数字家居新看点——无线网络技术大略观

摘要：伴随着信息时代的到来，人们可以方便地通过计算机或其他网络接入设备，远程获取家庭内各种信息，这其中的无线网络技术是其重中之重。文章对家庭无线网络技术的发展前景、趋势进行了分析；同时对无线技术在家庭自动化网络中的应用进行了概括和总结。
关键词：数字家居；智能家居；远程控制；无线网络

0 引言
    据报道，我国“宽带普及提速工程”即将全面开工。工信部表示，我国2012年宽带普及提速工程的主要目标包括：增强宽带接入能力，新增光纤到户(FTTH)覆盖家庭超过3 500万户；总体提升我国固定宽带用户的接入速率，使用4 M及以上宽带接入产品的用户超过50％，降低单位带宽价格；提高固定宽带家庭普及率，新增固定宽带接入互联网家庭超过2 000万户；扩大公共热点区域无线局域网覆盖规模；宽带应用进一步推广和普及。光纤宽带建设的全面提速带动了整个接入网市场的发展，同时，ODN(光分配网)市场也势必会进一步扩大。
    具有便捷、安全、舒适、高档的生活环境是众所追求的。家居的现代化、数字化以及一个完善的智能化社区，是确保每一个住户的生命财产安全，进而提高生命质量的强有力保证，而创造一个住宅艺术的理想空间，则是当前逐渐时尚起来的家居网控系统的目的所在。

1 网络家电的发展前景和趋势
    所谓网络家电，是指当主人在其他房间或外出时，可以利用远程遥控、手机、个人电脑等对连接在家庭网络上的空调、电灯、AV(音响、录像)等家电进行遥控。家庭网络是一种未来的家庭系统，它是把家中所有的电子产品通过一个通信协议连接到一个单一的系统，这个系统可以支持双向通信。用户可以使用手机或互联网来监控所有家电的使用情况，而且远程监控也是可以实现的。家庭网络，换句话说，就是将只有在电影里才有可能出现的未来概念带到日常的生活当中。
    过去的一年，全球光纤宽带市场发展如火如荼。2011年，由于光纤宽带接入市场的发展，光纤光缆国内市场增长率继续保持20％以上；同时，2011年也是国际上光纤宽带接入快速发展的一年，日本在2011年底的FTTH用户数达到了2 100万以上，韩国继续保持着全球FTTH普及率第一的地位，我国FTTX建设量占据全球三分之一，已成为全球FTTX建设中心。
    据有关部门的预测报告显示，目前，数字家庭网络虽然尚未普及，但市场前景十分看好，全球销售量将在最近几年获得较大幅度的增长2010年，全球无线家庭设备的销售量达到3．14亿台。这种新的数字设备的市场机会吸引了大量的技术厂商。目前，家庭联网的家电主要有空调器、电冰箱、微波炉和数码相机等。无线宽带网应用的增长将在未来五年里推动多种新的无线家庭设备的应用。数字家庭的前景就是各种数字设备使用无线家庭网络技术无缝地相互沟通，并且与宽带网和数字服务沟通。第一批无线家庭设备的到来是一个信号，表明这个前景正在成为现实。
    在以数码知识、网络技术为基础的新经济条件下，人们的生活方式正在发生深刻的变化，消费者的需求更趋个性化，网络家电就是为了满足网络时代消费者的个性化需求而研制的。从科技发展角度讲，家电产品信息化、信息产品家电化是必然的趋势。网络家电组成的网络家庭将冰箱、空调、彩电等家电产品连成网络，并与超市采购、社区服务、家政安全、远程监控等功能连为一体，在即将进入的新经济时代，将成为满足用户潜在需求、实现用户满意度最大化的载体。

2 伴随信息时代到来的家庭自动化网络
    微处理器的出现使得人们开始有了智能家居的梦想，实现起居环境的自动控制和对个人喜好的独立响应成为最终的目标。随着无线技术的出现，家庭网络标准的推出以及娱乐和电力市场的共同推动，梦想终于成为实现。在美国拉斯维加斯召开的全球最大消费电子产品展览会CES2007上，家庭数字化和无线高清化已成为热点。随着以Wi—Fi和3G为主的连接日益普及，用户可以更加随心所欲地使用家庭电器。有数据显示，未来中国数字无线家电市场规模将达到1 500亿元。只要加一个无线连接模块，家里的电视机就可以和电脑无线连接起来。打开电视机就可以上网，看电影自然是没问题，如果用来打电脑游戏就更爽了。另外，接入家庭无线系统的电脑还可以指挥冰箱、空调的开关操作。
    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，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，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就是数字代码，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他网络接入设备，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。图1所示为家庭自动化网络系统图。

3 家庭无线网络技术的发展
    家庭网络作为宽带网络的延伸和宽带增值服务的扩展，将为电信运营商提供新的网络机遇。
    数字技术的飞速发展不断催生着众多的数码产品，个人电脑、PDA、手机、数字电视、DVD、MP3、DV／DC等数字产品逐步进入普通生活中，与此同时，宽带通信与互联网的普及极大地促进了数字媒体内容的发展。而今，除了家电产品数字化的革新之外，构建一个宽带接入、内部互联、内容共享的家庭网络需求也日趋显现。
    最早的网络技术是通过专门的通讯线路实现其通讯功能，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，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。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扩大。
    家庭网络的互联主要是家庭中物理网络的构建，目前，用于家庭的组网技术非常多，其中有线技术包括LAN、HomePNA、IEEE1394、USB、电力线PLC等，无线技术则包括802．11、UWB、蓝牙(BlueTooth)等。数字家庭存在的基础和吸引用户的地方在于媒体资源的共享，CPSA推出的DTCP-IP可以较好地解决这个问题。DTCP—IP理念的核心是购买内容的DRM保护，在家庭网络设备(如家庭网关HGW)上终结后，可以在家庭内部加密传输，从而实现媒体资源的共享。
    家庭网络中需要共享和传送多种多样的媒体内容，有话音、视频、网上浏览、静态图片、文字、控制消息等，这些业务对于网络的服务质量有截然不同的要求。家庭网络中采用的组网技术是多种多样的，有无线、有线等，因此如何在这样的环境中保证每类业务的服务质量是一个重要的课题。QoS技术的实现首先需要在家庭网关上实现外部网络和家庭网络之间的带宽映射分配机制，将外部网络中业务流按照家庭网络情况进行重新映射分配，需要在家庭网关上实现带宽的动态预留和分配功能，家庭网关需要同时实现外部网络和家庭网络的服务质量机制保证端到端的QoS；另外，需要对家庭中各个终端的QoS能力进行定义，制定终端设备和家庭网关之间的QoS信令机制。家庭网络或局域网多传送多媒体信息，对于带宽占用大，需要很好的QoS保证。如在家庭网络或局域网内部，集成WLAN模块的便携机可能同时有PLC的接入模块，内嵌WLAN模块的设备可能同时有GPRS的模块。在一个网络内部设备可能有两个IP地址，而每种宽带接入手段对应的网络传送能力、网络传输效率、安全等级、耗电量等具体的技术指标不同，存在每种接入手段上的现存的网络流量也不同，仅通过传统的路由算法是无法最佳地满足业务可靠传送的需求。
    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。表1所列是当前几种主要的无线家庭自动化网络技术。

4 无线技术在家庭自动化网络中的应用
    家庭自动化系指利用微处理电子技术来集成或控制家中的电子电器产品或系统，例如照明灯、咖啡炉、电脑设备、保安系统、暖气及冷气系统、视讯及音响系统等。家庭自动化系统主要是以一个中央微处理机(CPU)接收来自相关电子电器产品(外界环境因素的变化，如太阳初升或西落等所造成的光线变化等)的讯息后，再以既定的程序发送适当的信息给其他电子电器产品。中央微处理机必须透过许多界面来控制家中的电器产品，这些界面可以是键盘，也可以是触摸式荧幕、按钮、电脑、电话机、遥控器等；消费者可发送信号至中央微处理机，或接收来自中央微处理机的讯号。家庭自动化是智能家居的一个重要系统，在智能家居刚出现时，家庭自动化甚至就等同于智能家居，今天它仍是智能家居的核心之一。但随着网络技术在智能家居的普遍应用，以及网络家电／信息家电的成熟，家庭自动化的许多产品功能将融入到这些新产品中去，从而使单纯的家庭自动化产品在系统设计中越来越少，其核心地位也将被子家庭网络／家庭信息系统所代替。它将作为家庭网络中的控制网络部份在智能家居中发挥作用。
    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。其中家电控制类的数据通讯速率一般不大于10 Kb／s；语音／数据通讯类的通讯速率一般为1～2 MbN；多媒体应用中的视频需要较高的通讯速率，一般DVD需要3～8Mb／s，HDTV系统需要大约19 Mb／s。近期无线网络产品应能满足8 Mb／s，以便应用于多媒体应用。应注意目前所给出的WLAN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则在—直努力成为事实标准。
    除上述无线网络技术以外，还有许多其他技术，如NEC公司已研制出可用于家庭自动化网络的400 Mb／s无线传输技术，其新产品可穿透7 m的内墙，或在12 m可见范围内传输数据，可以控制任何符合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 m，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。
    总体而言，无线网络，从长远的观点来看，将主要运行在2．4 GHz频段，并会成为电话线网产品的主要竞争对手，而且，随着时间的推移，二者的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。

5 未来家电的无线互联产品越来越多
    不久前，LG、松下、NEC、三星、东芝等国际著名家电品牌都推出了Wireless HD无线标准。WirelessHD的全称为WirelessHD Interest Group，用户可以通过蓝光光碟和HDDVD影碟播放机、机顶盒、手机等终端，以无线方式向显示器、扬声器系统传送非压缩格式的视频内容。因此，视频内容就可以轻松地在这些电器终端实现共享。
    外资品牌很早就开始了无线家电的研究。夏普最近在日本发布了一款内置有无线媒体适配器的32英寸液晶电视IT-32X2。通过内置的无线媒体适配器，该液晶电视可以通过无线网络读取并播放电脑上的媒体文件(当然，用户也可以选择通过有线的以太网进行连接)。值得一提的是，这款液晶电视采用Linux操作系统，完全可以作为电脑显示器使用。
    在我国，无线家电拥有“闪联”和“E家佳”两个信息设备资源共享协同服务国家标准，包括长虹、海尔、联想等在内的众多知名家电品牌都已经开始了无线家电产品的研发生产。康佳LC—SL2718液晶彩电和联想天骄系列液晶电脑，是最先面世的概念性产品。长虹也宣布将与微软合作，研发平板电视与家用电脑和因特网相连接的电视卡。
    家电的无线互联产品会越来越多。对于希望省钱的家庭来说，外置的无线媒体适配器是一个经济的选择。在CES展会上，苹果推出了Apple TV，Apple TV的作用是将电脑上的视频内容(比如下载的电影和电视剧)通过无线网络传输到电视机上播放。电脑和Apple TV之间通过高速无线网络连接也可以选择通过网线连接)，而Apple TV则将视频和音频信号通过HDMI或者Component线缆、模拟或者数字音频线缆输出到电视机上。Apple TV支持最高1080i或者720p的清晰度，可以与指定型号的宽屏电视机配合使用。
    让家庭影院系统“无线”才是解决的根本之道。毕竟在装修时就埋入音箱连接线的家庭实在是少之又少，况且，这样也有以后无法移动位置的麻烦。LG最近在国内市场率先推出了应用蓝牙技术的高级无线家庭影院系统LH—DW6530A，从而为国内的消费者提供了一种既能美化居室，又能享受高品质视听的便利选择。与我们熟知的红外线技术相比，蓝牙可以全向360°传输数据和语音，而不会被障碍物阻隔，还能从一个点发送到多个点，以便让用户感受到身临电影院或音乐会现场的音响效果。索尼、先锋、LG、飞利浦、三星及民族品牌厦新等厂家都已经推出了各具特色的无线家庭影院产品。目前，无线家庭影院主要采用两类无线技术：蓝牙无线和红外无线。但是，随着需求的驱动，相信基于植入Wi—Fi无线技术的无线家庭影院也会很快开发出来，因为这样的无线家庭影院将与电脑无线网络、甚至互联网进行联系，可以下载、存储、播放网络上的影音媒体资源。
    三洋在CeBIT德国汉诺威大展上为家庭用户提供了一个不错的解决方案，并推出了无线高清投影仪新品。这台最新的投影仪自带了一枚无线信号发射器，一端与视频来源接驳，另外一端就可以直接发射信号。对于家庭用户来说，购买无线高清投影仪的一次性投入也许太过高昂了，事实上，还有一个便宜的解决办法，那就是可以购买额外的传输模组，将自己已有的高清投影仪升级成为无线高清投影仪。
    为了无线接收电视信号并随时观看直播电视，索尼就推出了LocationFree电视机。Twinbird也宣布即将在日本推出一款名为Link Zabady的Wi—Fi电视机。和索尼一样，这款7英寸屏幕的便携式平板电视也是通过无线网络接收配套的基站发射来的视频信号。基站可以连接电视或者DVD机信号源。“无线打印”只需要在打印机上连接一个无线打印服务器，就可以接收安装有无线网卡的电脑或从无线路由器上所发送的打
印命令。这样，家里的照片打印机放在哪里都可以被共享打印。“无线吸尘器”也给家庭的清洁生活带来了很多的方便。伊莱克斯早在两年前就在中国市场推出了名为“Ergorapido(瑞彼得)”的无线吸尘器。这种无线吸尘器不但随时随地清洁，而且操作轻松自如，极为契合现代人越来越快的生活节奏。无线打印机和无线吸尘器在市场上都已有了产品，对于中国消费者来说，无线电视也已经逐渐走入我们的生活。海信去年就推出了一款TLM4277W液晶电视，它可以实现无线音视频输出。它可以通过外部无线转接设备将视频设备的模拟音视频信号转换为数字信号，再通过无线方式发送给电视机，使电视机实现远程无线显示。在收看无线节目时，只需要把DVD或者有线信号与发射盒正确连接，然后按下遥控器上的无线电视键，即可进入无线电视状态。

6 数字家居构建未来
    随着科技的发展，人们与“数字”的关系已越来越紧密了。比如数字图书馆、有线数字电视等，不过此“数字”非彼数字，更多的是代表着一种生活品质。
    在人们的想像中，数字家居强大的控制功能，事无巨细的方便，相伴着繁琐的操作。而实际上，数字家居在操作上很类似于银行的ATM取款机，步骤一目了然，菜单环环相生，非常简易。
    据了解，数字家居目前主要集中在灯光、家电控制以及安防等功能上。点击“灯光控制”，屏幕上就会跳出新菜单，有“目光灯”、“一号灯”、“二号灯”、“窗帘灯”等多项待选项目；屏幕同时还出现画中画，点击“日光灯”，日光灯熄灭了，画中画的屏幕中也显示出同样的情景。随着指令的逐一发出，灯光“俯首帖耳”，随着指令或开或关。
    居家，人们重视平安，也重视数字家居重中之重的功能。一旦有非法进入，数字家居的服务管理中心便会自动弹出报警的页面以及出现“报警接人等待处理”的提醒，如果与公安或社区联动就可以及时处理，业主还可以收到相关照片的彩信等。
    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，未来的数字家居可以为人们提供以下功能：
    通过家庭网络，主人可以方便地收发电子邮件、浏览各种网上信息，订阅各种电子期刊或杂志等。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账目和收支情况，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。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。通过网络管理系统软件可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。
    通过在家庭内安装各种检测报警装置来实现家庭的保安、消防以及其他需求。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。
    整个家庭内各种设备都可以连接到网络上，并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。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提出保修申请，而无需主人亲自动手。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。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做出相应的配置和调整，如可根据消费者的需求和可接受费用来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。
    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电视，远程PC或膝上电脑，Internet浏览器，电话、数字电话、移动电话，按钮传输器，远程控制器，语音控制，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：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；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，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；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。
    数字技术的发展正以令人吃惊的速度改变着整个世界，它给我们带来了新的生活方式，网络、通讯、综合业务服务、电子交易等等，数字技术大有可为。数字技术给我们不断发展的未来生活带来了很多憧憬。数字图像压缩技术的实际应用以及新的数字调制方式的出现，不仅提高了频带的利用率，而且扩展了频带的范围，使得频带可以是过去几十倍的利用率。各种应用技术的发展为将来的更简单、更智能的应用打下基础，手写识别、语言识别等，在不远的将来，将会导致计算机的新的革命，最终可能会导致可与人直接对话的计算机的诞生，它将是自人类诞生以来，第二个重大的里程碑。硬件成本不断降低，新技术加快了普及的步伐；各种综合业务的出现，网络和通讯将会把人类更加紧密地联系在一起，满足人类的精神交流的需要，提供更轻松的生活。
    全球各个主要通讯公司正在大力推广平台，电话以传统电话1／3～1／4的价格抢占市场，随着技术和服务的改善，它将会引起新的电信服务方式。随着光纤网络和频带复用技术的推广，传统的经营模式将会被打破，从网络的运营将转向为服务的运营。
    未来的数字技术的控制中，软件和系统将是决定性的因素。软件和系统的结合将来是各个部分贯穿的灵魂。单个硬件或者是局部应用的软件是不能发挥决定作用的，它缺乏有机结合。通过软件，把系统中各个应用集成在一起，才能提供给人们综合性的、具有某种智慧的自动功能。而在未来，由于各种技术的本质上是复杂的，越先进越复杂，通过局部或人工的控制往往是不可靠的，或是太复杂而难以实现的。在数字化的进程中，自动控制技术的要求将会越来越迫切，并成为日益薄弱的一环，因为它需要软件和系统的综合保证。硬件(半导体)厂商也在为将来作准备，不过相对于软件厂商来说，它的影响小一些。它们的做法是：将各种系统直接在芯片上集成，降低成本，简化设计；加紧各种消费类数字产品的开发。

7 结束语
    中国在网络家电方面的发展潜力最大，有其必然性。中国近年来经济发展—直保持非常好的发展态势，经济增长率连续几年保持在8％左右，这种迅猛的发展速度在世界范围内也是不多见的；网络使用在国内迅速普及，互联网用户居世界第二位，近年将超过美国成为世界第一互联网强国。按这种趋势，中国将发展成为互联网革命、数码革命的中心国家，为家庭网络产品的普及打下良好基础。
    未来的数字服务将是综合性的，因而也更灵活，要求更高，因此，在将来的数字家电中，普通的单片机系统已经满足不了要求。未来的数字家电产品中会大量采用嵌入式操作系统，如高档手机、信息家电产品，作为战略性的延伸。未来家居首先更加强调的是“以人为本”的思想，最大限度地向人们提供温馨舒适、方便周到和经济的服务，处处为居民着想。此外，未来家居还将更多地考虑到环保问题。所以要本着节能的原则，使家居设施与环境高度统一、和谐，融为一体。