住宅自动化的昨天、今天和明天

楼健人 杭州市科学技术局

住宅自动化的昨天、今天和明天

楼健人 杭州市科学技术局

都在说21世纪是个信息时代，日新月异的技术改变着人们的思维和生活方式，人将变得更聪明，物将变得更智能。那么，千百年来人类赖以遮风避雨的栖身空间——家，将会变得怎样呢?频频出现在媒体上的“智能住宅”(Smart Home)到底是怎么回事呢?

概述

智能住宅实际上是一个中等规模的局域网 (最大距离约为500米)，称为住宅自动化系统HAS(Home Automation System)，主要满足住宅范围内各种控制信号和数据的传输以及视频所需的带宽，为住户提供更舒适、更方便、更安全、更经济的居住环境，通常要能提供对下述服务的支持：本地和远程访问控制；数据和语音通信；用电负载控制；家电设备控制；娱乐、学习和办公；光照控制；环境控制；家庭保安（防火、防盗、煤气泄漏报警等）。

图1 住宅自动化系统的模型

一个典型的住宅自动化系统的模型如图1所示，各种家电设备、传感器、控制器和电话机等通过住宅总线(Home Bus)进行物理连接并按一定的通信协议组成网络。

家电设备包括电气厨具、视/音频设备、电脑、便携电器、加热通风和空调（HVAC)设备、保安系统和灯光照明器件等。在HA系统中，这些不同品牌、不同类型的独立操作的家用电子和电器设备，除了提供类似接线盒这样的物理层接口外，还带有数据链路层接口。

控制器(HBC-Home Bus Con-troller)一般分为一个主控器和多个子控器。

主控器是控制和通信的核心，根据程序和地址编码，处理本网各节点的内部信息和来自出入口的外部信息，配有键盘用于设置指令、参数等，并能显示系统状态。

子控器是总线和家电之间的物理的和电子的接口，也称智能插座。有独立的地址，内含通信接口、廉价的微处理器、继电器或可控硅电路等执行元件，能与主控器或其它子控器交换数据。它可以方便地连接在总线任意位置上且可由相关的设备共享。发展趋势是将电路芯片和通信协议等嵌入家电构成智能电器或称信息家电（IA），实现在普通的住宅电源插座上即插即用。

住宅的主人不可能都具备专业知识，各类传感器是用户和系统之间唯一的连接器，是住宅的神经系统。传感器应具备智能性，例如：为了节能的目的，当家中无人活动时，照明控制让灯具处于“节能运行”模式，而在家庭聚会时，则让灯具处于“舒适运行”模式；传统的烟雾传感器开始报警时往往已出现火焰苗子，而智能的化学传感器可检测到地毯的纤维刚开始发热时产生的气味，且在向室内外报警的同时，打开出入通道的照明并关闭室内的通风设备以防火焰扩散；为了减少成本，住宅内安装的传感器还应具备多功能性，例如：被动式红外探头充当白天室内的光照控制，而在夜晚则起非法进入检测作用。目前，住宅自动化系统常用的主要有声波探测器、气体探测器、温湿度传感器、离子烟感器、红外传感器和光电传感器等。

住宅网络所采用的通信介质，有非屏蔽双绞线、低压电源线、光缆、同轴电视电缆、红外线、超声波以及无线电波等。住宅网络的通信是双向的，通信接口支持通信的物理层和数据链路层，起到收发数据的封装、拆装和链路传送管理功能。采用的网络拓扑结构有总线型、树型、环型和开放式等。

公众电话网(PSTN)常作为住宅网络与外界交换信息的通道，用程控电话机向外自动拨号、作远程进入时的密码鉴别等，可用作通道的还有有线电视网和广播通信网。

对住宅自动化系统功能的一般要求为：

·不同设备的可互操作性：由不同厂家生产的不同家电设备可适用于同一系统；

·可扩展性：统一设定的地址编码允许在现有系统中增／删家电设备和采用新的传输介质；

·灵活性：动态编址及路由使家电设备可方便放置在任意部位；

·自动设置：可即插即用，标准的设备描述符的动态交换使设置可自动进行；

·器件共享：某些设备如传感器、操作键盘等可由同一网络共享；

·免维护性：考虑到使用对象没有专业知识，除了初装和很偶然的检查，平时不需作维护工作；

·界面友好性：易学易用，人机界面操作简单；

·合理价格；住宅自动化定位在民用消费市场，价格是关键因素之一；

·发展要求；提供宽带网，支持各种复杂的多媒体应用，如VOD、Internet、数字图书馆等。

发展进程

HA系统起源于家庭保安系统和电话网。峰谷电费、最大需量等负载控制要求促进了HA系统的发展，智能化负载控制要求在用电高峰时自动调节家电的能耗模式而不是切断电源，例如：实现电热水器或空调器程控周期性地启停、根据环境状况自动调节房间的光照强度、通过远程抄表系统向电力管理部门传送用电实时信息等等，这些都依赖于家庭网络。微电子技术、计算机技术和网络通信标准的制定则为HA系统实质性的发展提供了保证。

由日本多家大学和消费类电子产品制造商组成的住宅总线系统HBS(Home Bus System)研发组，于1983年发布了HBS V1.0版，2年后又发布了V1.2版本。HBS从CATV发展起来，采用单根同轴电缆(也可采用光纤)实现频分多工制双向通信。系统使用两个频段：基频段(＜9.6K)主要用于传输数字、模拟和控制信号，速率为9600bps，宽频段（＞10M)主要用于传输高速的数据和图像信号。最大终端为255个，最长距离为200米，按功能分成四个子系统：信息子系统（电脑、图文电视等）、管理子系统（空调、热水、照明等）、音频／视频子系统（电视机、影碟机等）和保安子系统(电子门锁、报警器、烟雾探头、摄像头、室内电话等)。按照该规范，不同制造商生产的家电设备中将嵌有通信接口电路，住宅的墙上安装“信息插座”(Information outlets)。发展至今，日立、三菱、东芝三家公司将联合制定“住宅网络”的架构和相关技术要求，使用户可方便地使用包括“家庭医疗”在内的各种功能，接在电源线上的各种用电设备及电表、水表的读数可由终端或经电话线遥控处理，音频、视频及计算机等装置则需经网关处理。

欧洲住宅系统协会EHSA(European Home System Association)制定了属于欧洲通信计划（ESPRIT Project）一部分的住宅自动化系统规范EHS，在1992年3月发布了V1.1版本，目的是将一个采用多种传输介质的通信技术应用于有低价位要求的家庭消费市场。该规范有三个基本概念：控制器、被控制的家电设备及用户接口，一个特征是自动识别总线上与EHS兼容的家电设备并与之进行通信。

V1.1版本定义各种介质的通信速率为：

约有50多家的欧洲公司参加了EHS计划，重点放在利用电源线 (PL)和双绞线 (TP)来架构网络。Philips、Thomson、Trialog等许多公司正致力于开发电力线载波(PLC-Power Line Carrier)通信技术。

美国电子工业协会(EIA)在20世纪80年代中期为住宅自动化制定了消费电子总线标准CEBus(Consumer Electronic Bus)，并为自动读表制定了分布式系统标准，为支持协议标准和商业应用，还制定了应用层语言CAL(Common Application Language)。

CEBus定义了一个实时控制的局域网，可通过低压电源线、双绞线等六种介质联接住宅中称为网络节点的各种用电设备，架构成住宅自动化系统。

下表是国外几种可用于住宅自动化的智能分布式网络技术：

注：数据引自 "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=双绞线 PL=电源线 RF=无线电 IR-红外OP=光纤 CO=同轴电缆B=总线型 L=循环 R=环型 T=树型

其中，X-10公司开发的智能住宅系统把重点放在遥控家电设备上；而Homebus和CEBus比较灵活，已广泛应用于住宅自动化系统，然而速率较低以及不能覆盖完整的7层OSI协议，无法提供所有的通信服务。目前，在技术上占领先的是美国Echelon公司在1990年推出的局部操作网技术案LONworks(LON-Local Operating Network)，其核心是由Motorola、Toshiba研制生产的嵌入式神经元芯片，这是一种集网络通信、程序处理和多种I/O模式为一体的器件，内含微处理器、EEPROM和RAM，嵌有LonTalk协议，使各种称为节点（Node）的器件如执行元件、传感器等通过包括电力线在内的各种传输介质和路由设备方便地组成智能的、高速的、低成本的网络系统。

一些专业从事网络综合布线的知名公司也进入这一领域，宽带多媒体系统开始出现。如西蒙公司(Siemon)的智能住宅布线系统(HOMEsys)、美国安普公司(AMP)的家庭住宅智能多媒体系统和丽特公司(NORDX／CDT)智能小区RUN(Redundancy Universal Network)布线系统等。这些系统的共同特点是：成本低、安装和使用方便、采用包括双绞线和同轴电缆在内的通信介质、支持语音、数据和图象传输。

EIA／TIA 570-A住宅布线标准按未来的智能住宅分别满足最低通信服务要求；满足基础和高级通信服务要求和满足基础、高级和多媒体通信服务要求明确规定了三级布线基础结构。

殷明不想看着这个似乎居高临下的时间的代表，他关掉手机。想想，又打开了，翻到那条存留许久的短信：“明，我走了。以后也别再找我了，咱们就此别过吧，祝你找到理想的工作。再见！”

从上可见，经过多年的研发，建立一个实用的住宅自动化系统所需的标准和技术在发达国家已经具备。

实现方法

住宅自动化的设计者们很自然地考虑将PC机作为住宅网络的控制中心，利用电脑显示屏作人机界面 (MMI-Man Machine Interface)。在沙特阿拉伯，早年就有人实现了用一台双音多频电话机和一台PC机及I/O接口板组成简单的住宅网，实现远程拨号开／关家电；有的开发了集遥控多种家电的功能于一体的设备；也有的用一排触摸键(Touch bar)并结合软件构成动态键盘，减少用户接口设计的复杂性，便于扩展功能。PC机的长处在于功能强，有许多软件和系统平台(如Windows)支持，但用户与HA系统的交互受到限制，而且普通的家庭用户对操作键盘感到困难。因此，又有人提出利用电视机屏幕来显示人机交互对话并使用无线遥控器，更进一步的是利用语音识别技术。人机界面(或称用户界面)一直是影响HA系统普及的因素之一。

再来考虑影响HA系统普及的另一个关键因素：虽然商用、办公建筑物的结构化布线已很普遍，然而民用住宅有其自身特点，如：每家每户是独立的、每间房间的配线区也是独立的、所需的信息节点多和接口类型丰富等，要在住宅中组成一个可传输数据、控制命令及传感器信号等信息的网络，采用何种通信介质最经济、最方便?这方面的问题就很突出。国际标准化组织(ISO)在1992年对利用电力线传输数据作过一个说明，认为可实现低速率 (如：1200bps)和高速率(如：19200bps)两种数据传输方式。如果利用进入千家万户的民用低压电源线(公用变的次级端)来组成家庭网，由于不需单独敷设电缆或占用其它通信线路，初装费相对较低、扩展容易等，容易被使用者接受。然而，民用电源线的非屏蔽线路信道特性变化大，带宽受限，往往受到用户无法控制的源于户外的随机干扰和噪声影响，负载阻抗等会产生随机的信号衰减等，不同于工业环境，要想有效地控制、限定这些衰减都是不太容易的。因此，尽管电力公司早就在利用电源线进行载波通信了，但要用电源线作住宅自动化网的传输介质还有许多技术难题要解决。

电力线载波通常采用调幅键控(ASK)、频移键控(FSK)和扩展频谱(Spread Spectrum)三种调制方式。FSK方式在传输可靠性和成本之间有综合优势，用于低速率数据传输，600bps～2400bps的速率通常能满足范围小、数据量少的诸如自动抄表、家庭保安、家电控制的实际需求；扩频方式传输最为可靠但成本也高，主要用于宽带高速率数据传输。研究表明，电力线传输速率目前可达到1Mbps，如欧洲Norweb与北方电信两家公司近日向人们展示在该速率下达到了200～300米的实用传输距离。

欧美日及澳大利亚等国对利用民用电源线通信作了大量的有计划的研究工作，开发了电力线调制解调专用芯片，常见的有：美国国家半导体公司(NSC)的LMl893／2893，采用FSK方式，通信速率最高可达4.8Kbps；意法合作的SGS-Thomson公司于1994上半年为住宅自动化推出ST7537，也是采用FSK技术半双工通信，速率为1200／2400bps，载波频率为132.45Khz。电力载波通信模块也相继出现：如德国ATICON公司利用ST7537开发的EHS-PLM-12／24，加上接口电路和满足EHS规范的微控制器ST9(或8051、68HC11＼Neuron3120／3150等)，可组成HA系统中一个智能节点；应用于CEBus有德州仪器的SEM300模块及CyberLYNXComputer Pro ducts，INC．的SEM200模块等。Echelon公司推出分别采用窄频和扩频传输技术的电力载波通信模块：PLT-20结合应用Neuron芯片，据称可在交流(24／120／220／480Vac，50／60／400Hz)或直流及无源线路上可靠地通信，可应用于自动抄表、负载控制继电器和信息插座等：SIP封装形式的PLT-21含DSP功能，内含Echelon的窄带电力线集成电路、放大器和滤波器等，适用于125-140kHz频段，兼容 FCC、CENELEC(欧洲)和 MPT(日本)标准，可满足住宅、工业自动化和需求侧负载管理（Demand Side Load Management）等方面的应用；该公司的RTR一10路由核心模块可用于将不同的通信介质如电力线、双绞线、同轴电缆及光纤等组成一个住宅网。

图2是一个采用电力载波通信实现负载管理的系统原理框图：

应用介绍

在美国旧金山地区，家庭之间试验通过机顶盒(Set-Top Box)来连网，实现远程监控家电和避峰用电。在德克萨斯，1995年起就有500多套使用LON技术的能源管理系统在试运行，通过传感器和执行器件来控制家庭的加热通风和空调设备、电热水器及电机等，系统的硬件由电力部门提供。

苏格兰的Linbugr公司运行的HA系统分采用双绞线或低压电源线通信的两套版本，也可扩展用无线连接传感器。一台内嵌Echelon接口并配有键盘的Philips P100型液晶显示电话机，作为系统的控制器及家庭网与外界的接口。简单的应用是实现本地电力公司的远程抄表，进一步的应用可使用户远程进入系统，比如通过电话拨号启动家中的电加热器，下一步扩展目标是通过增加智能卡读入器实现家庭银行和在家购物，成为连接信息高速公路的入口。

法国和西班牙两国共同试验的优化能源管理可组合系统(OPENMAN-Optimal Energy Management Configurable System)，部分功能就是能源管理，系统包括一台主控器和若干个智能插座，利用电力线载波与家庭用户通信来进行削峰填谷等电能管理操作。法国还有一项称作ICC的用户通信接口计划，在1994年10月完成了第一批模块，提供给法国电力公司(EDF)和法国煤气公司(GDF)使用。主要功能有实时读表、停电控制和远方管理等，用户通过几条简单的指令控制家电，如选择部分家电如电热水器、冰箱的启／停周期，也可与供电部门通信以规划最佳的用电方式。

HA系统其它的应用包括家庭保安、控制和娱乐等。

日本Mitsubishi Electric Corp.开发的基于HBS的住宅自动化系统，有一套称为VC&T(Visual Controller&Telephone)的集电话机与可视控制器为一体的装置，具有对内、对外双向语音通信，入口可视通话及住宅保安控制和自动抄表功能。

由美国的苹果计算机公司发明，一个包括生产计算机和家庭消费电子用品的工业集团正在进一步研发中的称为Firewire(IEEE1394)的外设总线规范，把住宅中各种电子、电器设备看作同样的一个个连接器来组成家庭网，甚至可以做到在电视机与计算机之间交换图象和数据。

在北美每年新建的百万套住宅中，大多数预先完成了星形结构布线，高带宽的家庭网络可以支持音频／视频传输、计算功能和安全控制功能等今天和未来新技术发展的要求，实现真正的住宅自动化。

当然国外专家也指出，考虑到住宅自动化系统的巨大潜在市场，成功的商品化产品目前不多，应用尚未普及，几年前专家们所预料的市场红火情况还未出现。有资料介绍美国将年收入多于US$300,000的家庭列入有可能使用带Neuron芯片的HA系统的范围。据1995年9月美国《ElectronicDesign》中一篇技术分析报告介绍，在这之前的一两年内，只有不到1%的美国新居中有智能家电设备，而估计5年内，美国居民家中将开始出现利用Echelon技术实现的能显示电能利用状态的家电设备。

H A系统在我国推广的前景

从国外的情况看，电力部门在HA系统的推广中扮演了重要角色。电力部门在进行电能管理的同时不能降低服务水准，这需要有一套复杂的算法和仔细规划的人机接口，能将分段变化的电价变成消费者的可选择。随着我国国民经济的进一步发展，居民等非生产用电的比重会逐年加大，不妨设想一下，随着环保型电力汽车(普通市民更感兴趣的也许是电力助动车)的实用化和生产规模化并开始进入国内小康家庭，使用者下班后要对电池充电，有可能出现一个用电高峰。这样，一方面是对电能的急切需求，一方面是新建电厂所需的资金、环保压力，有效的解决办法是实行需求侧负载管理，这就是HA系统的重要任务之一。电力部门在进行负载控制的同时，也可利用同一网络向用户提供家庭保安之类的增值服务，通过双方互利来促进HA系统的推广。

但是，普通的居民用户不愿直接和能源管理系统打交道，他们所愿意的只是非常简单的操作。这样，家电制造商首先要定义家电设备满足不同能耗范围的工作模式和控制周期，通过将实现智能化能源管理的微处理器嵌入家电，自动处理本网及远程传来的实时信息并向系统反馈状态。如在用电高峰时，HVAC设备能自动调节压缩机和风机的速度(DC电机)：冰箱能调整化霜周期；当系统发现空调器本月的能耗大于上月的数值时，便提醒清理过滤网；当用户想开启大功率家电如自动洗衣烘干机时，控制部分将以对话形式(常见的是LCD显示)告知实时电价和本次洗衣需付的电费以及实行其它费率的时间，用户可以在费用和方便之间作出选择，消费者也可作一次电费预算，由HA系统来分配使用。当用户感受到能源管理的经济手段并体会到他的投资最终会得到回报时，对新型的智能家电的需求又会促使家电制造商注意到这个市场潜力，反过来又刺激HA系统的普及。

随着生活水平和消费能力的提高，人们开始追求更高的生活质量，全自动及带有部分智能的家电正受到人们的亲睐，如海尔去年推出的可用电话遥控开机的空调器引起市场的关注。同时，住宅也不再仅仅是个生存空间，在我国部分经济发达地区，对HA系统的接受已经有了一定的基础。例如：无锡蠡湖泰德新城、广东番禺丽江花园、上海浦东锦华小区、北京现代城等智能示范小区，利用综合布线将各种弱电设备连成网络，电话、电视、电脑三网入户，一般能够提供家庭防盗、煤气水电三表自动抄送、远程家庭医疗看护、远程监控家电和数据、图象传输等功能，将智能化系统引入了家庭。利用民用电源线载波通信的小区自动远程读表系统也已在国内多处运行。

HA系统定位于民用消费市场，除了技术和价格因素外，如何符合我国人民的消费心理和生活、文化习惯，功能实用也是个关键。毕竟，HA系统对我们来说在概念和实际上都是个新东西，既要让消费者感到眼前花费有所值，又要让他们了解到该技术可以得到不断完善和扩展而不会淘汰。连接中国普通家庭传送电磁波的线路有三条：电力线、电话线和有线电视电缆，根据目前我国国民的消费能力，利用电力线来构架家庭网是现实的和有生命力的。国外在1992年所作的一份有关HA市场的分析报告指出：在具有消费潜力的用户中，真正了解HA系统的并不多，他们对HA系统所提供的诸如下班时往家打个电话开启家中的微波炉备好晚餐之类的功能兴趣较少，所关注的是和社会生活最紧密相关的家庭保安、环境控制及能源消耗等方面，其实这种分析也符合我国的现状。

如前所述，由欧美日等发达国家推出的HA系统，经过多年的研发和试用，技术已日臻成熟。从已经推出的几个系统看，不少全球知名的家电制造商介入了这一领域，政府则在HA系统的实施和标准制定中起着协调作用。根据国外HA系统发展的规律，我国有志于进入住宅自动化领域的开发者也要积极地了解和利用国家有关部门的能源、通信和物业管理等方面的政策和法规，争取得到配合和支持，要组成团队，不能只靠一、二家单位；有实力的家电制造商要跟踪新技术的发展趋势，与其千军万马挤PC机的生产，不如领先一步开发用于住宅自动化的智能电器，迎接一个新的消费热点，而最重要的一点是要有自己的标准，有自主知识产权。

编后语 舒适自在的生活自古以来是全人类共同的追求目标——古代的君王奴役万人，“远程声控”来实现自己宫殿的“自动化”效果，而现代人即将过上君王们眼中神仙般的生活——房子就是法宝，能亮能灭，能暖能凉，能抓贼能防火，甚至还能与主人交流。很多新技术，在几十年前听起来像是科幻小说，它的实质却是科学预言。然而，实践是检验真理的惟一标准，大量的实践花费的是如梭的岁月。本文的发表时间尽管已有些年月，但技术拿到现今依然是先进的，理想的智能化生活离我们仍然还很遥远。可见十几年来物联网的发展并没有我们所想像的那么迅速。当年的物联网仅仅是作为一个概念来运行的，希望今天的物联网在全国甚至全球的高度关注下，更重视产业化的发展，更希望不久之后的某天让我们真正的尝到智能化的生活，过上神仙般的日子。