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1、網(wǎng)絡(luò)家電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和展望關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:摘要:要:分析了網(wǎng)絡(luò)家電、家庭網(wǎng)絡(luò)和智能家居之間的關(guān)系;介紹了X10、CEBus、LonWks、UPnP協(xié)議、ECHO、KNX、Zigbee和國內(nèi)“e家佳”聯(lián)盟推廣的家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn),并比較了各標(biāo)準(zhǔn)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:關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)家電智能家居家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)1網(wǎng)絡(luò)家電的起源網(wǎng)絡(luò)家電的起源二十世紀(jì)70年代后,計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用
2、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)X10技術(shù)[1]。進入二十世紀(jì)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SCAPE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。200
3、0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[34]。2網(wǎng)絡(luò)家電的概念網(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(rèn)為:網(wǎng)絡(luò)家電是一種具有信息互聯(lián),互通或互
4、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(biāo)
5、準(zhǔn);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(biāo)準(zhǔn)家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)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:X10、CEBus、LonWks、UPnP(UniversalPlugPlay)協(xié)議、ECHO(EnergyConservationHomecarewk)、KNX(KonnexAssociation)、Zigbee和國內(nèi)“e家佳”聯(lián)盟推廣標(biāo)準(zhǔn)等。3.13.1X10X10X10電力線載波通信技
6、術(shù)起源于二十世紀(jì)70年代蘇格蘭的Pico電子公司,1979年X10產(chǎn)品上市。二十多年來X10技術(shù)仍然在歐美廣泛應(yīng)用,這得益于X10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]。X10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X10Pro編碼方式。X10信號根據(jù)電力線信號正負(fù)過零點處120kHz脈沖信號出現(xiàn)
7、與否來進行傳輸。X10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50Hz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”。X10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)
8、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]。3.7ZigbeeZigBee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(yuǎn)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
9、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(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.15.4定義了兩個物理層標(biāo)準(zhǔn),分別是2.4GHz物理層和868915MHz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ZigBe
10、e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250kbs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20kbs,916MHz是40kbs。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
11、較遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)[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(fù)責(zé)信息產(chǎn)業(yè)部“家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)工作組”家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的推廣和產(chǎn)業(yè)化?!癳家佳”聯(lián)盟推廣標(biāo)準(zhǔn)定義了控制子網(wǎng)由家庭控制子網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、移動控
12、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(biāo)準(zhǔn)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2.4GH
13、z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(UniversalDeviceControlProtocol)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)
14、出符合這一標(biāo)準(zhǔn)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、ECHO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)
15、。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,ECHO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)。LonWks、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(biāo)準(zhǔn)是不完備的只有和其他標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合才能夠發(fā)揮其作用。因此,ECHO協(xié)議的物理層和鏈路層包含了LonWks中
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