智能家庭网络研究综述叶朝辉,杨士元(清华大学自动化系,北京100084)摘 要:首先阐述了研究智能家庭网络的意义及其基本概念;然后逐一介绍了国际上比较重要的六种智能家庭网络系统各自的特点,并列表将它们进行比较,指出它们的共同特点以及智能家庭网络的未来发展趋势;最后分析了智能家庭网络需要研究的主要问题。
关键词:智能家庭网络;传输介质;通信协议;嵌入式网络操作系统中图分类号:TP393109 文献标识码:A 文章编号:100123695(2001)0920001206I ntelligent H ome N etw ork:A ServeyYE Zhao2hui,Y ANG Shi2yuan(Dept1o f Automation,Tsinghua Univer sity,Beijing100084,China)Abstract:In this paper,the significance and the basic concept of the Intelligent H ome Netw ork are discussed at first,then the charac2 teristics of the six m ost im portant Intelligent H ome Netw orks in the w orld are described and com pared in detail,the comm on features and development trend of the Intelligent H ome Netw ork are als o pointed out in the end.K ey w ords:Intelligent H ome Netw ork;T ransport M edia;C ommunication Protocol;Embedded Netw ork Operating System1 引言人类始终在寻求舒适安全的生活环境,但直到20世纪70年代随着电子技术和计算机技术的发展,这种梦想才逐渐成为现实。
从收音机、电视机、计算机、电话到Internet互联网,无一不给人们带来过舒适和方便。
当今流行的一些名词如家庭自动化、智能家居、网络家居、数字家居等实际上就是舒适方便的生活环境的一种代名词。
人们对以上几个名词的理解往往有所不同,家庭自动化、智能家居一般是指实现对家用电气设备的自动控制和调节,而网络家居、数字家居则偏重于家庭内部通过网络对外界信息的获取。
随着网络技术和通信技术的突飞猛进,人们不仅对家居的自动化和信息化程度要求越来越高,而且对家用设备控制的灵活性以及对外部信息获取的方便性提出了更高的要求。
这些要求的实现都离不开家庭内部的网络,只有建立智能家庭网络才能真正满足家庭自动化和信息化的要求,有效地提高家庭的生活质量,任何其它分立式的结构都达不到这种要求。
因此对智能家庭网络的研究具有十分重要的意义,智能家庭网络已成为信息产业中一个跨世纪的研究热点。
图1所示的智能家庭网络,在你离开家时家庭的各种防盗和安全监测系统立刻起作用,一旦有紧急情况将自动呼叫主人或向物业管理中心报警;你在离开办公室前通过电话或计算机启动空调和热水器;通过网页访问家里的冰箱,发现牛奶没有了,立刻从网上订购;回到家,先按照预先制定的食谱对微波炉发出指令,煮上晚餐,这一段时间内可以打开电视看看电视台根据你个人喜好发送的新闻;朋友聚会,他们通过家庭保安系统的认证进入到你的家中,你们愉快地共享佳肴,随后将家庭数码摄像机自动拍摄的欢快情景传输到各自的个人IP,让更多的朋友分享;夜晚,当你起床、步入另一间屋子,墙上的壁灯会自动为你照明等。
图1 智能家庭网络系统这样的生活场景在以前只是科幻电影里的情节,然而从互联网诞生到现在,它已在现实生活中逐渐显现出来,而这些生活场景都是要通过智能家庭网络才能实现。
智能家庭网络是指在家庭内部通过一定的传输介质(如电力线、双绞线、同轴电缆、无线电、红外等)将各种电气设备和电气子系统连接起来,采用统一的通信收稿日期:2001206222协议,对内实现资源共享;对外能通过网关与外部网(如E thernet,IS DN,3DDW等)互连进行信息交换。
通过智能家庭网络能实现以下功能:(1)对电气设备的控制和管理能通过家用无线设备(如遥控器)、个人电话和互联网来控制灯、热水器以及空调等设备。
(2)家居安全家庭内部出现的紧急情况(如盗抢和火灾)能自动向主人手机或管理中心报警;家庭成员的医疗求助信息能远传到社区医疗中心;门厅或窗户的摄像监视情况能传到物业管理中心。
另外也可以通过WWW服务器浏览家庭网页,监视家庭内部情况等。
(3)能源管理三表自动显示并抄送到管理中心,免除物业人员的入室干扰;定时开关供暖通路及天然气,节约费用和保证安全。
(4)多媒体服务对内实现电视机与数码相机、摄像机、VC D和DVD等设备之间的视频音频信号传输;对外实现可视电话、视频会议和视频点播等视频音频信息交流。
(5)通过计算机或机顶盒连接互联网实现网上购物、娱乐、订票、证券交易以及获取信息等。
2 国内外智能家庭网络的发展情况国际上对智能家庭网络的研究起于20世纪70年代,主要集中在发达国家,如美国、日本及欧洲的德国、英国和法国;我国对智能家庭网络的研究还刚刚起步。
但是这些研究都是在各国独立进行,并且具有不同的目标和市场战略机制,因而没有形成统一的标准,其中比较重要的有下述几个系统:美国 X210,CE Bus,LonW orks日本 H BS欧洲 EI B,EHS这些系统之间互不兼容,各有优缺点,如表1所示。
表1 六种智能家庭网络系统的比较网络名称系统结构通信介质信道种类协议层数介质访问协议寻址能力互操作规范即插即用性造价X210分布式电力线控制通道256无部分低CE Bus分布式电力线双绞线控制通道信息通道4CS M A2163216有无高LonW orks分布式电力线双绞线控制通道7P2CS M A32000无无高H BS分布式双绞线同轴电缆控制通道信息通道3CS M A65536有无低EI B分布式电力线双绞线控制通道5CS M A65536有无低EHS集散式电力线双绞线控制通道4有部分中 下面对它们进行简要介绍。
(1)X210X210是最早流行于美国的智能家庭网络系统[1]。
其最主要的特点是采用易于获得的电力线作为传输介质,组网方便。
该系统主要由控制盒(发送器)和接收器来实现电气设备的自动控制[2]。
控制盒和接收器都能直接插到市电电源插座上或替代电源插座直接接到电力线上。
系统的最大寻址能力为256个,通过控制盒和接收器上的拨盘来设定房间号(16个:A～P)和设备号(16个: A～P)。
设备的控制是通过控制盒上的按钮来完成的,一个控制盒可以控制地址与它相同的所有接收器上连接的设备。
控制盒有多种类型,有的实现灯光亮度调节,有的可实现定时控制等。
X210产品在美国主要用于旧房改造,采用电力线传输和控制模块造价低是其优点;但系统传输速率低和抗干扰能力差(这是由于信号载波在电力线上传输造成的)则是其致命的弱点,另外系统的寻址能力弱和传输介质单一也限制了它的可扩展性。
(2)CE Bus为了解决X210技术上的不足,美国电子工业协会(EI A)于1984年4月开始组织开发新的家庭网络标准,并于1992年正式推出CE Bus(C onsumer E lectronic Bus),定为EI A2600标准。
CE Bus是一个比较完整的开放体系,它定义了几乎所有传输介质(电力线、双绞线、同轴电缆、无线电、红外、光纤)中信号的传输标准,并要求所有传输介质中信号传输的速率均为10K bps,任何符合CE Bus标准的电气产品均可以直接互连和通信。
其基本特点如下:①传输介质CE Bus的传输介质包括电力线(P ower Line,简称P L)、双绞线(T wisted Pair,简称TP)、同轴电缆(C oax,简称CX)、无线(Radio Frequence,简称RF)、红外(In2 fraRed,简称IR)及光纤(Fiber Optic,简称FO)。
每种介质都有各自的优缺点,不同介质之间通过路由器连接。
电力线上信号调制方式采用幅移键控法(ASK),主要用于连接需要市电供电的设备。
双绞线主要用来连接需要低直流电压供电的设备(如传感器等)。
它采用家用电话的四对线TP0～TP4[3],其中TP0用于传输18V直流电压,控制通道信号和数据通道信号。
为了增加带宽采用了频分多路复用的方法。
双绞线的布线采用星形连接,所有双绞线均由同一个电源供电。
每条支线的最大长度为500英尺,而总的最大长度为1000英尺。
红外在CE Bus中主要用于无线控制,如作为遥控器等。
同轴电缆、无线在CE Bus中用得比较少,而且没有具体的规定;而光纤则推荐较多,主要是因为其宽带、抗电磁干扰、安全和易安装等优点,尽管它具有价格贵、连接困难等缺点。
②信道类型CE Bus传输介质的信道分为控制通道和数据通道两种[4]。
控制通道主要传输一些控制信息,如开关设备信息、报警信号、远程测量等。
控制通道有两种物理状态:高级状态和低级状态。
网络上任何节点传播的高级状态将覆盖低级状态。
而数据通道则留给声音、音乐、图象等视频音频信号的传输。
当同一传输介质中存在两种以上的信道时,CE Bus采用频分多路复用(FDM)的方法。
CE Bus信号编码采用了非归零2脉宽编码(NRZ2PWE)机制,有四种传输符号:1,0,E OF(帧结束),E OP(包结束)。
每种传输符号的持续时间分别为1UST(Unit Symbol T ime),2UST,3UST,4UST。
③寻址机制CE Bus每个网络节点地址由16位房间地址和16位目标地址组成,因此寻址能力很强,最多达216×216。
多个节点也可组成一组并指定一个组地址,同一组内的所有节点能接收对应该组地址的信息。
目标地址零保留给同一房间内信息的广播。
节点地址的分配分为静态和动态两种。
静态分配是指通过按钮等方式设置或在出厂前设定;动态分配是指通过应用层设置或由资源分配功能获得。
④协议模型CE Bus每个节点中的控制协议是参考IS O/OSI的七层模型设计的。
为简化协议体系,只保留了四层:物理层、数据链路层、网络层和应用层。
传输层的一部分内容合并到了网络层和应用层[4]。
各层之间采用服务原语作为接口。
物理层主要负责CE Bus节点与传输介质的连接,完成信号的接收和发送,并将信号转换成CE Bus符号(1,0,E OF,E OP)或反过来。
数据链路层负责实现组帧或分解帧、检测错误、介质存取控制(M AC),它包括逻辑链路控制(LLC)子层和介质存取控制子层。