經過多年徘徊，隨伴新技術、新興標準和消費設備連網技術在智能家居領域的共同發(fā)展，家庭自動化正涌現一波新浪潮。
　　要點：
　　* 經過幾十年的徘徊，家庭自動化連網技術似乎已開始進入大眾市場。
　　* 電力線與無線信號傳輸的技術進步已經降低了成本、提升了數據速率，并提高了可靠性。
　　* 雖然有很多標準，但還沒有一種技術或實現方案占據統(tǒng)治地位。
　　* 殺手級應用可能正以能量管理的形式出現。

　　自微控制器問世以來，就出現了一種自動控制生活環(huán)境，并響應每個人偏好的可能性，這種智能家庭的夢想一直揮之不去。然而，高昂的成本、可靠性問題、有限的功能，以及缺乏標準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，而不是成為現實?，F在，隨著無線技術的發(fā)展、家庭連網標準的出現，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夢想，盡管業(yè)內各方對實現的方法仍各執(zhí)一詞。

　　家庭自動化的首個嘗試只是提供對基本功能的簡單遙控，如調光、風扇調速和控制電器的開關。蘇格蘭的 Pico Electronics 公司在 1975 年首次推出了 X10 電力線信號傳輸技術，它是這些早期嘗

試的代表。X10 控制系統(tǒng)以 1 b/8.33 ms 的速率傳送數據（限于 16 個指令），可以在一個網絡中最多控制 256 臺設備。不過，盡管有這些限制，X10 產品卻在市場上享受著雖然有限但卻持續(xù)不斷的成功，并且現在仍然可供消費者購買和安裝。

　　為了給家庭應用提供更強大和綜合的控制功能，EIA（電子工業(yè)協(xié)會），現在叫消費者電子協(xié)會 CEA，在 1984 年開始開發(fā)一組標準，它是用于控制一系列設備的通用命令語言。這一工作亦定義了很多介質通信方法，包括雙絞線、紅外、RF 和電力線信號傳輸。于是就出現了 CEbus 標準，并被業(yè)界于 1994 年采納為 EIA-600 標準，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容線路的娛樂系統(tǒng)等。

　　不幸，CEbus 被證實過于復雜和超前。它的實現成本高昂，似乎當時消費市場尚未接受互聯網和連網概念，因而沒有得到廣泛的支持。它的支持力量已逐步消失。例如，CEbus 產品供應商 Domosys 公司最終放棄了 CEbus，轉而支持自己專有的 PowerBus 連網技術。CEbus 行業(yè)組織的網頁（www.cebus.org）現在也已失去了作用。

　　家庭連網領域涌現了其它技術，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，并且在這兩個領域取得了相當大的成功。LonWorks 平臺結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)標準和建筑標準，包括用于控制網絡的 ANSI/EIA709.1B、歐洲 EN14908 建筑自動化標準，甚至用于列車控制的 IEEE 1473-L。

　　盡管有這些成功，但 LonWorks 和任何其它家庭連網技術都沒有贏得市場。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能提供消費者對技術特性的全部要求。另外，缺乏一種能被立即廣泛接納的殺手級應用，這種應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：該技術的安裝應足夠簡單，普通消費者開箱即可使用。
　　可靠：一旦安裝完畢，該技術應如預期一樣正常工作，不會中斷，無需消費者照管。
　　靈活：消費者期望能根據自己的意愿決定該技術應用的地點及方式，沒有大的限制。
　　長壽：消費者希望自己的投資能在數月或數年中產生效益。對于那些使用電池工作的設備，長壽電池是消費者滿意度的基礎。
　　互操作：消費者希望能從多個競爭性來源采購到技術部件，并能方便地共同運行。
　　能力：消費者期望新采用的技術能提供多種重要的利益和有用的特性，而該技術的能力與特性能隨時間而穩(wěn)定增長。

　　現在，所有現有的家庭自動化技術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。家庭自動化系統(tǒng)采用以下三種介質中的一種或幾種：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包括雙絞線、同軸電纜和光纖。這些介質的優(yōu)點是有大的數據容量，能為網絡傳輸提供一種相對低噪聲的通信信道。主要缺點是成本。據估計，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，但對多數消費者來說仍過高。

　　電線和電纜介質的第二個缺點是缺乏靈活性。消費者不能根據自己的意愿，自由地重新安排控制設備或終端設備。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。電力線用作連網介質有兩點優(yōu)勢。首先，它們已布好，并且?guī)缀醣榧敖K端設備所在的各個地方。其次，終端設備無需外接電源，如電池。這兩點都有助于滿足消費技術低成本和易于使用的要求。

　　但電力線連網也有自己的挑戰(zhàn)。這種介質噪聲高，當電燈和電機開關切換、負載變化時會有電壓尖峰，并且電力輸送網上的干擾也會傳入家中。由于這種噪聲，電力線連網技術一方面限制了信號傳輸帶寬，同時也要采取復雜而昂貴的降噪和糾錯策略。

　　X10 標準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 120 kHz 突發(fā)傳送 120 個周期，并在下個過零區(qū)間作重復，以抑制噪聲，有信號代表 1，無信號代表 0。于是得到 60 bps 的原始數據速率，另有同步、成幀和尋址位的附加開銷，使可用數據速率降低了 60%。這么低的數據速率使網絡無法承擔大多數基本的控制與

檢測功能，并且在實現一個指令串時增加了相當大的延遲。

　　SmartLabs 的 Insteon 是一個類似的方案（圖 1），它在過零區(qū)間傳輸一個 24 b的信包，每位編碼為 131.65 kHz 的 10 個循環(huán)。它可實現連續(xù)的 2880 bps 碼率，與 X10 相比大大改善了實用性和延遲。另外，技術上的相似性使 Insteon 網絡可以控制 X10 設備，從而提供了消費者要求的互操作特性。

　　第三個變種是來自 Powerline Control Systems 的 Universal Powerline Bus。該系統(tǒng)在電力線的過零區(qū)間加 40V-dc 的尖峰，采用脈沖位置調制方法，每個過零區(qū)間編碼 2 b。濾波可以防止尖峰在電力線上產生過強的 EMI。數據速率在 100 bps 量級。

　　然而，這些低數據速率限制了網絡的性能，因而無法為消費者提供期望的技術性能。另外，用電力線方案實現更高的數據帶寬需要一種更復雜的信號傳輸方法與協(xié)議。例如，Echelon 的 PL3120 電力線收發(fā)器包含一個用于數據恢復和降噪的 DSP 增強處理器，實現高達 5.4 kbps 的穩(wěn)定數據速率。

　　過去幾年來，更高數據速率不斷出現。HomePlug 電力線聯盟的新 HomePlug AV 標準采用 Intellon 的技術，用正交頻分多路傳輸方式產生信號，實現高達 200 Mbps 的持續(xù)數據速率。這一速度遠遠超過了網絡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（互聯網協(xié)議電視）。不過它仍要證明為這種復雜性付出的代價會降低到某個能被廣泛接受的水平。

　　電力線信號傳輸亦有其它一些缺點，這可能影響到它長期的成功。例如，美國家庭的電源入戶時是采用兩根不同相的 120V，并有一根中性線。這種結構能夠為高要求的家電接入 240V 電源，如暖氣爐和烘干機，同時也使普通家電運行在安全的 120V 電壓。但由此帶來的結果是，家中的電源線會在兩相之間分享，而電力線上信號不能可靠地跨相傳輸，除非各相之間采用橋接節(jié)點或高頻分流器。而這些會增加復雜性與成本，消費者可能無法容忍這樣一種家庭網絡的實現。

　　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。

　　這種級別的靈活性是無線 RF 介質的主要優(yōu)點之一?，F在出現了多種無線家庭自動化網絡技術，包括 Z-Wave 和 ZigBee。另外，Echelon 的 LonWorks、SmartLabs 的 Insteon 以及歐洲的 KNX 等家庭網絡技術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 的連網技術仍面臨著相當大的可靠性挑戰(zhàn)。為避免許可問題，基于 RF 的網絡通常工作在某個開放頻率段上，如用于微波爐、無繩電話等產品的頻段。例如，Z-Wave 方案工作在 900 MHz ISM（工業(yè)/科學/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，但未來將轉向 2.4 GHz 頻段發(fā)展，這是一個全世界通用的頻段，因而能設計全球化的射頻設備。但兩種情況下都有其它用戶處于這些開放頻段內，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，現在看來已經接近目標。例如，ZigBee 聯盟成員 Ember、Freescale、Microchip 和德州儀器公司的報告都認為，最新修訂的規(guī)范 ZigBee 2006 可確?？煽窟\行，即使頻段內存在著其它用戶的干擾，如 WiFi。基于 ZigBee 2006 的部件已在去年 12 月面世，很快可以用于家庭自動化產品的設計。

　　軟件也可以扮演解決干擾問題的角色，確?？煽康木W絡運行。ZigBee 應用軟件供應商 Airbee Wireless 的官員指出，ZigBee 協(xié)議的實現能影響網絡在一個混雜 RF 環(huán)境中的性能。例如，Airbee 的軟件帶有網絡管理功能，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。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 家庭自動化網絡采用自配置的網格架構，支持者聲稱距離不是問題。在適當的位置簡單地增加有消息中繼能力的節(jié)點，就可以保證全部連通（圖 2）。

　　對 RF 家庭連網的支持者來說，更加關注電池壽命問題。一個基于 RF 的家庭網絡可能要容納數百個節(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。

　　現在有多種延長電池壽命的方法。例如，Z-Wave 方法使節(jié)點在多數時間內保持不激活狀態(tài)，以節(jié)省功耗。當某個事件需要響應（例如按鍵）時它們才蘇醒，并定期查看是否有通向它們的網絡流量，其它時間保持低功耗狀態(tài)。ZigBee 節(jié)點也有類似的方法。基礎的 IEEE 802.15.4 射頻標準工作于低占空比，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計專用于實現家庭連網節(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（圖 3），它們無需核心處理器干預就能完成自己的任務。這種方式減少了功耗，使節(jié)點可以靠電池工作數年之久而無需更換。

　　這種技術進步將各種家庭連網方案帶到了一個新水平，將使智能家庭的夢想最終成為現實。不過現在還有兩個路障：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，這限制了消費者能夠選擇的供應商數量。其二是缺乏有吸引力、能起動市場的應用。

　　為解決互操作性問題，家庭自動化技術供應商轉向了標準化組織與貿易組織。Echelon 的 LonWorks 技術已獲得數字家庭聯盟的支持，它提供了廣泛的供應商群體以及設備間的互操作性認證。Z-Wave 聯盟則為 Zensys Z-Wave 技術提供了類似的功能。HomePlug 電力線聯盟支持 Intellon 的 HomePlug 技術。其它行業(yè)組織包括 UPnP（通用即插即用）論壇和 ZigBee 聯盟，兩家均致力于確?；ゲ僮餍?，并不斷優(yōu)化自己的標準。

　　在更高級別上，國際化團體也正在嘗試建立全球性的標準，將家庭連網的方方面面聯系在一起。ISO/IEC JTC（國際標準化組織/國際電工委員會聯合技術委員會）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備建立一個獨立網絡所需的標準。所提議標準的范圍包括加熱和空調設備，以及家電和連接到家庭計算機和互聯網的家庭娛樂設備。這種定義工作正在進行之中，不過有些標準已經公開發(fā)表。

　　但是，開發(fā)人員應查看標準所要求以及貿易組織提供的認證等級，以確保自己有合適的設計目標。例如，ZigBee 現有多個符合性等級，并非所有等級都能保證在一個家庭網絡應用中達到互操作性。ZigBee 協(xié)議依賴于 IEEE 802.15.4 射頻標準，而應用軟件位于協(xié)議棧之上（圖 4）。ZigBee Platform Certification（平臺認證）確保符合的設備能在一個網絡中互操作，但對其應用程序則只字不提。一家制造商專用平臺的認證能夠確保設備不會干擾到其它 ZigBee 設備，但不保證應用程序級的互操作。一臺設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用程序的公共特性的認證。

　　然而，雖然這些標準尚不太明確并在相互競爭，這個領域已經準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。各種介質選擇范圍可保證靈活而低成本的安裝選項。數據速率高得足以保證娛樂內容與數據的分發(fā)，以及通過網絡的控制功能。RF 信號強度三角測量法可以使系統(tǒng)監(jiān)控并適應用戶的位置，如在人員進入室內時開燈，離開時關燈，并在人們穿越房間時實現各房間音樂的切換。開發(fā)人員正在為系統(tǒng)的遠程運行建立與互聯網的鏈接，以及為市場上現有很多家庭自動化方案下載媒體。

　　殺手級應用？

　　不過，雖然這些可能性看似激動人心，但從消費者觀點看，它們只是些調味劑。它們無法起動這個市場。家庭自動化的正餐（殺手級應用）必須能使該技術得到廣泛接受。

　　這樣一種應用可能正在出現。美國南加州和德州的電力公司正在尋求用 ZigBee 技術幫助他們實現負載控制和基于家庭需求的定價。這些公司會在電表入戶處建立一個 ZigBee 鏈接，希望能為客戶提供電力使用和價格的實時反饋，以及通過遠程調整溫度計的升降、關閉供水以及泳池加熱器等，調節(jié)用戶的需求。

　　隨著能源價格的持續(xù)攀升，這種家庭自動化技術的應用會越來越有吸引力，并可能成為政府的強制性要求。這是一個不起眼的開始，不像那些能感知你的存在和喜好的智能家庭那么令人興奮，但它可能是家庭自動化行業(yè)進入消費者家庭所需要獲得的入口。從這里開始，能最好地滿足消費者技術需求的方案將能看到各種各樣的成長機會，一如 PC 業(yè)在 20 世紀末所享有過的那樣。