??? 摘? 要: 目前國內(nèi)市場推出的智能家居產(chǎn)品大多基于公司自定義的某種標(biāo)準(zhǔn),由于未經(jīng)長時間的應(yīng)用驗證和業(yè)界的普遍認同,其技術(shù)有兩個明顯的缺陷: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" title="即插即用">即插即用功能——易用性差。本文遵循美國電子工業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)(EIA600,EIA721),參照微軟和消費總線委員會(CIC)的簡單控制協(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)議的獨立性和上下文綁定" title="綁定">綁定等機制,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: HomePnP? SCP? CEBus
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智能家居要求家用電器經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(總線)實現(xiàn)互聯(lián)、互操和即插即用。目前,國內(nèi)市場的相關(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[1]、消費總線(CEBus)[2]、日本的家庭總線(HomeBus)[3]、歐洲的安裝總線(EIB)[4]。技術(shù)上并不先進的X10,只支持開關(guān)量,用于面板開關(guān)和繼電器類的簡單電器,但憑借價格低廉、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,累計銷售了1.2億個模塊。1984年,美國電子工業(yè)協(xié)會(Electronics Industry Association， EIA)認為X10協(xié)議已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代生活的需要,并在1992年發(fā)布了CEBus(Consumer Electronic Bus)協(xié)議[5],其目標(biāo)是建立一個針對消費類電子產(chǎn)品的開放性協(xié)議。1994年,CEBus工業(yè)委員會(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,通過簡單的操作來達到產(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(Common Application Language,簡稱CAL)的家電系統(tǒng)相互協(xié)同進行互操的規(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)則來實現(xiàn)家電的即插即用功能。
1 HPnP中傳輸協(xié)議的獨立性
傳輸協(xié)議的獨立性是HomePnP規(guī)范的最主要目標(biāo)之一[6]。 HomePnP規(guī)范使生產(chǎn)廠家可以使用一個應(yīng)用協(xié)議,并選擇合適的獨立的傳輸網(wǎng)絡(luò)(RF,PL,IR)。由于HomePnP計劃運行于已有的消費電子產(chǎn)品協(xié)議如CEBus和IEEE 1394(Fire Wire)之上,所以它對下面的傳輸層只提出最少的要求,保持其獨立性。
家庭產(chǎn)品即插即用(HomePnP)采用分層結(jié)構(gòu),通過三個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。
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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、計算機和娛樂等的上下文,構(gòu)成業(yè)界認同的家電產(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。
2 HPnP的結(jié)構(gòu)
HomePnp通過5個不同層次的架構(gòu)來實現(xiàn)家電的互操性。如表1所示。
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下面,僅對HomePnP構(gòu)造模塊和子系統(tǒng)互操模塊進行介紹。
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)。一個子系統(tǒng)包含了一系列的CAL上下文,這些CAL上下文分別負責(zé)一部分的控制功能[7]。HomePnP的子系統(tǒng)可以只存在一個設(shè)備當(dāng)中,也可以分布在多個設(shè)備當(dāng)中。
2.2 狀態(tài)對象,偵聽對象和請求對象
在CAL中按照設(shè)備的功能預(yù)定義了多種對象,在HomPnP中按照對信息的收發(fā)方式將這些對象分為3類,分別采用一種特定的符號來表示。
狀態(tài)對象(status object):也稱為“信息提供者”,它具有報告功能,對象的報告頭(report_header)報告地址(report_address)綁定到CAL的報告功能向后面的“偵聽對象”發(fā)送狀態(tài)或數(shù)據(jù);其中狀態(tài)對象又細分為接收和不接收“請求對象”命令兩類。
偵聽對象(listener object):它接收“狀態(tài)對象”的報告,并能夠根據(jù)接收的內(nèi)容調(diào)整自己的工作。偵聽對象沒有報告功能。
請求對象(reqeust object):能夠發(fā)送“請求”改變狀態(tài)對象的狀態(tài),它也是采用報告的機制實現(xiàn)的,請求對象的目的上下文就是狀態(tài)對象所屬的上下文。
在一個家庭自動化網(wǎng)絡(luò)中,請求對象引起設(shè)備改變狀態(tài),接著狀態(tài)對象公布設(shè)備狀態(tài)的變化,所有的工作著的偵聽對象都能收聽到這個狀態(tài)信息。這三種對象構(gòu)成各子系統(tǒng)并通過松耦合" title="松耦合">松耦合實現(xiàn)互操作的基礎(chǔ)。
2.3?家居模式上下文(Home Mode Context)
家居模式上下文是用來表示當(dāng)前家庭狀況的一個上下文,這是HomePnP一個重要的特性。這個上下文為所有的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。
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3.1 綁定(bind)
對象之間的連接稱為“綁定”(bind)。圖3是一個帶狀態(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)出控制信號到電風(fēng)扇的偵聽對象,電風(fēng)扇的工作狀態(tài)改變之后,又發(fā)出一個報告,這個報告反饋到控制面板,指示用戶命令執(zhí)行狀態(tài),同時另一個指示面板也收到電扇的狀態(tài)報告,從而可以在遠端更新指示。每個符號的箭頭表示信息的流向。
在HomePnP中定義了缺省報告地址、目的對象以及用CAL描述的報告內(nèi)容的數(shù)據(jù)格式。當(dāng)報告地址采用廣播地址的時候,所有的設(shè)備都可以聽到這個消息,但是不是所有的設(shè)備都會處理這個消息,因為有些設(shè)備沒有報告中指定的目的對象。因此,一個傳感器設(shè)備可以按照規(guī)定將測量得到的信號根據(jù)HomePnP的要求以CAL報告的形式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上;在其它設(shè)備中構(gòu)造一個目的對象,也就是偵聽對象,就可以獲取這個信息。
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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(loose coupling)和缺省綁定(default binding)。
在HomePnP的規(guī)格說明書中,對每一種狀態(tài)對象都規(guī)定了相應(yīng)的偵聽對象,它們有特定的對象序號,存在于特定的上下文中。狀態(tài)對象在缺省情況下向一個正確的偵聽對象發(fā)送消息。當(dāng)然,偵聽對象可以選擇接收哪一個設(shè)備發(fā)出的狀態(tài)消息,這就是“缺省綁定”。
某個狀態(tài)設(shè)備正常工作時,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)備中只要有一個對應(yīng)的偵聽對象就可以獲得這個信息,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”(loose coupling)。松耦合采用HomePnP廣播地址作為其報告地址。
松耦合是HomePnP的一個特點。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)報告狀態(tài)信息,使得廠家在設(shè)計產(chǎn)品時不必詳細了解其它廠家的產(chǎn)品。例如,我們可以設(shè)計一安全系統(tǒng)" title="安全系統(tǒng)">安全系統(tǒng):如果窗戶打開時空調(diào)器被啟動,安全系統(tǒng)便發(fā)出告警。采用松耦合方式,安全系統(tǒng)只需配備一個合適的收聽對象,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)器的報告。安全系統(tǒng)可以根據(jù)自己的設(shè)計決定使用或者不使用這個信息。請求對象也可通過網(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)對象的報告地址的報告機制,這種報告叫做“緊耦合" title="緊耦合">緊耦合”(tight coupling)。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,松耦合的對象之間用虛線相連,表示為HomePnP廣播消息,而緊耦合的對象之間用實線相連。
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)對象和偵聽對象主要用于子系統(tǒng)內(nèi)互操,而請求對象一般用于系統(tǒng)間互操作。在子系統(tǒng)A的控制器中實現(xiàn)一個狀態(tài)對象,執(zhí)行機構(gòu)中實現(xiàn)對應(yīng)的偵聽對象。當(dāng)用戶操作控制器、或者控制器得到的傳感器值變化時,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)行機構(gòu)根據(jù)這個狀態(tài)調(diào)整自己的工作。請求對象存在于另外一個子系統(tǒng)B中,當(dāng)它要改變A中執(zhí)行機構(gòu)的運行時,就向這個子系統(tǒng)的狀態(tài)對象發(fā)送命令,從而實現(xiàn)子系統(tǒng)間互操。
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典型的應(yīng)用是這樣的:家庭的每一個子系統(tǒng)都有一個控制器,這個控制器通過綁定關(guān)系與一些的傳感器關(guān)聯(lián),可自動控制執(zhí)行機構(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;在電視機中有各系統(tǒng)的請求對象,用戶通過遙控器與電視機“對話”,從而控制其它任意一個子系統(tǒng)。電視機(或者是計算機)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是一個粗略的示意圖,實際上圖中的每一個子系統(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。
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說明:圖5中,每個白框代表一個設(shè)備,它們的連接是對等的,因此,每個設(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,實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制;用語音控制模塊實現(xiàn)語音控制;在電視機上可以查找到所有的設(shè)備并進行控制;用PDA等手持設(shè)備控制設(shè)備;設(shè)備之間可以互相操作,簡稱互操;利用計算機實現(xiàn)對所有設(shè)備的操作和設(shè)定;可以在遠程與嵌入式的家庭網(wǎng)關(guān)連接,從而實現(xiàn)遠程操作。
遵循美國電子工業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)(EIA600,EIA721),參照微軟和CIC共同提出的簡單控制協(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月在杭州西博會上展示,演示系統(tǒng)2001年11月在杭州西博會人居展演示,樣機2002年深圳高教會展示。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。
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參考文獻
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6 HomePnPTM? Specification Vision 1.0， April 9，1998
7 Proposed EIA-721? Generic Common Application Language? (Generic ACL) Specification.