經(jīng)過多年徘徊，隨伴新技術(shù),、新興標(biāo)準(zhǔn)和消費設(shè)備連網(wǎng)技術(shù)在智能家居領(lǐng)域的共同發(fā)展，家庭自動化正涌現(xiàn)一波新浪潮。
　　要點：
　　* 經(jīng)過幾十年的徘徊,，家庭自動化連網(wǎng)技術(shù)似乎已開始進(jìn)入大眾市場。
　　* 電力線與無線信號傳輸?shù)募夹g(shù)進(jìn)步已經(jīng)降低了成本,、提升了數(shù)據(jù)速率,，并提高了可靠性。
　　* 雖然有很多標(biāo)準(zhǔn),，但還沒有一種技術(shù)或?qū)崿F(xiàn)方案占據(jù)統(tǒng)治地位,。
　　* 殺手級應(yīng)用可能正以能量管理的形式出現(xiàn)。

　　自微控制器問世以來,，就出現(xiàn)了一種自動控制生活環(huán)境,，并響應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)實?，F(xiàn)在，隨著無線技術(shù)的發(fā)展,、家庭連網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn),，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(xiàn)夢想，盡管業(yè)內(nèi)各方對實現(xiàn)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(diào)光、風(fēng)扇調(diào)速和控制電器的開關(guān),。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(shù),，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(shù)據(jù)（限于 16 個指令）,，可以在一個網(wǎng)絡(luò)中最多控制 256 臺設(shè)備,。不過，盡管有這些限制,，X10 產(chǎn)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(xiàn)在仍然可供消費者購買和安裝。

　　為了給家庭應(yīng)用提供更強大和綜合的控制功能,，EIA（電子工業(yè)協(xié)會）,，現(xiàn)在叫消費者電子協(xié)會 CEA，在 1984 年開始開發(fā)一組標(biāo)準(zhǔn),，它是用于控制一系列設(shè)備的通用命令語言,。這一工作亦定義了很多介質(zhì)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(xiàn)了 CEbus 標(biāo)準(zhǔn),，并被業(yè)界于 1994 年采納為 EIA-600 標(biāo)準(zhǔn),，它面向遙控、遠(yuǎn)程儀表,、安保系統(tǒng),、能源管理，以及其它承載娛樂內(nèi)容線路的娛樂系統(tǒng)等,。

　　不幸,，CEbus 被證實過于復(fù)雜和超前。它的實現(xiàn)成本高昂,，似乎當(dāng)時消費市場尚未接受互聯(lián)網(wǎng)和連網(wǎng)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(chǎn)品供應(yīng)商 Domosys 公司最終放棄了 CEbus，轉(zhuǎn)而支持自己專有的 PowerBus 連網(wǎng)技術(shù),。CEbus 行業(yè)組織的網(wǎng)頁（www.cebus.org）現(xiàn)在也已失去了作用,。

　　家庭連網(wǎng)領(lǐng)域涌現(xiàn)了其它技術(shù),，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(lǐng)域取得了相當(dāng)大的成功。LonWorks 平臺結(jié)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(biāo)準(zhǔn)和建筑標(biāo)準(zhǔn),，包括用于控制網(wǎng)絡(luò)的 ANSI/EIA709.1B、歐洲 EN14908 建筑自動化標(biāo)準(zhǔn),，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(wǎng)技術(shù)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(shù)能提供消費者對技術(shù)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(yīng)用，這種應(yīng)用必須具備不斷降低成本,、持續(xù)提升公眾認(rèn)知,，以及鼓勵競爭的創(chuàng)新等能力。

　　一種技術(shù)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(shù)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(shù)的安裝應(yīng)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(shù)應(yīng)如預(yù)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(jù)自己的意愿決定該技術(shù)應(yīng)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(shù)月或數(shù)年中產(chǎn)生效益,。對于那些使用電池工作的設(shè)備,，長壽電池是消費者滿意度的基礎(chǔ)。
　　互操作：消費者希望能從多個競爭性來源采購到技術(shù)部件,，并能方便地共同運行,。
　　能力：消費者期望新采用的技術(shù)能提供多種重要的利益和有用的特性，而該技術(shù)的能力與特性能隨時間而穩(wěn)定增長,。

　　現(xiàn)在,，所有現(xiàn)有的家庭自動化技術(shù)都有一項或多項不足,，不過擁護(hù)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(zhì),。家庭自動化系統(tǒng)采用以下三種介質(zhì)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(zhì)包括雙絞線,、同軸電纜和光纖。這些介質(zhì)的優(yōu)點是有大的數(shù)據(jù)容量,，能為網(wǎng)絡(luò)傳輸提供一種相對低噪聲的通信信道,。主要缺點是成本。據(jù)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(shù)消費者來說仍過高,。

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

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

　　X10 標(biāo)準(zhǔn)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(fù)，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(shù)據(jù)速率,，另有同步,、成幀和尋址位的附加開銷，使可用數(shù)據(jù)速率降低了 60%,。這么低的數(shù)據(jù)速率使網(wǎng)絡(luò)無法承擔(dān)大多數(shù)基本的控制與

檢測功能,，并且在實現(xiàn)一個指令串時增加了相當(dāng)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(xiàn)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(shù)上的相似性使 Insteon 網(wǎng)絡(luò)可以控制 X10 設(shè)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(diào)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(chǎn)生過強的 EMI,。數(shù)據(jù)速率在 100 bps 量級。

　　然而,，這些低數(shù)據(jù)速率限制了網(wǎng)絡(luò)的性能,，因而無法為消費者提供期望的技術(shù)性能。另外,，用電力線方案實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)帶寬需要一種更復(fù)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(shù)據(jù)恢復(fù)和降噪的 DSP 增強處理器,，實現(xiàn)高達(dá) 5.4 kbps 的穩(wěn)定數(shù)據(jù)速率,。

　　過去幾年來，更高數(shù)據(jù)速率不斷出現(xiàn),。HomePlug 電力線聯(lián)盟的新 HomePlug AV 標(biāo)準(zhǔn)采用 Intellon 的技術(shù),，用正交頻分多路傳輸方式產(chǎn)生信號,，實現(xiàn)高達(dá) 200 Mbps 的持續(xù)數(shù)據(jù)速率。這一速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了網(wǎng)絡(luò)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(lián)網(wǎng)協(xié)議電視）。不過它仍要證明為這種復(fù)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(jié)構(gòu)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(jié)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(fù)雜性與成本,，消費者可能無法容忍這樣一種家庭網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)。

　　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(xiàn)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(guān)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(zhì)的主要優(yōu)點之一?，F(xiàn)在出現(xiàn)了多種無線家庭自動化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括 Z-Wave 和 ZigBee,。另外,，Echelon 的 LonWorks、SmartLabs 的 Insteon 以及歐洲的 KNX 等家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(wǎng)技術(shù)仍面臨著相當(dāng)大的可靠性挑戰(zhàn),。為避免許可問題,，基于 RF 的網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)品的頻段,。例如，Z-Wave 方案工作在 900 MHz ISM（工業(yè)/科學(xué)/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(zhuǎn)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(shè)計全球化的射頻設(shè)備,。但兩種情況下都有其它用戶處于這些開放頻段內(nèi)，可能造成嚴(yán)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(xiàn)在看來已經(jīng)接近目標(biāo)。例如,，ZigBee 聯(lián)盟成員 Ember,、Freescale、Microchip 和德州儀器公司的報告都認(rèn)為,，最新修訂的規(guī)范 ZigBee 2006 可確?？煽窟\行，即使頻段內(nèi)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(chǎn)品的設(shè)計,。

　　軟件也可以扮演解決干擾問題的角色，確?？煽康木W(wǎng)絡(luò)運行,。ZigBee 應(yīng)用軟件供應(yīng)商 Airbee Wireless 的官員指出，ZigBee 協(xié)議的實現(xiàn)能影響網(wǎng)絡(luò)在一個混雜 RF 環(huán)境中的性能,。例如,，Airbee 的軟件帶有網(wǎng)絡(luò)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(yīng),。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(shè)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(wǎng)絡(luò)采用自配置的網(wǎng)格架構(gòu),，支持者聲稱距離不是問題。在適當(dāng)?shù)奈恢煤唵蔚卦黾佑邢⒅欣^能力的節(jié)點，就可以保證全部連通（圖 2）,。

　　對 RF 家庭連網(wǎng)的支持者來說,，更加關(guān)注電池壽命問題。一個基于 RF 的家庭網(wǎng)絡(luò)可能要容納數(shù)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(xiàn)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(shù)時間內(nèi)保持不激活狀態(tài)，以節(jié)省功耗,。當(dāng)某個事件需要響應(yīng)（例如按鍵）時它們才蘇醒,，并定期查看是否有通向它們的網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)的 IEEE 802.15.4 射頻標(biāo)準(zhǔn)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(hù)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(shè)計專用于實現(xiàn)家庭連網(wǎng)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(yù)就能完成自己的任務(wù),。這種方式減少了功耗,，使節(jié)點可以靠電池工作數(shù)年之久而無需更換。

　　這種技術(shù)進(jìn)步將各種家庭連網(wǎng)方案帶到了一個新水平,，將使智能家庭的夢想最終成為現(xiàn)實,。不過現(xiàn)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(shù),，這限制了消費者能夠選擇的供應(yīng)商數(shù)量,。其二是缺乏有吸引力、能起動市場的應(yīng)用,。

　　為解決互操作性問題,，家庭自動化技術(shù)供應(yīng)商轉(zhuǎn)向了標(biāo)準(zhǔn)化組織與貿(mào)易組織,。Echelon 的 LonWorks 技術(shù)已獲得數(shù)字家庭聯(lián)盟的支持，它提供了廣泛的供應(yīng)商群體以及設(shè)備間的互操作性認(rèn)證,。Z-Wave 聯(lián)盟則為 Zensys Z-Wave 技術(shù)提供了類似的功能,。HomePlug 電力線聯(lián)盟支持 Intellon 的 HomePlug 技術(shù)。其它行業(yè)組織包括 UPnP（通用即插即用）論壇和 ZigBee 聯(lián)盟,，兩家均致力于確?；ゲ僮餍裕⒉粩鄡?yōu)化自己的標(biāo)準(zhǔn),。

　　在更高級別上,，國際化團體也正在嘗試建立全球性的標(biāo)準(zhǔn)，將家庭連網(wǎng)的方方面面聯(lián)系在一起,。ISO/IEC JTC（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織/國際電工委員會聯(lián)合技術(shù)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(shè)備建立一個獨立網(wǎng)絡(luò)所需的標(biāo)準(zhǔn)。所提議標(biāo)準(zhǔn)的范圍包括加熱和空調(diào)設(shè)備,，以及家電和連接到家庭計算機和互聯(lián)網(wǎng)的家庭娛樂設(shè)備,。這種定義工作正在進(jìn)行之中，不過有些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)公開發(fā)表,。

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

　　然而,，雖然這些標(biāo)準(zhǔn)尚不太明確并在相互競爭,，這個領(lǐng)域已經(jīng)準(zhǔn)備為家庭自動化擁護(hù)者提供一些連做夢也沒有想到過的事情。各種介質(zhì)選擇范圍可保證靈活而低成本的安裝選項,。數(shù)據(jù)速率高得足以保證娛樂內(nèi)容與數(shù)據(jù)的分發(fā),，以及通過網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用戶的位置,，如在人員進(jìn)入室內(nèi)時開燈，離開時關(guān)燈，并在人們穿越房間時實現(xiàn)各房間音樂的切換,。開發(fā)人員正在為系統(tǒng)的遠(yuǎn)程運行建立與互聯(lián)網(wǎng)的鏈接,，以及為市場上現(xiàn)有很多家庭自動化方案下載媒體。

　　殺手級應(yīng)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(diào)味劑,。它們無法起動這個市場。家庭自動化的正餐（殺手級應(yīng)用）必須能使該技術(shù)得到廣泛接受,。

　　這樣一種應(yīng)用可能正在出現(xiàn),。美國南加州和德州的電力公司正在尋求用 ZigBee 技術(shù)幫助他們實現(xiàn)負(fù)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(yuǎn)程調(diào)整溫度計的升降、關(guān)閉供水以及泳池加熱器等,，調(diào)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(shù)的應(yīng)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(jìn)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(shù)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(jì)末所享有過的那樣,。