多彩的家庭自动化联网技术

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自微控制器问世以来，就出现了一种自动控制生活环境，并响应每个人偏好的可能性，这种智能家庭的梦想一直挥之不去。然而，高昂的成本、可靠性问题、有限的功能，以及缺乏标准等都大大限制了这个市场的发展，使家庭自动化更多地存在于人们的想象中，而不是成为现实。现在，随着无线技术的发展、家庭联网标准的出现，以及娱乐市场和能源市场的拉动，人们正在重新努力去实现梦想。

    家庭自动化技术的发展历程
    家庭自动化的首个尝试只是提供对基本功能的简单遥控，如调光、风扇调速和控制电器的开关。苏格兰的 Pico Electronics 公司在 1975 年首次推出了 X10 电力线信号传输技术，它是这些早期尝试的代表。X10 控制系统以 1 b/8.33 ms 的速率传送数据（限于 16 个指令），可以在一个网络中最多控制 256 台设备。不过，尽管有这些限制，X10 产品却在市场上享受着虽然有限但却持续不断的成功，并且现在仍然可供消费者购买和安装。
    为了给家庭应用提供更强大和综合的控制功能，EIA（电子工业协会），现在叫消费者电子协会 CEA，在 1984 年开始开发一组标准，它是用于控制一系列设备的通用命令语言。这一工作亦定义了很多介质通信方法，包括双绞线、红外、RF 和电力线信号传输。于是就出现了 CEbus 标准，并被业界于 1994 年采纳为 EIA-600 标准，它面向遥控、远程仪表、安保系统、能源管理，以及其它承载娱乐内容线路的娱乐系统等。
    不幸的是CEbus 被证实过于复杂和超前。它的实现成本高昂，似乎当时消费市场尚未接受互联网和连网概念，因而没有得到广泛的支持。它的支持力量已逐步消失。例如，CEbus 产品供应商 Domosys 公司最终放弃了 CEbus，转而支持自己专有的 PowerBus 连网技术。CEbus 行业组织的网页（www.cebus.org）现在也已失去了作用。
    家庭联网领域涌现了其它技术，最成功的一个要算 Echelon 的 LonWorks 平台。LonWorks 不仅面向家庭自动化，也可用于工业与汽车控制，并且在这两个领域取得了相当大的成功。LonWorks 平台结合其在电力线与双绞线上的物理层信号传输，已集中了多个工业标准和建筑标准，包括用于控制网络的 ANSI/EIA709.1B、欧洲 EN14908 建筑自动化标准，甚至用于列车控制的 IEEE 1473-L。
    尽管有这些成功，但 LonWorks 和任何其它家庭连网技术都没有赢得市场。家庭自动化的畏缩不前有多种原因。其中之一是没有一种技术能提供消费者对技术特性的全部要求。另外，缺乏一种能被立即广泛接纳的杀手级应用，这种应用必须具备不断降低成本、持续提升公众认知，以及鼓励竞争的创新等能力。

一种技术要在像家庭自动化这类消费市场上取得成功，必须拥有如下这些特性：
用得起：该技术必须以足够低的价格，提供充分的好处，使消费者愿意为之投资。
易用：该技术的安装应足够简单，普通消费者开箱即可使用。
可靠：一旦安装完毕，该技术应如预期一样正常工作，不会中断，无需消费者照管。
灵活：消费者期望能根据自己的意愿决定该技术应用的地点及方式，没有大的限制。
长寿：消费者希望自己的投资能在数月或数年中产生效益。对于那些使用电池工作的设备，长寿电池是消费者满意度的基础。
互操作：消费者希望能从多个竞争性来源采购到技术部件，并能方便地共同运行。
能力：消费者期望新采用的技术能提供多种重要的利益和有用的特性，而该技术的能力与特性能随时间而稳定增长。
    现在，所有现有的家庭自动化技术都有一项或多项不足，不过拥护者在不断致力于解决这些缺陷。有时这些不足完全来自于通信介质。家庭自动化系统采用以下三种介质中的一种或几种：电线与电缆、电力线和无线（通常是 RF）。每种方案都有各自的优缺点。
    用于家庭自动化的电线和电缆介质包括双绞线、同轴电缆和光纤。这些介质的优点是有大的数据容量，能为网络传输提供一种相对低噪声的通信信道。主要缺点是成本。据估计，在建筑物中安装电缆的费用从家庭住户的每英尺 65 美元，到工业建筑中的每英尺 300 美元。在新建筑中安装电缆的费用要低一些，但对多数消费者来说仍过高。
    电线和电缆介质的第二个缺点是缺乏灵活性。消费者不能根据自己的意愿，自由地重新安排控制设备或终端设备。已安装的布线限制了布局，而重新布放电缆的费用过于高昂。

    电力线信号传输
    为解决电缆布线的缺陷，家庭自动化技术尝试采用每户家中都有的一种接线：电力线。电力线用作连网介质有两点优势。首先，它们已布好，并且几乎遍及终端设备所在的各个地方。其次，终端设备无需外接电源，如电池。这两点都有助于满足消费技术低成本和易于使用的要求。但电力线连网也有自己的挑战。
    这种介质噪声高，当电灯和电机开关切换、负载变化时会有电压尖峰，并且电力输送网上的干扰也会传入家中。由于这种噪声，电力线连网技术一方面限制了信号传输带宽，同时也要采取复杂而昂贵的降噪和纠错策略。
    X10 标准是第一种方案的实例，即带宽的限制。为避免噪声，X10 信号传输要在交流电源的过零区间传送。它以 120 kHz 突发传送 120 个周期，并在下个过零区间作重复，以抑制噪声，有信号代表 1，无信号代表 0。于是得到 60 bps 的原始数据速率，另有同步、成帧和寻址位的附加开销，使可用数据速率降低了 60%。这么低的数据速率使网络无法承担大多数基本的控制与  检测功能，并且在实现一个指令串时增加了相当大的延迟。
    SmartLabs 的 Insteon 是一个类似的方案，它在过零区间传输一个 24 b的信包，每位编码为 131.65 kHz 的 10 个循环。它可实现连续的 2880 bps 码率，与 X10 相比大大改善了实用性和延迟。另外，技术上的相似性使 Insteon 网络可以控制 X10 设备，从而提供了消费者要求的互操作特性。
    第三个变种是来自 Powerline Control Systems 的 Universal Powerline Bus。该系统在电力线的过零区间加 40V-dc 的尖峰，采用脉冲位置调制方法，每个过零区间编码 2 b。滤波可以防止尖峰在电力线上产生过强的 EMI。数据速率在 100 bps 量级。
    然而，这些低数据速率限制了网络的性能，因而无法为消费者提供期望的技术性能。另外，用电力线方案实现更高的数据带宽需要一种更复杂的信号传输方法与协议。例如，Echelon 的 PL3120 电力线收发器包含一个用于数据恢复和降噪的 DSP 增强处理器，实现高达 5.4 kbps 的稳定数据速率。
    过去几年来，更高数据速率不断出现。HomePlug 电力线联盟的新 HomePlug AV 标准采用 Intellon 的技术，用正交频分多路传输方式产生信号，实现高达 200 Mbps 的持续数据速率。这一速度远远超过了网络对灯光和电源的简单控制要求，而可以作为娱乐媒介的一种通信信道，如 IPTV（互联网协议电视）。不过它仍要证明为这种复杂性付出的代价会降低到某个能被广泛接受的水平。
    电力线信号传输亦有其它一些缺点，这可能影响到它长期的成功。例如，美国家庭的电源入户时是采用两根不同相的 120V，并有一根中性线。这种结构能够为高要求的家电接入 240V 电源，如暖气炉和烘干机，同时也使普通家电运行在安全的 120V 电压。但由此带来的结果是，家中的电源线会在两相之间分享，而电力线上信号不能可靠地跨相传输，除非各相之间采用桥接节点或高频分流器。而这些会增加复杂性与成本，消费者可能无法容忍这样一种家庭网络的实现。
电力线信号传输在安装灵活性上还有一个局限：它要求电力线出现在系统的每个节点上。这就限制了控制节点的布局，例如电灯开关和温度计等。消费者心目中的理想方案是毫无限制地在任意地点布放任何东西。

    无线信号传输
    上述的这种级别灵活性是无线 RF 介质的主要优点之一。现在出现了多种无线家庭自动化网络技术，包括 Z-Wave 和 ZigBee。另外，Echelon 的 LonWorks、SmartLabs 的 Insteon 以及欧洲的 KNX 等家庭网络技术也都采用除电力线以外的无线信号传输方法，以获得更多灵活性。
    但直到最近，基于 RF 的连网技术仍面临着相当大的可靠性挑战。为避免许可问题，基于 RF 的网络通常工作在某个开放频率段上，如用于微波炉、无绳电话等产品的频段。例如，Z-Wave 方案工作在 900 MHz ISM（工业/科学/医疗）频段，而这一频段在美国和欧洲是不同的。ZigBee 亦工作在这个频段，但未来将转向 2.4 GHz 频段发展，这是一个全世界通用的频段，因而能设计全球化的射频设备。但两种情况下都有其它用户处于这些开放频段内，可能造成严重的干扰问题。
    RF 方案的支持者一直在致力于解决干扰问题，现在看来已经接近目标。例如，ZigBee 联盟成员 Ember、Freescale、Microchip 和德州仪器公司的报告都认为，最新修订的规范 ZigBee 2006 可确保可靠运行，即使频段内存在着其它用户的干扰，如 WiFi。基于 ZigBee 2006 的部件已在去年 12 月面世，很快可以用于家庭自动化产品的设计。
    软件也可以扮演解决干扰问题的角色，确保可靠的网络运行。ZigBee 应用软件供应商 Airbee Wireless 的官员指出，ZigBee 协议的实现能影响网络在一个混杂 RF 环境中的性能。例如，Airbee 的软件带有网络管理功能，可以测量信号的强度，并通过通道选择和消息路由，动态地对干扰源作出响应。固定路由器也可以使用信号强度作三角测量，并确定干扰来源和通知用户。
    还有一些其它问题。电力线方案的支持者们指出，RF 设备的距离有限，它们对电池功率的要求是 RF 方案的重要缺陷。但由于 RF 家庭自动化网络采用自配置的网格架构，支持者声称距离不是问题。在适当的位置简单地增加有消息中继能力的节点，就可以保证全部连通。
对 RF 家庭连网的支持者来说，更加关注电池寿命问题。一个基于 RF 的家庭网络可能要容纳数百个节点，其中很多是电池供电的。消费者不希望每过几个月就更换几十只电池。
    现在有多种延长电池寿命的方法。例如，Z-Wave 方法使节点在多数时间内保持不激活状态，以节省功耗。当某个事件需要响应（例如按键）时它们才苏醒，并定期查看是否有通向它们的网络流量，其它时间保持低功耗状态。ZigBee 节点也有类似的方法。基础的 IEEE 802.15.4 射频标准工作于低占空比，只以突发形式发射能量。两种情况下，中继节点都需要保持连续激活状态以维护链路，但这些节点一般不用电池供电。
    延长电池寿命的其它新方法还有设计专用于实现家庭连网节点的微控制器和其它 IC，它们有动态的电源管理功能。德州仪器公司的极低功耗 MSP430 微控制器部门提供一些微控制器器件，在任何给定时间它们只使那些需要的功能块保持激活，从而使功耗减少到最低程度。例如，TI 将自己的 MSP430FG461x 系列微控制器分为多个功能块，它们无需核心处理器干预就能完成自己的任务。这种方式减少了功耗，使节点可以靠电池工作数年之久而无需更换。
    这种技术进步将各种家庭连网方案带到了一个新水平，将使智能家庭的梦想最终成为现实。不过现在还有两个路障：其一是互操作性问题。很多公司的方案都基于采用专有技术，这限制了消费者能够选择的供应商数量。其二是缺乏有吸引力、能起动市场的应用。

    各类协议标准
    为解决互操作性问题，家庭自动化技术供应商转向了标准化组织与贸易组织。Echelon 的 LonWorks 技术已获得数字家庭联盟的支持，它提供了广泛的供应商群体以及设备间的互操作性认证。Z-Wave 联盟则为 Zensys Z-Wave 技术提供了类似的功能。HomePlug 电力线联盟支持 Intellon 的 HomePlug 技术。其它行业组织包括 UPnP（通用即插即用）论坛和 ZigBee 联盟，两家均致力于确保互操作性，并不断优化自己的标准。
    在更高级别上，国际化团体也正在尝试建立全球性的标准，将家庭连网的方方面面联系在一起。ISO/IEC JTC（国际标准化组织/国际电工委员会联合技术委员会）已组成了 JTC1/SC25/WG（工作组） 1，定义一套为家庭中所有电子与电气设备建立一个独立网络所需的标准。所提议标准的范围包括加热和空调设备，以及家电和连接到家庭计算机和互联网的家庭娱乐设备。这种定义工作正在进行之中，不过有些标准已经公开发表。
    但是，开发人员应查看标准所要求以及贸易组织提供的认证等级，以确保自己有合适的设计目标。例如，ZigBee 现有多个符合性等级，并非所有等级都能保证在一个家庭网络应用中达到互操作性。ZigBee 协议依赖于 IEEE 802.15.4 射频标准，而应用软件位于协议栈之上。
    ZigBee Platform Certification（平台认证）确保符合的设备能在一个网络中互操作，但对其应用程序则只字不提。一家制造商专用平台的认证能够确保设备不会干扰到其它 ZigBee 设备，但不保证应用程序级的互操作。一台设备要保证有消费者期望的那种互操作性，就必须通过针对某个给定应用程序的公共特性的认证。
    然而，虽然这些标准尚不太明确并在相互竞争，这个领域已经准备为家庭自动化拥护者提供一些连做梦也没有想到过的事情。各种介质选择范围可保证灵活而低成本的安装选项。数据速率高得足以保证娱乐内容与数据的分发，以及通过网络的控制功能。
    RF信号强度三角测量法可以使系统监控并适应用户的位置，如在人员进入室内时开灯，离开时关灯，并在人们穿越房间时实现各房间音乐的切换。开发人员正在为系统的远程运行建立与互联网的链接，以及为市场上现有很多家庭自动化方案下载媒体。
杀手级应用？
    美国南加州和德州的电力公司正在寻求用 ZigBee 技术帮助他们实现负载控制和基于家庭需求的定价。这些公司会在电表入户处建立一个 ZigBee 链接，希望能为客户提供电力使用和价格的实时反馈，以及通过远程调整温度计的升降、关闭供水以及泳池加热器等，调节用户的需求。
    随着能源价格的持续攀升，这种家庭自动化技术的应用会越来越有吸引力，并可能成为政府的强制性要求。这是一个不起眼的开始，不像那些能感知你的存在和喜好的智能家庭那么令人兴奋，但它可能是家庭自动化行业进入消费者家庭所需要获得的入口。从这里开始，能最好地满足消费者技术需求的方案将能看到各种各样的成长机会，一如 PC业在20世纪末所享有过的那样。

daijianxin99

若能加些图就更好了