樓健人 杭州市科學技術局

住宅自動化的昨天、今天和明天

樓健人 杭州市科學技術局

都在說21世紀是個信息時代，日新月異的技術改變著人們的思維和生活方式，人將變得更聰明，物將變得更智能。那么，千百年來人類賴以遮風避雨的棲身空間——家，將會變得怎樣呢?頻頻出現在媒體上的“智能住宅”(Smart Home)到底是怎么回事呢?

概述

智能住宅實際上是一個中等規(guī)模的局域網 (最大距離約為500米)，稱為住宅自動化系統(tǒng)HAS(Home Automation System)，主要滿足住宅范圍內各種控制信號和數據的傳輸以及視頻所需的帶寬，為住戶提供更舒適、更方便、更安全、更經濟的居住環(huán)境，通常要能提供對下述服務的支持：本地和遠程訪問控制；數據和語音通信；用電負載控制；家電設備控制；娛樂、學習和辦公；光照控制；環(huán)境控制；家庭保安（防火、防盜、煤氣泄漏報警等）。

圖1 住宅自動化系統(tǒng)的模型

一個典型的住宅自動化系統(tǒng)的模型如圖1所示，各種家電設備、傳感器、控制器和電話機等通過住宅總線(Home Bus)進行物理連接并按一定的通信協(xié)議組成網絡。

家電設備包括電氣廚具、視/音頻設備、電腦、便攜電器、加熱通風和空調（HVAC)設備、保安系統(tǒng)和燈光照明器件等。在HA系統(tǒng)中，這些不同品牌、不同類型的獨立操作的家用電子和電器設備，除了提供類似接線盒這樣的物理層接口外，還帶有數據鏈路層接口。

控制器(HBC-Home Bus Con-troller)一般分為一個主控器和多個子控器。

主控器是控制和通信的核心，根據程序和地址編碼，處理本網各節(jié)點的內部信息和來自出入口的外部信息，配有鍵盤用于設置指令、參數等，并能顯示系統(tǒng)狀態(tài)。

子控器是總線和家電之間的物理的和電子的接口，也稱智能插座。有獨立的地址，內含通信接口、廉價的微處理器、繼電器或可控硅電路等執(zhí)行元件，能與主控器或其它子控器交換數據。它可以方便地連接在總線任意位置上且可由相關的設備共享。發(fā)展趨勢是將電路芯片和通信協(xié)議等嵌入家電構成智能電器或稱信息家電（IA），實現在普通的住宅電源插座上即插即用。

住宅的主人不可能都具備專業(yè)知識，各類傳感器是用戶和系統(tǒng)之間唯一的連接器，是住宅的神經系統(tǒng)。傳感器應具備智能性，例如：為了節(jié)能的目的，當家中無人活動時，照明控制讓燈具處于“節(jié)能運行”模式，而在家庭聚會時，則讓燈具處于“舒適運行”模式；傳統(tǒng)的煙霧傳感器開始報警時往往已出現火焰苗子，而智能的化學傳感器可檢測到地毯的纖維剛開始發(fā)熱時產生的氣味，且在向室內外報警的同時，打開出入通道的照明并關閉室內的通風設備以防火焰擴散；為了減少成本，住宅內安裝的傳感器還應具備多功能性，例如：被動式紅外探頭充當白天室內的光照控制，而在夜晚則起非法進入檢測作用。目前，住宅自動化系統(tǒng)常用的主要有聲波探測器、氣體探測器、溫濕度傳感器、離子煙感器、紅外傳感器和光電傳感器等。

住宅網絡所采用的通信介質，有非屏蔽雙絞線、低壓電源線、光纜、同軸電視電纜、紅外線、超聲波以及無線電波等。住宅網絡的通信是雙向的，通信接口支持通信的物理層和數據鏈路層，起到收發(fā)數據的封裝、拆裝和鏈路傳送管理功能。采用的網絡拓撲結構有總線型、樹型、環(huán)型和開放式等。

公眾電話網(PSTN)常作為住宅網絡與外界交換信息的通道，用程控電話機向外自動撥號、作遠程進入時的密碼鑒別等，可用作通道的還有有線電視網和廣播通信網。

對住宅自動化系統(tǒng)功能的一般要求為：

·不同設備的可互操作性：由不同廠家生產的不同家電設備可適用于同一系統(tǒng)；

·可擴展性：統(tǒng)一設定的地址編碼允許在現有系統(tǒng)中增／刪家電設備和采用新的傳輸介質；

·靈活性：動態(tài)編址及路由使家電設備可方便放置在任意部位；

·自動設置：可即插即用，標準的設備描述符的動態(tài)交換使設置可自動進行；

·器件共享：某些設備如傳感器、操作鍵盤等可由同一網絡共享；

·免維護性：考慮到使用對象沒有專業(yè)知識，除了初裝和很偶然的檢查，平時不需作維護工作；

·界面友好性：易學易用，人機界面操作簡單；

·合理價格；住宅自動化定位在民用消費市場，價格是關鍵因素之一；

·發(fā)展要求；提供寬帶網，支持各種復雜的多媒體應用，如VOD、Internet、數字圖書館等。

發(fā)展進程

HA系統(tǒng)起源于家庭保安系統(tǒng)和電話網。峰谷電費、最大需量等負載控制要求促進了HA系統(tǒng)的發(fā)展，智能化負載控制要求在用電高峰時自動調節(jié)家電的能耗模式而不是切斷電源，例如：實現電熱水器或空調器程控周期性地啟停、根據環(huán)境狀況自動調節(jié)房間的光照強度、通過遠程抄表系統(tǒng)向電力管理部門傳送用電實時信息等等，這些都依賴于家庭網絡。微電子技術、計算機技術和網絡通信標準的制定則為HA系統(tǒng)實質性的發(fā)展提供了保證。

由日本多家大學和消費類電子產品制造商組成的住宅總線系統(tǒng)HBS(Home Bus System)研發(fā)組，于1983年發(fā)布了HBS V1.0版，2年后又發(fā)布了V1.2版本。HBS從CATV發(fā)展起來，采用單根同軸電纜(也可采用光纖)實現頻分多工制雙向通信。系統(tǒng)使用兩個頻段：基頻段(＜9.6K)主要用于傳輸數字、模擬和控制信號，速率為9600bps，寬頻段（＞10M)主要用于傳輸高速的數據和圖像信號。最大終端為255個，最長距離為200米，按功能分成四個子系統(tǒng)：信息子系統(tǒng)（電腦、圖文電視等）、管理子系統(tǒng)（空調、熱水、照明等）、音頻／視頻子系統(tǒng)（電視機、影碟機等）和保安子系統(tǒng)(電子門鎖、報警器、煙霧探頭、攝像頭、室內電話等)。按照該規(guī)范，不同制造商生產的家電設備中將嵌有通信接口電路，住宅的墻上安裝“信息插座”(Information outlets)。發(fā)展至今，日立、三菱、東芝三家公司將聯合制定“住宅網絡”的架構和相關技術要求，使用戶可方便地使用包括“家庭醫(yī)療”在內的各種功能，接在電源線上的各種用電設備及電表、水表的讀數可由終端或經電話線遙控處理，音頻、視頻及計算機等裝置則需經網關處理。

歐洲住宅系統(tǒng)協(xié)會EHSA(European Home System Association)制定了屬于歐洲通信計劃（ESPRIT Project）一部分的住宅自動化系統(tǒng)規(guī)范EHS，在1992年3月發(fā)布了V1.1版本，目的是將一個采用多種傳輸介質的通信技術應用于有低價位要求的家庭消費市場。該規(guī)范有三個基本概念：控制器、被控制的家電設備及用戶接口，一個特征是自動識別總線上與EHS兼容的家電設備并與之進行通信。

V1.1版本定義各種介質的通信速率為：

約有50多家的歐洲公司參加了EHS計劃，重點放在利用電源線 (PL)和雙絞線 (TP)來架構網絡。Philips、Thomson、Trialog等許多公司正致力于開發(fā)電力線載波(PLC-Power Line Carrier)通信技術。

美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)在20世紀80年代中期為住宅自動化制定了消費電子總線標準CEBus(Consumer Electronic Bus)，并為自動讀表制定了分布式系統(tǒng)標準，為支持協(xié)議標準和商業(yè)應用，還制定了應用層語言CAL(Common Application Language)。

CEBus定義了一個實時控制的局域網，可通過低壓電源線、雙絞線等六種介質聯接住宅中稱為網絡節(jié)點的各種用電設備，架構成住宅自動化系統(tǒng)。

下表是國外幾種可用于住宅自動化的智能分布式網絡技術：

注：數據引自 "Development of a distributive lighting control system using local operating network"，IEEE Trans．On Consumer Electronics，Vo 1.40，No.4，Nov.1994EIB=European lnstallation BusTP=雙絞線 PL=電源線 RF=無線電 IR-紅外OP=光纖 CO=同軸電纜B=總線型 L=循環(huán) R=環(huán)型 T=樹型

其中，X-10公司開發(fā)的智能住宅系統(tǒng)把重點放在遙控家電設備上；而Homebus和CEBus比較靈活，已廣泛應用于住宅自動化系統(tǒng)，然而速率較低以及不能覆蓋完整的7層OSI協(xié)議，無法提供所有的通信服務。目前，在技術上占領先的是美國Echelon公司在1990年推出的局部操作網技術案LONworks(LON-Local Operating Network)，其核心是由Motorola、Toshiba研制生產的嵌入式神經元芯片，這是一種集網絡通信、程序處理和多種I/O模式為一體的器件，內含微處理器、EEPROM和RAM，嵌有LonTalk協(xié)議，使各種稱為節(jié)點（Node）的器件如執(zhí)行元件、傳感器等通過包括電力線在內的各種傳輸介質和路由設備方便地組成智能的、高速的、低成本的網絡系統(tǒng)。

一些專業(yè)從事網絡綜合布線的知名公司也進入這一領域，寬帶多媒體系統(tǒng)開始出現。如西蒙公司(Siemon)的智能住宅布線系統(tǒng)(HOMEsys)、美國安普公司(AMP)的家庭住宅智能多媒體系統(tǒng)和麗特公司(NORDX／CDT)智能小區(qū)RUN(Redundancy Universal Network)布線系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)的共同特點是：成本低、安裝和使用方便、采用包括雙絞線和同軸電纜在內的通信介質、支持語音、數據和圖象傳輸。

EIA／TIA 570-A住宅布線標準按未來的智能住宅分別滿足最低通信服務要求；滿足基礎和高級通信服務要求和滿足基礎、高級和多媒體通信服務要求明確規(guī)定了三級布線基礎結構。

殷明不想看著這個似乎居高臨下的時間的代表，他關掉手機。想想，又打開了，翻到那條存留許久的短信：“明，我走了。以后也別再找我了，咱們就此別過吧，祝你找到理想的工作。再見！”

從上可見，經過多年的研發(fā)，建立一個實用的住宅自動化系統(tǒng)所需的標準和技術在發(fā)達國家已經具備。

實現方法

住宅自動化的設計者們很自然地考慮將PC機作為住宅網絡的控制中心，利用電腦顯示屏作人機界面 (MMI-Man Machine Interface)。在沙特阿拉伯，早年就有人實現了用一臺雙音多頻電話機和一臺PC機及I/O接口板組成簡單的住宅網，實現遠程撥號開／關家電；有的開發(fā)了集遙控多種家電的功能于一體的設備；也有的用一排觸摸鍵(Touch bar)并結合軟件構成動態(tài)鍵盤，減少用戶接口設計的復雜性，便于擴展功能。PC機的長處在于功能強，有許多軟件和系統(tǒng)平臺(如Windows)支持，但用戶與HA系統(tǒng)的交互受到限制，而且普通的家庭用戶對操作鍵盤感到困難。因此，又有人提出利用電視機屏幕來顯示人機交互對話并使用無線遙控器，更進一步的是利用語音識別技術。人機界面(或稱用戶界面)一直是影響HA系統(tǒng)普及的因素之一。

再來考慮影響HA系統(tǒng)普及的另一個關鍵因素：雖然商用、辦公建筑物的結構化布線已很普遍，然而民用住宅有其自身特點，如：每家每戶是獨立的、每間房間的配線區(qū)也是獨立的、所需的信息節(jié)點多和接口類型豐富等，要在住宅中組成一個可傳輸數據、控制命令及傳感器信號等信息的網絡，采用何種通信介質最經濟、最方便?這方面的問題就很突出。國際標準化組織(ISO)在1992年對利用電力線傳輸數據作過一個說明，認為可實現低速率 (如：1200bps)和高速率(如：19200bps)兩種數據傳輸方式。如果利用進入千家萬戶的民用低壓電源線(公用變的次級端)來組成家庭網，由于不需單獨敷設電纜或占用其它通信線路，初裝費相對較低、擴展容易等，容易被使用者接受。然而，民用電源線的非屏蔽線路信道特性變化大，帶寬受限，往往受到用戶無法控制的源于戶外的隨機干擾和噪聲影響，負載阻抗等會產生隨機的信號衰減等，不同于工業(yè)環(huán)境，要想有效地控制、限定這些衰減都是不太容易的。因此，盡管電力公司早就在利用電源線進行載波通信了，但要用電源線作住宅自動化網的傳輸介質還有許多技術難題要解決。

電力線載波通常采用調幅鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和擴展頻譜(Spread Spectrum)三種調制方式。FSK方式在傳輸可靠性和成本之間有綜合優(yōu)勢，用于低速率數據傳輸，600bps～2400bps的速率通常能滿足范圍小、數據量少的諸如自動抄表、家庭保安、家電控制的實際需求；擴頻方式傳輸最為可靠但成本也高，主要用于寬帶高速率數據傳輸。研究表明，電力線傳輸速率目前可達到1Mbps，如歐洲Norweb與北方電信兩家公司近日向人們展示在該速率下達到了200～300米的實用傳輸距離。

歐美日及澳大利亞等國對利用民用電源線通信作了大量的有計劃的研究工作，開發(fā)了電力線調制解調專用芯片，常見的有：美國國家半導體公司(NSC)的LMl893／2893，采用FSK方式，通信速率最高可達4.8Kbps；意法合作的SGS-Thomson公司于1994上半年為住宅自動化推出ST7537，也是采用FSK技術半雙工通信，速率為1200／2400bps，載波頻率為132.45Khz。電力載波通信模塊也相繼出現：如德國ATICON公司利用ST7537開發(fā)的EHS-PLM-12／24，加上接口電路和滿足EHS規(guī)范的微控制器ST9(或8051、68HC11＼Neuron3120／3150等)，可組成HA系統(tǒng)中一個智能節(jié)點；應用于CEBus有德州儀器的SEM300模塊及CyberLYNXComputer Pro ducts，INC．的SEM200模塊等。Echelon公司推出分別采用窄頻和擴頻傳輸技術的電力載波通信模塊：PLT-20結合應用Neuron芯片，據稱可在交流(24／120／220／480Vac，50／60／400Hz)或直流及無源線路上可靠地通信，可應用于自動抄表、負載控制繼電器和信息插座等：SIP封裝形式的PLT-21含DSP功能，內含Echelon的窄帶電力線集成電路、放大器和濾波器等，適用于125-140kHz頻段，兼容 FCC、CENELEC(歐洲)和 MPT(日本)標準，可滿足住宅、工業(yè)自動化和需求側負載管理（Demand Side Load Management）等方面的應用；該公司的RTR一10路由核心模塊可用于將不同的通信介質如電力線、雙絞線、同軸電纜及光纖等組成一個住宅網。

圖2是一個采用電力載波通信實現負載管理的系統(tǒng)原理框圖：

應用介紹

在美國舊金山地區(qū)，家庭之間試驗通過機頂盒(Set-Top Box)來連網，實現遠程監(jiān)控家電和避峰用電。在德克薩斯，1995年起就有500多套使用LON技術的能源管理系統(tǒng)在試運行，通過傳感器和執(zhí)行器件來控制家庭的加熱通風和空調設備、電熱水器及電機等，系統(tǒng)的硬件由電力部門提供。

蘇格蘭的Linbugr公司運行的HA系統(tǒng)分采用雙絞線或低壓電源線通信的兩套版本，也可擴展用無線連接傳感器。一臺內嵌Echelon接口并配有鍵盤的Philips P100型液晶顯示電話機，作為系統(tǒng)的控制器及家庭網與外界的接口。簡單的應用是實現本地電力公司的遠程抄表，進一步的應用可使用戶遠程進入系統(tǒng)，比如通過電話撥號啟動家中的電加熱器，下一步擴展目標是通過增加智能卡讀入器實現家庭銀行和在家購物，成為連接信息高速公路的入口。

法國和西班牙兩國共同試驗的優(yōu)化能源管理可組合系統(tǒng)(OPENMAN-Optimal Energy Management Configurable System)，部分功能就是能源管理，系統(tǒng)包括一臺主控器和若干個智能插座，利用電力線載波與家庭用戶通信來進行削峰填谷等電能管理操作。法國還有一項稱作ICC的用戶通信接口計劃，在1994年10月完成了第一批模塊，提供給法國電力公司(EDF)和法國煤氣公司(GDF)使用。主要功能有實時讀表、停電控制和遠方管理等，用戶通過幾條簡單的指令控制家電，如選擇部分家電如電熱水器、冰箱的啟／停周期，也可與供電部門通信以規(guī)劃最佳的用電方式。

HA系統(tǒng)其它的應用包括家庭保安、控制和娛樂等。

日本Mitsubishi Electric Corp.開發(fā)的基于HBS的住宅自動化系統(tǒng)，有一套稱為VC&T(Visual Controller&Telephone)的集電話機與可視控制器為一體的裝置，具有對內、對外雙向語音通信，入口可視通話及住宅保安控制和自動抄表功能。

由美國的蘋果計算機公司發(fā)明，一個包括生產計算機和家庭消費電子用品的工業(yè)集團正在進一步研發(fā)中的稱為Firewire(IEEE1394)的外設總線規(guī)范，把住宅中各種電子、電器設備看作同樣的一個個連接器來組成家庭網，甚至可以做到在電視機與計算機之間交換圖象和數據。

在北美每年新建的百萬套住宅中，大多數預先完成了星形結構布線，高帶寬的家庭網絡可以支持音頻／視頻傳輸、計算功能和安全控制功能等今天和未來新技術發(fā)展的要求，實現真正的住宅自動化。

當然國外專家也指出，考慮到住宅自動化系統(tǒng)的巨大潛在市場，成功的商品化產品目前不多，應用尚未普及，幾年前專家們所預料的市場紅火情況還未出現。有資料介紹美國將年收入多于US$300,000的家庭列入有可能使用帶Neuron芯片的HA系統(tǒng)的范圍。據1995年9月美國《ElectronicDesign》中一篇技術分析報告介紹，在這之前的一兩年內，只有不到1%的美國新居中有智能家電設備，而估計5年內，美國居民家中將開始出現利用Echelon技術實現的能顯示電能利用狀態(tài)的家電設備。

H A系統(tǒng)在我國推廣的前景

從國外的情況看，電力部門在HA系統(tǒng)的推廣中扮演了重要角色。電力部門在進行電能管理的同時不能降低服務水準，這需要有一套復雜的算法和仔細規(guī)劃的人機接口，能將分段變化的電價變成消費者的可選擇。隨著我國國民經濟的進一步發(fā)展，居民等非生產用電的比重會逐年加大，不妨設想一下，隨著環(huán)保型電力汽車(普通市民更感興趣的也許是電力助動車)的實用化和生產規(guī)模化并開始進入國內小康家庭，使用者下班后要對電池充電，有可能出現一個用電高峰。這樣，一方面是對電能的急切需求，一方面是新建電廠所需的資金、環(huán)保壓力，有效的解決辦法是實行需求側負載管理，這就是HA系統(tǒng)的重要任務之一。電力部門在進行負載控制的同時，也可利用同一網絡向用戶提供家庭保安之類的增值服務，通過雙方互利來促進HA系統(tǒng)的推廣。

但是，普通的居民用戶不愿直接和能源管理系統(tǒng)打交道，他們所愿意的只是非常簡單的操作。這樣，家電制造商首先要定義家電設備滿足不同能耗范圍的工作模式和控制周期，通過將實現智能化能源管理的微處理器嵌入家電，自動處理本網及遠程傳來的實時信息并向系統(tǒng)反饋狀態(tài)。如在用電高峰時，HVAC設備能自動調節(jié)壓縮機和風機的速度(DC電機)：冰箱能調整化霜周期；當系統(tǒng)發(fā)現空調器本月的能耗大于上月的數值時，便提醒清理過濾網；當用戶想開啟大功率家電如自動洗衣烘干機時，控制部分將以對話形式(常見的是LCD顯示)告知實時電價和本次洗衣需付的電費以及實行其它費率的時間，用戶可以在費用和方便之間作出選擇，消費者也可作一次電費預算，由HA系統(tǒng)來分配使用。當用戶感受到能源管理的經濟手段并體會到他的投資最終會得到回報時，對新型的智能家電的需求又會促使家電制造商注意到這個市場潛力，反過來又刺激HA系統(tǒng)的普及。

隨著生活水平和消費能力的提高，人們開始追求更高的生活質量，全自動及帶有部分智能的家電正受到人們的親睞，如海爾去年推出的可用電話遙控開機的空調器引起市場的關注。同時，住宅也不再僅僅是個生存空間，在我國部分經濟發(fā)達地區(qū)，對HA系統(tǒng)的接受已經有了一定的基礎。例如：無錫蠡湖泰德新城、廣東番禺麗江花園、上海浦東錦華小區(qū)、北京現代城等智能示范小區(qū)，利用綜合布線將各種弱電設備連成網絡，電話、電視、電腦三網入戶，一般能夠提供家庭防盜、煤氣水電三表自動抄送、遠程家庭醫(yī)療看護、遠程監(jiān)控家電和數據、圖象傳輸等功能，將智能化系統(tǒng)引入了家庭。利用民用電源線載波通信的小區(qū)自動遠程讀表系統(tǒng)也已在國內多處運行。

HA系統(tǒng)定位于民用消費市場，除了技術和價格因素外，如何符合我國人民的消費心理和生活、文化習慣，功能實用也是個關鍵。畢竟，HA系統(tǒng)對我們來說在概念和實際上都是個新東西，既要讓消費者感到眼前花費有所值，又要讓他們了解到該技術可以得到不斷完善和擴展而不會淘汰。連接中國普通家庭傳送電磁波的線路有三條：電力線、電話線和有線電視電纜，根據目前我國國民的消費能力，利用電力線來構架家庭網是現實的和有生命力的。國外在1992年所作的一份有關HA市場的分析報告指出：在具有消費潛力的用戶中，真正了解HA系統(tǒng)的并不多，他們對HA系統(tǒng)所提供的諸如下班時往家打個電話開啟家中的微波爐備好晚餐之類的功能興趣較少，所關注的是和社會生活最緊密相關的家庭保安、環(huán)境控制及能源消耗等方面，其實這種分析也符合我國的現狀。

如前所述，由歐美日等發(fā)達國家推出的HA系統(tǒng)，經過多年的研發(fā)和試用，技術已日臻成熟。從已經推出的幾個系統(tǒng)看，不少全球知名的家電制造商介入了這一領域，政府則在HA系統(tǒng)的實施和標準制定中起著協(xié)調作用。根據國外HA系統(tǒng)發(fā)展的規(guī)律，我國有志于進入住宅自動化領域的開發(fā)者也要積極地了解和利用國家有關部門的能源、通信和物業(yè)管理等方面的政策和法規(guī)，爭取得到配合和支持，要組成團隊，不能只靠一、二家單位；有實力的家電制造商要跟蹤新技術的發(fā)展趨勢，與其千軍萬馬擠PC機的生產，不如領先一步開發(fā)用于住宅自動化的智能電器，迎接一個新的消費熱點，而最重要的一點是要有自己的標準，有自主知識產權。

編后語 舒適自在的生活自古以來是全人類共同的追求目標——古代的君王奴役萬人，“遠程聲控”來實現自己宮殿的“自動化”效果，而現代人即將過上君王們眼中神仙般的生活——房子就是法寶，能亮能滅，能暖能涼，能抓賊能防火，甚至還能與主人交流。很多新技術，在幾十年前聽起來像是科幻小說，它的實質卻是科學預言。然而，實踐是檢驗真理的惟一標準，大量的實踐花費的是如梭的歲月。本文的發(fā)表時間盡管已有些年月，但技術拿到現今依然是先進的，理想的智能化生活離我們仍然還很遙遠?？梢娛畮啄陙砦锫摼W的發(fā)展并沒有我們所想像的那么迅速。當年的物聯網僅僅是作為一個概念來運行的，希望今天的物聯網在全國甚至全球的高度關注下，更重視產業(yè)化的發(fā)展，更希望不久之后的某天讓我們真正的嘗到智能化的生活，過上神仙般的日子。