【多彩的家庭自動化聯(lián)網(wǎng)技術(shù)】 家庭自動化使用的技術(shù)

【多彩的家庭自動化聯(lián)網(wǎng)技術(shù)】家庭自動化使用的技術(shù)【多彩的家庭自動化聯(lián)網(wǎng)技術(shù)】家庭自動化使用的技術(shù)一直揮之不去。然而，高昂的成本、可靠性問題、有限的功能，以及缺乏標(biāo)準(zhǔn)等都大大限制了這個市場的發(fā)展，使家庭自動化更多地存在于人們的想象中，而不是成為現(xiàn)實?，F(xiàn)在，隨著無線技術(shù)的發(fā)展、家庭聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，以及娛樂市場和能源市場的拉動，人們正在重新努力去實現(xiàn)夢想。家庭自動化技術(shù)的發(fā)展歷程家庭自動化的首個嘗試只是提供對基本功能的簡單遙控，如調(diào)光、風(fēng)扇調(diào)速和控制電器的開關(guān)。蘇格蘭的PicoElectronics公司在1975年首次推出了X10電力線信號傳輸技術(shù)，它是這些早期嘗試的代表。X10控制系統(tǒng)以1b/8.33ms的速率傳送數(shù)據(jù)（限于16個指令），可以在一個網(wǎng)絡(luò)中最多控制256臺設(shè)備。不過，盡管有這些限制，X10產(chǎn)品卻在市場上享受著雖然有限但卻持續(xù)不斷的成功，并且現(xiàn)在仍然可供消費者購買和安裝。為了給家庭應(yīng)用提供更強大和綜合的控制功能，EIA（電子工業(yè)協(xié)會），現(xiàn)在叫消費者電子協(xié)會CEA，在1984年開始開發(fā)一組標(biāo)準(zhǔn)，它是用于控制一系列設(shè)備的通用命令語言。這一工作亦定義了很多介質(zhì)通信方法，包括雙絞線、紅外、RF和電力線信號傳輸。于是就出現(xiàn)了CEbus標(biāo)準(zhǔn)，并被業(yè)界于1994年采納為EIA-600標(biāo)準(zhǔn)，它面向遙控、遠程儀表、安保系統(tǒng)、能源管理，以及其它承載娛樂內(nèi)容線路的娛樂系統(tǒng)等。家庭聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域涌現(xiàn)了其它技術(shù)，最成功的一個要算Echelon的LonWorks平臺。LonWorks不僅面向家庭自動化，也可用于工業(yè)與汽車控制，并且在這兩個領(lǐng)域取得了相當(dāng)大的成功。LonWorks平臺結(jié)合其在電力線與雙絞線上的物理層信號傳輸，已集中了多個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和建筑標(biāo)準(zhǔn)，包括用于控制網(wǎng)絡(luò)的ANSI/EIA709.1B、歐洲EN14908建筑自動化標(biāo)準(zhǔn)，甚至用于列車控制的IEEE1473-L。盡管有這些成功，但LonWorks和任何其它家庭連網(wǎng)技術(shù)都沒有贏得市場。家庭自動化的畏縮不前有多種原因。其中之一是沒有一種技術(shù)能提供消費者對技術(shù)特性的全部要求。另外，缺乏一種能被立即廣泛接納的殺手級應(yīng)用，這種應(yīng)用必須具備不斷降低成本、持續(xù)提升公眾認知，以及鼓勵競爭的創(chuàng)新等能力。一種技術(shù)要在像家庭自動化這類消費市場上取得成功，必須擁有如下這些特性：用得起：該技術(shù)必須以足夠低的價格，提供充分的好處，使消費者愿意為之投資。易用：該技術(shù)的安裝應(yīng)足夠簡單，普通消費者開箱即可使用。可靠：一旦安裝完畢，該技術(shù)應(yīng)如預(yù)期一樣正常工作，不會中斷，無需消費者照管。靈活：消費者期望能根據(jù)自己的意愿決定該技術(shù)應(yīng)用的地點及方式，沒有大的限制。長壽：消費者希望自己的投資能在數(shù)月或數(shù)年中產(chǎn)生效益。對于那些使用電池工作的設(shè)備，長壽電池是消費者滿意度的基礎(chǔ)。互操作：消費者希望能從多個競爭性來源采購到技術(shù)部件，并能方便地共同運行。能力：消費者期望新采用的技術(shù)能提供多種重要的利益和有用的特性，而該技術(shù)的能力與特性能隨時間而穩(wěn)定增長?，F(xiàn)在，所有現(xiàn)有的家庭自動化技術(shù)都有一項或多項不足，不過擁護者在不斷致力于解決這些缺陷。有時這些不足完全來自于通信介質(zhì)。家庭自動化系統(tǒng)采用以下三種介質(zhì)中的一種或幾種：電線與電纜、電力線和無線（通常是RF）。每種方案都有各自的優(yōu)缺點。用于家庭自動化的電線和電纜介質(zhì)包括雙絞線、同軸電纜和光纖。這些介質(zhì)的優(yōu)點是有大的數(shù)據(jù)容量，能為網(wǎng)絡(luò)傳輸提供一種相對低噪聲的通信信道。主要缺點是成本。據(jù)估計，在建筑物中安裝電纜的費用從家庭住戶的每英尺65美元，到工業(yè)建筑中的每英尺300美元。在新建筑中安裝電纜的費用要低一些，但對多數(shù)消費者來說仍過高。電線和電纜介質(zhì)的第二個缺點是缺乏靈活性。消費者不能根據(jù)自己的意愿，自由地重新安排控制設(shè)備或終端設(shè)備。已安裝的布線限制了布局，而重新布放電纜的費用過于高昂。電力線信號傳輸為解決電纜布線的缺陷，家庭自動化技術(shù)嘗試采用每戶家中都有的一種接線：電力線。電力線用作連網(wǎng)介質(zhì)有兩點優(yōu)勢。首先，它們已布好，并且?guī)缀醣榧敖K端設(shè)備所在的各個地方。其次，終端設(shè)備無需外接電源，如電池。這兩點都有助于滿足消費技術(shù)低成本和易于使用的要求。但電力線連網(wǎng)也有自己的挑戰(zhàn)。這種介質(zhì)噪聲高，當(dāng)電燈和電機開關(guān)切換、負載變化時會有電壓尖峰，并且電力輸送網(wǎng)上的干擾也會傳入家中。由于這種噪聲，電力線連網(wǎng)技術(shù)一方面限制了信號傳輸帶寬，同時也要采取復(fù)雜而昂貴的降噪和糾錯策略。X10標(biāo)準(zhǔn)是第一種方案的實例，即帶寬的限制。為避免噪聲，X10信號傳輸要在交流電源的過零區(qū)間傳送。它以120kHz突發(fā)傳送120個周期，并在下個過零區(qū)間作重復(fù)，以抑制噪聲，有信號代表1，無信號代表0。于是得到60bps的原始數(shù)據(jù)速率，另有同步、成幀和尋址位的附加開銷，使可用數(shù)據(jù)速率降低了60%。這么低的數(shù)據(jù)速率使網(wǎng)絡(luò)無法承擔(dān)大多數(shù)基本的控制與檢測功能，并且在實現(xiàn)一個指令串時增加了相當(dāng)大的延遲。SmartLabs的Insteon是一個類似的方案，它在過零區(qū)間傳輸一個24b的信包，每位編碼為131.65kHz的10個循環(huán)。它可實現(xiàn)連續(xù)的2880bps碼率，與X10相比大大改善了實用性和延遲。另外，技術(shù)上的相似性使Insteon網(wǎng)絡(luò)可以控制X10設(shè)備，從而提供了消費者要求的互操作特性。線的過零區(qū)間加40V-dc的尖峰，采用脈沖位置調(diào)制方法，每個過零區(qū)間編碼2b。濾波可以防止尖峰在電力線上產(chǎn)生過強的EMI。數(shù)據(jù)速率在100bps量級。然而，這些低數(shù)據(jù)速率限制了網(wǎng)絡(luò)的性能，因而無法為消費者提供期望的技術(shù)性能。另外，用電力線方案實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)帶寬需要一種更復(fù)雜的信號傳輸方法與協(xié)議。例如，Echelon的PL3120電力線收發(fā)器包含一個用于數(shù)據(jù)恢復(fù)和降噪的DSP增強處理器，實現(xiàn)高達5.4kbps的穩(wěn)定數(shù)據(jù)速率。過去幾年來，更高數(shù)據(jù)速率不斷出現(xiàn)。HomePlug電力線聯(lián)盟的新HomePlugAV標(biāo)準(zhǔn)采用Intellon的技術(shù)，用正交頻分多路傳輸方式產(chǎn)生信號，實現(xiàn)高達200Mbps的持續(xù)數(shù)據(jù)速率。這一速度遠遠超過了網(wǎng)絡(luò)對燈光和電源的簡單控制要求，而可以作為娛樂媒介的一種通信信道，如IPTV（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議電視）。不過它仍要證明為這種復(fù)雜性付出的代價會降低到某個能被廣泛接受的水平。電力線信號傳輸在安裝靈活性上還有一個局限：它要求電力線出現(xiàn)在系統(tǒng)的每個節(jié)點上。這就限制了控制節(jié)點的布局，例如電燈開關(guān)和溫度計等。消費者心目中的理想方案是毫無限制地在任意地點布放任何東西。無線信號傳輸上述的這種級別靈活性是無線RF介質(zhì)的主要優(yōu)點之一。現(xiàn)在出現(xiàn)了多種無線家庭自動化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括Z-Wave和ZigBee。另外，Echelon的LonWorks、SmartLabs的Insteon以及歐洲的KNX等家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也都采用除電力線以外的無線信號傳輸方法，以獲得更多靈活性。但直到最近，基于RF的連網(wǎng)技術(shù)仍面臨著相當(dāng)大的可靠性挑戰(zhàn)。為避免許可問題，基于RF的網(wǎng)絡(luò)通常工作在某個開放頻率段上，如用于微波爐、無繩電話等產(chǎn)品的頻段。例如，Z-Wave方案工作在900MHzISM（工業(yè)/科學(xué)/醫(yī)療）頻段，而這一頻段在美國和歐洲是不同的。ZigBee亦工作在這個頻段，但未來將轉(zhuǎn)向2.4GHz頻段發(fā)展，這是一個全世界通用的頻段，因而能設(shè)計全球化的射頻設(shè)備。但兩種情況下都有其它用戶處于這些開放頻段內(nèi)，可能造成嚴重的干擾問題。RF方案的支持者一直在致力于解決干擾問題，現(xiàn)在看來已經(jīng)接近目標(biāo)。例如，ZigBee聯(lián)盟成員Ember、Freescale、Microchip和德州儀器公司的報告都認為，最新修訂的規(guī)范ZigBee2006可確?？煽窟\行，即使頻段內(nèi)存在著其它用戶的干擾，如WiFi?；赯igBee2006的部件已在去年12月面世，很快可以用于家庭自動化產(chǎn)品的設(shè)計。軟件也可以扮演解決干擾問題的角色，確保可靠的網(wǎng)絡(luò)運行。ZigBee應(yīng)用軟件供應(yīng)商AirbeeWireless的官員指出，ZigBee協(xié)議的實現(xiàn)能影響網(wǎng)絡(luò)在一個混雜RF環(huán)境中的性能。例如，Airbee的軟件帶有網(wǎng)絡(luò)管理功能，可以測量信號的強度，并通過通道選擇和消息路由，動態(tài)地對干擾源作出響應(yīng)。固定路由器也可以使用信號強度作三角測量，并確定干擾來源和通知用戶。還有一些其它問題。電力線方案的支持者們指出，RF設(shè)備的距離有限，它們對電池功率的要求是RF方案的重要缺陷。但由于RF家庭自動化網(wǎng)絡(luò)采用自配置的網(wǎng)格架構(gòu)，支持者聲稱距離不是問題。在適當(dāng)?shù)奈恢煤唵蔚卦黾佑邢⒅欣^能力的節(jié)點，就可以保證全部連通。對RF家庭連網(wǎng)的支持者來說，更加關(guān)注電池壽命問題。一個基于RF的家庭網(wǎng)絡(luò)可能要容納數(shù)百個節(jié)點，其中很多是電池供電的。消費者不希望每過幾個月就更換幾十只電池?，F(xiàn)在有多種延長電池壽命的方法。例如，Z-Wave方法使節(jié)點在多數(shù)時間內(nèi)保持不激活狀態(tài)，以節(jié)省功耗。當(dāng)某個事件需要響應(yīng)（例如按鍵）時它們才蘇醒，并定期查看是否有通向它們的網(wǎng)絡(luò)流量，其它時間保持低功耗狀態(tài)。ZigBee節(jié)點也有類似的方法?；A(chǔ)的IEEE802.15.4射頻標(biāo)準(zhǔn)工作于低占空比，只以突發(fā)形式發(fā)射能量。兩種情況下，中繼節(jié)點都需要保持連續(xù)激活狀態(tài)以維護鏈路，但這些節(jié)點一般不用電池供電。延長電池壽命的其它新方法還有設(shè)計專用于實現(xiàn)家庭連網(wǎng)節(jié)點的微控制器和其它IC，它們有動態(tài)的電源管理功能。德州儀器公司的極低功耗MSP430微控制器部門提供一些微控制器器件，在任何給定時間它們只使那些需要的功能塊保持激活，從而使功耗減少到最低程度。例如，TI將自己的MSP430FG461x系列微控制器分為多個功能塊，它們無需核心處理器干預(yù)就能完成自己的任務(wù)。這種方式減少了功耗，使節(jié)點可以靠電池工作數(shù)年之久而無需更換。這種技術(shù)進步將各種家庭連網(wǎng)方案帶到了一個新水平，將使智能家庭的夢想最終成為現(xiàn)實。不過現(xiàn)在還有兩個路障：其一是互操作性問題。很多公司的方案都基于采用專有技術(shù)，這限制了消費者能夠選擇的供應(yīng)商數(shù)量。其二是缺乏有吸引力、能起動市場的應(yīng)用。各類協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為解決互操作性問題，家庭自動化技術(shù)供應(yīng)商轉(zhuǎn)向了標(biāo)準(zhǔn)化組織與貿(mào)易組織。Echelon的LonWorks技術(shù)已獲得數(shù)字家庭聯(lián)盟的支持，它提供了廣泛的供應(yīng)商群體以及設(shè)備間的互操作性認證。Z-Wave聯(lián)盟則為ZensysZ-Wave技術(shù)提供了類似的功能。HomePlug電力線聯(lián)盟支持Intellon的HomePlug技術(shù)。其它行業(yè)組織包括UPnP（通用即插即用）論壇和ZigBee聯(lián)盟，兩家均致力于確?；ゲ僮餍?，并不斷優(yōu)化自己的標(biāo)準(zhǔn)。在更高級別上，國際化團體也正在嘗試建立全球性的標(biāo)準(zhǔn)，將家庭連網(wǎng)的方方面面聯(lián)系在一起。ISO/IECJTC（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織/國際電工委員會聯(lián)合技術(shù)委員會）已組成了JTC1/SC25/WG（工作組）1，定義一套為家庭中所有電子與電氣設(shè)備建立一個獨立網(wǎng)絡(luò)所需的標(biāo)準(zhǔn)。所提議標(biāo)準(zhǔn)的范圍包括加熱和空調(diào)設(shè)備，以及家電和連接到家庭計算機和互聯(lián)網(wǎng)的家庭娛樂設(shè)備。這種定義工作正在進行之中，不過有些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)公開發(fā)表。但是，開發(fā)人員應(yīng)查看標(biāo)準(zhǔn)所要求以及貿(mào)易組織提供的認證等級，以確保自己有合適的設(shè)計目標(biāo)。例如，ZigBee現(xiàn)有多個符合性等級，并非所有等級都能保證在一個家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中達到互操作性。ZigBee協(xié)議依賴于IEEE802.15.4射頻標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)用軟件位于協(xié)議棧之上。ZigBeePlatformCertification（平臺認證）確保符合的設(shè)備能在一個網(wǎng)絡(luò)中互操作，但對其應(yīng)用程序則只字不提。一家制造商專用平臺的認證能夠確保設(shè)備不會干擾到其它ZigBee設(shè)備，但不保證應(yīng)用程序級的互操作。一臺設(shè)備要保證有消費者期望的那種互操作性，就必須通過針對某個給定應(yīng)用程序的公共特性的認證。然而，雖然這些標(biāo)準(zhǔn)尚不太明確并在相互競爭，這個領(lǐng)域已經(jīng)準(zhǔn)備為家庭自動化擁護者提供一些連做夢也沒有想到過的事情。各種介質(zhì)選擇范圍可保證靈活而低成本的安裝選項。數(shù)據(jù)速率高得足以保證娛樂內(nèi)容與數(shù)據(jù)的分發(fā)，以及通過網(wǎng)絡(luò)的控制功能。RF信號強度三角測量法可以使系統(tǒng)監(jiān)控并適應(yīng)用戶的位置，如在人員進入室內(nèi)時開燈，離開時關(guān)燈，并在人們穿越房間時實現(xiàn)各房間音樂的切換。開發(fā)人員正在為系統(tǒng)的遠程運行建立與互聯(lián)網(wǎng)的鏈接，以及為市場上現(xiàn)有很多家庭自動化方案下載媒體。殺手級應(yīng)用？美國南加州和德州的電力公司正在尋求用ZigBee技術(shù)幫助他