统一集成标准促进中国特色的智能家居产业化

文｜全国智能建筑及居住区数字化标准化技术委员会 谢后贤

智能家居经过十多年的发展，已成智能建筑不可分割的一部分，却仍被视为一种概念产品。技术标准不统一、技术混乱、安装困难等令智能家居未能实现突破，更令家电企业无所适从，不知采用何种技术和接口，欲上不能。标准化已经成为了推动智能家居发展的必由之路。

1 集成融合时代和物联网发展的挑战

智能家居是指以住宅为平台，由各种家电产品、照明系统、环境控制系统等集成的家居智能管理系统。建设智能家居的最终目的是实现家电设备自动化和连接通信网络系统的服务和管理，向人们提供一个安全、高效、舒适、便利的家居环境。智能社区在近十几年中得到了长足的发展，已形成有相当规模的市场。由于其技术难以成套引进，促使国内的智能家居公司大量开发生产适用的智能社区产品。各家公司基本上都是各自为战，自己设计自己的控制系统、部件和零件，形成了一定的规模产业。

然而，对于智能家居，仍然存在多种差异的理解，这是应用环境及时代背景的影响造成的。从住宅智能化的应用环境来看，中国与西方发达国家的差异很大。以美国为例，大多数的私人住宅是独门独户的，多数家庭拥有一台，甚至两台以上电脑，家庭联网的主要目的是远程办公，Internet接入多采用单户接入，家庭网络均采用计算机网络及其扩展总线网络。而我国住宅智能化当前的重点和今后的发展方向将以社区的数字化、自动化和网络化为主。我国家庭的计算机拥有量仍然很少，应用水平也较低；在家庭网络的发展方向上，人们均看中“非PC类网络”，即用非PC类设备接入互联网（或以太网）；家庭联网的主要设备是信息家电，而不是计算机。此外，相对于我国居住小区的建设规模，我国的计算机信息管理和物业管理的专业开发维护人员还很缺乏。这些就是我国大众消费水平和观念的现状和出发点。

在当前的此种应用环境下，将国外已有的现成技术直接应用于我国的社区智能化将是难以成功的。智能家庭信息平台是与人民群众生活密切相关的家庭信息产品，应用面很广，不仅涉及巨大的经济利益，更对国家安全有着重要的影响。作为一个社会主义大国，我国目前并没有解决不了的网络技术问题；因此从保障国家信息安全的角度看，必须千方百计掌握其主动权。

基于这样的消费特点和观念，我国的智能社区集成系统应该具有如下特点：知识产权是中国化的，技术理念是大众化的，开发维护应高度统一而又“简单化”，使用操作是“傻瓜化”的，即中国化、大众化、“简单化”和“傻瓜化”。

从技术角度考虑，我们必须与新世纪的技术发展相适应。20世纪90年代，Internet国际互联网席卷了全球，几乎成了各个领域发展进步的动力——并非牵动单一行业，而是席卷了通信、控制、计算机和信息、微电子，以及仪表制造和家电制造等众多行业。进入21世纪后，智能建筑涉及的这些专业领域都经历了世纪转变，纷纷跨入了新纪元。控制和现场总线领域在经历了几十种协议标准及十多年的混战之后，进入了与互联网技术相结合的控制技术的新时代。通信领域在新世纪更是日新月异，无线通信和宽带接入已经从根本上改变了人们的生活方式，成为了智能建筑技术的亮点。在IT领域里，互联网进一步发展了Web服务的概念，使万维网技术进入了一个Web服务的新时代，成为我们不得不考虑的前瞻技术。随着半导体工艺的迅速发展及大规模集成电路设计的普及化，在一个硅片上实现一个极为复杂的系统（片上系统，即SOC）的时代已来临。新世纪，我们进入了一个嵌入式Internet时代。各种各样的SOC芯片像雨后春笋，正悄悄地进入人们的日常生活：在手机、相机、电话机、PDA中，在测量仪表、智能设备、各种家用电器中，简直无孔不入。

这些领域的技术进步，不断激起消费需求的增长，这就是物联网应用雪崩式发展的原动力，也就是融合了多种行业技术的物联网大集成应用出现的原因。物联网形态的应用发展又促进了各行各业业务的融合和集成，改变着各行业的运行模式和形态。我们必须使我们的智能家居技术适应时代的变化，使之具有完全的开放性、先进性和前瞻性，并具有良好的与国内外的现代技术的兼容性（四性）。

2 相关技术的融合——智能家居系统的综合集成化

在对智能家居系统进行讨论的时候，人们往往会为若干的“差异性”所迷惑——电视、电信、空暖、安防、火警、抄表等众多家居设备之间的差异、设备功能的差异。这些设备以往一贯按照各自的专业要求各行其是、各执一辞，以至有“三网融合”的要求，于是就需要“综合”：实施综合布线、实现控制网与信息网的兼容、搭建综合集成管理系统等。

首先需要综合的是各种控制网。各类控制对象千差万别，因而各类设备分类描述方法各异。虽然自动化技术在发展，但三代技术仍在并存：DDC（直接数字控制）在不少安防系统中还有应用，但其可靠性很差；第三代技术FCS（现场总线控制系统）虽然先进，但应用于中国的家庭网络时问题甚为突出——国外的每种总线都有其产生的背景和应用领域，并不能作为中国智能家居的通用控制总线；多数外商只想占领中国市场，其技术并未真正开放；开发技术相当复杂，国内掌握技术的人员较少，推广难度很大。因此综合考虑的结果是必须设计一种适合多数家居设备与建筑设备使用，有中国自主知识产权的，与TCP/IP兼容的，具有中国大众化特点的总线。随着技术的进步，出现了一些无线局域网和无线个域网的国际标准，特别是基于IEEE 802.15的蓝牙无线个域网（IEEE 802.15.1）和ZigBee无线个域网（IEEE 802.15.4），是通用的无线控制网络。

其次要“综合”的是“网络化”——必须连接所有的家居设备，组成统一的信息管理网络，且要与Internet连接，享有网络服务和远程通信，因此要解决内外环境的差异化、控制网与信息网的兼容、“三网融合”等问题。目前采用的小区局域网（以太网）已是很成熟的方案，同时家居控制网络不宜采用TCP/IP协议也成为了国内的共识，因而必须在控制网与以太网之间建立一个能为各控制子网通用的网关（家庭网关）。这个网关除了负责转换控制网至以太网的协议，还应具有以太网交换机（或Hub）的功能，以便在家庭中实现数字音视频的传播（IP电话和数字电视）及上网浏览、VOD点播、视频电话、远程教育等多种应用。参考新世纪集成电路技术的发展，还应具有嵌入式Web服务器的功能，具有加密设防的网关，以保护家庭的私密。如果将这样的网关作为控制网的协议转换器，则各种控制子网可以采用相同或不同的媒体（有线、无线、电力线）和通信协议（简单控制或各种总线协议），有利于根据不同的要求采用各种特殊的协议，通过网关实现所有子系统的融合与兼容。随着物联网技术应用发展起来的“家庭智能终端机”就是一种采用无线可视对讲远程控制的多种接入方式的家庭智能网关设备。

再次要“综合”的是网络应用层的信息描述和控制协议。家居设备种类繁多，各种设备差异很大，且各有对自身功能信息的描述方式，以及操作这些功能的控制协议；不同专业的制造商同样差异巨大，也都有各自的描述方法和控制协议。要对这些信息描述和控制协议予以统一，的确非常困难。

回顾Internet技术的发展历程，为解决异种计算机联网和信息交换的问题，由最初的TCP/IP协议网络发展到浏览器/服务器结构，才使得万维网得到普遍应用、国际互联网被大众所接受。其中超文本标记语言（HTML）和浏览器技术的应用十分关键。有人说HTML（及HTTP、URL）是由天才发明的，因为它具有独立于主机的代码和语法结构，能够被异种计算机所识别，因而成为了Internet迅速发展的主要因素。它的诞生就为了方便所有参与者共享信息资源，这无疑是一次伟大的“综合”。而今天我们已经有了更为强大的标记语言——XML（可扩展标记语言），在它的基础上已经生成了多种标记语言，例如化学标记语言（CML）、数学标记语言（MathML）等几十种XML的应用程序。我们应该可以综合创造一个“家电网络标记语言”，使得住宅和家居的千差万别的设备都可以用它来描述，并且将描述方法和控制协议两者统一起来，为构建真正实现统一识别的社区集成信息管理系统奠定基础。

总而言之，要“整合”，要对多个专业及领域的理念在更高层次上予以融合，就必然要打破某些专业及领域的一些现成习惯，用新的综合的理念去处理和解决面前的新问题。这需要合理地利用各个领域及专业的技术成果，特别是对一些先进的、前瞻性的技术成果进行演绎推广应用，实现更广泛的综合应用。

3 各种智能家居解决方案的比较

将以上集成系统的要求归纳起来，不外乎要符合中国实际情况，同时引入新世纪的新技术。下面就按照这些要求，对目前国内外的智能家居系统解决方案进行考察比较。

3.1 在设备和家用电器上直接采用TCP/IP协议的方案

“网络家电”和“IGRS设备”方案是此类方案的典型，其思路是在设备上应用TCP/IP协议，或嵌入一个Web服务器。

这意味着设备控制网的网络层和传输层采用TCP/IP协议，直接采用以太控制网。其优点是可以直接与信息网集成，形成统一的管理网络。但是，支持TCP/IP协议将占用大量系统资源，对单片机或MCU要求较高。这种高要求对于计算机或复杂的信息设备来说是可以接受的；但是对于小家电，安防报警设备，水、电、气表等来说代价相对太高昂了，甚至是根本不可能实现的，因为很多底层通信介质根本不能运行IP协议栈。其次，将大量没有设置安全措施的设备直接挂在Internet上，没有安全感。复杂的协议势必给设备和系统的开发和维护带来更多的开销，使得成本上升，并需要更多的高级维护管理人员。

3.2 “设备控制网＋网关”的方案

这一方案要求将设备控制网和信息（管理）网络分离开来，使控制网和信息网的运行互相不受限制。控制网主要承载设备的监视和控制，例如家电控制网和建筑设备监控系统，包括暖通、给水系统，动力、供电系统，安保、抄表监控系统等。各个控制网络组成相对独立的子系统；根据子系统的特点，采用相同或不同的控制网传输媒体和通信协议，包括无线个域网标准协议。控制网和信息（管理）网之间可以通过网关或网桥（或路由器）相互连接。网关实现控制网到社区网（以太网）的协议转换，完成与社区管理网的集成。

这种方案近年来已经得到国内各方面的广泛认可。除了网关功能的设计对系统集成具有重要的影响外，采用什么样的控制网协议也是这一方案的关键问题，对家庭控制网而言更是如此。家用设备的差异化、家庭内外环境的差异化以及消费习惯与认知的差异化，使得单一技术已无法对原来“局部兼容”的设备实现“全局兼容”。此方案又可分为三类。

（1）控制网采用现场总线控制技术

目前国内的智能建筑和住宅社区大多采用外国的现场总线和外国的通信芯片，现场设备也需要国外企业给予认证（目前大多采用国外企业认证的设备，国内生产认证的设备才刚起步）。我们也翻译了某些已成为国际标准的总线技术作为国家标准，但是其知识产权和认证权仍然属于外国企业。有些外国企业并不是本着互惠互利的原则，而只想占领中国市场，其技术并未真正开放，使得中国技术人员无法掌握开发工具，还要花高价购买组态软件。值得注意的是，每种总线都有其产生的背景和应用领域，都有相当多的专用功能，价格也相对较高，如果用于智能建筑各个子系统，不仅不合适，而且会造成资源的浪费。

（2）控制网采用集中控制专用网络

传统的集中控制专用网络，如安防系统的RS485总线网、单主控制器的DDC控制系统，沿用工业控制的集中式控制方式，布线过于繁杂，如果控制器出现故障，整个系统就会瘫痪。目前此方案已普遍采用分布式的总线控制网络，不仅减少了布线的麻烦，也提高了系统的可靠性和可用性。

（3）控制网采用无线局域网和无线个域网

此方案利用无线射频组建家庭局域网，特别强调无线控制的方便性，但其采用的国外芯片却比较复杂和昂贵，在某些环境下仍然存在干扰和地址串扰等很多问题。采用无线个域网（与有线网络互相补充），利用网关作为无线接入点实现通信将是一种灵活的方案。

通过对上述解决方案的考察比较可以看出，各方案在不同环境下有不同的适应性，有时候采用多种媒体和协议，也不失为一种互相补充的系统集成方案。

3.3 在智能家居中采用中间件来支持信息设备组网、控制及信息交换的方案

当家庭从网络的端点扩展为一个网络，连接各种智能家电，形成家庭网络的时候，便需要有效、开放、成熟的平台标准，包括网络接口标准和服务标准的支持。建设这个家电网络平台的关键是中间件技术的应用。它的应用解决了设备间互联、互通、互操作的问题，实现了设备连接控制操作的智能化。

家庭网络中间件主要用来屏蔽家庭网络下层的各种硬件设备和连接技术，为上层应用开发提供统一的接口，并实现信息设备的简单组网、智能控制及信息交换。

以IEEE 1394为基础，采用HAVi（Home Audio/Video Interoperability）技术支持高速数据传输构成的家庭娱乐AV网络，特别适合于支持实时AV数据流的不间断传输。

微软的UPnP（Univeral Plug and Play，通用即插即用）是一个分布式开放型对等网络系统，其开发目的是建立并形成一个基于互连网通信标准的设备控制协议。在设计智能家电嵌入式开放平台时，中间件这个环节选用UPnP技术更为合适。

此外，通过电力线进行信号传输的有线家庭网络系统，如CEBus（消费电子总线）和X-10，在国内也有应用。

4 家用电子系统（HES）的平台技术

《建筑数字化应用》国标稿中的家用电子系统（如图1所示）提供了一个智能家居的标准化解决方案。它要求有一个HES的通用接口和芯片（符合ISO/IEC 10192的UI）；是一个在社区内和家庭内实现三网融合的技术方案，含有一种三网融合的，带有Web服务器的家庭网关；是一个具有Web 服务的底层家电网络（家用电子系统）平台。

智能社区解决方案的结构，如图2所示。

智能社区集成管理系统可通过宽带或无线通信接入互联网；社区内部网可采用快速以太网或无线局域网，使用TCP/IP协议；系统的底层网为智能社区的各类子网，包括监控系统、信息管理系统和通信系统，它们通过各自的网关接入社区网，组成智能社区管理系统。每户家庭的家庭网关应是一种控制网、通信网和AV网三网融合的，带有安全锁的家庭网关。社区内的所有联网设备都具有服务描述和发布机制，可以实现即插即用。网关具有Web服务器功能，以及设备发现和远程动态传输的能力，充当Web服务的平台（家庭智能终端）。家庭控制网使用家庭局域网和无线个域网的通信协议规范及多种传输媒体。

这里，需要完成两项关键技术的准备、制定两个协议规范，两项技术即设备信息化技术及家庭网关技术，两个规范即“家庭控制网通信协议规范”及“设备描述语言规范”。

家庭设备信息化技术的高度简化和统一，为制定统一的标准规范奠定了基础，为设计生产专用集成电路芯片创造了条件。

图1 家用电子系统示意图

图2 智能社区集成系统图

（1）设备信息化技术和通用接口芯片

进行设备联网时通常要设置符合控制网络通信协议要求的网络接口，如果能将各种设备的接口都简化统一成为“通用接口UI”，就可以实现接口的大批量生产乃至专用芯片化。电气设备千差万别，除了接口外，设备功能信息的标识方法也必须得到简化和统一。设备必须将自己的服务功能信息按照设备描述规范写成“设备描述文件”，使得智能社区信息平台能够识别、监控和管理这些千差万别的电气设备，将它们统一改造成为具有网络信息服务功能的系统单元。由此可见制定“控制网络通信协议规范”和“设备描述文本规范”，对设备的识别、访问和控制方法进行简化统一，以实现统一的“通用接口UI”和统一的监控管理方法的重要性。

（2）家庭网关技术和网关SOC芯片

家庭网关是一个三网融合的关键设备，要完成社区网到家庭控制网的协议转换；还必须是一个以太网的交换机或路由器，以支持在家庭网上运行通信网和AV网的规范；具有设备发现和管理功能，是一个网络控制器；又是一个Web服务器。它不仅运行以太网协议（ISO/IEC 8802-3），还可以运行无线个域网协议（IEEE 802.15.4）和无线局域网协议（ISO/IEC 8802-11）。它若具有语音接口和显示接口，还可以运行IP电话和可视电话，成为一个“家庭智能终端”。

如此设计出的智能家居网络平台系统，将是一个贴近中国实际情况的，符合中国消费要求的产品，是一个完全开放的、先进的和经济的智能社区集成管理信息平台。

5 结束语

综上所述，必须设计一种适合多数家居设备与建筑设备使用，符合中国特色的现场总线和无线个域网协议；还要创造一个“家电网络标记语言”，以统一各类家电设备的数据格式标准，实现家居设备的顺利集成；还要制定一个统一“家庭智能终端”的标准，即一个综合运用服务平台，一个“通用的”中间件产品。这也是集成融合时代和物联网应用给我们提出的大课题。