典型数字家庭设计实例集锦（二） 网络技术, 信息

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三、基于电力线数字家庭实现方案
　　摘要：分析了电力载波数据通信的特点，介绍了几种典型的电力载波芯片，提出了一个基于电力线的数字家庭实现方案。
　　关键词：电力线　电力线载波　数字家庭
　　信息时代的来临，使信息家电日益受到市场和厂家的关注。伴随着网络技术的发展与迅速普及，人们的生活方式正在发生深刻的变化。所谓数字家庭的概念和现实需求正渐渐向我们走来。
　　数字家庭作为一个动态过程，应该包含三方面的内容：（1）信息产品的家电化，如机顶盒、web游戏机、web电视、web电话，还有掌上电脑、手持PC、可穿戴PC等所有能通过网络系统交互信息的消费类电子产品；（2）传统家电的数字化和网络化，如电冰箱、洗衣机、微波炉等植入数字网络技术，使之工作于家庭网络环境的基础上；（3）基于家庭网络环境开发出的新的应用模式。
　　数字家庭的实现面临着两方面的问题：（1）家庭信息需求的具体化，即数字家庭的概念模型到实际模型，国内外都进行了一些有益的探索；（2）技术解决方案，包括网络接入方案和设备互连方案。蓝牙技术为设备间的无线互联提供了一种理想的解决方案。由于价格上的原因，该技术的普及还有一些困难。居家所固有的低压电力线布线结构为实现设备的数字互连提供了一种潜在的可能。本文试图对电力线数据传输的特点进行分析，介绍几种现有的电力线载波芯片，并提出一种基于电力线布线结构的数字家庭实现方案。
　　1 电力线数据传输的特点
　　本文所指电力线是指用户端低压电力配线网，其主要功能是传输50Hz的工频电能。利用电力线实现数据传输即采用电力线载波技术。由于电力线本身不是为通信设计的，因此其特性在很多方面难以直接满足载波通信的要求。从通信角度来说电力线对数据传输还有一系列技术上的难点，其主要特点如下：
　　（1）配电变压器对电力载波信号的阻隔。配电变压器主要实现50Hz工频电能的变换，因此对高频电力载波信号起阻断作用。这使得电力载波数据传输的范围受到一定的限制。通常只能在一个配电变压器范围内或更小的范围内传送。
　　（2）三相电力线间有效信号的损失（10dB~30dB）。由于信号跨越相线时要与配电变压器的副边发生关联，必然引入衰减。对于近距离，不同相之间或许可以收到信号。但是距离一远就比较困难了。这是对电力载波传输范围的又一个限制因素。通常电力载波信号只能在单相电力线上传输。
　　（3）电力线本身固有的脉冲干扰。目前使用的交流电有50Hz和60Hz，则周期为20ms和16.7ms。在每一交流周期中，出现两次峰值，两次峰值会带来两次脉冲干扰，即电力线上有固定的100Hz或120Hz脉冲干扰，干扰时间约2ms。固定干扰必须加以处理。有一种利用波形过零点的短时间内进行数据传输的方法，但由于过零点时间短，实际应用与交流波形同步不好控制，现代通讯数据帧又较长，难以应用。
　　（4）电力负载对载波信号衰减。当电力线上负荷很重时，线路阻抗可达1Ω以下，造成对载波信号的高衰减。实际应用中，当电力线空载时，点对点载波信号可传输几公里；但当电力线上负荷很重时，只能传输几十米。因此，只有进一步提高载波信号功率来满足数据传输的要求。提高载波信号功率会增加产品成本和体积，而且，单一提高载波信号功率并不是有效的方法。
　　（5）电力设备产生的噪声干扰。电力线上接有各种各样的用电设备，阻性的、感性的、容性的，有大功率的、小功率的。各种用电设备经常频繁开闭，会给电力线带来各种噪声干扰，而且幅度比较大。用藕合电感从电力线藕合下来的噪声一般在10mV以上，而一般传输的数据信号会削减到1mV，如不采用电力线专用modem芯片来解调数据信号，通讯距离会相当短。
　　（6）电力线引起数据信号畸变。电力线网本身是一个分布参数的网络，不同点对数据信号影响是不一样的，同时电力线时刻动态变化，不同时间对数据信号影响也不一样，这就使发出的规则数据信号经过电力线后，严重变形、参差不齐，必须加以特殊处理。
　　基于以上六个特点，电力线作为数据信号的传输介质不是特别理想。进入20世纪90年代以后，随着通信技术的发展，电力线载波技术已经获得了重大突破。1997年10月，英国联合电力公司的通信子公司Norweb公司与加拿大Nortel公司联合宣布已经解决了电力抗干扰等问题。1998年夏天，Norweb 公司已为英格兰西北部的2000个居民和商业用户提供通过电力线的因特网服务，速率达到了1Mbps，比现行的ISDN高10倍。1999年3月11日，德国RWE能源股份有限公司和瑞士Ascom公司在德国莱锡林根向公众展示利用电力网线传送电话和数据的技术，用户通过低压电力线以高于现在ISDN 20倍的速率在因特网上传输和浏览数据。1999年4月，一家以色列公司和一家美国公司也宣布，他们正在联合开发借助公共电力网传送因特网数据的新技术，1999年内将使因特网传输速率由50Kbps提高到1.5Mbps，未来一两年内提高到10Mbps。
　　2 现有几种电力线载波芯片
　　实现电力线载波数据传输的关键是要克服电力线上所存在的问题，归结起来就是功能强大和性能优越的电力线载波专用modem芯片的设计和应用。国外很早对电力线载波通讯技术进行了研究，多家公司推出了自己的电力线载波modem芯片，并制定了电力线载波适用频率范围的标准。目前有针对北美洲地区电网（480Y/277V，208Y/120Vac）的标准频率范围100kHz~450kHz和针对欧洲地区电网（400Y/230Vac）的标准频率范围9kHz~150kHz。各家公司在标准频率范围下，针对本地区电网特点，采用各种特定专有技术，设计出各自的电力线载波modem芯片。由于国外电力线载波modem芯片是针对本地区电网特性、电网结构，且一般是针对家庭内部自动化而设计，在国内使用都难尽人意。目前，有一、两款电力线载波modem芯片在一定应用领域可勉强使用。国内可使用的电力线载波modem芯片有以下几种：
　　（1）XR2210/XR2206套片或LM1893
　　这是比较早的电力线载波芯片。XR2210/XR2206是一组FSK方式的调制解调芯片，并不是专门针对电力线载波通讯设计的，还可用于有线和无线通讯。LM1893是美国国家半导体公司生产的modem芯片，采用FSK调制解调方式。它只是对一般FSK调制解调芯片稍作改进，目前，这两款modem芯片在国内基本没有采用。
　　（2）ST7536
　　ST7536是SGS-THOMSON公司专为电力线载波通讯而设计的modem芯片。由于它是专用modem芯片，所以除有一般modem芯片的信号调制解调功能外，还针对电力线应用加入了许多特别的信号处理手段。目前，在国内电力线载波抄表领域应用广泛，只是各公司应用水平不同。ST7536是半双工的FSK modem芯片，600bps时灵敏度为2mV，1200bps时灵敏度为3mV。它针对电力线载波通讯采用了数字滤波器、AFC（自动频率控制）、ALC（自动输出幅度控制）以及软件上的3字节容错等现代通讯技术。ST7536也是较早的电力线载波modem芯片，调制解调技术是较落后的FSK方式，加上3字节容错，最高波特率只能达到400bps。另外它无CSMA（网络载波侦听）功能，这些限制了它的应用。目前，在国内电力线载波抄表领域，ST7536是最适合的modem芯片。但它通讯距离不是很理想；需要作中继器时，通讯速度太慢；它是每位中断一次，按1200bps计算，每833μs中断一次，对更复杂的应用来讲，833μs间隔短了一点。
　　（3）SSCP300
　　SSCP300是Intellon公司采用现代最新通讯技术设计的电力线载波modem芯片。它采用了扩频（Chirp方式）调制解调技术、现代DSP技术、CSMA技术以及标准的CEBus协议，可称为智能modem芯片，体现了modem芯片的发展趋势。但在国内电力线载波抄表领域使用效果还不如较早的ST7536。究其原因，SSCP300是Intellon公司按北美地区频率标准、电网特性，特别针对家庭自动化而设计的。频率范围100kHz~400kHz，电网电压480Y/277Vac、208Y/120Vac、60Hz。它可采用线－地藕合方式。由于针对家庭自动化，主要一家一户式独立住宅，所以在通讯距离上，它还采用陷波器隔离，防止干扰邻近住宅。因此比较适合基于电力线网的家庭局域网的应用。
　　（4）PLT-22
　　PLT-22是Echelon公司最新电力载波收发器，它是针对工业控制网而设计的。它采用BPSK调制解调技术以及多种容错及纠错技术，目前在中国电力线网上应用效果较理想。但是由于它是Lonworks网络专用，而且价格太高，因此在市场普及上有一定的困难。
　　3 实现方案
　　数字家庭一个主要应用领域就是基于网络实现对家电的控制，如网络空调、网络冰箱、网络电饭锅等。家电网络化的目的在于实现用户对家电的异地远程监控，如通过Internet对家里的空调进行遥控操作，包括开机、关机、温度调节等。另外，家庭电器设备与相关机构的互连，如网络冰箱可以将冰箱内的物品消耗和存量情况通报物流配送公司。物流配送公司将根据用户的消费习惯及时补充物品。
　　基于电力线网信息家电的实现方案可以包含两个部分：一是家庭局域网与外部的连接?二是基于电力线布线的家庭局域网。家庭网与宽带城域网的外部互连方式有多种，目前比较流行的大概有三类：
　　（1）HFC方式：采用现有的CATV传输网络双向功能的开发，实现用户的宽带接入。
　　（2）ADSL方式：利用电话线实现用户宽带接入的经济而有效的方法。
　　（3）LAN方式：利用小区局域网技术，采用双绞线构建楼宇用户内外的宽带互连方式。
　　组建家庭局域网的内部接入方式也有多种形式，目前正在积极实验和试图投入商业应用的主要方式有以下几种：
　　（1）无线方式：以蓝牙技术为代表的近距离无线接入方式在信息家电领域有较大发展。但是由于价格上的原因，普及应用上还有一些困难。
　　（2）双绞线方式：采用分离的专门网线实现信号的传递，这在实际使用时有诸多不便。
　　（3）电力线方式：由于采用与电器供电线路一体化的信道方式，可避免重新布线。便于电器的任意移动。尤其适合网络接入部分的嵌入式设计。一个基于电力线网的数字家庭实现方案如图1所示。

　　

　　在该方案中家庭内部的互连通过电力线实现。其关键设备是电力线耦合器和电力线modem。这两部分可以作为一个整体嵌入在各个信息家电里。这种设计理念将有助于构建完整的一体化数字家庭，而且无需增加附加的布线资源。
　　图1中，智能家庭网关是一个独立、智能、灵活多变、标准化的家居网络系统接口单元。它通过各种途径（如Internet、WAP、电话、手机等）从多种多样的外部网络接收通信信号，然后通过家庭内部网络将信号传送到特定的用户设备上，并将相应信号反馈给外部通信节点，实现整个远程交互过程。
　　智能家庭网关是智能家庭局域网的核心部分，主要完成家庭内部网络各种不同通信协议之间的转换和信息共享及同外部通信网络之间的数据交换，同时网关一般还负责家庭智能设备的管理和控制。为适用于普通的家庭用户，网关一般设计为非PC廉价设备，采用嵌入式Internet技术和高性能微处理器。
　　智能家庭网关应具备以下功能：
　　·Internet接入功能；
　　·简单的modem功能；
　　·Web服务器功能；
　　·简单的内部网络协议转换功能；
　　·智能家居控制和管理功能；
　　·简单友好的用户操作界面；
　　·具有系统升级和重构功能。
　　用户可以在任何地方通过Internet、宽带城域网与家庭智能网关建立连接，再通过智能家庭网关与家庭内部的任何一台信息家电或控制装置相连，从而实现对家庭内部各种电器的控制以及其它信息的监控。家庭用户终端和各种信息家电也可以通过智能网关与Internet或外界沟通。这样使得整个家庭以数字方式与外界构成一种互连关系。
　　传统家电向信息家电的过渡是一个必然趋势，在这一过程中即有传统产品的升级改造问题也有新产品的开发问题，其核心问题还是数字化。数字化只是一个手段，网络化才是其真正的目的。数字家庭的实现是信息家电基于完善的家庭网络平台的系统集成。而电力线网在家庭网络平台的构建中具有极大的开发潜力。因为电力线网可以说是世界上现有分布最广、与普通家庭关系最为紧密的有线网络结构。如何充分利用现有的电力网络承载电话、数据和电视信号是一个很有价值的研究课题。
　　由于我国电力线网与国外电力线网的差异，目前还没有真正适合国内电力线网特性的载波通讯的modem芯片。另外，由于中国的电网特性、电网结构、居民住宅分布状况、电力线载波通讯的应用领域等方面与国外也有很多不同之处。电力线载波通讯modem芯片是制约国内电力线载波通讯市场迅速增长的主要瓶颈之一。同时也延缓了中国用户对电力线载波通讯技术的认同和接受。针对国内电网特性、住宅结构、市场要求等情况的深入研究，通过对国外电力线载波通讯技术的深入了解，利用国外先进的现代通讯技术，开发适合国内电力线载波通讯modem芯片将具有极其广阔的应用前景。
　　针对数字家庭所进行的技术创新应该包含两个方面：一是技术本身的创新，如新型modem芯片的开发；二是应用模式的创新，如家居网关的模型、数字家庭的应用模式等。从某种意义上说后者比前者还要重要。换句话说，设计出人们愿意接受的数字家庭应用模式在引导人们需求的同时也会对技术产生巨大的推动。
四、谁将是数字家庭网络无线传输的理想选择？
　　从各方面汇集的信息来看，数字家庭无疑将是消费电子行业中下一个热点。几乎所有的主要半导体公司向该领域发力，半导体巨头TI更是将该领域作为续写其DSP辉煌的舞台。围绕数字家庭的控制权，出现了电视（以电视为核心）、电信（以网络网关为核心）和IT（以PC为核心）三大派别。然而，数字家庭究竟是什么？具有什么样的内涵？围绕数字家庭究竟能为用户演绎出多少“故事”？无论是业内专家，还是消费者虽然都有无限的遐想，但还是很难用三言两语给出一个统一的解释。但可以肯定的是，数字家庭所赋予的内涵会越来越丰富，但这是应用层的事情！而支撑这些丰富应用的底层技术，或者说组网技术将会是怎样的呢？
　　有线媒质在数字家庭传输中受到制约
　　尽管对于很多新装家居来说，可能有各式各样的布线，包括电话线，同轴线，网络类线乃至光纤。尽管这些布线在混合组网中可以发挥一些作用，但是最大一个问题就是无法满足移动性，也无法升级，成本也很高。电力线作为数字家庭的传输媒质，目前已经以HomePlug标准的形式得到了验证，包括Arkados的多家公司都推出了HomePlug模块，数据传输测试效果还不错，从覆盖面上都比其他有线技术要广，似乎比较适合大量的低端主流用户，但就中国的现实情况来看，线路上的浪涌和高压安全问题制约其短期内还难有尚好表现。由此，有线媒质所受的制约将成全无线媒质担当数字家庭中的组网重任。

　　

　　图1：以WiFi为主构建数字家庭网络传输网。

　　WiFi能成为家庭网络的理想支持？
　　说到WiFi，的确有一个很有趣的事情，即数年前许多专家都认为WiFi即将消亡，因为它有太多的局限了，归根结底就是它没有漫游功能，不能自组网，从而只能成为其他技术的附庸。再就是该技术缺乏竞争力的盈利模式。但是，近年来的发展情况却令许多专家跌破眼镜，WiFi的出货量连年激增。目前已成为无线联网的主流技术。然而，另一方面，投入巨资建设WiFi网络的运营商却无利可图，甚至不断亏本，最后高兴的只是芯片制造商，原因就在于WiFi受到其他技术的挤压，没有明确的独立盈利模式。
　　但是，数字家庭似乎为WiFi找到了一个可以独担大任的发挥场合。它使用开放频段，采用直序扩频，最大数据传输速率为11Mbps，也可根据链路衰落状态把传输率动态调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps带宽。无需直线传播传输范围为室外最大300米，室内有障碍的情况下最大100米，足以满足家庭应用，其“无线保真”的本意似乎也和家庭娱乐需求更为贴合。所以，无论是从传输率，还是覆盖都好像很符合数字家庭的应用。当然，也不乏与其激烈竞争的技术，WiMedia 阵营的UWB就是其中一项。Pluse Link的CWave采用的就是这种技术。UWB采用了很多颇具优势的底层技术，包括MIMO，OFDM，数据率目前已经高达近1Gbps。但这项技术侧重的高数据率，其过短的覆盖距离将会制约它在数字家庭中的表现。
　　数字家庭的一个必不可少的功能就是与外界的互连问题。如今，802.11g是WiFi最成功的无线标准。基于WiFi的特性，使得该技术与网络层的无线技术显得更为友好。这可能就是该技术目前在数字家庭领域占据较大份额的原因之一。Broadcom公司无线连接集团无线局域网络（WLAN）事业部副总裁兼总经理Michael Hurlston认为，WiFi如今已经成为数字家庭的最理想的支撑技术。他的理由很简单：那就是针对今天的各种应用，Wi-Fi能够以消费者可以承受的价格提供足够的带宽和覆盖距离。近些年来，Wi-Fi制造商们已经在产品安全性和易用性上取得了可喜的进步。其带来的直接结果，就是Wi-Fi市场的持续膨胀，以及针对各种特殊应用出现的不同变体。另外，他认为随着802.11g逐渐下降的价格、功耗以及技术集成度，将会持续推动其进入数字家庭应用市场，包括移动电话、打印机和媒体播放器。
　　还有一个不可忽视的因素，就是802.11n正在迅速成为无线PC和路由器的事实标准，这将为高速数据传输应用提供了额外的支持。这些应用包括数字家庭中的视频流传输，3D游戏等。802.11n为WiFi提供的5G频段，更是为WiFi添加了新的动力，使之具备了进入包括机顶盒、高清电视、媒体播放器等消费类电子领域的能力。“通过两个标准的互补，使得WiFi生态环境将继续改进人们在家庭中的沟通方式以及对媒体节目的享受体验”，Hurlston认为。
　　但另一方面，无论是802.11g，还是802.11n，其频率的衰落特性在数字家庭中都将受到考验，尤其是后者。需要考虑的应该是事情的两个方面，一方面要考虑建筑物衰落特性对应用QoS的影响，另一方面还要考虑加大功率时产生的综合EMI问题。尤其是中国单元式住房结构与西方国家有很大的不同。
　　ZigBee还能否赶上数字家庭的盛宴？
　　数字家庭中有很大一块任务属于控制域，即传感器网络的范畴。涉及到安全监控，自动抄表，远程控制和维修，各种电子电气设备的控制等。这类任务无需太高的传输速率，但可靠性和网络体系更为主要。这些特性似乎决定了ZigBee成为其最为理想的选择。飞思卡尔香港有限公司无线与移动系统事业部市场经理邝景亮就是如此认为的，他说：“ZigBee具有路径选择、自动连结网络及自我恢复等主要功能，非常适合数字家庭中的监控、控制与感测式网络应用”。但他同时认为，目前由于设备更新和成本问题，ZigBee将首先仅在灯光控制中得到应用。

　　

　　图2：ZigBee网络中的三级设备类型。

　　ZigBee协议定义了三种节点类型-网络协调器、路由器和终端设备。ZigBee网络协调器是整个网络的中心，它负责的功能包括建立，维持和管理网络，分配网络地址等。协调器可以通过选择网络的工作信道和个域网识别标志（PAN ID）来启动一个ZigBee网络。一旦网络启动，路由器和终端设备就能加入网络并通过网络发射和路由数据。该网络具有严格的级别管理，终端设备不能参与路由数据，因此在不发射和接收数据时可以休眠。这些特点恰恰与数字家庭中的控制功能相匹配。ZigBee的覆盖距离最大为近100米，这点与家庭应用也比较贴合。
　　其实，ZigBee还有另外一个优点，那就是工作频段问题。该技术除了ISM频段外，还支持其他多个频段。有不少工程师认为400M和800M频段对数据家庭网络可能都是不错的频率选择。的确，这些频段对中低速数据传输有优势，尤其是许多公司都有成本很低的收发器模块。从而在成本上更有优势，另外，也有利于无线电爱好者开发相关产品，从另一个方面促进数字家庭网络的推广。
　　然而，ZigBee网络也存在着一些问题，如由于网络地址重复和更改而造成的寻址机制的缺陷，面对目前不断增加的组网能力和安全需求，协议中的存储容量难以满足802.15.4MAC/PHY、ZigBee网络层以及其他所期望的应用功能需求。还有一个关键缺陷是，ZigBee不能够像蓝牙技术那样，支持信道的动态切换。这对未来数字家庭中WiFi，ZigBee混合组网以及QoS的保证都将是一个挑战。
　　除了技术本身，ZigBee联盟自身存在的问题也对该技术能否在数字家庭中大显身手蒙上一层阴影。那就是如何针对现有协议标准进行升级的问题。由于商业利益，标准的几大关键发起厂商各说各话，都不愿放弃对己有利的条款，始终难以达成有效的折衷。也正是这一点，使得该标准的进展就像老牛拉破车一般缓慢。
　　也正是由于上述因素，迫使不少厂商另辟新径，许多准ZigBee的解决方案不断涌现。如ST，Jennic，Maxstream以及富昌电子等公司的简易ZigBee解决方案。这些简易方案已经在家庭控制等许多方面得到了不少的应用。
　　从目前的态势来看，市场需求对ZigBee的压力似乎还不够大，因为数字家庭技术还处在探索阶段，受社会服务器网络以及管理体制等多方面的制约，中国的数字家庭市场似乎还不会那么快膨胀，这给ZigBee提供了喘息的机会。但笔者认为，任何时候都不要忘记中国消费者在这方面的超前习惯，早期培育有利于厚积薄发。
　　家庭网络中的QoS和安全更为关键
　　虽然不同于运营商级网络，数字家庭网络中的QoS也是非常关键的。关于保证QoS的MAC，如今的数字家庭解决方案中似乎少有人提及，而是将注意力都放到了带宽上。实际上，数字家庭网络的QoS的重要性只会比现有局域网更高。试想，当你正在全神贯注地欣赏点播的高清节目，谁能乐意不断地被其他不相关的业务所打扰？
　　值得欣慰的是，已经有公司注意到了这个问题的重要性。已经有公司推出支持IEEE802.15.3b MAC的芯片。这种MAC是支持IP的，从底层开始设计。利用该MAC，就能支持同步的数据流，实现数字家庭中不同地点的大容量娱乐内容的可靠配送。
　　还有一个关键就是数字家庭网络中的安全技术。目前，已经很多人将个人金融或家庭银行列入数字家庭中不可或缺的一部分。的确，在家里办理各种金融业务及理财，似乎在地理上非常安全，再也不用担心偷拍偷录等侵犯金融安全的行为，还解决了随时的问题。但随之而来的就是网络安全问题。这不仅是传输网络的安全，而且无论是哪种控制核心，其本身也都是必须考虑的安全环节。