳輸。

項目硬件設計

單片機PIC主要負責對Etnernet網絡接口進行讀寫及復位控制。Ethernet是一個高度集成的以太網芯片，能簡單的實現即插即用并兼容NE2000、掉電等特性。它將封裝好的以太網幀進行處理并通過網絡接口和雙絞線進行傳輸。Ethernet有復位及讀寫控制管腳，需要通過相應的地址端口和數據端口對Ethernet中的寄存器進行配置，實現網絡數據的發送和接收。在實際硬件連接中，將P0.8-P0.12作為地址端口，P0.16-P0.23作為數據端口，P0.7作為復位引腳對RTL8019進行復位，P0.13作為讀引腳控制以太網模塊從相應數據端口讀數據，P0.14作為寫引腳控制以太網模塊往相應數據端口寫數據。

項目軟件設計

軟件的設計是在Agilent公司的ADS1.2開發環境下進行的。最重要的部分就是完成UDP包的發送、處理及接收。由于采用UDP數據包的內容作為控制信息，因此需要對數據包的數據部分進行重新定義。定義如下：

其中，操作類型占用1個字節，00h代表初始化建立握手請求，01h代表初始化建立握手應答，02h代表發送請求，03h代表發送響應，其他值默認保留。操作對象占用2個字節,在服務器端，它接收到的UDP數據報內容中的操作對象即為對應客戶端的端口號；在客戶端，它接收到的UDP數據報內容中的操作對象則為自身的端口號。操作內容即為具體的實現操作，占用40個字節。

針對數據內容的安全性問題，采用了RC4算法對數據內容進行加密解密。它是一個可變密鑰長度、面向字節操作的流密碼，其基本思想為：首先初始化一個長度為256的S數組：依次對S[0]，S[1]，…，S[255]賦0到255的8位數值，輸入可變長度密鑰，根據密鑰內容及長度建立臨時數組T。然后根據數組T的內容置換S數組；最后將S數組按一定的方式轉化成密鑰流q。在發送端，依據密鑰流q對原始數據“data”進行異或，即加密。在接收端，輸入與發送端一樣的密鑰，運用和發送端同樣的算法生成相同的密鑰流對已加密的數據“datam”進行異或，即完成數據解密。

數據包的封裝過程如圖所示。層(1)表示UDP數據報。需要給每個終端設定不同的端口號作為源端口號，目標端口號都固定為服務器的端口號，消息長度為數據長度加UDP報頭長度，校驗和是偽IP頭和從UDP頭和數據得來的校驗之和，數據為加密后的數據。層（2）表示為UDP數據報經過一次封裝后轉化成IP數據報，其中需要為每個終端分配一個IP地址，協議類型設置為UDP協議，長度為IP報頭長度加UDP數據報長度。層（3）表示為IP數據報再經過最后一次封裝轉化為以太網幀。

數據包的解析過程是封裝的逆過程，系統接收到以太網數據幀后，首先檢驗它的校驗和，如果校驗和出現錯誤就丟棄該數據包，命令發送方重新發送。否則繼續判斷數據包的類型，確定是IP數據報后，根據數據報的格式進行進一步檢驗，最后再經過一次拆包獲取UDP數據報的內容來決定下一步的工作，并發送一個確認數據包。

項目的軟件整體設計流程如圖4所示。其中,發送端應用層數據處理部分是從終端采集的數據按規定的數據格式進行處理后再加密。數據封裝部分定義了put_ether()，put_ip()，put_udp()三個函數，功能分別是封裝以太網幀、IP數據報和UDP數據報。網絡驅動部分需要通過單片機PIC控制Ethernet以太網模塊來完成,將以太網幀發送到接收端。接收端接收到以太網幀后，進行數據拆包。數據拆包部分分別定義了get_ether()，get_ip()，get_udp()三個函數，實現了檢驗和解析以太網幀、IP數據報、UDP數據報的功能。最后再將數據在應用層進行解密，來控制終端。

項目可行性分析

本項目采用當前最新的智能家庭網關技術方案，并對方案適當裁剪，以減小復雜性和成本。如項目的硬件平臺采用單片機PIC和Ethernet以太網模塊，價格低，功耗小且完全可以滿足系統處理需要；軟件設計是對UDP協議進行改進，避免使用復雜的TCP協議，數據加密、封裝及拆包流程清晰簡單，且使用UDP協議增加了信令及數據信息傳輸的實時性。

項目的創新之處

本項目的創新之處在于對UDP協議進行了改進，使其更適合于傳輸信令信息。并采用RC4算法對數據進行加密，一定程度保障了數據傳輸的安全。最后得出了低成本、低功耗、低復雜性、高安全性的控制方案，設計出的家庭網關適合用于普通家庭住宅。具體說來，將UDP包的數據部分進一步劃分，定義不同的數據格式、類型以控制不同的終端設備。同時，網關還有自動控制功能，能夠自動、及時處理一些不需要人工干預的操作，增加了易用性。