摘 要：分析了網絡家電" title="網絡家電">網絡家電、家庭網絡" title="家庭網絡">家庭網絡和智能家居之間的關系；介紹了X-10、CEBus、LonWorks、UPnP協議、ECHONET、KNX、Zigbee和國內“e家佳”聯盟推廣的家庭網絡標準" title="網絡標準">網絡標準，并比較了各標準的優缺點；闡述了典型的網絡家電設備及其產品化情況。在此基礎上展望了網絡家電技術的發展趨勢。
關鍵詞：網絡家電? 智能家居? 家庭網絡標準

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1 網絡家電的起源
??? 二十世紀70年代后，計算機技術的廣泛應用促使了家電技術的提升，1978年美國出現了燈光控制的家庭網絡X-10技術^[1]。進入二十世紀90年代以后，計算機網絡技術的發展催生了網絡家電概念的出現，各大公司紛紛涉足該領域。1996年美國的NETSCAPE公司提出了網絡家電的概念。1999年初，微軟在全球范圍內力推“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，夏普公司已經在日本銷售網絡微波爐。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絡家電產品，微軟、思科等公司也推出了其家庭自動化系統^[3]。由此，在被稱為“數字家電年”的2000年，網絡家電的概念浮出了水面^[3,4]。
2 網絡家電的概念
??? 網絡家電與家庭網絡、智能家居的關系密不可分。家庭網絡是網絡家電工作的基礎，與網絡家電一同構成智能家居的要素。智能家居是通過網絡家電來實現的。目前對于這三者還沒有統一的定義，但普遍認為：網絡家電是一種具有信息互聯，互通或互操作特征的家電終端產品；家庭網絡是融合控制網絡和多媒體信息網絡于一體的家庭信息化平臺，用以實現在家庭范圍內信息設備、通信設備、娛樂設備、家用電器、自動化設備、照明設備、家庭求助報警、保安（監控）裝置及水電氣熱表(或概稱的三表三防)等設備的信息互聯[5]；智能家居是由網絡家電和家庭網絡所組成的家庭設施，具有通過學習、推理等方法為用戶提供服務和自主管理能力的家庭住宅。在三者之中，家庭網絡是核心，所以眾多行業巨頭和團體紛紛制定自己的家庭網絡標準；智能家居的服務是關鍵，決定著網絡家電發展的前景。
3 家庭網絡標準
??? 家電網絡技術經過多年的發展，先后出現了多個有影響力的家庭網絡通訊規范:X-10、CEBus、LonWorks、UPnP(Universal Plug and Play)協議、ECHONET(Energy Conservation and Homecare Network）、KNX(Konnex Association)、Zigbee和國內“e家佳”聯盟推廣標準等。
3.1 X-10
??? X-10電力線載波通信技術起源于二十世紀70年代蘇格蘭的Pico電子公司，1979年X-10產品上市。二十多年來X-10技術仍然在歐美廣泛應用，這得益于X-10系統的突出優點:(1)安裝方便(采用電力線介質通訊，無需另布線)；(2)操作簡單(只需要用戶在撥號盤上設置地址即可)；(3)產品價格低廉, 且能滿足一般家庭的生活需求[6]。X-10技術是在它特有的協議基礎上發展起來的, 協議的核心部分是X-10 Pro編碼方式。X-10信號根據電力線信號正負過零點處120kHz脈沖信號出現與否來進行傳輸。X-10采用電力線載波方式傳送數字信號，如圖1所示。圖中電源頻率為60Hz,載波頻率為120kHz，載波信號持續時間寬度為1ms，在過零時發送。為了保證在三相市電供電系統中任一相的電源供電時均可接收,要求發3個載波信號,時間間隔如圖1所示(對于我國50 Hz的市電,則相應的時間有所不同)。每傳送一位數據需要半個電源周期,有載波信號表示數據“1”, 無載波信號表示數據“0”。X-10技術也存在致命的缺點：傳送數據的速率慢, 其尋址能力弱和傳輸介質單一。這些缺點限制了該項技術在智能家居中進一步地應用^[1]。
??? 家庭網絡架構是由其專用的控制裝置、路由器和設備(空調、冰箱、照明器具、保全傳感器及家庭醫療設備)所構成。透過該網絡架構，用戶可遙控家中設備的電源開關或是進行電力統一管理等。相對于其他家庭網絡標準，ECHONET規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。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絡標準。
3.5 KNX[10]
1999年5月，歐洲三大總線協議EIB、BatiBus和EHSA合并成立了Konnex協會，提出了KNX協議。該協議以EIB為基礎，兼顧了BatiBus和EHSA的物理層規范，并吸收了BatiBus和EHSA中配置模式等優點，歐洲地區重要的網絡家電產業標準。該標準是開放性技術規范，其網絡傳輸方式包括雙絞線、電源線、無線電及以太網絡。在Konnex設備網絡上，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，實現各種設備靈活運用，并形成真正意義上分布式應用。Konnex設備有三種層次：系統模式設備、簡單模式設備和自動模式系統。系統模式設備是中央化自由綁定和參數化形式，與其連接的為簡單模式設備，簡單模式遵從結構化綁定原理，自動模式系統面向消費者產品，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品。三種配置模式共享實時交互的網絡，創建全面的、多領域的家庭及樓宇通訊系統。除雙絞線和電力線通訊介質外，Konnex也能支持無線電通訊（頻率868MHz）。Konnex協會已于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電源線通訊規范及CHAIN(Ceced Home Appliances Interoperating Network)通訊協議的名為Serve@Home的網絡家電系列產品。
3.6 UPnP[11]
UPnP論壇成立于1999年6月，現有成員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備的聯網。UPnP論壇已經針對音視頻設備、照明設備、家庭保安系統、空調等家電產品制定了相應的標準。UPnP協議具有下述特色：①以網絡為應用環境；②以TCP/IP和整個Internet為基礎；③可以無縫地接入傳統網絡；④設備可以動態地進入網絡中；⑤“感知”別的設備是否存在以及它們的作用和當前的狀態。
完整的UPnP服務系統由支持UPnP的網絡和符合UPnP規范的設備共同構成的。整個系統是由設備、服務、和控制三部分所構成。設備是指符合UPnP規范的設備。一個UPnP設備可以看成一個包含服務并嵌套了常規設備的“容器”。在UPnP網絡中，用戶請求設備執行的控制是通過控制指針實現的，控制指針首先是一個有能力控制別的設備的控制者，還要具有在網絡中“發現”控制目標的能力。發現設備可分成兩種情況，一種是在有控制請求之后，在當前的網絡中查找有無對應的可用設備；另一種情況是某一設備接入網絡、取得IP地址之后，就開始向網絡“廣播”自己已經進入網絡，即尋找控制請求。控制指針找到設備描述之后，會從描述中“提煉”出要進行的操作并獲悉所有的服務；對每個UPnP設備來說，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、服務響應信息、用到的參數等等。對于服務的每個行為，也伴有描述信息：主要是整個服務進行期間的變量、變量的數據類型、可用的取值范圍和事件的特征。要控制某個設備，控制指針必須先發送一個控制行為請求，要求設備開始服務，然后再按設備的ULR發送相應的控制消息，控制消息就是放置在XML文件中的那些SOAP格式的信息。最后，服務會返回響應信息，指出服務是成功或是失敗。在服務進行的整個時間內，只要變量值發生了變化或者模式的狀態發生了改變，就產生了一個事件，系統將修改上述提到的事件列表的內容。隨之，事件服務器把事件向整個網絡進行廣播。另一方面，控制指針也可以事先向事件服務器預約事件信息，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。包括的內容主要是：變量初始值，模式的初始狀態等等。根據美國In-Stat/MDR研究機構調查報告指出：在美國地區家庭智能網絡中，UPnP所占比例最大，約37.9%，其次是ZigBee占19.1%。著名的數字生活聯盟也是以UPnP標準作為其底層標準，國內某些家電廠家與英特爾聯合開發UPnP協議的多媒體家電。
3.7 Zigbee
ZigBee聯盟成立于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體公司組成。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。ZigBee 技術的主要優點有：省電、可靠、成本低、時延短、網絡容量大和安全。完整的ZigBee 協議套件由高層應用規范、應用會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。鏈路層以上協議由ZigBee 聯盟制定，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據包格式，區別在于工作頻率、調制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率。2.4GHz 波段為全球統一的無需申請的ISM 頻段，有助于ZigBee 設備的推廣和生產成本的降低。2.4GHz 的物理層通過采用高階調制技術能夠提供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備覆蓋給定的區域[13]。Zigbee聯盟預測的主要應用領域包括工業控制、消費性電子設備、汽車自動化、農業自動化和醫用設備控制等。
3.8? “e家佳”聯盟推廣標準[13]
2004年由海爾集團牽頭，聯合了網通、清華同方、上廣電、春蘭、長城、上海貝嶺等企業聯合成立“e家佳”聯盟，主要負責信息產業部“家庭網絡標準工作組”家庭網絡標準的推廣和產業化?！癳家佳”聯盟推廣標準定義了控制子網" title="子網">子網由家庭控制" title="家庭控制">家庭控制子網網關、移動控制終端和多個含通訊模塊的設備組成，目的是實現各種家電設備、三表、三防設備的互連、互通、集中控制等功能。在家庭控制子網通訊協議中，標準工作組根據應用場景的不同，定義了有線和無線物理傳輸介質。家庭控制子網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慣和對設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生沖突的地區，也可選用430～432MHz 頻段，目前正在向2.4GHz 頻段擴展。家庭控制子網網絡層協議支持不同傳輸介質和協議，統一設備管理協議UDCP(Universal Device Control Protocol)屬應用層協議，其作用是進行整個網絡中設備的添加、刪除、狀態查詢、參數配置等系統管理，及根據設備文件進行應用控制。UDCP 采用客戶/ 服務器結構，客戶為家庭控制子網中的子網網關，服務端為各家庭控制子網設備，包括移動控制終端。該協議的實現可以保證家庭控制子網的設備達到即插即用的要求。目前海爾集團已研發出符合這一標準的網絡空調、網絡冰箱等白色家電，以及燈光控制、安防的網絡電器。
參照ISO七層參考模型上述部分協議的模型如圖3所示，其中比較特別的是UPnP繼承了多個現有的計算機網絡協議，這些協議在計算機網絡中有的處于應用層，但是在家庭網絡中作為UPnP設備的會話層，而UPnP的設備的應用層則是其服務，這些服務的描述框架由UPnP論壇規定。在這些協議中CEBus、UPnP、ECHONET和“e家佳”推廣協議都部分的規范了面向家庭用戶提供的具體服務。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備提供的功能和設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”推廣協議用設備的描述文件規定了家電面向用戶提供的具體服務。LonWorks、KNX和Zigbee協議只提供了設備的信息連通機制，沒有提供面向家庭用戶的服務，因而做為家庭網絡標準是不完備的只有和其他標準相結合才能夠發揮其作用。因此，ECHONET協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”推廣協議也正在把802.15.4作為其協議的網絡層以下的選項。
4 網絡家電
在目前家庭網絡尚未普及的情況下，網絡家電的發展主要以和Internet網絡結合為主，比較典型的產品如表1所示。這些網絡家電可以分為：與音視頻相關的網絡家電、與家庭自動控制相關的網絡家電。前者(如客廳電腦、IPTV)對和Internet互聯的需求更為強烈，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(如網絡空調、網絡冰箱)對家庭內部網絡的依賴程度要強于前者，只有在家庭內部網絡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，在當前家庭網絡技術沒有成熟的情況下，對其依賴小的客廳電腦、IPTV較網絡化的白色家電發展的更快一些。
6 展望
目前，許多企業已經推出融合網絡家電產品的智能家居樣板屋。這表明家庭網絡中的信息連通技術已基本解決，影響網絡家電發展的是不同網絡家電標準所涉及不同集團利益的非技術因素。但是，家庭網絡都向與計算機網絡信息融合的方向發展，有可能不同標準的家庭網絡通過計算機網絡相兼容。同時，網絡家電本身也向著種類多樣化的方向發展，小家電類網絡家電(如具有通訊功能的電飯煲、電磁爐、洗碗機和抽油煙機等)也將會在家庭網絡系統中扮演重要的角色。在此基礎上，人工智能方法將和智能家居的設備結合的更加緊密，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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