摘 要：分析了網(wǎng)絡(luò)家電" title="網(wǎng)絡(luò)家電">網(wǎng)絡(luò)家電、家庭網(wǎng)絡(luò)" title="家庭網(wǎng)絡(luò)">家庭網(wǎng)絡(luò)和智能家居之間的關(guān)系；介紹了X-10、CEBus、LonWorks、UPnP協(xié)議、ECHONET、KNX、Zigbee和國內(nèi)“e家佳”聯(lián)盟推廣的家庭網(wǎng)絡(luò)標準" title="網(wǎng)絡(luò)標準">網(wǎng)絡(luò)標準，并比較了各標準的優(yōu)缺點；闡述了典型的網(wǎng)絡(luò)家電設(shè)備及其產(chǎn)品化情況。在此基礎(chǔ)上展望了網(wǎng)絡(luò)家電技術(shù)的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)家電? 智能家居? 家庭網(wǎng)絡(luò)標準

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1 網(wǎng)絡(luò)家電的起源
??? 二十世紀70年代后，計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用促使了家電技術(shù)的提升，1978年美國出現(xiàn)了燈光控制的家庭網(wǎng)絡(luò)X-10技術(shù)^[1]。進入二十世紀90年代以后，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展催生了網(wǎng)絡(luò)家電概念的出現(xiàn)，各大公司紛紛涉足該領(lǐng)域。1996年美國的NETSCAPE公司提出了網(wǎng)絡(luò)家電的概念。1999年初，微軟在全球范圍內(nèi)力推“維納斯計劃”；與此同時在德國科隆博覽會上依萊克斯公司首次展出了可以上網(wǎng)的冰箱^[2]。1999年末LG公司、三星公司也推出了同等意義的冰箱，夏普公司已經(jīng)在日本銷售網(wǎng)絡(luò)微波爐。2000年的國際消費電子展，日本、美國的家電巨頭已推出多種網(wǎng)絡(luò)家電產(chǎn)品，微軟、思科等公司也推出了其家庭自動化系統(tǒng)^[3]。由此，在被稱為“數(shù)字家電年”的2000年，網(wǎng)絡(luò)家電的概念浮出了水面^[3,4]。
2 網(wǎng)絡(luò)家電的概念
??? 網(wǎng)絡(luò)家電與家庭網(wǎng)絡(luò)、智能家居的關(guān)系密不可分。家庭網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)家電工作的基礎(chǔ)，與網(wǎng)絡(luò)家電一同構(gòu)成智能家居的要素。智能家居是通過網(wǎng)絡(luò)家電來實現(xiàn)的。目前對于這三者還沒有統(tǒng)一的定義，但普遍認為：網(wǎng)絡(luò)家電是一種具有信息互聯(lián)，互通或互操作特征的家電終端產(chǎn)品；家庭網(wǎng)絡(luò)是融合控制網(wǎng)絡(luò)和多媒體信息網(wǎng)絡(luò)于一體的家庭信息化平臺，用以實現(xiàn)在家庭范圍內(nèi)信息設(shè)備、通信設(shè)備、娛樂設(shè)備、家用電器、自動化設(shè)備、照明設(shè)備、家庭求助報警、保安（監(jiān)控）裝置及水電氣熱表(或概稱的三表三防)等設(shè)備的信息互聯(lián)[5]；智能家居是由網(wǎng)絡(luò)家電和家庭網(wǎng)絡(luò)所組成的家庭設(shè)施，具有通過學(xué)習(xí)、推理等方法為用戶提供服務(wù)和自主管理能力的家庭住宅。在三者之中，家庭網(wǎng)絡(luò)是核心，所以眾多行業(yè)巨頭和團體紛紛制定自己的家庭網(wǎng)絡(luò)標準；智能家居的服務(wù)是關(guān)鍵，決定著網(wǎng)絡(luò)家電發(fā)展的前景。
3 家庭網(wǎng)絡(luò)標準
??? 家電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，先后出現(xiàn)了多個有影響力的家庭網(wǎng)絡(luò)通訊規(guī)范:X-10、CEBus、LonWorks、UPnP(Universal Plug and Play)協(xié)議、ECHONET(Energy Conservation and Homecare Network）、KNX(Konnex Association)、Zigbee和國內(nèi)“e家佳”聯(lián)盟推廣標準等。
3.1 X-10
??? X-10電力線載波通信技術(shù)起源于二十世紀70年代蘇格蘭的Pico電子公司，1979年X-10產(chǎn)品上市。二十多年來X-10技術(shù)仍然在歐美廣泛應(yīng)用，這得益于X-10系統(tǒng)的突出優(yōu)點:(1)安裝方便(采用電力線介質(zhì)通訊，無需另布線)；(2)操作簡單(只需要用戶在撥號盤上設(shè)置地址即可)；(3)產(chǎn)品價格低廉, 且能滿足一般家庭的生活需求[6]。X-10技術(shù)是在它特有的協(xié)議基礎(chǔ)上發(fā)展起來的, 協(xié)議的核心部分是X-10 Pro編碼方式。X-10信號根據(jù)電力線信號正負過零點處120kHz脈沖信號出現(xiàn)與否來進行傳輸。X-10采用電力線載波方式傳送數(shù)字信號，如圖1所示。圖中電源頻率為60Hz,載波頻率為120kHz，載波信號持續(xù)時間寬度為1ms，在過零時發(fā)送。為了保證在三相市電供電系統(tǒng)中任一相的電源供電時均可接收,要求發(fā)3個載波信號,時間間隔如圖1所示(對于我國50 Hz的市電,則相應(yīng)的時間有所不同)。每傳送一位數(shù)據(jù)需要半個電源周期,有載波信號表示數(shù)據(jù)“1”, 無載波信號表示數(shù)據(jù)“0”。X-10技術(shù)也存在致命的缺點：傳送數(shù)據(jù)的速率慢, 其尋址能力弱和傳輸介質(zhì)單一。這些缺點限制了該項技術(shù)在智能家居中進一步地應(yīng)用^[1]。
??? 家庭網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是由其專用的控制裝置、路由器和設(shè)備(空調(diào)、冰箱、照明器具、保全傳感器及家庭醫(yī)療設(shè)備)所構(gòu)成。透過該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，用戶可遙控家中設(shè)備的電源開關(guān)或是進行電力統(tǒng)一管理等。相對于其他家庭網(wǎng)絡(luò)標準，ECHONET規(guī)范為不同的家電建立了對象，每一個對象的屬性和操作都有著嚴格的定義，以此來保證設(shè)備的互操作性；同時也提供了具有可操作性的家庭能源管理服務(wù)。目前眾多日本家電廠商都在大力把ECHONET標準推展成為國際化家庭網(wǎng)絡(luò)標準。
3.5 KNX[10]
1999年5月，歐洲三大總線協(xié)議EIB、BatiBus和EHSA合并成立了Konnex協(xié)會，提出了KNX協(xié)議。該協(xié)議以EIB為基礎(chǔ)，兼顧了BatiBus和EHSA的物理層規(guī)范，并吸收了BatiBus和EHSA中配置模式等優(yōu)點，歐洲地區(qū)重要的網(wǎng)絡(luò)家電產(chǎn)業(yè)標準。該標準是開放性技術(shù)規(guī)范，其網(wǎng)絡(luò)傳輸方式包括雙絞線、電源線、無線電及以太網(wǎng)絡(luò)。在Konnex設(shè)備網(wǎng)絡(luò)上，通過帶有標準輸入和輸出點的回路模塊和功能模塊以及模擬量邏輯通道，實現(xiàn)各種設(shè)備靈活運用，并形成真正意義上分布式應(yīng)用。Konnex設(shè)備有三種層次：系統(tǒng)模式設(shè)備、簡單模式設(shè)備和自動模式系統(tǒng)。系統(tǒng)模式設(shè)備是中央化自由綁定和參數(shù)化形式，與其連接的為簡單模式設(shè)備，簡單模式遵從結(jié)構(gòu)化綁定原理，自動模式系統(tǒng)面向消費者產(chǎn)品，諸如白色家電（大型家用電器）和灰色家電等可即插即用的產(chǎn)品。三種配置模式共享實時交互的網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建全面的、多領(lǐng)域的家庭及樓宇通訊系統(tǒng)。除雙絞線和電力線通訊介質(zhì)外，Konnex也能支持無線電通訊（頻率868MHz）。Konnex協(xié)會已于2002年5月提出了第一版的Konnex標準，德國西門子公司也已完成符合EHS 1.3a電源線通訊規(guī)范及CHAIN(Ceced Home Appliances Interoperating Network)通訊協(xié)議的名為Serve@Home的網(wǎng)絡(luò)家電系列產(chǎn)品。
3.6 UPnP[11]
UPnP論壇成立于1999年6月，現(xiàn)有成員749個，國際上多家著名廠商包括飛利浦、微軟、英特爾、松下、三星、LG、美的等均是其成員。旨在幫助明確界定UPnP標準以簡化家庭智能設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)。UPnP論壇已經(jīng)針對音視頻設(shè)備、照明設(shè)備、家庭保安系統(tǒng)、空調(diào)等家電產(chǎn)品制定了相應(yīng)的標準。UPnP協(xié)議具有下述特色：①以網(wǎng)絡(luò)為應(yīng)用環(huán)境；②以TCP/IP和整個Internet為基礎(chǔ)；③可以無縫地接入傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；④設(shè)備可以動態(tài)地進入網(wǎng)絡(luò)中；⑤“感知”別的設(shè)備是否存在以及它們的作用和當前的狀態(tài)。
完整的UPnP服務(wù)系統(tǒng)由支持UPnP的網(wǎng)絡(luò)和符合UPnP規(guī)范的設(shè)備共同構(gòu)成的。整個系統(tǒng)是由設(shè)備、服務(wù)、和控制三部分所構(gòu)成。設(shè)備是指符合UPnP規(guī)范的設(shè)備。一個UPnP設(shè)備可以看成一個包含服務(wù)并嵌套了常規(guī)設(shè)備的“容器”。在UPnP網(wǎng)絡(luò)中，用戶請求設(shè)備執(zhí)行的控制是通過控制指針實現(xiàn)的，控制指針首先是一個有能力控制別的設(shè)備的控制者，還要具有在網(wǎng)絡(luò)中“發(fā)現(xiàn)”控制目標的能力。發(fā)現(xiàn)設(shè)備可分成兩種情況，一種是在有控制請求之后，在當前的網(wǎng)絡(luò)中查找有無對應(yīng)的可用設(shè)備；另一種情況是某一設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)、取得IP地址之后，就開始向網(wǎng)絡(luò)“廣播”自己已經(jīng)進入網(wǎng)絡(luò)，即尋找控制請求。控制指針找到設(shè)備描述之后，會從描述中“提煉”出要進行的操作并獲悉所有的服務(wù)；對每個UPnP設(shè)備來說，這些描述必須是很確切、很詳細的，描述中可能包含有命令或行為列表、服務(wù)響應(yīng)信息、用到的參數(shù)等等。對于服務(wù)的每個行為，也伴有描述信息：主要是整個服務(wù)進行期間的變量、變量的數(shù)據(jù)類型、可用的取值范圍和事件的特征。要控制某個設(shè)備，控制指針必須先發(fā)送一個控制行為請求，要求設(shè)備開始服務(wù)，然后再按設(shè)備的ULR發(fā)送相應(yīng)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，服務(wù)會返回響應(yīng)信息，指出服務(wù)是成功或是失敗。在服務(wù)進行的整個時間內(nèi)，只要變量值發(fā)生了變化或者模式的狀態(tài)發(fā)生了改變，就產(chǎn)生了一個事件，系統(tǒng)將修改上述提到的事件列表的內(nèi)容。隨之，事件服務(wù)器把事件向整個網(wǎng)絡(luò)進行廣播。另一方面，控制指針也可以事先向事件服務(wù)器預(yù)約事件信息，保證將該控制指針感興趣的事件及時準確地傳送過來。廣播或預(yù)約事件傳送的都是事件消息，事件消息也放在XML文件中，使用的格式是GENA。設(shè)備投入工作之前的準備——初始化過程，也是一個事件，初始化需要的各種信息也是用事件消息傳送的。包括的內(nèi)容主要是：變量初始值，模式的初始狀態(tài)等等。根據(jù)美國In-Stat/MDR研究機構(gòu)調(diào)查報告指出：在美國地區(qū)家庭智能網(wǎng)絡(luò)中，UPnP所占比例最大，約37.9%，其次是ZigBee占19.1%。著名的數(shù)字生活聯(lián)盟也是以UPnP標準作為其底層標準，國內(nèi)某些家電廠家與英特爾聯(lián)合開發(fā)UPnP協(xié)議的多媒體家電。
3.7 Zigbee
ZigBee聯(lián)盟成立于2002 年8 月，主要由英國Invensys 公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司組成。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。ZigBee 技術(shù)的主要優(yōu)點有：省電、可靠、成本低、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大和安全。完整的ZigBee 協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。鏈路層以上協(xié)議由ZigBee 聯(lián)盟制定，IEEE負責物理層和鏈路層標準。IEEE802.15.4定義了兩個物理層標準，分別是2.4GHz 物理層和868/915MHz物理層。兩個物理層都基于直接序列擴頻，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴頻碼片長度和傳輸速率。2.4GHz 波段為全球統(tǒng)一的無需申請的ISM 頻段，有助于ZigBee 設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2.4GHz 的物理層通過采用高階調(diào)制技術(shù)能夠提供250kb/s 的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期，從而更加省電。868MHz 是歐洲的ISM 頻段，915MHz 是美國的ISM頻段，這兩個頻段的引入避免了2.4GHz 附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾。868MHz 的傳輸速率為20kb/s，916MHz是40kb/s。由于這兩個頻段上無線信號傳播損耗較小，因此可以降低對接收機靈敏度的要求，獲得較遠的有效通信距離，從而可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的區(qū)域[13]。Zigbee聯(lián)盟預(yù)測的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費性電子設(shè)備、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)用設(shè)備控制等。
3.8? “e家佳”聯(lián)盟推廣標準[13]
2004年由海爾集團牽頭，聯(lián)合了網(wǎng)通、清華同方、上廣電、春蘭、長城、上海貝嶺等企業(yè)聯(lián)合成立“e家佳”聯(lián)盟，主要負責信息產(chǎn)業(yè)部“家庭網(wǎng)絡(luò)標準工作組”家庭網(wǎng)絡(luò)標準的推廣和產(chǎn)業(yè)化?！癳家佳”聯(lián)盟推廣標準定義了控制子網(wǎng)" title="子網(wǎng)">子網(wǎng)由家庭控制" title="家庭控制">家庭控制子網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、移動控制終端和多個含通訊模塊的設(shè)備組成，目的是實現(xiàn)各種家電設(shè)備、三表、三防設(shè)備的互連、互通、集中控制等功能。在家庭控制子網(wǎng)通訊協(xié)議中，標準工作組根據(jù)應(yīng)用場景的不同，定義了有線和無線物理傳輸介質(zhì)。家庭控制子網(wǎng)的底層通信以無線為主，支持有線方式互連，主要考慮到人們對手持遙控器使用上的習(xí)慣和對設(shè)備可方便移動的期望。無線通訊的工作頻率范圍為779～787MHz 頻段，在與廣播電視頻率發(fā)生沖突的地區(qū)，也可選用430～432MHz 頻段，目前正在向2.4GHz 頻段擴展。家庭控制子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議支持不同傳輸介質(zhì)和協(xié)議，統(tǒng)一設(shè)備管理協(xié)議UDCP(Universal Device Control Protocol)屬應(yīng)用層協(xié)議，其作用是進行整個網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的添加、刪除、狀態(tài)查詢、參數(shù)配置等系統(tǒng)管理，及根據(jù)設(shè)備文件進行應(yīng)用控制。UDCP 采用客戶/ 服務(wù)器結(jié)構(gòu)，客戶為家庭控制子網(wǎng)中的子網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，服務(wù)端為各家庭控制子網(wǎng)設(shè)備，包括移動控制終端。該協(xié)議的實現(xiàn)可以保證家庭控制子網(wǎng)的設(shè)備達到即插即用的要求。目前海爾集團已研發(fā)出符合這一標準的網(wǎng)絡(luò)空調(diào)、網(wǎng)絡(luò)冰箱等白色家電，以及燈光控制、安防的網(wǎng)絡(luò)電器。
參照ISO七層參考模型上述部分協(xié)議的模型如圖3所示，其中比較特別的是UPnP繼承了多個現(xiàn)有的計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，這些協(xié)議在計算機網(wǎng)絡(luò)中有的處于應(yīng)用層，但是在家庭網(wǎng)絡(luò)中作為UPnP設(shè)備的會話層，而UPnP的設(shè)備的應(yīng)用層則是其服務(wù)，這些服務(wù)的描述框架由UPnP論壇規(guī)定。在這些協(xié)議中CEBus、UPnP、ECHONET和“e家佳”推廣協(xié)議都部分的規(guī)范了面向家庭用戶提供的具體服務(wù)。例如，CEBus提供了家庭資源描述的方法，UPnP通過XML語言具體的描述到每個設(shè)備提供的功能和設(shè)備之間的功能互動等，ECHONET則具體到家庭能量控制的方法，“e家佳”推廣協(xié)議用設(shè)備的描述文件規(guī)定了家電面向用戶提供的具體服務(wù)。LonWorks、KNX和Zigbee協(xié)議只提供了設(shè)備的信息連通機制，沒有提供面向家庭用戶的服務(wù)，因而做為家庭網(wǎng)絡(luò)標準是不完備的只有和其他標準相結(jié)合才能夠發(fā)揮其作用。因此，ECHONET協(xié)議的物理層和鏈路層包含了LonWorks中的特定小功率無線通訊部分，“e家佳”推廣協(xié)議也正在把802.15.4作為其協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層以下的選項。
4 網(wǎng)絡(luò)家電
在目前家庭網(wǎng)絡(luò)尚未普及的情況下，網(wǎng)絡(luò)家電的發(fā)展主要以和Internet網(wǎng)絡(luò)結(jié)合為主，比較典型的產(chǎn)品如表1所示。這些網(wǎng)絡(luò)家電可以分為：與音視頻相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)家電、與家庭自動控制相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)家電。前者(如客廳電腦、IPTV)對和Internet互聯(lián)的需求更為強烈，因為Internet上有更多的音視頻資源可以利用，為用戶提供多種感官具體的感受；后者(如網(wǎng)絡(luò)空調(diào)、網(wǎng)絡(luò)冰箱)對家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的依賴程度要強于前者，只有在家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)完備的情況下才能完成家庭自動控制。對于白色家電，完成家庭自動控制的需求比通過Internet進行遠程控制更能滿足用戶的需要。因此，在當前家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)沒有成熟的情況下，對其依賴小的客廳電腦、IPTV較網(wǎng)絡(luò)化的白色家電發(fā)展的更快一些。
6 展望
目前，許多企業(yè)已經(jīng)推出融合網(wǎng)絡(luò)家電產(chǎn)品的智能家居樣板屋。這表明家庭網(wǎng)絡(luò)中的信息連通技術(shù)已基本解決，影響網(wǎng)絡(luò)家電發(fā)展的是不同網(wǎng)絡(luò)家電標準所涉及不同集團利益的非技術(shù)因素。但是，家庭網(wǎng)絡(luò)都向與計算機網(wǎng)絡(luò)信息融合的方向發(fā)展，有可能不同標準的家庭網(wǎng)絡(luò)通過計算機網(wǎng)絡(luò)相兼容。同時，網(wǎng)絡(luò)家電本身也向著種類多樣化的方向發(fā)展，小家電類網(wǎng)絡(luò)家電(如具有通訊功能的電飯煲、電磁爐、洗碗機和抽油煙機等)也將會在家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中扮演重要的角色。在此基礎(chǔ)上，人工智能方法將和智能家居的設(shè)備結(jié)合的更加緊密，使家庭的自動化程序提高，甚至住宅成為有感情、有智慧的智能住宅。
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