家庭自动化网络中的无线网络技术解析

一、 家庭自动化网络

　　家居最早的功能是为人类提供遮风避雨和安全防护的功能。随着人类改造自然能力的不断提高，相应对家居的要求也不断提高。人们期望所生活的家居能够不断满足其对舒适、安全、高效、便捷等方面的要求，而这些要求的实现直接需要新的技术网络技术来支持。

　　伴随信息时代的到来，网络技术不再是工业、电信等领域的专利技术，它已经开始逐步进入普通百姓的家庭。家庭保安系统、照明系统、环境控制系统、家电控制系统、DVD以及MP3等家庭娱乐系统和家庭远程教育系统等，都是在信息时代人们对家居提出的新的功能要求，图1是一个家庭自动化网络系统的示例

图1 家庭自动化网络系统

　　所有这些功能都需要借助飞速发展的计算机技术、自动化控制技术和现代通讯技术来实现，而其中信息的传递形式为数字代码，所以一般把具有上述功能的家居环境也称为数字家居。利用上述的家庭自动化网络系统，人们可以方便地通过计算机或其它网络接入设备，远程获取家庭内各种信息，包括各种计量表读数和费用、家庭各种家电设备和监测设备的状况，并实现远程遥控各种家电设备和装置，实现家居的能量管理等。所有这些都极大地提高了人类的生活质量，同时它也是人类所追求的生活目标。
　　
　　二、 无线网络技术的发展

　　最早的网络技术网络技术是通过专门的通讯线路实现其通讯功能的，这些专用的通讯线路包括电话线、双绞线等，需要事先铺设和安装施工。在很多场合都广泛地采用这种通讯媒介，主要是因为它的实现方便。而在那些难于布线、危险、或需要美观的地方进行连网，如远程办公场所，历史性建筑、无吊顶的办公场所、不安全的生产空间等[2]，它却是难以实现的，如通讯设备需要移动或无法铺设通讯线以及美观要求等，此时就不得不考虑无线网络技术。

　　人们对无线系统的需求不断增加，主要是因为它设计方便，相比有线技术安装和运行费用低，可以很快装好并运行。同时无线网络技术服务的最大优势还在于它可以为移动用户提供接入服务，而在某些情况下对于静止用户同样具有吸引力。

　　无线技术的媒介包括红外和射频等[3]。一般而言其实现成本要比有线网络技术稍高一些，这主要是用于通讯信号的转换处理方面的开支。但随着通讯技术和大规模集成电路技术的迅猛发展，其实现成本目前已逐渐具有与有线网络技术竞争的实力，而且应用的规模也在不断地扩大，图2为对美国目前家庭自动化网络系统中三种主要通讯媒介应用规模的统计和预测[2]。由图2可以十分明显地看出，无线网络技术的应用和需求比例正在不断地上升，而相应地有线网络技术总量所占比例在不断下降，这是一个总的技术发展趋势。

图2 家庭自动化网络系统中三种主要通讯媒介应用比例

　　随着无线网络技术与有线网络技术（主要是与电话线产品）价格差的缩小，以及对室内移动操作设备需求的增加，无线网络技术的应用不断增加。在家庭中主要有三大类无线网络技术的应用，包括家电控制、语音/数据设备、多媒体应用。其中家电控制，数据通讯速率一般不大于10Kbps；语音/数据通讯，通讯速率一般为1~2Mbps（有些场合仍可以通过模拟拨号连接Internet）；多媒体应用中，视频需要较高的通讯速率，一般DVD需要大约3~8Mbps，HDTV系统需要大约19Mbps。近期无线网络产品应能满足8Mbps，以便应用于多媒体应用。而且应注意目前所给出的WLAN（Wireless Local Area Network）速率都只是理论速率，并非真正速率，只有借助于压缩技术才能真正适用于HDTV类型的视频流。

　　无线网络技术目前尚无统一的标准或规范，只有一些公司团体制定的自身产品标准，而这其中某些规范如HomeRF（Home Radio Frequency）则在一直努力成为事实标准。图3为当前主要几种的无线家庭自动化网络技术[4]。

　　
　　图3 无线家庭自动化网络技术
　　
　　注：FHFrequency hopping；DSDirect sequence；DMTDiscrete multitone；OFDMOrthogonal frequency division multiplexing；GPSKGaussian phase shift keying；GFSKGaussian frequency shift keying；SWAPShared wireless access protocol；

　　DECTDigital enhanced cordless telecommunications；BRANBroadband radio access networks；

　　除上述无线网络技术以外，还有许多其他的技术，如NEC公司已研制出可用于家庭自动化网络的400Mbps无线传输技术，其新产品可穿透7米的内墙，或在可见范围内12米传输数据，可控制任何符合IEEE1394标准的家用设备。

　　与上述技术的发展相适应，目前已有许多对应的集成芯片正在被研制或生产中，如Micrel公司生产的芯片MICRF001等，日本村田公司生产的UHF收发器IC和无线收发模块T630/T631，T996/T998（开阔地稳定遥控距离大于60米，在有非金属建筑体阻碍等实用环境下遥控距离，仅比开阔空地缩短20%~40%），以及MEC001/002/003，MC13111A等等。

　　总体而言，无线网络，从长远的观点来看，将主要运行在2.4GHz频段，会成为电话线网产品的主要竞争对手，而且随着时间推移，二者产品价格差将逐步缩小，消费者将更加愿意去寻求一种更灵活和广泛使用的家庭方案。
　　
　　四、未来的数字家居

　　结合当前信息技术的发展和人类对居住环境的要求，可以预见未来的数字家居应能提供以下功能：

　　1） 收发和保存信息：通过家庭网络，主人可以方便的收发电子邮件、浏览各种网上信息，订阅各种电子期刊或杂志等；

　　2） 管理个人或家庭的经济情况：通过家庭网络配套管理系统，主人可以方便地查阅自己的各种帐目和收支情况，管理系统软件还可以根据个人经济情况，作出最优的收支规划，提供相应的合理建议和提示；

　　3） 管理家庭的通讯需求：对家庭内各种通讯设备的通讯进行管理，包括网络通讯协议的执行和网络资源的分配，使信息在网络上的传输畅通无阻，整个家庭网络系统运行正常；

　　4） 管理电源和设备的使用：这一方面也是数字家居所应具有的主要功能之一。同样是通过网络管理系统软件，监控家庭内各种设备，如家庭内灯光的控制、电器设备的远程控制、室内环境的优化调节等。同时还能够提供一些经济方面的优化决策控制，如能够根据不同用电时段和峰谷电费差价，合理控制家电的运行。

　　5） 提供安全和可靠的环境：通过在家庭内安装各种检测报警装置来实现家庭的保安、消防以及其它需求。如通过加装摄像头，可以监视房间周边环境和诸如婴儿房等特殊场所；通过烟气传感器、温度传感器、特殊气体传感器，预防房间失火和有害气体过量；通过加装红外传感器、门磁、薄膜窗花、无线微波等报警装置，可防止窃贼入侵等等；

　　6） 无需维护的运行：整个家庭内各种设备都连接到其网络上，通过网络上运行的管理软件，可实现对设备的监测和故障诊断功能。一旦出现故障，家庭管理系统会给出故障提示，并自动通过家庭内的网间接口设备向设定的相应维修单位保修，无需主人亲自动手；

　　7） 简单的操作：因为该网络系统是在千家万户中使用的，考虑到使用者的年龄、职业、经历以及受教育程度等的差异，所以该类系统的操作必须简单，方便，而且可靠，以适应不同使用人群的需要。

　　8） 可根据个人或家庭生活方式定制：随着信息时代的到来，个性化的要求在不断提高。未来数字家居应能够根据不同使用者的家庭环境、设备数量和类型、以及生活方式等可做相应的配置和调整，如可根据消费者的需求和可接受费用，定制相应的系统解决方案；又如可根据使用者的生活习惯，调节室内环境参数，定时启停家电设备等等。

　　由上述功能的描述，可以反映出了一个基本事实：数字家居中家庭自动化网络的建立仅仅为完成上述功能提供了一个硬件平台，而要真正完成这些功能还需要有强大的系统管理运行软件支撑。同时也可以看出数字家居是一个多学科技术综合应用的系统。

　　就目前的技术发展来看，具体实现上述功能的系统接入方式可以有：
　　(1)电视；
　　(2)远程PC或膝上电脑；
　　(3)Internet浏览器；
　　(4)电话、数字电话、移动电话；
　　(5)按钮传输器；
　　(6)远程控制器；
　　(7)语音控制；
　　(8)触摸屏等。

　　在实现系统功能介入时，也需要进行有效的控制，如通过读卡器、无线射频设备、或生物测定机，使用口令，生物测定识别技术、IC卡、或授权的特殊权限技术等方式介入，保障正常用户的权益不受侵害。

　　未来的家庭自动化网络系统也需要具有大量的自适应功能，如以下几点：
　　(1)无障碍性：支持大量已有室内连线方案，如电话线、结构化布线、同轴电缆等。
　　(2)灵活性：能够接受不同类型的连线方案和标准，以便系统方案的升级和扩展。
　　(3)廉价：因为网络只是用于连接各种设备，而其本身不是末端设备。价格的优势将加快其应用的脚步。
　　(4)易于实现：无论用户还是供应商都可以方便地设计和实现网络方案，这无疑会带来更多的用户。