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家庭自動化網絡中的無線網絡技術

來源:互聯網  2008-05-31 06:11:04  評論

Wireless Network Technology in Home Automation Networks

清華同方研發中心市場戰略研究部 Tsinghua Tongfang Ltd., Co., R&D Center

摘要:家庭自動化網絡是伴隨著信息時代的到來應運而生的一種新産品。本文主要介紹了最新無線網絡技術在家庭自動化網絡中的應用,並對未來數字家居的發展進行了展望。

一、 家庭自動化網絡

家居最早的功能是爲人類提供遮風避雨和安全防護的功能。隨著人類改造自然能力的不斷提高,相應對家居的要求也不斷提高。人們期望所生活的家居能夠不斷滿足其對舒適、安全、高效、便捷等方面的要求,而這些要求的實現直接需要新的技術――網絡技術來支持。

伴隨信息時代的到來,網絡技術不再是工業、電信等領域的專利技術,它已經開始逐步進入普通百姓的家庭。家庭保安系統、照明系統、環境控制系統、家電控制系統、DVD以及mp3等家庭娛樂系統和家庭遠程教育系統等,都是在信息時代人們對家居提出的新的功能要求,圖1是一個家庭自動化網絡系統的示例

家庭自動化網絡中的無線網絡技術

圖1 家庭自動化網絡系統

所有這些功能都需要借助飛速發展的計算機技術、自動化控制技術和現代通訊技術來實現,而其中信息的傳遞形式爲數字代碼,所以一般把具有上述功能的家居環境也稱爲數字家居。利用上述的家庭自動化網絡系統,人們可以方便地通過計算機或其它網絡接入設備,遠程獲取家庭內各種信息,包括各種計量表讀數和費用、家庭各種家電設備和監測設備的狀況,並實現遠程遙控各種家電設備和裝置,實現家居的能量治理等。所有這些都極大地提高了人類的生活質量,同時它也是人類所追求的生活目標。

二、 無線網絡技術的發展

最早的網絡技術網絡技術是通過專門的通訊線路實現其通訊功能的,這些專用的通訊線路包括電話線、雙絞線等,需要事先鋪設和安裝施工。在很多場合都廣泛地采用這種通訊媒介,主要是因爲它的實現方便。而在那些難于布線、危險、或需要美觀的地方進行連網,如遠程辦公場所,曆史性建築、無吊頂的辦公場所、不安全的生産空間等[2],它卻是難以實現的,如通訊設備需要移動或無法鋪設通訊線以及美觀要求等,此時就不得不考慮無線網絡技術。

人們對無線系統的需求不斷增加,主要是因爲它設計方便,相比有線技術安裝和運行費用低,可以很快裝好並運行。同時無線網絡技術服務的最大優勢還在于它可以爲移動用戶提供接入服務,而在某些情況下對于靜止用戶同樣具有吸引力。

無線技術的媒介包括紅外和射頻等[3]。一般而言其實現成本要比有線網絡技術稍高一些,這主要是用于通訊信號的轉換處理方面的開支。但隨著通訊技術和大規模集成電路技術的迅猛發展,其實現成本目前已逐漸具有與有線網絡技術競爭的實力,而且應用的規模也在不斷地擴大,圖2爲對美國目前家庭自動化網絡系統中三種主要通訊媒介應用規模的統計和猜測[2]。由圖2可以十分明顯地看出,無線網絡技術的應用和需求比例正在不斷地上升,而相應地有線網絡技術總量所占比例在不斷下降,這是一個總的技術發展趨勢。

家庭自動化網絡中的無線網絡技術

圖2 家庭自動化網絡系統中三種主要通訊媒介應用比例

三、無線網絡技術在家庭自動化網絡的應用

隨著無線網絡技術與有線網絡技術(主要是與電話線産品)價格差的縮小,以及對室內移動操作設備需求的增加,無線網絡技術的應用不斷增加。在家庭中主要有三大類無線網絡技術的應用,包括家電控制、語音/數據設備、多媒體應用。其中家電控制,數據通訊速率一般不大于10Kbps;語音/數據通訊,通訊速率一般爲1~2Mbps(有些場合仍可以通過模擬撥號連接Internet);多媒體應用中,視頻需要較高的通訊速率,一般DVD需要大約3~8Mbps,HDTV系統需要大約19Mbps。近期無線網絡産品應能滿足8Mbps,以便應用于多媒體應用。而且應注重目前所給出的WLAN(Wireless Local Area Network)速率都只是理論速率,並非真正速率,只有借助于壓縮技術才能真正適用于HDTV類型的視頻流。

無線網絡技術目前尚無統一的標准或規範,只有一些公司團體制定的自身産品標准,而這其中某些規範如HomeRF(Home Radio Frequency)則在一直努力成爲事實標准。圖3爲當前主要幾種的無線家庭自動化網絡技術[4]。

家庭自動化網絡中的無線網絡技術

圖3 無線家庭自動化網絡技術

注:FH―Frequency hopping;DS―Direct sequence;DMT―Discrete multitone;OFDM―Orthogonal frequency division multiplexing;GPSK―Gaussian phase shift keying;GFSK―Gaussian frequency shift keying;SWAP―Shared wireless access PRotocol;

DECT―Digital enhanced cordless telecommunications;BRAN―Broadband radio access networks;

除上述無線網絡技術以外,還有許多其他的技術,如NEC公司已研制出可用于家庭自動化網絡的400Mbps無線傳輸技術,其新産品可穿透7米的內牆,或在可見範圍內12米傳輸數據,可控制任何符合IEEE1394標准的家用設備。

與上述技術的發展相適應,目前已有許多對應的集成芯片正在被研制或生産中,如Micrel公司生産的芯片MICRF001等,日本村田公司生産的UHF收發器IC和無線收發模塊T630/T631,T996/T998(開闊地穩定遙控距離大于60米,在有非金屬建築體阻礙等實用環境下遙控距離,僅比開闊空地縮短20%~40%),以及MEC001/002/003,MC13111A等等。

總體而言,無線網絡,從長遠的觀點來看,將主要運行在2.4GHz頻段,會成爲電話線網産品的主要競爭對手,而且隨著時間推移,二者産品價格差將逐步縮小,消費者將更加願意去尋求一種更靈活和廣泛使用的家庭方案。

四、 未來的數字家居

結合當前信息技術的發展和人類對居住環境的要求,可以預見未來的數字家居應能提供以下功能:

1) 收發和保存信息:通過家庭網絡,主人可以方便的收發電子郵件、浏覽各種網上信息,訂閱各種電子期刊或雜志等;

2) 治理個人或家庭的經濟情況:通過家庭網絡配套治理系統,主人可以方便地查閱自己的各種帳目和收支情況,治理系統軟件還可以根據個人經濟情況,作出最優的收支規劃,提供相應的合理建議和提示;

3) 治理家庭的通訊需求:對家庭內各種通訊設備的通訊進行治理,包括網絡通訊協議的執行和網絡資源的分配,使信息在網絡上的傳輸暢通無阻,整個家庭網絡系統運行正常;

4) 治理電源和設備的使用:這一方面也是數字家居所應具有的主要功能之一。同樣是通過網絡治理系統軟件,監控家庭內各種設備,如家庭內燈光的控制、電器設備的遠程控制、室內環境的優化調節等。同時還能夠提供一些經濟方面的優化決策控制,如能夠根據不同用電時段和峰谷電費差價,合理控制家電的運行。

5) 提供安全和可靠的環境:通過在家庭內安裝各種檢測報警裝置來實現家庭的保安、消防以及其它需求。如通過加裝攝像頭,可以監視房間周邊環境和諸如嬰兒房等非凡場所;通過煙氣傳感器、溫度傳感器、非凡氣體傳感器,預防房間失火和有害氣體過量;通過加裝紅外傳感器、門磁、薄膜窗花、無線微波等報警裝置,可防止竊賊入侵等等;

6) 無需維護的運行:整個家庭內各種設備都連接到其網絡上,通過網絡上運行的治理軟件,可實現對設備的監測和故障診斷功能。一旦出現故障,家庭治理系統會給出故障提示,並自動通過家庭內的網間接口設備向設定的相應維修單位保修,無需主人親自動手;

7) 簡單的操作:因爲該網絡系統是在千家萬戶中使用的,考慮到使用者的年齡、職業、經曆以及受教育程度等的差異,所以該類系統的操作必須簡單,方便,而且可靠,以適應不同使用人群的需要。

8) 可根據個人或家庭生活方式定制:隨著信息時代的到來,個性化的要求在不斷提高。未來數字家居應能夠根據不同使用者的家庭環境、設備數量和類型、以及生活方式等可做相應的配置和調整,如可根據消費者的需求和可接受費用,定制相應的系統解決方案;又如可根據使用者的生活習慣,調節室內環境參數,定時啓停家電設備等等。

由上述功能的描述,可以反映出了一個基本事實:數字家居中家庭自動化網絡的建立僅僅爲完成上述功能提供了一個硬件平台,而要真正完成這些功能還需要有強大的系統治理運行軟件支撐。同時也可以看出數字家居是一個多學科技術綜合應用的系統。

就目前的技術發展來看,具體實現上述功能的系統接入方式可以有:1)電視;2)遠程PC或膝上電腦;3)Internet浏覽器;4)電話、數字電話、移動電話;5)按鈕傳輸器;6)遠程控制器;7)語音控制;8)觸摸屏等。在實現系統功能介入時,也需要進行有效的控制,如通過讀卡器、無線射頻設備、或生物測定機,使用口令,生物測定識別技術、IC卡、或授權的非凡權限技術等方式介入,保障正常用戶的權益不受侵害。

未來的家庭自動化網絡系統也需要具有大量的自適應功能,如以下幾點:1)無障礙性:支持大量已有室內連線方案,如電話線、結構化布線、同軸電纜等。2)靈活性:能夠接受不同類型的連線方案和標准,以便系統方案的升級和擴展。3)廉價:因爲網絡只是用于連接各種設備,而其本身不是末端設備。價格的優勢將加快其應用的腳步。4)易于實現:無論用戶還是供給商都可以方便地設計和實現網絡方案,這無疑會帶來更多的用戶。

參考文獻:

[1] Amitava Dutta-Roy. Networks for homes [J]. IEEE SPECTRUM ,Dec.,1999: p26~33

[2] John Gallant. Digital Wireless Networks[J]. EDN,Mar.,1993: p78~85

[3] Amitava Dutta-Roy. Fixed wire

  Wireless Network Technology in Home Automation Networks      清華同方研發中心市場戰略研究部 Tsinghua Tongfang Ltd., Co., R&D Center       摘要:家庭自動化網絡是伴隨著信息時代的到來應運而生的一種新産品。本文主要介紹了最新無線網絡技術在家庭自動化網絡中的應用,並對未來數字家居的發展進行了展望。      一、 家庭自動化網絡   家居最早的功能是爲人類提供遮風避雨和安全防護的功能。隨著人類改造自然能力的不斷提高,相應對家居的要求也不斷提高。人們期望所生活的家居能夠不斷滿足其對舒適、安全、高效、便捷等方面的要求,而這些要求的實現直接需要新的技術――網絡技術來支持。   伴隨信息時代的到來,網絡技術不再是工業、電信等領域的專利技術,它已經開始逐步進入普通百姓的家庭。家庭保安系統、照明系統、環境控制系統、家電控制系統、DVD以及mp3等家庭娛樂系統和家庭遠程教育系統等,都是在信息時代人們對家居提出的新的功能要求,圖1是一個家庭自動化網絡系統的示例    [url=/bbs/detail_1747724.html][img]http://image.wangchao.net.cn/it/1323549668424.gif[/img][/url]   圖1 家庭自動化網絡系統         所有這些功能都需要借助飛速發展的計算機技術、自動化控制技術和現代通訊技術來實現,而其中信息的傳遞形式爲數字代碼,所以一般把具有上述功能的家居環境也稱爲數字家居。利用上述的家庭自動化網絡系統,人們可以方便地通過計算機或其它網絡接入設備,遠程獲取家庭內各種信息,包括各種計量表讀數和費用、家庭各種家電設備和監測設備的狀況,並實現遠程遙控各種家電設備和裝置,實現家居的能量治理等。所有這些都極大地提高了人類的生活質量,同時它也是人類所追求的生活目標。      二、 無線網絡技術的發展   最早的網絡技術網絡技術是通過專門的通訊線路實現其通訊功能的,這些專用的通訊線路包括電話線、雙絞線等,需要事先鋪設和安裝施工。在很多場合都廣泛地采用這種通訊媒介,主要是因爲它的實現方便。而在那些難于布線、危險、或需要美觀的地方進行連網,如遠程辦公場所,曆史性建築、無吊頂的辦公場所、不安全的生産空間等[2],它卻是難以實現的,如通訊設備需要移動或無法鋪設通訊線以及美觀要求等,此時就不得不考慮無線網絡技術。   人們對無線系統的需求不斷增加,主要是因爲它設計方便,相比有線技術安裝和運行費用低,可以很快裝好並運行。同時無線網絡技術服務的最大優勢還在于它可以爲移動用戶提供接入服務,而在某些情況下對于靜止用戶同樣具有吸引力。   無線技術的媒介包括紅外和射頻等[3]。一般而言其實現成本要比有線網絡技術稍高一些,這主要是用于通訊信號的轉換處理方面的開支。但隨著通訊技術和大規模集成電路技術的迅猛發展,其實現成本目前已逐漸具有與有線網絡技術競爭的實力,而且應用的規模也在不斷地擴大,圖2爲對美國目前家庭自動化網絡系統中三種主要通訊媒介應用規模的統計和猜測[2]。由圖2可以十分明顯地看出,無線網絡技術的應用和需求比例正在不斷地上升,而相應地有線網絡技術總量所占比例在不斷下降,這是一個總的技術發展趨勢。    [url=/bbs/detail_1747724.html][img]http://image.wangchao.net.cn/it/1323549683883.gif[/img][/url]   圖2 家庭自動化網絡系統中三種主要通訊媒介應用比例             三、無線網絡技術在家庭自動化網絡的應用   隨著無線網絡技術與有線網絡技術(主要是與電話線産品)價格差的縮小,以及對室內移動操作設備需求的增加,無線網絡技術的應用不斷增加。在家庭中主要有三大類無線網絡技術的應用,包括家電控制、語音/數據設備、多媒體應用。其中家電控制,數據通訊速率一般不大于10Kbps;語音/數據通訊,通訊速率一般爲1~2Mbps(有些場合仍可以通過模擬撥號連接Internet);多媒體應用中,視頻需要較高的通訊速率,一般DVD需要大約3~8Mbps,HDTV系統需要大約19Mbps。近期無線網絡産品應能滿足8Mbps,以便應用于多媒體應用。而且應注重目前所給出的WLAN(Wireless Local Area Network)速率都只是理論速率,並非真正速率,只有借助于壓縮技術才能真正適用于HDTV類型的視頻流。   無線網絡技術目前尚無統一的標准或規範,只有一些公司團體制定的自身産品標准,而這其中某些規範如HomeRF(Home Radio Frequency)則在一直努力成爲事實標准。圖3爲當前主要幾種的無線家庭自動化網絡技術[4]。   [url=/bbs/detail_1747724.html][img]http://image.wangchao.net.cn/it/1323549683941.gif[/img][/url]   圖3 無線家庭自動化網絡技術      注:FH―Frequency hopping;DS―Direct sequence;DMT―Discrete multitone;OFDM―Orthogonal frequency division multiplexing;GPSK―Gaussian phase shift keying;GFSK―Gaussian frequency shift keying;SWAP―Shared wireless access PRotocol;   DECT―Digital enhanced cordless telecommunications;BRAN―Broadband radio access networks;   除上述無線網絡技術以外,還有許多其他的技術,如NEC公司已研制出可用于家庭自動化網絡的400Mbps無線傳輸技術,其新産品可穿透7米的內牆,或在可見範圍內12米傳輸數據,可控制任何符合IEEE1394標准的家用設備。   與上述技術的發展相適應,目前已有許多對應的集成芯片正在被研制或生産中,如Micrel公司生産的芯片MICRF001等,日本村田公司生産的UHF收發器IC和無線收發模塊T630/T631,T996/T998(開闊地穩定遙控距離大于60米,在有非金屬建築體阻礙等實用環境下遙控距離,僅比開闊空地縮短20%~40%),以及MEC001/002/003,MC13111A等等。   總體而言,無線網絡,從長遠的觀點來看,將主要運行在2.4GHz頻段,會成爲電話線網産品的主要競爭對手,而且隨著時間推移,二者産品價格差將逐步縮小,消費者將更加願意去尋求一種更靈活和廣泛使用的家庭方案。      四、 未來的數字家居   結合當前信息技術的發展和人類對居住環境的要求,可以預見未來的數字家居應能提供以下功能:   1) 收發和保存信息:通過家庭網絡,主人可以方便的收發電子郵件、浏覽各種網上信息,訂閱各種電子期刊或雜志等;   2) 治理個人或家庭的經濟情況:通過家庭網絡配套治理系統,主人可以方便地查閱自己的各種帳目和收支情況,治理系統軟件還可以根據個人經濟情況,作出最優的收支規劃,提供相應的合理建議和提示;   3) 治理家庭的通訊需求:對家庭內各種通訊設備的通訊進行治理,包括網絡通訊協議的執行和網絡資源的分配,使信息在網絡上的傳輸暢通無阻,整個家庭網絡系統運行正常;   4) 治理電源和設備的使用:這一方面也是數字家居所應具有的主要功能之一。同樣是通過網絡治理系統軟件,監控家庭內各種設備,如家庭內燈光的控制、電器設備的遠程控制、室內環境的優化調節等。同時還能夠提供一些經濟方面的優化決策控制,如能夠根據不同用電時段和峰谷電費差價,合理控制家電的運行。   5) 提供安全和可靠的環境:通過在家庭內安裝各種檢測報警裝置來實現家庭的保安、消防以及其它需求。如通過加裝攝像頭,可以監視房間周邊環境和諸如嬰兒房等非凡場所;通過煙氣傳感器、溫度傳感器、非凡氣體傳感器,預防房間失火和有害氣體過量;通過加裝紅外傳感器、門磁、薄膜窗花、無線微波等報警裝置,可防止竊賊入侵等等;   6) 無需維護的運行:整個家庭內各種設備都連接到其網絡上,通過網絡上運行的治理軟件,可實現對設備的監測和故障診斷功能。一旦出現故障,家庭治理系統會給出故障提示,並自動通過家庭內的網間接口設備向設定的相應維修單位保修,無需主人親自動手;   7) 簡單的操作:因爲該網絡系統是在千家萬戶中使用的,考慮到使用者的年齡、職業、經曆以及受教育程度等的差異,所以該類系統的操作必須簡單,方便,而且可靠,以適應不同使用人群的需要。   8) 可根據個人或家庭生活方式定制:隨著信息時代的到來,個性化的要求在不斷提高。未來數字家居應能夠根據不同使用者的家庭環境、設備數量和類型、以及生活方式等可做相應的配置和調整,如可根據消費者的需求和可接受費用,定制相應的系統解決方案;又如可根據使用者的生活習慣,調節室內環境參數,定時啓停家電設備等等。   由上述功能的描述,可以反映出了一個基本事實:數字家居中家庭自動化網絡的建立僅僅爲完成上述功能提供了一個硬件平台,而要真正完成這些功能還需要有強大的系統治理運行軟件支撐。同時也可以看出數字家居是一個多學科技術綜合應用的系統。   就目前的技術發展來看,具體實現上述功能的系統接入方式可以有:1)電視;2)遠程PC或膝上電腦;3)Internet浏覽器;4)電話、數字電話、移動電話;5)按鈕傳輸器;6)遠程控制器;7)語音控制;8)觸摸屏等。在實現系統功能介入時,也需要進行有效的控制,如通過讀卡器、無線射頻設備、或生物測定機,使用口令,生物測定識別技術、IC卡、或授權的非凡權限技術等方式介入,保障正常用戶的權益不受侵害。   未來的家庭自動化網絡系統也需要具有大量的自適應功能,如以下幾點:1)無障礙性:支持大量已有室內連線方案,如電話線、結構化布線、同軸電纜等。2)靈活性:能夠接受不同類型的連線方案和標准,以便系統方案的升級和擴展。3)廉價:因爲網絡只是用于連接各種設備,而其本身不是末端設備。價格的優勢將加快其應用的腳步。4)易于實現:無論用戶還是供給商都可以方便地設計和實現網絡方案,這無疑會帶來更多的用戶。      參考文獻:   [1] Amitava Dutta-Roy. Networks for homes [J]. IEEE SPECTRUM ,Dec.,1999: p26~33   [2] John Gallant. Digital Wireless Networks[J]. EDN,Mar.,1993: p78~85   [3] Amitava Dutta-Roy. Fixed wire
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