摘要：家庭网络技术的发展和应用将对整个社会产生巨大的影响，本文概述了e-Home网络结构和功能，以及e-Home系统中主要解决的技术问题等。

    1、 e-Home 的概念和功能
    目前关于e-Home 的称谓可真有不少，诸如：电子家庭（Electronic Home）, 数字家园（Digital family），家庭自动化（Home Automation）, 家庭网络（Home net/Networks for Home）/网络家居（Network Home）,智能家庭/建筑（Inte1ligent home/building）,尽管名称是五花八门，但它们的含义和所要完成的功能大体是相同的。
首先，它们都要在一个家居中建立一个通讯网络，为家庭信息提供必要的通路，在家庭网络的操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有家庭网络上的家电和设备的控制和监测。其次，它们都要通过一定的媒介，构成与外界的通讯通道，以实现与家庭以外的世界沟通信息，满足远程控制/监测和交换信息的需求。最后，它们的最终目的都是为满足人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的需求。
e-Home所要实现的主要的功能有：
    （1） 对白色家用电器和其他设备的控制、调节和监测，比如微波炉、洗衣机、灯光、电动窗帘、防盗报警器、自动门烟雾探测器、有害气体检测装置、温度和湿度控制器、风量调节器、各种手动的开关和遥控器等。在这部分网络上主要传输的是频率比较低的控制信号，它占用的信道的带宽是比较窄的，我们称之为控制网络。
    （2） 沟通黑色家电和其他视频设备之间以及与外部世界之间的信息通道，其中包括：台式/手持计算机、电视、录/摄象机、VCD/DVD和数码照相机等；同时还可以实现对它们的控制和监测。
    （3） 通过对外的接口，实现远程控制和信息交换，如：电话线、有线电视电缆、市电电源线、双绞线和无线通讯方式等。
    二、e-Home 的网络结构
    家庭网络的一般结构如图一所示。从图一中可看出，一个完整的家庭网络由下述五部分组成：
    1． 控制网：主要实现对白色家用电器（如微波炉和冰箱等饰以白色外表的电器）的开关量和少量模拟量的控制。
    2． 信息网：主要实现对黑色家用电器（如电视、录/摄象机和DVD等饰以黑色外表的电器）和计算机的信息的交换和控制。
    3． 路由器/网关或电话接口：主要实现控制网络和信息网络的信号综合并与外界的接口，以便作远程控制和信息的交换。
    4． 控制中心/通用遥控器：用以对家庭网络上的任意一个家用电器的控制和监测，同时也可对网络上的家用电器作简单的参数设置。
    5． 用户程序的开发环境：这是在通用计算机上运行的一个软件开发环境，它不是家庭网络上必备部分，一般只是由系统集成公司的技术人员来使用。它的主要功能有二个：一是在初始建立一个家庭网络时为用户生成应用程序，为系统设置必要的初始化参数，并将它们下载到遥控器和各个模块中去。另一个功能是用于调试和维护家庭网络。

图一 e-Home 的基本结构

    三、e-Home 系统中要解决的主要技术
    根据图一所示的e-Home 结构可以看出，其中需要解决下述四个方面的技术。
    1． 信号/信息传输的介质 
    目前在家庭网络中常用的信号/信息传输的介质有四种：
    （1） 电话线
    使用电话线作传输介质的优点是：一般家庭预先都已布好，因此施工和安装比较方便。它存在的主要问题是：电话线的原设计是为传输音频信号用的，因此它可传输的信号的带宽比较窄（一般为几KHz）。此外电话线的传输阻抗不易控制和信号在电话线上的衰减比较大。这些问题都使电话线很难应用于高速信号的传输。
    为了解决这些问题，美国Tut System 公司首先提出了频分多路（Frequency-division Multiplexing）技术，使电话线上不同的信号在三个不同的信道上传输，它们分别是：电话的音频信号（DC - 3.4 KHz）、ADSL-Asymmetric Digital-Subscriber Line (25KHz - 1.1 MHz) 和娱乐与计算机信息 (5.5 - 9.5MHz). 在采用这种技术的网络中，使用了 7.5 MHz的载频，在5.5 - 9.5 MHz的带宽中以1Mb/s的速率来传输数据。Tut 公司采用具有CDMA/CD (Carrier-Sensing Multiple Access/Collision Detection) 功能的IEEE 802.3协议，已成功地将电话线应用于Ethernet和家庭网络中。
    （2） 市电电源线 
    使用市电电源线作传输介质的优点是：同电话线一样，在一般的家庭中都已布好电源线，而且它比电话线更广泛，因为电源线已深入到一个家庭的每个角落（如厨房、走廊、阳台和洗手间等），因此施工和安装更为方便。它的主要问题是躁声和干扰比较大，从而限制了它可传输的信号的带宽和数据的传输速率。此外由于信号与市电在同一对线上传输，对所使用的元件的耐压要求比较高，在安全问题上有一定的隐患。
应用电源线作信号传输线的最成功的例子是：从1978年就开始使用的称之为X10的系统。该系统由一个控制盒和若干个模块组成，每个家电的电源插头通过一个模块连接到市电电源线上，控制盒也使用同一个市电电源。每个模块上有二个十六档的拨盘，用以设定该家用电器的地址；通过控制盒上的小键盘，可以控制该网络上的每个家用电器的开或关，同时也可以将每个家用电器的开/关状态回送到控制盒，以便在控制盒上监测家居中的各个家用电器实际的工作状态。这套系统的价格非常便宜，每个模块只售9.95美元，一个控制盒的售价约为15美元，视功能的复杂程度稍有差异。目前美国几个著名的大公司（如：IBM、Thomson、Philips、Radio Shack、Leviton和Honeywell等）都设计和生产有关的芯片，据说已经售出数亿片。
    在X10系统中，信号的传输是利用市电电源的正炫信号的过零点来进行的，其中有120KHz的脉冲群表示为“1”信号，而“0”信号则没有这个脉冲群，脉冲群之间的间隔小于100微秒。由于这种方案原理上的限制，同时由于电源线上存在很大的躁声和干扰，因此，传输信号的速率比较低，所以它一般只能传输信息量很少的开关控制信号。
    为了提高信号的传输速率，美国Intellon 公司使用了类似于无线通讯中使用的SPC (Spread - Spectrum Carrier)技术，即在传输高速信号时应用OFDM(Orthogonal Frequency - Division Multiplexing)技术，使传输速率在理论上可达到100Mb/s.但据报导，实际使用的速率是在 几Kb/s - 几Mb/s, 在家庭网络中一般在7Kb/s以下。
    （3） 无线方式 
    无线方式不需要另外布线和施工，因此十分方便。它的不足之处是：成本比较高，易受干扰，保密性差，同时人们长期生活在较强电磁波的环境中，到底对人体健康有多大的影响，现在还没有确切的科学定论。
    目前在家庭网络中使用的无线通讯技术列在下表中。

    据美国的报导，美国2000年在家庭网络上所用的传输介质情况为：电话线、市电电源线和无线方式分别占92.0%、1.5%和6.5%,而到2003年，它们将分别占到70%、5%和25%。
    （4） 电缆 
    这是指专门为家庭网络铺设的电缆，例如：双绞线和同轴电缆等。显然，这对安装和施工带来一定的困难。但是，我们可以发现，在采用上述几种其它方案时，为了对模块提供直流的低压电源，一般也需要另布一对低压电源线，否则需要在每个模块处从市电作AC/DC转换，这也增加了成本。如果我们采用另外布的双绞线，在这对线上不仅提供模块用的低压DC电源，同时也传输控制信号，那么实际上并没有增加布线的工作量。因此在控制网络中采用这种方案是可性的。这种方案带来的另一个优点是：传输线上的电压比较低，因此是安全的。
    由于家庭网络的概念进入家庭是一个必然的趋势，因此在考虑新建住宅时必须考虑到预先布线的问题，为综合布线更为方便，美国IBM公司已经为此开发和生产了专门为家庭网络使用的“电缆”，在这种电缆中包括连网用的双绞线对、连接视频信号用的同轴电缆、市电电源线对和电话线对。
    2．e-Home的网络操作系统和通讯协议
家庭网络同其他的网络一样，网络的正常运行需要由一个完善的操作系统来控制，其中包括通讯的协议。不过由于家庭网络相对于其它一般大网络而言，在结构上要简单一些，例如：在通讯协议方面，一般不需要会话层和描述层。但是由于家庭网络具有它自身的特点，所以对它的操作系统也有一定的要求：
    （1）内嵌式：这是从家庭网络中的模块和控制器的小体积和分布式的要求提出的；
    （2）分布式：这是从家庭网络的高可用性/可靠性提出的；
    （3）实时性：这是从家庭网络上有频繁的信息交换的现实提出的；
    （4）多任务：这是从家庭网络的应用需求提出的。
    现在有不少单位借用WINDOWS CE或使用Linux来开发家庭网络的操作系统，可能都会遇到控制系统中的存储量不够的问题。其原因是：在家庭网络中的模块和控制器多数使用价格比较低的单片机，它的寻址能力和程序的存储容量都是有限的，要存放输百Kb或数Mb大小的操作系统是有困难的。所以，一般家庭网络中的操作系统多数是用汇编语言或C-语言来编写的，因此它的开发工作量是非常大的。
    目前在国际上有相当一部分家庭网络采用了LonWork的操作系统，LonWork 系统中的基本单元中已经固化有这个系统，而且它支持双绞线、市电电源线和无线三种通讯方式，所以使用起来非常方便。其最大的问题是：价格一直比较高，尤其是开发系统竟高达10万元以上；同时它的操作系统是不公开的，使用户的应用受到很大的限制。所以开发我国具有自主产权的家庭网络操作系统是当务之急，不仅是必须的而且应该尽快。
    3． 终端产品的接口和通讯协议
为了保证家用电器可连接到家庭网络上，并可以受网络操作系统的控制，必须具有与网络连接的硬件接口和通讯协议。这些接口和协议应该尽快标准化，以便推广和普及智能家庭的实施。
    四、e-Home 系统的特点
    现在网络技术已经相当成熟，因此在家庭网络中不存在目前技术水平解决不了的问题，而只是工艺和开发工作量问题。这儿汇集一下在研究和开发家庭网络时需要注意的特点。
    1． 安全性 这儿指的安全性包括二个方面，一个是网络上的设备和模块的安全，另一个是人身的安全。因为在一个家庭中，使用人员是普通的居民，我们不能要求他们在电气和计算机方面有很高的素质，各种误操作和使用不当的情况是不可避免的。因此家庭网络要考虑到在任意故障和使用不当的场合，都应该保证设备和人身的安全。
    2． 可用性/可靠性 家庭网络将是在家家户户中天天使用的，使用的环境又是各种各样的，如果有朝一日，居民家中的都是由网络来控制的，那么如果网络出现故障，将导致一个家庭生活的混乱，其后果是难以想象的。此外，如果家庭网络不可靠，故障不断地出现，那么供应商/集成公司的维修工作量是极大的，而且这种维修同一般的家电不同，它需要的是及时或实时的维修。从这个意义上来说，家庭网络应该采用完全的分布式结构，而不宜采用集中式的控制结构或部分分布式结构。
    3． 廉价性 家庭网络比起其它网络来说，它的应用面是最广的，任何其它网络都是无法比拟的。同时，它又是直接面向广大的居民，因此价格的问题是特别敏感的。此外可以想象到，在中国当前市场经济的条件下，竞争是不可避免的。从我国目前的家电行业的竞争局面看，价格因素是竞争的主要手段。
    4． 可扩展性 随着电子技术的高速发展和我国居民的生活快速提高，进入家庭的各种新型的家用电器也在不断的增多和更新，因此，要求所设计的家庭网络具有很好的可扩展性和良好的兼容性，以适应和跟上时代的变化。那种在更新一个或几个电器就需要对网络有较大的修改或更新的方案，显然是不现实的。
    5． 使用方便 考虑到家庭网络的使用对象，对网络的操作必须十分方便和尽可能简单，并具有很好的容错能力。对我国而言，汉字显示或图形显示是必不可缺少的。
    6． 体积小，重量轻，安装和维护方便。
    五、对e-Home 在中国的展望
    家庭网络技术的发展和应用将对整个社会产生巨大的影响，这些影响主要反映在以下几个方面：
    （1）它将极大地改变人们的生活方式：除了我们只用一个遥控器/电话（手机）就能控制/遥控和监测/遥测居家中的一切家用电器而给人们带来极大的方便外，人们将是以家庭为中心进行各种活动，例如：电子交易、电子商务、电子购物、电子远程教育、电子娱乐、电子和远程保健（中心）、电子和远程保安（中心），甚至有些我们今天都想象不到的活动。
    （2）它将牵动一大批产业：除了进一步推动房地产业外，首先，各种家用电器因要满足上网的需求而有相当的改动，其中包括“电源”线和插头和插座；其次，由于有了家庭网络的基本框架和连网的功能，原先不可能或难以实现的事情就可能成为事实，从而将出现许多新的家用电器；最后，由于网络家庭具有远程呼叫/报警/监测的功能，因此，相配套的医疗保健/急救中心、保安中心和各种事务服务中心等必将迅速发展起来。 
    （3）它将开拓一个新的大市场：从美国的情况看，由于发展了家庭网络，不仅牵动了许多的行业，而且开拓了新的大市场。据报导，美国在家庭控制网络方面投入7.25亿美元，而到2000年底，将有27.5亿美元的销售收入。但这仅仅是控制网络，如果加上家庭信息网络以及由家庭网络带来的各种产品和服务，其总的效益确实是难以估计的。
自1999年开始我国的政府部门已密切注意到这个动向和趋势，国家信息产业部、国家科委、国家城市建设部等部门组织有关专家论证和规划在我国如何发展智能家庭和住宅小区的计划。国家经贸委又组织了四川长虹电子集团公司、青岛海尔集团公司、深圳中兴通讯股份有限公司、清华同方股份有限公司、深圳TCL集团公司、江苏春兰集团公司、信息产业部电子第三研究所、无锡小天鹅股份有限公司、上海广电（集团）股份有限公司、厦门厦新电子股份有限公司和北京阜国数字股份有限公司等十一个在家用电器和相关产品领域于全国有很大影响的公司和单位，成立了家庭信息网络的联合体，着手开始研究和制定有关我国家庭网络的标准，同时以联合体的名义承担了国家技术创新重点专项项目，目的在于开展家庭网络技术和基本框架以及终端产品的研究和开发，使我国在家庭网络技术领域得以有序而迅速的发展。
    虽然智能家庭技术的发展在国际上已经历了近十年，但我国涉足该领域还是在这一二年。对我国在e-Home 领域可作如下大致的估计和展望：
    （1）2000年是智能家庭在我国的一个概念年，也就是广泛介绍和宣传智能家庭的概念，使中国的老百姓感觉到我们即将进入了智能家庭的时代。事实上，通过报纸、电台、电视和杂志等媒体的广泛的宣传，已经达到了这个目的。相当一部分的居民已经接受了这个概念，这可以从一些居民在选购新建的住宅时，往往要询问和关心住宅居室中的智能化程度，就可得到证明。各小区的开发商在住宅的设计阶段也已或多或少地考虑住宅的智能化设施，少数高档住宅小区也已经配备了比较完善的家庭网络，并在他们的广告宣传中纷纷以其作为销售亮点。此外，对科技发展动向和市场最为敏感的研究和产品开发机构及有实力的公司，已经看到了这个趋势和广阔的市场前景，开始或已经作了相关的部署和规划。
    （2）2001年是家庭网络的研究和开发年，家庭网络虽然在2000年已经引起了广泛的注意，但家庭网络从硬件和软件方面都具有很高的难度，在几个月或一年的时间内是不可能研究开发出来的，在国外完成这个过程一般要经过3-5年的时间。当然由于现在已有一些产品可供参考，所以在我国不再需要那么长的时间，但估计2-3年的时间是需要的。因此2001年是各个公司从概念和规划到开始研究和开发的关键年。根据以往类似产品（如彩色电视和VCD等）在我国的发展过程，可以估计到，有些公司可能会开始引进一些国外的产品。
    （3）2002年是一个智能家庭的实验年，即有相当一部分的中高档住宅小区和家庭将在控制和管理上实现真正意义上的智能化，所用的设备和软件应该是在前二 - 三年已经开始开发和研究的单位的产品和部分进口的模块。
    （4）2003 - 2004年是智能家庭在我国开始推广和普及的时代，因为在美国和欧洲已计划于2003 - 2004年全面普及家庭网络，所生产的家用设备都必须具有上网的功能和相应的接口。据估计，我国在该领域落后于他们的时间不会超过2-3年。真正的家庭网络的大市场应该在这个时候形成。
    从这张时间表看，清华同方在家庭网络技术的发展和相关产品的研究和开发的进度，比我国的一般进度要快1 - 1.5年。如果我们能抓住这个机遇，充分发挥我们的优势，其前景是可以令人乐观的。


    作者简介：清华大学自动化系教授，清华大学和清华同方智能化住宅联合实验室主任