家用電器即插即用技術規(guī)范的研究

摘要：目前國內市場推出的智能家居產品大多基于公司自定義的某種標準，由于未經長時間的應用驗證和業(yè)界的普遍認同，其技術有兩個明顯的缺陷：不同公司的產品無法互聯、互操；產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)協會標準（ＥＩＡ６００，ＥＩＡ７２１），參照微軟和消費總線委員會（ＣＩＣ）的簡單控制協議ＳＣＰ，以及家電即插即用技術規(guī)范（ＨｏｍｅＰｎＰ）模型，給出了基于該技術規(guī)范的構建技術。ＨｏｍｅＰｎＰ中傳輸協議的獨立性和上下文綁定等機制，使得不同廠家的家電互聯、互操和即插即用成為可能。

    關鍵詞：HomePnP SCP CEBus EIA600, EIA721

    智能家居要求家用電器經網絡（總線）實現互聯、互操和即插即用。目前，國內市場的相關產品大多基于自定義的某種技術規(guī)范，尚無得到廣泛認同的統(tǒng)一家電接口標準。從技術角度而言，更多意義上還是一種概念性產品。國家經貿委和信息產業(yè)部第七標準化小組將在２００３年推出有關智能家居網絡系統(tǒng)的標準，其中一個重要的標準就是家電的接口規(guī)范。智能家居產業(yè)的健康發(fā)展有賴于這一標準和規(guī)范的指導。

國際上主流的家庭網絡標準有：美國的Ｘ１０、消費總線（ＣＥＢｕｓ）、日本的家庭總線（ＨｏｍｅＢｕｓ）、歐洲的安裝總線（ＥＩＢ）。技術上并不先進的Ｘ１０，只支持開關量，用于面板開關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)協會（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ? ＥＩＡ）認為Ｘ１０協議已經不能滿足現代生活的需要，并在１９９２年發(fā)布了ＣＥＢｕｓ（Ｃｏｎｓｕｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｂｕｓ）協議，其目標是建立一個針對消費類電子產品的開放性協議。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的簡單控制協議ＳＣＰ，ＳＣＰ是微軟ＵＰｎＰ協議的子集。如果說Ｘ１０是在低技術層次上，通過簡單的操作來達到產品易用性，則ＣＥＢｕｓ是在高技術層次上，通過家電的互聯、互操和即插即用來實現產品的易用性。ＨｏｍｅＰｎＰ（ＨＰｎＰ）是ＣＩＣ制定的基于公共應用語言（Ｃｏｍｍｏｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｌａｎｇｕａｇｅ，簡稱ＣＡＬ）的家電系統(tǒng)相互協同進行互操的規(guī)范。ＨＰｎＰ不是一種語言，它為支持ＣＡＬ的家電提供統(tǒng)一的應用規(guī)則來實現家電的即插即用功能。
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１ ＨＰｎＰ中傳輸協議的獨立性

傳輸協議的獨立性是ＨｏｍｅＰｎＰ規(guī)范的最主要目標之一。 ＨｏｍｅＰｎＰ規(guī)范使生產廠家可以使用一個應用協議，并選擇合適的獨立的傳輸網絡（ＲＦ，ＰＬ，ＩＲ）。由于ＨｏｍｅＰｎＰ計劃運行于已有的消費電子產品協議如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。

家庭產品即插即用（ＨｏｍｅＰｎＰ）采用分層結構，通過三個主要的功能模塊來處理應用層和更高層的問題。如圖１所示。

最下層代表應用層及其相關的公共應用語言（ＣＡＬ），它包含在ＥＩＡ－６００（ＣＥＢｕｓ）、ＥＩＡ－７２１和ＥＩＡ－７６６標準中，從而免去在不同產品之間設置昂貴的語言翻譯網關。

上下文數據結構層代表各種各樣用ＣＡＬ句法開發(fā)而成的產品模型。通過定義安防、照明、環(huán)境、能源管理、家電設備、計算機和娛樂等的上下文，構成業(yè)界認同的家電產品模型。

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

２ ＨＰｎＰ的結構

ＨｏｍｅＰｎｐ通過５個不同層次的架構來實現家電的互操性。如表１所示。

HomePnP的架構

組成要素

CAL提供的構造模塊 設備，上下文，上下文號，對象，實例變量，CAL報告，HomPnP廣播和直接消息傳輸 HomePnP采用的構造模塊 子系統(tǒng)，狀態(tài)對象，偵聽對象，請求對象，傳感器信息共享，報警和故障診斷報告，家居模式 子系統(tǒng)間的互操性模塊 松耦合，動態(tài)上下文序號，狀態(tài)信息廣播，狀態(tài)向量，自動綁定和手動綁定 子系統(tǒng)內的互操作模塊 緊耦合，安裝工具 其他的互操需求 設備啟用，設置，資源管理，消息處理，認證和加密的傳輸需求

下面，僅對ＨｏｍｅＰｎＰ構造模塊和子系統(tǒng)互操模塊進行介紹。

２．１ 子系統(tǒng)?ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ?

子系統(tǒng)是家庭控制網絡中功能相似和相關的設備和設備集。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上下文分別負責一部分的控制功能。ＨｏｍｅＰｎＰ的子系統(tǒng)可以只存在一個設備當中，也可以分布在多個設備當中。

２．２ 狀態(tài)對象，偵聽對象和請求對象

在ＣＡＬ中按照設備的功能預定義了多種對象，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)或數據；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，并能夠根據接收的內容調整自己的工作。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絡中，請求對象引起設備改變狀態(tài)，接著狀態(tài)對象公布設備狀態(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。這三種對象構成各子系統(tǒng)并通過松耦合實現互操作的基礎。

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)提供了表示當前家庭狀況（如在家，離開，休息）的通用方法。通過接收關于這個上下文的ＨｏｍｅＰｎＰ廣播，所有子系統(tǒng)可以根據它們自己的設計來調整相應的行為。這種方法為家庭控制系統(tǒng)提供了一個完整和協調的解決方案。

３ 互操性及其相關概念

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

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、指示面板與電風扇綁定，用戶操作控制面板發(fā)出控制信號到電風扇的偵聽對象，電風扇的工作狀態(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描述的報告內容的數據格式。當報告地址采用廣播地址的時候，所有的設備都可以聽到這個消息，但是不是所有的設備都會處理這個消息，因為有些設備沒有報告中指定的目的對象。因此，一個傳感器設備可以按照規(guī)定將測量得到的信號根據ＨｏｍｅＰｎＰ的要求以ＣＡＬ報告的形式發(fā)送到網絡上；在其它設備中構造一個目的對象，也就是偵聽對象，就可以獲取這個信息。

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。當然，偵聽對象可以選擇接收哪一個設備發(fā)出的狀態(tài)消息，這就是“缺省綁定”。

某個狀態(tài)設備正常工作時，用缺省綁定的方法把信息廣播到網絡上，它并不關心那些設備收到了消息。其它設備中只要有一個對應的偵聽對象就可以獲得這個信息，這樣就可以省略數據鏈路層的綁定過程。由于收發(fā)設備之間沒有明確的地址聯系，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結構采用子系統(tǒng)松耦合等新思想，使設備的復雜性可按自然形態(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，使得廠家在設計產品時不必詳細了解其它廠家的產品。例如，我們可以設計一安全系統(tǒng)：如果窗戶打開時空調器被啟動，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器的報告。安全系統(tǒng)可以根據自己的設計決定使用或者不使用這個信息。請求對象也可通過網絡引起狀態(tài)變化。

３．３ 系統(tǒng)內的互操性

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”（ｔｉｇｈｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）。由于緊耦合有明確的目標地址，因此可以減少網絡沖突，并可以采用立即響應的方式。

子系統(tǒng)內的互操一般采用緊耦合的方式，如溫控器和空調的關系，開關和燈的關系等等。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)。其結構如圖４所示。狀態(tài)對象和偵聽對象主要用于子系統(tǒng)內互操，而請求對象一般用于系統(tǒng)間互操作。在子系統(tǒng)Ａ的控制器中實現一個狀態(tài)對象，執(zhí)行機構中實現對應的偵聽對象。當用戶操作控制器、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)行機構根據這個狀態(tài)調整自己的工作。請求對象存在于另外一個子系統(tǒng)Ｂ中，當它要改變Ａ中執(zhí)行機構的運行時，就向這個子系統(tǒng)的狀態(tài)對象發(fā)送命令，從而實現子系統(tǒng)間互操。

典型的應用是這樣的：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系與一些的傳感器關聯，可自動控制執(zhí)行機構。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備中，通過綁定關系建立關聯，它們之間的信息交換屬于子系統(tǒng)內互操；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)都有復雜的組織結構。圖５為基于ＣＥＢｕｓ的家庭智能住宅結構圖。

說明：圖５中，每個白框代表一個設備，它們的連接是對等的，因此，每個設備都具有嵌入式的網絡接口，都連接在電力線或雙絞線上。用戶對設備的控制方式有：用設備自身的按鈕控制；自定義控制面板上按鈕的功能，實現對其他設備的控制；用語音控制模塊實現語音控制；在電視機上可以查找到所有的設備并進行控制；用ＰＤＡ等手持設備控制設備；設備之間可以互相操作，簡稱互操；利用計算機實現對所有設備的操作和設定；可以在遠程與嵌入式的家庭網關連接，從而實現遠程操作。

遵循美國電子工業(yè)協會標準（ＥＩＡ６００，ＥＩＡ７２１），參照微軟和ＣＩＣ共同提出的簡單控制協議ＳＣＰ以及家電即插即用技術規(guī)范模型，開發(fā)了基于該技術規(guī)范的構建技術。應用研究成果所開發(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。獲行內專家和有關領導的肯定。借鑒國外相對比較成熟和可靠的技術與國際標準兼容，是開發(fā)智能家居及其相關產品的一條比較穩(wěn)妥的技術路線。

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