智能家居的标准与协议分析 - 全文

　　古人云：“没有规矩，无以成方圆”，在智能家居领域也是如此。在技术上，智能家居建设面临的挑战不是设备或实施问题，而是标准与协议问题。智能家居是一个多行业交叉覆盖的系统工程，各设备厂商按照不同的接口标准与协议生产设备，其结果是:不同设备之间的互连、互通变得非常困难。因此，建立共同遵循的标准与协议是发展智能家居必须首先解决的问题。目前，智能家居领域的国际标准尚未成熟，各大厂商和相关组织机构正在着手建立和制定智能家居系统内部设备之间的网络接口标准和数据传输协议。抓住机会，参与标准的制定，将给国内厂商带来无穷的机会。

　　家庭总线系统

　　家庭总线是智能家居实现的重要基础，是住宅内部的神经系统，其主要作用是连接家中的各种电子、电气设备，负责将家庭内的各种通信设备(包括安保、电话、家电、视听设备等)连接在一起，形成一个完整的家庭网络。

　　日本是较早推动智能家居发展的国家之一，它较早地提出了家庭总线系统（ Home Bus System， 简称HBS ）的概念，成立了家庭总线(HBS)研究会，并在邮政省和通产省的指导下组成了HBS标准委员会，制定了日本的HBS标准。按照该标准，H 
BS系统由一条同轴电缆和4对双绞线构成，前者用于传输图像信息，后者用于传输语音、数据及控制信号。各类家用设备与电气设备均按一定方式与HBS相连，这些电气设备既可以在室内进行控制，也可在异地通过电话进行遥控。为适应大型居住社区的需要，1988年年初，日本住宅信息化推进协会又推出了超级家庭总线（Super Home Bus System，简称S-HBS），它适用于更大的范围，因为一个S-HBS系统可挂接数千个家庭内部网。

　　家庭智能化要求诸多家电和网络能够彼此相容，总线协议是其精髓所在，只有接口畅通，家电才能“听懂”人发出的指令，因此总线标准的物理层接口形式是智能家居亟待解决的重要问题之一。目前比较成型的总线标准协议主要是美国公司提出的，包括Echelon 公司的LonWorks LonWorks协议、电子工业协会(EIA)的CE总线协议(CEBuS )、Smart House LP的智能屋协议和X-10公司的X-10协议等。

　　这些协议各有优劣。LonWorks协议是美国Echelon公司开发并与Motorola和东芝公司共同倡导的现场总线技术，它支持多种物理介质，适用于双绞线、电力线、光缆、射频、红外线等，并可在同一网络中混合使用。LonWorks协议支持多种拓扑结构，可以选用任意形式的网络拓扑结构，组网方式灵活。LonWorks应用范围主要包括楼宇自动化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面有较好的性能，目前全球已建立的LonWorks节点已经超过50万个。在四种协议中，X-10是历史最长且使用最简单的一种，它于1978年诞生于美国，至今仍是美国家庭自动化的主导系统。之所以说X-10协议简单是因为它直接利用住宅电力线作为控制总线，通过电力线将各控制器与各功能接口器相连并实现程序控制，不必再穿墙打孔，更有利于改变结构空间，用户可自己动手安装，价格也比较低廉。而CEBuS 作为电子工业推广协议，与欧洲的EHS标准同为欧美家庭自动化电子产品的行业推荐标准。

　　内部传输接口

　　智能家居系统内部传输接口可以通过两种传输途径来实现：其一是无线传输方式；其二是有线传输方式。目前国际上流行的物理层系列接口主要包含无线射频（RF）、电力载波（PL）、双绞线（RS485等）、专用线IEEE 1394 、IEEE1394b、利用IEEE 1394 的HAVI HAVI 、蓝牙技术（BlueTooth）、无线通信以太网（IEEE802.11）、X11、无线通信HomeRF(Home Radio Frequency)、红外线技术等，这些接口涵盖了从以智能设备监控为代表的低速数据链路接口和以家庭多媒体娱乐和视频监控为代表的高速数据链路接口。

　　无线传输方式最适合于家庭。目前用于家庭内部的无线传输技术主要是无线通信HomeRF、蓝牙技术、WAP WAP、无线以太网等，而人们比较看好的是Home RF和蓝牙技术。HomeRF主要为家庭网络设计，是IEEE 802.11与DECT DECT结合的产物。1999年1月5日，HomeRF工作组公布了“共享无线访问协议”SWAP 1.0版本规范，有13家公司（包括IBM、Intel等）承诺将生产基于SWAP的产品。

　　蓝牙（IEEE 802.15）是一项最新标准，它比无线以太网（IEEE 802.11）更具移动性，它能把一个设备连接到LAN和WAN，甚至支持全球漫游。此外，蓝牙成本低、体积小，可用于更多的设备。

　　其他的技术或多或少地有些问题。例如，IEEE 802.11技术在家用市场的前景不太好；射频（RF）技术成熟度高、成本低廉，穿透性也非常好，但缺点是没有统一的标准，各公司的通信协议都不一样；红外技术非常成熟、具有很好的灵活性和可移动性，成本也非常低廉，但受到障碍物的限制，没有穿透性，方向性较差，也没有标准的通信协议。目前，由于无线射频无需增加附加的布线资源，数据传输性能可靠且成本低廉，因而成为目前最现实和最受欢迎的物理层接口形式之一。可以预见，随着无线方式的逐渐成熟，它将在未来取代有线通信，成为家庭网络的最佳连接方式。不过在目前，家庭布线仍然大量采用有线方式，主要包括以下三种：

　　第一种是家庭网络布线。这是目前应用最广泛，但也是最麻烦的技术，这种方式亟待解决的问题是布线的方便性和如何实现即插即用。

　　第二种是利用家庭中的电话线进行网络连接，采用的技术为HomePNA（Home Phoneline Networking Alliance）。HomePNA旨在尽快向家庭用户推出易于使用、成本低廉，用于解决没有网络连接的家庭的上网问题，其缺点是网络速度较低。它支持Internet访问，支持的接口协议包括V.90、ADSL和Cable Modem。目前，Home 
PNA的方案尚在制订之中，带宽的限制是制约该项技术发展的不利因素，但由于其网络介质的简易和实用，仍然极具吸引力。

　　第三种是利用家庭中已有的电源线传输数据，采用的是电源线载波技术（Powerline Carrier Technology）。该系统在家庭或设备内通过120V/60Hz的电功率分配系统传送信息，目前这种方式采用的通信协议主要是X-10。采用电源线联网方案的好处是不需要在家里重新布线，可利用现有的电源插座，因此也是家庭网络研究开发的方向之一。

　　特别值得一提的是IEEE1394，它是IEEE制定的计算机及外围设备连接的高速通用串行数字接口标准，它侧重于线缆的连接应用。该标准定义了介质拓扑和传输协议，是一个硬件、软件集成标准。 IEEE1394很可能成为未来的网络通用接口标准，它将是下一代电脑外围设备与消费电子产品的最新接口标准，目前该标准还在进一步发展之中。随着数字设备的广泛使用，各种数字家电、数字AV系统、数字机顶盒与电脑之间的多媒体数据交换都纷纷采用IEEE1394接口标准，使得该标准成为消费电子产品与电脑相连的共同界面，可实现电视、电影、录放像机、音响等系统的全自动控制，并可与外部ATM公共网络相连，实现家庭与外界信息高速公路的互连。

　　外连互联网方式

　　家庭内部网络与外部互联网的连接方式也可以分为有线和无线方式，但目前主要采用有线方式，包括以太网专线、电视同轴线缆（Cable Modem）、电话线XDSL等。其中，以太网专线接入的造价比较高，适合于新建小区；Cable Modem利用已有的有线电视网络，成本较低，非常适合于现有小区改造;XDSL与Cable Modem类似，也主要适合于旧小区改造。

　　目前有多种设备可以直接宽带接入高速互联网:第一种是通过PC机接入，这是最传统的方式；第二种是机顶盒（Set-top Box）。从某种意义上讲，这已经不是简单的机顶盒，而是机顶计算机（Set-top Computer），它充当整个家庭的娱乐中心和信息中心；第三种是蓝牙网关，或者叫蓝牙接入点（Access Point），它把支持蓝牙协议的信息家电和家庭网络连接起来并接入高速互联网中；第四种是家居控制器（IHC），人们也把它称为家庭信息平台（Home Information Platform，HIP），它既是家庭的控制中心，也是家庭的娱乐和信息中心，同时还充当家居控制网络与互联网连接的网关，有了它，人们就可以通过互联网自由地控制家里的各种电气设备。

　　HIP的相关方案和标准

　　人们对家庭信息平台（HIP）的基本要求是多功能集成、简便易用、安全可靠、价格低廉。一些大厂商已经提出了有关HIP的相关标准和方案，比较主流的有以下几种：

　　1． HAVI体系

　　HAVI（Home Audio／Video Interoperability）这是有关家庭网络中音频／视频电子产品的互联和控制标准，它以IEEE 1394的底层协议为基础，主要实现HAVI设备之间数字音频／视频内容的传送以及对这些内容的操作。

　　2． Jini技术

　　1999年1月，Sun公司发布了Jini技术，它提供这样一种机制，即安全地利用Java语言将一组设备归于一个服务网络，使设备之间可随时随地建立联系。

3． OSGi 开放服务网关

　　OSGi(Open Service Gateway Initiative)的主要目的是为连接Internet上的商业服务和下一代智能电器定义一个开放的标准，它很可能成为智能信息家电平台服务标准。OSGi兼容多种局域网技术，并包容各种无线和有线的数据及音频／视频本地传输标准，如BlueTooth、HAVI、HomePNA、HomeRF、IEEE1394、电源线通信系统、USB等。OSGi的另一特点是可与其他标准并存，在物理层，OSGi与BlueTooth、HAVI、HomePNA、HomeRF、USB等标准兼容；在设备访问体系结构上, OSGi与Jini、UPnP等逻辑设备访问技术兼容。除此之外，OSGi还支持多种与广域网的连接方式，如 Modem、DSL、Cable Modem等。

　　关于智能家居标准、接口、协议的相关技术比较多，目前还无法简单地断定哪一种技术或哪几种技术是标准，也无法准确地预测在今后的发展中，哪些技术会成为最终的标准。但当市场进入成熟阶段时，那些在市场上占有优势的产品必将影响标准的制定。此外，由于人类生活的多样化、个性化，未来智能家居的设计也会因地制宜、因房制宜、因家制宜，其标准化也应当是高度开放的。因此，未来智能家居的有关标准、接口、协议必须考虑各种系统的联动控制功能、新系统与旧系统之间的兼容性，将系统设计为高效的开放型系统， 让每个家庭成员方便、轻松地使用，为今后进行各项产品的改进和功能的升级留下余地。