专利名称：可应用于住宅小区的分布式语音通讯系统及网络连接方法
技术领域：
本发明属智能控制、计算机应用等领域，涉及社区管理与服务、提供安全的居住环境，便利的社区信息服务、高效的社区信息管理。
背景技术：
随着生活水平的不断提高，人们对居住环境的要求也大大提高，对信息服务和安全防范的要求尤为突出。美国、欧洲等国家住宅智能化的核心是家庭居住单元，称为家庭自动化，有许多成熟的产品，如X-10CORP’S公司的X-10系列家庭自动化系统、美国家庭建筑协会推出的Smart House系统、日本Super HomeBus System、欧洲的Eureka集成家庭系统IHS等。但这些家庭自动化系统有一个共同的特点不构成网络，只适合单个家庭使用。而我国城市居民的生活环境大都有小区的概念，一个小区内往往有成百上千户居民，居住智能化是连同家庭单元在内的小区智能化。我国个别小区安装了一些专业系统(比如安保系统)，但从实现上看，基本上是国外产品的集成，经常是几家国外公司的产品集成到一个系统中，由于无法清楚每个产品内在机制，这种集成很难实现″无缝连接″，而且系统成本高、效率低。就目前情况看，住宅小区最普遍选用的是对讲系统，但国外产品一般不考虑多用户间通讯，虽然分布式语音通讯技术和面向Internet的语音通讯技术已经有了长足发展，但并不是针对小区特殊应用，不能直接应用到小区系统中来，这些集成系统无法提供数字语音通讯功能。
网络体系结构是住宅小区综合智能化系统的核心之一，占主流的通信机制是基于RS485的串行总线，这种通信机制的规模、效率、实时性、灵活性等都受到限制，。现场总线技术已经开始进入中国，但如果完全采用现场总线技术，产品和系统成本将大大增加。采用以上两种通信机制的小区系统如需提供语音通讯的支持，都需要铺设专线，投入较大，铺设完成后不方便修改、维护。无线技术虽然已经得到了部分应用，但成本高，信号不稳定，容易受天气等情况干扰。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可应用于住宅小区的分布式语音通讯系统及网络连接方法，相比于现有技术，成本低、安装维护操作方便、可扩展性强。
为达到上述目的，本发明的解决方案是可应用于住宅小区的分布式语音通讯系统，包括管理层、中间层和用户层；管理层，包含中央监控主机和管理机，负责整个系统的监控与管理；中间层，包含门口机，作为管理区域的辅助划分管理单位；用户层，包含用户机，负责与住户的交互。
进一步，是以楼栋为单位区域的层次化区域化网络结构。
所述中央监控主机作为整个系统的控制中枢负责处理从用户端发送上来的各种系统数据，另外还提供数据的管理、备份及打印等功能；中央监控主机不提供语音服务，但作为数据备份服务器，为语音链路的建立提供帮助；管理机执行与中央监控主机类似功能，同时提供语音通话功能。
一个楼栋使用一个门口机进行辅助管理，设置在楼栋的入口处，负责门禁和通话；访客可以通过门口机呼叫用户或管理员；门口机作为网络服务中转枢纽还负责对其所辖用户机网络配置的维护。
用户层包含用户机，作为小区中的最小控制单位，安装在住户室内；一个楼栋中的门口机和所有用户机组成一个区域单位，与实际的住宅小区管理机制相对应。
所述系统的网络连接方法，系统设定以楼栋为单位的编码管理机制，设置一级、二级映射表，一级映射表保存门口机信息，保存在服务器和管理机中；二级映射表保存本楼栋用户机信息，保存在门口机中；映射表在服务器中都存有备份。
进一步，查找IP地址的方式含广播查找、分级搜索和查询中央监控主机。
权限设定为只有管理机有权限查询所有用户机及门口机的IP地址，门口机仅有权限查询本门栋内用户机的IP地址，用户机只允许呼叫管理机。
有新的设备接入网络时，新设备使用广播方式向局域网发送接入信息，请求ID、IP信息，监控主机接收到该信息后，先查询该设备是否已经在主机中注册，如果已经注册则分配该设备的ID、IP；若没有注册则先为该设备自动分配一个默认ID和IP，并在监控主机端和用户端提示，由用户或管理员处理该问题。
由监控主机自动对网络中已经注册的设备机轮循验证。
发送端原始语音信号A/D采样后，经由语音芯片压缩，通过以太网网络传输压缩后的语音数据。接收端接收语音数据，经由语音芯片解压，通过D/A还原语音信号。
主动发起呼叫时系统的切换过程空闲状态下摘机转入到呼叫状态、相反呼叫状态下挂机或呼叫超时对方无应答系统又自动转入到空闲状态；呼叫状态下收到对方摘机应答后转入到通话状态，通话结束后任何一方挂机系统又回复到空闲状态；被动呼叫的状态切换过程类似，系统在空闲状态下被呼叫系统转入被呼叫状态，如若摘机自动切换到通话状态，相反如果响铃超时则系统自动切换回空闲状态。
基于以太网、应用于住宅小区的分布式语音通讯系统体系结构和管理方法。系统总体上是开放的，每一层的子系统也是开放的。系统很容易和其它系统互联；任一层次的子系统上可以自由增减连接单元，增减过程是“孤立的”，也就是说，增减一个连接单元，系统的软硬件不需作任何修改，系统能自动识别、配置增减的连接单元。系统内部任意两个设备之间(同一层或不同层)都可以建立双向数据通信链路。
多级融合的ID-IP地址映射机制。供广播查找、分级查找和查询中央监控主机三种查询方式。这种查询机制间接实现了网络冗余功能，网络节点不会因为某一个重要节点(譬如中央监控主机)的故障而无法建立连接。
适合住宅小区特殊应用环境的用户管理和网络自诊断方法。系统可自动识别新添加进网络的设备机并予以注册、自动鉴别出发生通信故障的设备机并将其从网络中软剔除，当其故障排除后可自动识别并重新接入网络。
本专利为基于住宅小区应用的分布式语音通讯及网络连接系统。
提出了应用于住宅小区的分布式语音通讯及网络连接系统体系结构及连接机制。系统针对小区实际管理方式，按小区、楼栋、家庭物理上分成三层管理层、中间层和用户层。管理层为小区的管理和控制中心，包含中央监控主机和管理机；中间层为楼栋区域划分的单位标志，包含门口机(一般一个楼栋为一个单位区域，安装一个门口机)；用户层为安装在住户中的终端，包含用户机。即本系统为三层结构、以楼栋为单位区域的层次化区域化网络结构。系统总体上是开放的，容易与其他系统互连；任一子系统允许自由增减连接单元，增减过程具备“孤立性”，即增减一个连接单元，系统的软硬件不用做任何修改，设备能自动识别和配置增减的单元。系统任意两个设备之间(同层或不同层)均可建立数据链路，支持多种拓扑结构和通信介质，且连接单元与介质无关，即通信介质和拓扑结构的改变，连接单元的软件不需改变。
发明了以安防为基本功能的、包含全双工语音通话、公共信息服务等功能在内的扩展业务。对原始的语音信号通过采样、滤波、A/D转换后进行必要的压缩，将语音数据转变为适合网络传输的音频流，语音模块对所接收到的音频流通过类似相反的处理过程将对方的语音信息予以还原，并很好地解决了数字对讲中的回声问题。
提出了住户ID和网络IP的映射规则，并将局部映射表存放在E2PROM中。为提高串行E2PROM访问速度及网络服务响应速度，提出采用一种ID-IP映射表的分级存储管理的方法以实现了电话号码与IP地址间的快速映射与转换，并在此基础上实现了ID-IP映射表分级搜索的网络服务。为便于语音链路的管理与维护，在每个链路建立之初特地为其实现一个链路维护实例，在该语音链路的整个生命周期内可通过该实例依据当前通话状态(空闲、呼叫、被呼叫和通话)对语音链路的具体事务进行妥善处理。
发明了采用动态存储网络配置参数、修改参数后同步更新预分配网络配置存储区的方法，实现了IP地址及子网掩码等网络参数的动态配置。
发明了适合住宅小区特殊应用环境的用户管理和网络自诊断方法。系统可自动识别新添加进网络的设备机并予以注册、自动鉴别出发生通信故障的设备机并将其从网络中软剔除，当其故障排除后可自动识别并重新接入网络。
本发明与现有技术相比有如下优点(1)基于以太网技术。采用了统一的网络平台和通信协议，实现各层之间信息的无缝连接；相比传统的小区系统，不需要铺设任何额外的线路，仅需要常用的以太网，即可实现本系统的信息传输，便于控制成本。
(2)数字化的语音传输。在小区的管理中采用了数字化的语音传输方式，相比于传统的模拟传输方式，可提高传输距离，提高语音质量，简化了网络布线，语音传输不需要另外架设专门的线路，方便施工和维护。
(3)消息广播功能。控制中心可发送小区范围内的文字广播信息。
(4)编码管理机制。设定以楼栋为单位的编码管理机制，设置一级、二级映射表，方便用于查询各子设备信息。一级映射表保存门口机信息，保存在服务器和管理机中；二级映射表保存本楼栋用户机信息，保存在门口机中。映射表在服务器中都存有备份。
(5)IP地址查询机制。使用三种查询方式以保证IP地址能被正确的查找广播查找、分级搜索和查询中央监控主机。只有管理机有权限查询所有用户机及门口机的IP地址，门口机仅有权限查询本楼栋内用户机的IP地址，用户机只允许呼叫管理机。
(6)网络控制节点即插即用。系统遵循开放式设计，中间层及用户层子系统可以任意增减连接单元，系统能自动识别、配置增减的连接单元。
(7)语音达到16bit高清晰音质，8KHZ采样率；语音模块功耗低，8KSPS工作模式＜120mW，待机模式＜1mW；语音压缩采用了AMBE的压缩算法，提供实时、全双工(压缩/解压缩)的音频流压缩服务，压缩率达1/8；具有音频数据前向校错的功能、对语音数字通道中所出现的有限量错误能进行自动校正；自动回声消除，能自动消除语音中的回声效果。
结合成本、效率、灵活性等综合考虑，本专利以实现住宅小区数字化语音通讯为目的，提出了基于以太网的分布式语言通信模型和网络体系。现有或新建的小区中，大多已铺设了宽带网，因此，本系统无需搭设任何专用网络，相比之前的两种方式，成本低、安装维护方便、可扩展性强。
本技术充分考虑住宅小区的实际管理模式，设计了一种层次化、区域化的分布式网络体系结构，方便实际管理。充分利用了嵌入式技术的优势，功能高度集成，统一规范，维护操作简单，即使没有接触过专业技术的人员也能在短期内掌握操作和使用方法。
图1是本发明的系统结构示意图。
图2是本发明的ID-IP表存储示意图。
图3是本发明的ID-IP地址查询示意。虚线A、B、C即分别表示了IP地址查询方法中的广播查找、分级搜索、查询中央监控主机。
图4是本发明的语音模块结构示意图。
图5是本发明的语音呼叫状态变迁示意图。
具体实施例方式
(1)请参阅图1，本发明一种实施例，包括三层结构，是以楼栋为单位区域的层次化区域化网络结构。三层结构分别为管理层、中间层和用户层。
第一层为管理层包含中央监控主机和管理机，负责整个系统的监控与管理。中央监控主机作为整个系统的控制中枢主要负责处理从用户端发送上来的各种系统数据，另外还提供数据的管理、备份及打印等功能。中央监控主机不提供语音服务，但作为数据备份服务器，为语音链路的建立提供帮助。
管理机功能与中央监控主机类似，但提供了语音通话功能。
作为系统核心处理单元，管理机与中央监控主机共同担负整个系统的管理与维护，中央监控主机主要提供数据备份、网络维护、数据库服务等功能，管理机主要提供简单的网络维护与语音通话服务，两者功能互为补充，相互间提供必要的数据备份。中央监控主机与管理机共同负责数据的处理，只是监控主机与管理机在功能上各有分工，侧重不同管理机主要负责通话功能、附带部分提示与记录；而中央监控主机则主要负责数据的集中处理并提供备用的网络数据服务以提供ID-IP查询服务。
第二层为中间层，包含门口机，作为管理区域的辅助划分管理单位。一般情况下一个楼栋仅使用一个门口机进行辅助管理，安装在楼栋的入口处，负责门禁和通话。访客可以通过门口机呼叫用户或管理员。门口机作为网络服务中转枢纽还负责对其所辖用户机网络配置的维护。
第三层为用户层，包含用户机，作为小区中的最小控制单位，安装在住户室内，负责与住户的交互。
一个楼栋中的门口机和所有用户机组成一个区域单位，与实际的住宅小区管理机制相对应。
(2)图2为ID-IP表存储示意图。系统设定以楼栋为单位的编码管理机制，设置一级、二级映射表，方便用于查询各子设备信息。一级映射表保存门口机信息，保存在服务器和管理机中；二级映射表保存本楼栋用户机信息，保存在门口机中。映射表在服务器中都存有备份。
(3)图3为ID-IP地址查询示意。使用三种查询方式以保证IP地址能被正确的查找广播查找、分级搜索和查询中央监控主机。
A.广播查找。局域网中的每一个设备机都具有唯一的一组电话号码(ID号)和IP地址。查询主机在局域网中发送带有待查询目的主机电话号码(9位ID号)信息的受限广播(IP地址为255.255.255.255)，该ID号的宿主收到该查询请求广播包后从FLASH中取出自己的IP地址发送给查询主机，而后查询主机以该IP地址为目的地址发出链接建立请求。
B.分级搜索法。该方法仅适用于管理机。每一台设备机仅保存与自己有着直接联系设备机的地址映射信息，管理机保存了所辖所有门口机的ID-IP地址映射信息(一级映射表)，门口机保存了所辖所有用户机的ID-IP地址映射信息(二级映射表)，用户机只是保存了所属门口机以及管理机的ID-IP地址映射信息。当管理机需要查询用户机IP地址时，先从本机保存的门口机ID-IP映射表中查询该用户机所属门口机的IP地址向该门口机发出查询用户机IP地址请求，门口机接收到查询请求后从用户机ID-IP映射表中查询该用户机的IP地址并返回地址信息，管理机得到门口机的响应后再向该用户机发起链接建立请求。
C.查询中央监控主机。即从中央监控主机保存的ID-IP地址映射总表中查找目标机的IP地址。
权限说明只有管理机有权限查询所有用户机及门口机的IP地址，门口机仅有权限查询本门栋内用户机的IP地址，用户机只允许呼叫管理机。
(4)设备即插即用处理方式有新的设备接入网络时，新设备使用广播方式向局域网发送接入信息，请求ID、IP信息，监控主机接收到该信息后，先查询该设备是否已经在主机中注册，如果已经注册则分配该设备的ID、IP。若没有注册则先为该设备自动分配一个默认ID和IP(默认ID-IP并不全部相同，在服务器端判断所属门口机再行分配)，并在监控主机端和用户端提示，由用户或管理员处理该问题。
(5)网络自诊断处理方式监控主机自动对网络中已经注册的设备机轮循验证，如每隔1秒验证一个设备机，存在200个设备机时，监控主机每200秒轮循一次网络。当某个设备机损坏或者脱离网络时，监控主机在200秒内即可发现该异常。
(6)图4为语音模块结构示意图。AMBE-2000是DVSI公司的一款语音压缩芯片，A/D和D/A采用了TI公司的TLV320AIC1O芯片。发送端原始语音信号A/D采样后，经由语音芯片压缩，通过以太网网络传输压缩后的语音数据。接收端接收语音数据，经由语音芯片解压，通过D/A还原语音信号。采用这种处理方式，语音处理达到了以下参数16bit高清晰音质；8KHZ采样率；低功耗，8KSPS工作模式＜120mW，待机模式＜1mW；实时、全双工(压缩/解压缩)的音频流压缩服务，压缩率达1/8；具有音频数据前向校错的功能(FEC，Forward ErrorCorrection)、对语音数字通道中所出现的有限量错误能进行自动校正；自动回声消除；高实时性。
(7)图5是本发明的语音呼叫状态变迁示意图。通话过程所经历的各种状态及其相互之间的切换。空闲状态下(Idle)摘机转入到呼叫状态(Calling)、相反呼叫状态下挂机或呼叫超时对方无应答系统又自动转入到空闲状态；呼叫状态下收到对方摘机应答后转入到通话状态(Talking)，通话结束后任何一方挂机系统又回复到空闲状态。以上是主动发起呼叫时系统的切换过程，被动呼叫的状态切换过程也类似，系统在空闲状态下被呼叫系统转入被呼叫状态(Being Called)，如若摘机自动切换到通话状态，相反如果响铃超时则系统自动切换回空闲状态。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.可应用于住宅小区的分布式语音通讯系统，其特征在于包括管理层、中间层和用户层；管理层，包含中央监控主机和管理机，负责整个系统的监控与管理；中间层，包含门口机，作为管理区域的辅助划分管理单位；用户层，包含用户机，负责与住户的交互。
2.根据权利要求1所述的可应用于住宅小区的分布式语音通讯系统，其特征在于是以楼栋为单位区域的层次化区域化网络结构。
3.根据权利要求1所述的可应用于住宅小区的分布式语音通讯系统，其特征在于所述中央监控主机作为整个系统的控制中枢负责处理从用户端发送上来的各种系统数据，另外还提供数据的管理、备份及打印等功能；中央监控主机不提供语音服务，但作为数据备份服务器，为语音链路的建立提供帮助；管理机执行与中央监控主机类似功能，同时提供语音通话功能。
4.根据权利要求1所述的可应用于住宅小区的分布式语音通讯系统，其特征在于一个楼栋使用一个门口机进行辅助管理，设置在楼栋的入口处，负责门禁和通话；访客可以通过门口机呼叫用户或管理员；门口机作为网络服务中转枢纽还负责对其所辖用户机网络配置的维护。
5.根据权利要求2所述的可应用于住宅小区的分布式语音通讯系统，其特征在于用户层包含用户机，作为小区中的最小控制单位，安装在住户室内；一个楼栋中的门口机和所有用户机组成一个区域单位，与实际的住宅小区管理机制相对应。
6.权利要求1-5所述系统的网络连接方法，其特征在于系统设定以楼栋为单位的编码管理机制，设置一级、二级映射表，一级映射表保存门口机信息，保存在服务器和管理机中；二级映射表保存本楼栋用户机信息，保存在门口机中；映射表在服务器中都存有备份。
7.根据权利要求6所述系统的网络连接方法，其特征在于查找IP地址的方式包括广播查找、分级搜索和查询中央监控主机。
8.根据权利要求7所述系统的网络连接方法，其特征在于权限设定为只有管理机有权限查询所有用户机及门口机的IP地址，门口机仅有权限查询本门栋内用户机的IP地址，用户机只允许呼叫管理机。
9.根据权利要求6所述系统的网络连接方法，其特征在于有新的设备接入网络时，新设备使用广播方式向局域网发送接入信息，请求ID、IP信息，监控主机接收到该信息后，先查询该设备是否已经在主机中注册，如果已经注册则分配该设备的ID、IP；若没有注册则先为该设备自动分配一个默认ID和IP，并在监控主机端和用户端提示，由用户或管理员处理该问题。
10.根据权利要求6所述系统的网络连接方法，其特征在于由监控主机自动对网络中已经注册的设备机轮循验证。
11.根据权利要求6所述系统的网络连接方法，其特征在于发送端原始语音信号A/D采样后，经由语音芯片压缩，通过以太网网络传输压缩后的语音数据。接收端接收语音数据，经由语音芯片解压，通过D/A还原语音信号。
12.根据权利要求6所述系统的网络连接方法，其特征在于主动发起呼叫时系统的切换过程空闲状态下摘机转入到呼叫状态、相反呼叫状态下挂机或呼叫超时对方无应答系统又自动转入到空闲状态；呼叫状态下收到对方摘机应答后转入到通话状态，通话结束后任何一方挂机系统又回复到空闲状态；被动呼叫的状态切换过程类似，系统在空闲状态下被呼叫系统转入被呼叫状态，如若摘机自动切换到通话状态，相反如果响铃超时则系统自动切换回空闲状态。
全文摘要
可应用于住宅小区的分布式语音通讯系统及网络连接方法，包括管理层、中间层和用户层；管理层，包含中央监控主机和管理机，负责整个系统的监控与管理；中间层，包含门口机，作为管理区域的辅助划分管理单位；用户层，包含用户机，负责与住户的交互。进一步，是以楼栋为单位区域的层次化区域化网络结构，一个楼栋中的门口机和所有用户机组成一个区域单位，与实际的住宅小区管理机制相对应；系统设定以楼栋为单位的编码管理机制，设置一级、二级映射表，一级映射表保存门口机信息，保存在服务器和管理机中；二级映射表保存本楼栋用户机信息，保存在门口机中；映射表在服务器中都存有备份。本发明具有成本低、安装维护操作方便、功能及可扩展性强。
文档编号H04L12/28GK101083575SQ20061002726
公开日2007年12月5日 申请日期2006年6月2日 优先权日2006年6月2日
发明者陈启军, 曾珠峰, 荆晓博, 夏增林, 黄进波 申请人:同济大学