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网络家电技术的发展现状和展望

2008-06-17
作者:王 斌,兰 勇,刘学鹏

摘 要:分析了网络家电" title="网络家电">网络家电、家庭网络" title="家庭网络">家庭网络和智能家居之间的关系;介绍了X-10、CEBus、LonWorks、UPnP协议、ECHONET、KNX、Zigbee和国内“e家佳”联盟推广的家庭网络标准" title="网络标准">网络标准,并比较了各标准的优缺点;阐述了典型的网络家电设备及其产品化情况。在此基础上展望了网络家电技术的发展趋势。
关键词:网络家电  智能家居  家庭网络标准

 

1 网络家电的起源
    二十世纪70年代后,计算机技术的广泛应用促使了家电技术的提升,1978年美国出现了灯光控制的家庭网络X-10技术[1]。进入二十世纪90年代以后,计算机网络技术的发展催生了网络家电概念的出现,各大公司纷纷涉足该领域。1996年美国的NETSCAPE公司提出了网络家电的概念。1999年初,微软在全球范围内力推“维纳斯计划”;与此同时在德国科隆博览会上依莱克斯公司首次展出了可以上网的冰箱[2]。1999年末LG公司、三星公司也推出了同等意义的冰箱,夏普公司已经在日本销售网络微波炉。2000年的国际消费电子展,日本、美国的家电巨头已推出多种网络家电产品,微软、思科等公司也推出了其家庭自动化系统[3]。由此,在被称为“数字家电年”的2000年,网络家电的概念浮出了水面[3,4]
2 网络家电的概念
    网络家电与家庭网络、智能家居的关系密不可分。家庭网络是网络家电工作的基础,与网络家电一同构成智能家居的要素。智能家居是通过网络家电来实现的。目前对于这三者还没有统一的定义,但普遍认为:网络家电是一种具有信息互联,互通或互操作特征的家电终端产品;家庭网络是融合控制网络和多媒体信息网络于一体的家庭信息化平台,用以实现在家庭范围内信息设备、通信设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、照明设备、家庭求助报警、保安(监控)装置及水电气热表(或概称的三表三防)等设备的信息互联[5];智能家居是由网络家电和家庭网络所组成的家庭设施,具有通过学习、推理等方法为用户提供服务和自主管理能力的家庭住宅。在三者之中,家庭网络是核心,所以众多行业巨头和团体纷纷制定自己的家庭网络标准;智能家居的服务是关键,决定着网络家电发展的前景。
3 家庭网络标准
    家电网络技术经过多年的发展,先后出现了多个有影响力的家庭网络通讯规范:X-10、CEBus、LonWorks、UPnP(Universal Plug and Play)协议、ECHONET(Energy Conservation and Homecare Network)、KNX(Konnex Association)、Zigbee和国内“e家佳”联盟推广标准等。
3.1 X-10
    X-10电力线载波通信技术起源于二十世纪70年代苏格兰的Pico电子公司,1979年X-10产品上市。二十多年来X-10技术仍然在欧美广泛应用,这得益于X-10系统的突出优点:(1)安装方便(采用电力线介质通讯,无需另布线);(2)操作简单(只需要用户在拨号盘上设置地址即可);(3)产品价格低廉, 且能满足一般家庭的生活需求[6]。X-10技术是在它特有的协议基础上发展起来的, 协议的核心部分是X-10 Pro编码方式。X-10信号根据电力线信号正负过零点处120kHz脉冲信号出现与否来进行传输。X-10采用电力线载波方式传送数字信号,如图1所示。图中电源频率为60Hz,载波频率为120kHz,载波信号持续时间宽度为1ms,在过零时发送。为了保证在三相市电供电系统中任一相的电源供电时均可接收,要求发3个载波信号,时间间隔如图1所示(对于我国50 Hz的市电,则相应的时间有所不同)。每传送一位数据需要半个电源周期,有载波信号表示数据“1”, 无载波信号表示数据“0”。X-10技术也存在致命的缺点:传送数据的速率慢, 其寻址能力弱和传输介质单一。这些缺点限制了该项技术在智能家居中进一步地应用[1]
    家庭网络架构是由其专用的控制装置、路由器和设备(空调、冰箱、照明器具、保全传感器及家庭医疗设备)所构成。透过该网络架构,用户可遥控家中设备的电源开关或是进行电力统一管理等。相对于其他家庭网络标准,ECHONET规范为不同的家电建立了对象,每一个对象的属性和操作都有着严格的定义,以此来保证设备的互操作性;同时也提供了具有可操作性的家庭能源管理服务。目前众多日本家电厂商都在大力把ECHONET标准推展成为国际化家庭网络标准。
3.5 KNX[10]
1999年5月,欧洲三大总线协议EIB、BatiBus和EHSA合并成立了Konnex协会,提出了KNX协议。该协议以EIB为基础,兼顾了BatiBus和EHSA的物理层规范,并吸收了BatiBus和EHSA中配置模式等优点,欧洲地区重要的网络家电产业标准。该标准是开放性技术规范,其网络传输方式包括双绞线、电源线、无线电及以太网络。在Konnex设备网络上,通过带有标准输入和输出点的回路模块和功能模块以及模拟量逻辑通道,实现各种设备灵活运用,并形成真正意义上分布式应用。Konnex设备有三种层次:系统模式设备、简单模式设备和自动模式系统。系统模式设备是中央化自由绑定和参数化形式,与其连接的为简单模式设备,简单模式遵从结构化绑定原理,自动模式系统面向消费者产品,诸如白色家电(大型家用电器)和灰色家电等可即插即用的产品。三种配置模式共享实时交互的网络,创建全面的、多领域的家庭及楼宇通讯系统。除双绞线和电力线通讯介质外,Konnex也能支持无线电通讯(频率868MHz)。Konnex协会已于2002年5月提出了第一版的Konnex标准,德国西门子公司也已完成符合EHS 1.3a电源线通讯规范及CHAIN(Ceced Home Appliances Interoperating Network)通讯协议的名为Serve@Home的网络家电系列产品。
3.6 UPnP[11]
UPnP论坛成立于1999年6月,现有成员749个,国际上多家著名厂商包括飞利浦、微软、英特尔、松下、三星、LG、美的等均是其成员。旨在帮助明确界定UPnP标准以简化家庭智能设备的联网。UPnP论坛已经针对音视频设备、照明设备、家庭保安系统、空调等家电产品制定了相应的标准。UPnP协议具有下述特色:①以网络为应用环境;②以TCP/IP和整个Internet为基础;③可以无缝地接入传统网络;④设备可以动态地进入网络中;⑤“感知”别的设备是否存在以及它们的作用和当前的状态。
完整的UPnP服务系统由支持UPnP的网络和符合UPnP规范的设备共同构成的。整个系统是由设备、服务、和控制三部分所构成。设备是指符合UPnP规范的设备。一个UPnP设备可以看成一个包含服务并嵌套了常规设备的“容器”。在UPnP网络中,用户请求设备执行的控制是通过控制指针实现的,控制指针首先是一个有能力控制别的设备的控制者,还要具有在网络中“发现”控制目标的能力。发现设备可分成两种情况,一种是在有控制请求之后,在当前的网络中查找有无对应的可用设备;另一种情况是某一设备接入网络、取得IP地址之后,就开始向网络“广播”自己已经进入网络,即寻找控制请求。控制指针找到设备描述之后,会从描述中“提炼”出要进行的操作并获悉所有的服务;对每个UPnP设备来说,这些描述必须是很确切、很详细的,描述中可能包含有命令或行为列表、服务响应信息、用到的参数等等。对于服务的每个行为,也伴有描述信息:主要是整个服务进行期间的变量、变量的数据类型、可用的取值范围和事件的特征。要控制某个设备,控制指针必须先发送一个控制行为请求,要求设备开始服务,然后再按设备的ULR发送相应的控制消息,控制消息就是放置在XML文件中的那些SOAP格式的信息。最后,服务会返回响应信息,指出服务是成功或是失败。在服务进行的整个时间内,只要变量值发生了变化或者模式的状态发生了改变,就产生了一个事件,系统将修改上述提到的事件列表的内容。随之,事件服务器把事件向整个网络进行广播。另一方面,控制指针也可以事先向事件服务器预约事件信息,保证将该控制指针感兴趣的事件及时准确地传送过来。广播或预约事件传送的都是事件消息,事件消息也放在XML文件中,使用的格式是GENA。设备投入工作之前的准备——初始化过程,也是一个事件,初始化需要的各种信息也是用事件消息传送的。包括的内容主要是:变量初始值,模式的初始状态等等。根据美国In-Stat/MDR研究机构调查报告指出:在美国地区家庭智能网络中,UPnP所占比例最大,约37.9%,其次是ZigBee占19.1%。著名的数字生活联盟也是以UPnP标准作为其底层标准,国内某些家电厂家与英特尔联合开发UPnP协议的多媒体家电。
3.7 Zigbee
ZigBee联盟成立于2002 年8 月,主要由英国Invensys 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,主要适合于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备中,同时支持地理定位功能。ZigBee 技术的主要优点有:省电、可靠、成本低、时延短、网络容量大和安全。完整的ZigBee 协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。链路层以上协议由ZigBee 联盟制定,IEEE负责物理层和链路层标准。IEEE802.15.4定义了两个物理层标准,分别是2.4GHz 物理层和868/915MHz物理层。两个物理层都基于直接序列扩频,使用相同的物理层数据包格式,区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。2.4GHz 波段为全球统一的无需申请的ISM 频段,有助于ZigBee 设备的推广和生产成本的降低。2.4GHz 的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kb/s 的传输速率,有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期,从而更加省电。868MHz 是欧洲的ISM 频段,915MHz 是美国的ISM频段,这两个频段的引入避免了2.4GHz 附近各种无线通信设备的相互干扰。868MHz 的传输速率为20kb/s,916MHz是40kb/s。由于这两个频段上无线信号传播损耗较小,因此可以降低对接收机灵敏度的要求,获得较远的有效通信距离,从而可以用较少的设备覆盖给定的区域[13]。Zigbee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。
3.8  “e家佳”联盟推广标准[13]
2004年由海尔集团牵头,联合了网通、清华同方、上广电、春兰、长城、上海贝岭等企业联合成立“e家佳”联盟,主要负责信息产业部“家庭网络标准工作组”家庭网络标准的推广和产业化。“e家佳”联盟推广标准定义了控制子网" title="子网">子网由家庭控制" title="家庭控制">家庭控制子网网关、移动控制终端和多个含通讯模块的设备组成,目的是实现各种家电设备、三表、三防设备的互连、互通、集中控制等功能。在家庭控制子网通讯协议中,标准工作组根据应用场景的不同,定义了有线和无线物理传输介质。家庭控制子网的底层通信以无线为主,支持有线方式互连,主要考虑到人们对手持遥控器使用上的习惯和对设备可方便移动的期望。无线通讯的工作频率范围为779~787MHz 频段,在与广播电视频率发生冲突的地区,也可选用430~432MHz 频段,目前正在向2.4GHz 频段扩展。家庭控制子网网络层协议支持不同传输介质和协议,统一设备管理协议UDCP(Universal Device Control Protocol)属应用层协议,其作用是进行整个网络中设备的添加、删除、状态查询、参数配置等系统管理,及根据设备文件进行应用控制。UDCP 采用客户/ 服务器结构,客户为家庭控制子网中的子网网关,服务端为各家庭控制子网设备,包括移动控制终端。该协议的实现可以保证家庭控制子网的设备达到即插即用的要求。目前海尔集团已研发出符合这一标准的网络空调、网络冰箱等白色家电,以及灯光控制、安防的网络电器。
参照ISO七层参考模型上述部分协议的模型如图3所示,其中比较特别的是UPnP继承了多个现有的计算机网络协议,这些协议在计算机网络中有的处于应用层,但是在家庭网络中作为UPnP设备的会话层,而UPnP的设备的应用层则是其服务,这些服务的描述框架由UPnP论坛规定。在这些协议中CEBus、UPnP、ECHONET和“e家佳”推广协议都部分的规范了面向家庭用户提供的具体服务。例如,CEBus提供了家庭资源描述的方法,UPnP通过XML语言具体的描述到每个设备提供的功能和设备之间的功能互动等,ECHONET则具体到家庭能量控制的方法,“e家佳”推广协议用设备的描述文件规定了家电面向用户提供的具体服务。LonWorks、KNX和Zigbee协议只提供了设备的信息连通机制,没有提供面向家庭用户的服务,因而做为家庭网络标准是不完备的只有和其他标准相结合才能够发挥其作用。因此,ECHONET协议的物理层和链路层包含了LonWorks中的特定小功率无线通讯部分,“e家佳”推广协议也正在把802.15.4作为其协议的网络层以下的选项。
4 网络家电
在目前家庭网络尚未普及的情况下,网络家电的发展主要以和Internet网络结合为主,比较典型的产品如表1所示。这些网络家电可以分为:与音视频相关的网络家电、与家庭自动控制相关的网络家电。前者(如客厅电脑、IPTV)对和Internet互联的需求更为强烈,因为Internet上有更多的音视频资源可以利用,为用户提供多种感官具体的感受;后者(如网络空调、网络冰箱)对家庭内部网络的依赖程度要强于前者,只有在家庭内部网络完备的情况下才能完成家庭自动控制。对于白色家电,完成家庭自动控制的需求比通过Internet进行远程控制更能满足用户的需要。因此,在当前家庭网络技术没有成熟的情况下,对其依赖小的客厅电脑、IPTV较网络化的白色家电发展的更快一些。
6 展望
目前,许多企业已经推出融合网络家电产品的智能家居样板屋。这表明家庭网络中的信息连通技术已基本解决,影响网络家电发展的是不同网络家电标准所涉及不同集团利益的非技术因素。但是,家庭网络都向与计算机网络信息融合的方向发展,有可能不同标准的家庭网络通过计算机网络相兼容。同时,网络家电本身也向着种类多样化的方向发展,小家电类网络家电(如具有通讯功能的电饭煲、电磁炉、洗碗机和抽油烟机等)也将会在家庭网络系统中扮演重要的角色。在此基础上,人工智能方法将和智能家居的设备结合的更加紧密,使家庭的自动化程序提高,甚至住宅成为有感情、有智慧的智能住宅。
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