家用電器即插即用研究論文

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摘要：目前國內(nèi)市場(chǎng)推出的智能家居產(chǎn)品大多基于公司自定義的某種標(biāo)準(zhǔn)，由于未經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用驗(yàn)證和業(yè)界的普遍認(rèn)同，其技術(shù)有兩個(gè)明顯的缺陷：不同公司的產(chǎn)品無法互聯(lián)、互操；產(chǎn)品不具備即插即用功能——易用性差。本文遵循美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（EIA600，EIA721），參照微軟和消費(fèi)總線委員會(huì)（CIC）的簡(jiǎn)單控制協(xié)議SCP，以及家電即插即用技術(shù)規(guī)范（HomePnP）模型，給出了基于該技術(shù)規(guī)范的構(gòu)建技術(shù)。HomePnP中傳輸協(xié)議的獨(dú)立性和上下文綁定等機(jī)制，使得不同廠家的家電互聯(lián)、互操和即插即用成為可能。

關(guān)鍵詞：HomePnPSCPCEBusEIA600,EIA721

智能家居要求家用電器經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（總線）實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、互操和即插即用。目前，國內(nèi)市場(chǎng)的相關(guān)產(chǎn)品大多基于自定義的某種技術(shù)規(guī)范，尚無得到廣泛認(rèn)同的統(tǒng)一家電接口標(biāo)準(zhǔn)。從技術(shù)角度而言，更多意義上還是一種概念性產(chǎn)品。國家經(jīng)貿(mào)委和信息產(chǎn)業(yè)部第七標(biāo)準(zhǔn)化小組將在2003年推出有關(guān)智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，其中一個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn)就是家電的接口規(guī)范。智能家居產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展有賴于這一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的指導(dǎo)。

國際上主流的家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)有：美國的X10、消費(fèi)總線（CEBus）、日本的家庭總線（HomeBus）、歐洲的安裝總線（EIB）。技術(shù)上并不先進(jìn)的X10，只支持開關(guān)量，用于面板開關(guān)和繼電器類的簡(jiǎn)單電器，但憑借價(jià)格低廉、性能可靠，尤其是它的易用性，一般用戶均能自行安裝，商業(yè)上取得了巨大的成功：450萬戶美國家庭采用X10，累計(jì)銷售了1．2億個(gè)模塊。1984年，美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)（ElectronicsIndustryAssociationEIA）認(rèn)為X10協(xié)議已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代生活的需要，并在1992年了CEBus（ConsumerElectronicBus）協(xié)議，其目標(biāo)是建立一個(gè)針對(duì)消費(fèi)類電子產(chǎn)品的開放性協(xié)議。1994年，CEBus工業(yè)委員會(huì)（CIC）成立，其成員為國際知名廠商。2002年6月，微軟和CIC共同宣布支持基于CEBus的簡(jiǎn)單控制協(xié)議SCP，SCP是微軟UPnP協(xié)議的子集。如果說X10是在低技術(shù)層次上，通過簡(jiǎn)單的操作來達(dá)到產(chǎn)品易用性，則CEBus是在高技術(shù)層次上，通過家電的互聯(lián)、互操和即插即用來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的易用性。HomePnP（HPnP）是CIC制定的基于公共應(yīng)用語言（CommonApplicationLanguage，簡(jiǎn)稱CAL）的家電系統(tǒng)相互協(xié)同進(jìn)行互操的規(guī)范。HPnP不是一種語言，它為支持CAL的家電提供統(tǒng)一的應(yīng)用規(guī)則來實(shí)現(xiàn)家電的即插即用功能。

1HPnP中傳輸協(xié)議的獨(dú)立性

傳輸協(xié)議的獨(dú)立性是HomePnP規(guī)范的最主要目標(biāo)之一。HomePnP規(guī)范使生產(chǎn)廠家可以使用一個(gè)應(yīng)用協(xié)議，并選擇合適的獨(dú)立的傳輸網(wǎng)絡(luò)（RF，PL，IR）。由于HomePnP計(jì)劃運(yùn)行于已有的消費(fèi)電子產(chǎn)品協(xié)議如CEBus和IEEE1394（FireWire）之上，所以它對(duì)下面的傳輸層只提出最少的要求，保持其獨(dú)立性。

家庭產(chǎn)品即插即用（HomePnP）采用分層結(jié)構(gòu)，通過三個(gè)主要的功能模塊來處理應(yīng)用層和更高層的問題。如圖1所示。

最下層代表應(yīng)用層及其相關(guān)的公共應(yīng)用語言（CAL），它包含在EIA－600（CEBus）、EIA－721和EIA－766標(biāo)準(zhǔn)中，從而免去在不同產(chǎn)品之間設(shè)置昂貴的語言翻譯網(wǎng)關(guān)。

上下文數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層代表各種各樣用CAL句法開發(fā)而成的產(chǎn)品模型。通過定義安防、照明、環(huán)境、能源管理、家電設(shè)備、計(jì)算機(jī)和娛樂等的上下文，構(gòu)成業(yè)界認(rèn)同的家電產(chǎn)品模型。

最上層是系統(tǒng)指南，它指出即插即用安裝的產(chǎn)品必須具有哪些行為特征。這些指導(dǎo)性的原則涉及到EIA－600中尚未解決的一些難題。

2HPnP的結(jié)構(gòu)

HomePnp通過5個(gè)不同層次的架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)家電的互操性。如表1所示。

HomePnP的架構(gòu)組成要素

CAL提供的構(gòu)造模塊設(shè)備，上下文，上下文號(hào)，對(duì)象，實(shí)例變量，CAL報(bào)告，HomPnP廣播和直接消息傳輸

HomePnP采用的構(gòu)造模塊子系統(tǒng)，狀態(tài)對(duì)象，偵聽對(duì)象，請(qǐng)求對(duì)象，傳感器信息共享，報(bào)警和故障診斷報(bào)告，家居模式

子系統(tǒng)間的互操性模塊松耦合，動(dòng)態(tài)上下文序號(hào)，狀態(tài)信息廣播，狀態(tài)向量，自動(dòng)綁定和手動(dòng)綁定

子系統(tǒng)內(nèi)的互操作模塊緊耦合，安裝工具

其他的互操需求設(shè)備啟用，設(shè)置，資源管理，消息處理，認(rèn)證和加密的傳輸需求

下面，僅對(duì)HomePnP構(gòu)造模塊和子系統(tǒng)互操模塊進(jìn)行介紹。

2．1子系統(tǒng)subsystem

子系統(tǒng)是家庭控制網(wǎng)絡(luò)中功能相似和相關(guān)的設(shè)備和設(shè)備集。例如：安防系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、家庭娛樂系統(tǒng)。一個(gè)子系統(tǒng)包含了一系列的CAL上下文，這些CAL上下文分別負(fù)責(zé)一部分的控制功能。HomePnP的子系統(tǒng)可以只存在一個(gè)設(shè)備當(dāng)中，也可以分布在多個(gè)設(shè)備當(dāng)中。

2．2狀態(tài)對(duì)象，偵聽對(duì)象和請(qǐng)求對(duì)象

在CAL中按照設(shè)備的功能預(yù)定義了多種對(duì)象，在HomPnP中按照對(duì)信息的收發(fā)方式將這些對(duì)象分為3類，分別采用一種特定的符號(hào)來表示。

狀態(tài)對(duì)象（statusobject）：也稱為“信息提供者”，它具有報(bào)告功能，對(duì)象的報(bào)告頭report＿h(yuǎn)eader報(bào)告地址report＿address綁定到CAL的報(bào)告功能向后面的“偵聽對(duì)象”發(fā)送狀態(tài)或數(shù)據(jù)；其中狀態(tài)對(duì)象又細(xì)分為接收和不接收“請(qǐng)求對(duì)象”命令兩類。

偵聽對(duì)象listenerobject：它接收“狀態(tài)對(duì)象”的報(bào)告，并能夠根據(jù)接收的內(nèi)容調(diào)整自己的工作。偵聽對(duì)象沒有報(bào)告功能。

請(qǐng)求對(duì)象reqeustobject：能夠發(fā)送“請(qǐng)求”改變狀態(tài)對(duì)象的狀態(tài)，它也是采用報(bào)告的機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，請(qǐng)求對(duì)象的目的上下文就是狀態(tài)對(duì)象所屬的上下文。

在一個(gè)家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中，請(qǐng)求對(duì)象引起設(shè)備改變狀態(tài)，接著狀態(tài)對(duì)象公布設(shè)備狀態(tài)的變化，所有的工作著的偵聽對(duì)象都能收聽到這個(gè)狀態(tài)信息。這三種對(duì)象構(gòu)成各子系統(tǒng)并通過松耦合實(shí)現(xiàn)互操作的基礎(chǔ)。

2．3家居模式上下文（HomeModeContext）

家居模式上下文是用來表示當(dāng)前家庭狀況的一個(gè)上下文，這是HomePnP一個(gè)重要的特性。這個(gè)上下文為所有的HomePnP子系統(tǒng)提供了表示當(dāng)前家庭狀況（如在家，離開，休息）的通用方法。通過接收關(guān)于這個(gè)上下文的HomePnP廣播，所有子系統(tǒng)可以根據(jù)它們自己的設(shè)計(jì)來調(diào)整相應(yīng)的行為。這種方法為家庭控制系統(tǒng)提供了一個(gè)完整和協(xié)調(diào)的解決方案。

3互操性及其相關(guān)概念

互操性是指子系統(tǒng)可以和其系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)備或者和其它的子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同工作，也就是說CAL的上下文模型支持子系統(tǒng)內(nèi)或者子系統(tǒng)間的上下文協(xié)同工作。圖2是互操性的模型示意。

3．1綁定（bind）

對(duì)象之間的連接稱為“綁定”(bind)。圖3是一個(gè)帶狀態(tài)反饋的控制面板、指示面板與電風(fēng)扇綁定，用戶操作控制面板發(fā)出控制信號(hào)到電風(fēng)扇的偵聽對(duì)象，電風(fēng)扇的工作狀態(tài)改變之后，又發(fā)出一個(gè)報(bào)告，這個(gè)報(bào)告反饋到控制面板，指示用戶命令執(zhí)行狀態(tài)，同時(shí)另一個(gè)指示面板也收到電扇的狀態(tài)報(bào)告，從而可以在遠(yuǎn)端更新指示。每個(gè)符號(hào)的箭頭表示信息的流向。

在HomePnP中定義了缺省報(bào)告地址、目的對(duì)象以及用CAL描述的報(bào)告內(nèi)容的數(shù)據(jù)格式。當(dāng)報(bào)告地址采用廣播地址的時(shí)候，所有的設(shè)備都可以聽到這個(gè)消息，但是不是所有的設(shè)備都會(huì)處理這個(gè)消息，因?yàn)橛行┰O(shè)備沒有報(bào)告中指定的目的對(duì)象。因此，一個(gè)傳感器設(shè)備可以按照規(guī)定將測(cè)量得到的信號(hào)根據(jù)HomePnP的要求以CAL報(bào)告的形式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上；在其它設(shè)備中構(gòu)造一個(gè)目的對(duì)象，也就是偵聽對(duì)象，就可以獲取這個(gè)信息。

3．2子系統(tǒng)間的互操性

子系統(tǒng)間的互操性主要表現(xiàn)為松耦合(loosecoupling)和缺省綁定（defaultbinding）。

在HomePnP的規(guī)格說明書中，對(duì)每一種狀態(tài)對(duì)象都規(guī)定了相應(yīng)的偵聽對(duì)象，它們有特定的對(duì)象序號(hào)，存在于特定的上下文中。狀態(tài)對(duì)象在缺省情況下向一個(gè)正確的偵聽對(duì)象發(fā)送消息。當(dāng)然，偵聽對(duì)象可以選擇接收哪一個(gè)設(shè)備發(fā)出的狀態(tài)消息，這就是“缺省綁定”。

某個(gè)狀態(tài)設(shè)備正常工作時(shí)，用缺省綁定的方法把信息廣播到網(wǎng)絡(luò)上，它并不關(guān)心那些設(shè)備收到了消息。其它設(shè)備中只要有一個(gè)對(duì)應(yīng)的偵聽對(duì)象就可以獲得這個(gè)信息，這樣就可以省略數(shù)據(jù)鏈路層的綁定過程。由于收發(fā)設(shè)備之間沒有明確的地址聯(lián)系，因而稱為“松耦合”（loosecoupling）。松耦合采用HomePnP廣播地址作為其報(bào)告地址。

松耦合是HomePnP的一個(gè)特點(diǎn)。HomePnP結(jié)構(gòu)采用子系統(tǒng)松耦合等新思想，使設(shè)備的復(fù)雜性可按自然形態(tài)分層。在松耦合方式中，子系統(tǒng)可以向所有其它的HomePnP子系統(tǒng)報(bào)告狀態(tài)信息，使得廠家在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)不必詳細(xì)了解其它廠家的產(chǎn)品。例如，我們可以設(shè)計(jì)一安全系統(tǒng)：如果窗戶打開時(shí)空調(diào)器被啟動(dòng)，安全系統(tǒng)便發(fā)出告警。采用松耦合方式，安全系統(tǒng)只需配備一個(gè)合適的收聽對(duì)象，用于收聽來自環(huán)境監(jiān)視的信息，按照約定接收來自空調(diào)器的報(bào)告。安全系統(tǒng)可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)決定使用或者不使用這個(gè)信息。請(qǐng)求對(duì)象也可通過網(wǎng)絡(luò)引起狀態(tài)變化。

3．3系統(tǒng)內(nèi)的互操性

HomePnP中也支持以確定的目的地址作為狀態(tài)對(duì)象的報(bào)告地址的報(bào)告機(jī)制，這種報(bào)告叫做“緊耦合”（tightcoupling）。由于緊耦合有明確的目標(biāo)地址，因此可以減少網(wǎng)絡(luò)沖突，并可以采用立即響應(yīng)的方式。

子系統(tǒng)內(nèi)的互操一般采用緊耦合的方式，如溫控器和空調(diào)的關(guān)系，開關(guān)和燈的關(guān)系等等。緊耦合和松耦合的方法不同，松耦合的對(duì)象之間用虛線相連，表示為HomePnP廣播消息，而緊耦合的對(duì)象之間用實(shí)線相連。

4具有互操作性的即插即用家電系統(tǒng)

通過家庭即插即用，我們可以建立一個(gè)完整的具有互操作性的家電系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。狀態(tài)對(duì)象和偵聽對(duì)象主要用于子系統(tǒng)內(nèi)互操，而請(qǐng)求對(duì)象一般用于系統(tǒng)間互操作。在子系統(tǒng)A的控制器中實(shí)現(xiàn)一個(gè)狀態(tài)對(duì)象，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的偵聽對(duì)象。當(dāng)用戶操作控制器、或者控制器得到的傳感器值變化時(shí)，就改變當(dāng)前的狀態(tài)并將更新的狀態(tài)發(fā)送出去，然后執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)這個(gè)狀態(tài)調(diào)整自己的工作。請(qǐng)求對(duì)象存在于另外一個(gè)子系統(tǒng)B中，當(dāng)它要改變A中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行時(shí)，就向這個(gè)子系統(tǒng)的狀態(tài)對(duì)象發(fā)送命令，從而實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)間互操。

典型的應(yīng)用是這樣的：家庭的每一個(gè)子系統(tǒng)都有一個(gè)控制器，這個(gè)控制器通過綁定關(guān)系與一些的傳感器關(guān)聯(lián)，可自動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。各種傳感器、控制器、以及用戶輸入按鈕顯示器等分散在家庭的多個(gè)設(shè)備中，通過綁定關(guān)系建立關(guān)聯(lián)，它們之間的信息交換屬于子系統(tǒng)內(nèi)互操；在電視機(jī)中有各系統(tǒng)的請(qǐng)求對(duì)象，用戶通過遙控器與電視機(jī)“對(duì)話”，從而控制其它任意一個(gè)子系統(tǒng)。電視機(jī)（或者是計(jì)算機(jī)）起到了集中監(jiān)視和控制的作用，可以讓用戶瀏覽并控制所有設(shè)備，屬于系統(tǒng)間互操。如圖4所示。

圖4是一個(gè)粗略的示意圖，實(shí)際上圖中的每一個(gè)子系統(tǒng)都有復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)。圖5為基于CEBus的家庭智能住宅結(jié)構(gòu)圖。

說明：圖5中，每個(gè)白框代表一個(gè)設(shè)備，它們的連接是對(duì)等的，因此，每個(gè)設(shè)備都具有嵌入式的網(wǎng)絡(luò)接口，都連接在電力線或雙絞線上。用戶對(duì)設(shè)備的控制方式有：用設(shè)備自身的按鈕控制；自定義控制面板上按鈕的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制；用語音控制模塊實(shí)現(xiàn)語音控制；在電視機(jī)上可以查找到所有的設(shè)備并進(jìn)行控制；用PDA等手持設(shè)備控制設(shè)備；設(shè)備之間可以互相操作，簡(jiǎn)稱互操；利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有設(shè)備的操作和設(shè)定；可以在遠(yuǎn)程與嵌入式的家庭網(wǎng)關(guān)連接，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。

遵循美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（EIA600，EIA721），參照微軟和CIC共同提出的簡(jiǎn)單控制協(xié)議SCP以及家電即插即用技術(shù)規(guī)范模型，開發(fā)了基于該技術(shù)規(guī)范的構(gòu)建技術(shù)。應(yīng)用研究成果所開發(fā)的原型系統(tǒng)2000年6月在美國大西洋城、2000年11月在杭州西博會(huì)上展示，演示系統(tǒng)2001年11月在杭州西博會(huì)人居展演示，樣機(jī)2002年深圳高教會(huì)展示。獲行內(nèi)專家和有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)的肯定。借鑒國外相對(duì)比較成熟和可靠的技術(shù)與國際標(biāo)準(zhǔn)兼容，是開發(fā)智能家居及其相關(guān)產(chǎn)品的一條比較穩(wěn)妥的技術(shù)路線。