在网络快速发展的今日，已有越来越多的应用延伸到家庭之中。具有安装容易与操作简单的网络化智能家电产品就是其中的一种成功应用。随着宽带网络的普及，网络设备及数字信息产品的相继问世，除了带动许多创新的网络应用服务外，同时也加速数字家庭的发展，进一步实现智能家庭的梦想。在业界对于智能家庭的定义虽然没有一个具体共同的说法，但大都是针对如何整合这些不同功能的网络家电设备，以达到自动化、网络化与智能化的目标作努力，提供给人们一个更舒适、便利、安全的居家环境。本文将针对智能家庭网络技术作深入地分析与探讨。
家庭网络技术
一般而言，现代家庭存在着数十种以上的家电或信息设备。这意味着未来家庭中将会有许多不同用途的智能家电与信息产品，如果想要整合这些多样性的设备，需要一个共同的网络平台。在整合技术上，家庭网络技术扮演着关键性角色。家庭网络依功能区分，大致上可分为家电控制网络、信息网络与多媒体影音视频网络等三大类。
家电网络属于低速的控制网络，主要是将电视、冰箱或洗衣机等家电设备，通过外加或内置通信模块的方式，达到家电联网的目的。这样的网络形态，目前全球并没有统一的技术标准，不同国家有不同的技术标准与支持的厂商。其传输速度通常在10kbps以下。目前以美国规范的SCP/UPnP、LonWorks，日本规范的Echonet与欧洲规范的KNX为主。信息网络则是用来连接电脑，供资料传输与交换的网络，此类网络形态的通信协议比较统一，架构也是大家比较熟悉，都是以TCP/IP协议为基础。随着高清晰数字电视的兴起，加上娱乐用途的数字影音设备在家庭中逐渐普及，未来数字家庭中也会存在着串联这些数字影音设备的宽带多媒体影音视频网络。
ＨｏｍｅＰＮＡ的应用范围
不管是何种用途的网络技术，可以将它大概区分为有线与无线二大类型，如图所示。有线网络技术包括：Ethernet、HomePNA、HomePlug等，无线网络技术则有IEEE 802.11、Bluetooth与HomeRF、Zigbee等。在这些技术中，有些已经是非常成熟且为大家所熟知的技术，有些则正在发展中。对于比较熟知的技术，如Ethernet、IEEE 802.11等，由于有非常多的书籍及技术文件可供参考，在此就不再叙述。以下仅挑选几个应用在数字家庭中的技术标准进行介绍。
１ ＨｏｍｅＰＮＡ
HomePNA全称为Home Phone-line Networking Alliance，该组织目的在制定通过家中既有电话线路联网的一种技术规范。组织的主要成员有IBM、HP、AT&&T、Intel、3COM与Broadcom等。HomePNA标准与乙太网络一样实现了OSI七层中的物理层与链接层。在HomePNA 1.1的版本中支持到1Mbps的传输速度，HomePNA 2.0的版本中可支持到10Mbps，而在最新的HomePNA 3.0中，已经可以支持到100Mbps的速度，并且可以与ADSL、ISDN等服务兼容。
HomePNA具有以下的特点：速度快，采用HomePNA的方案接入速率上下行Mbps(HomePNA1.0)/10Mbps(HomePNA2.0)。这是拨号上网56Kbps所根本无法比拟的；收费低，用户使用网络服务不必支付额外的电话费，采用包月制或计时制灵活的收费方式，十分经济合算；免拨号，随时在线，免除断线重拨的烦恼，即使完全不懂网络知识的人也可轻松上网；共享上网，有的家庭有多台PC机或便携式，使用我们的HomePNA控制卡可以实现，家庭内部共享和Internet共享；施工简单，无需重新布线，只需在原有的电话线路两端加装简单的端设备，不破坏装修，不影响电话的使用。
HomePNA的缺点：虽然是HomePNA是一项新技术，成本较低，但它的传输距离太短，长距离的传输仍然需要其他一些技术（如：ADSL、Cable modem 等）来帮助实现，不能不说这是一大遗憾。此外，信号噪声也是一个问题，由于网络环境是人们的家庭，信号的传输必然要受到其他家电产生的噪声影响。不过相信随着科技的不断发展，HomePNA会逐渐走向成熟并进入千家万户。
２ ＨｏｍｅＰｌｕｇ
在一般家庭中，由于电话线接口数量通常不如电源线插座密集，加上以往在电源线通信遇到的很多问题，通过目前快速发展的通信技术，已获得改善，使得电源线通信（Power line communication；PLC）近年来在家庭的应用与发展，比HomePNA更受瞩目。
电源线通信，传输速度达到1Mbps以上的高速通信技术，在家庭应用方面主要是以HomePlug电源线联盟（HomePlug Powerline Alliance）所推出之技术规范为主。
HomePlug电源线联盟是一个非营利性的机构，成立的目的是希望能建立一个通过电源线进行家庭上网的业界标准。联盟由DS2、Intellon、Motorola、Panasonic和Texas Instrument等约50个左右的业界领导厂商所成立的一个组织。2001年6月，HomePlug联盟在北美进行500个家庭的测试，基于这些测试结果的验证，完成HomePlug 1.0标准的制定。
HomePlug主要偏重在于家庭信息网络服务，因此传送数据时载波频率较高，数据的传输速度也较快。HomePlug 1.0带宽理论上可达14Mbps，（实际性能约为4~8Mbps），不过对于MP3、CD等媒体信息的传递已经足够，但对于传送资料量庞大的多媒体影音视频资料，这样的带宽将会导致时间的延迟，影响收视品质。
为了让宽带连接遍布每个家庭，HomePlug 1.0的下一代规范为HomePlug AV，预期能够达到200Mbps级的网络连线速度。从其命名即不难了解它是针对传输视频（Audio and Video；AV）资料所制定的。HomePlug AV针对家庭电源线上传输音频、视频流进行最佳化，目的在于提升网络带宽，提供视听娱乐方面的服务，以达到家庭中电脑互联及实现网络资源共享等应用。
３ ＳＣＰ
（Ｓｉｍｐｌｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ，简单控制协议）
SCP是微软所提倡的一种轻巧型控制协议，主要是针对家电控制网络所设计，利用此协议可建构出家电控制网络，使设备与设备之间可以在安全性高、稳定性强的低速网络中达到相互沟通的目的。目前这种协议技术只支持电源线通信。作为控制需求的家电网络，通常并不需要大量的信息传递，而是要求立即反应与可靠的传输。因此，同样是以电源线作为通信媒介，SCP与HomePlug的载波频率、调制技术与网络带宽，有很大的不同。目前SCP载波收发（transceiver）芯片由以色列ITRAN及日本Renesas两个厂商制造。整体而言，其载波收发芯片价格与性能，颇具市场竞争力。
４ ＬｏｎＷｏｒｋｓ
LonWorks是一种分散式控制网络技术，它是由美国Echelon公司于1990年所推出，采用LonTalk协议，此协议遵循国际标准化组织（ISO）所定义的开放系统互联（OSI）模型。
LonWorks早期是应用在工业控制与大楼自动化领域，近年来，其应用遍及各自动化领域当中，也包括家庭自动化。Lonworks技术支持许多不同的传输接口与拓朴结构。由于LonWorks这项技术的发展已有十多年的历史，其电源线传输芯片在抗杂讯与高衰减的电源线通道上有很不错的性能表现。只是其价格及整体开发成本相对较高，如果应用在低单价的家电设备，会因其整体价格高而影响用户之购买意愿。
５ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ
“蓝牙”(Bluetooth)原是一位在10世纪统一丹麦的国王，他将当时的瑞典、丹麦与芬兰统一了起来。用他的名字来命名这种新的技术标准，含有将四分五裂的局面统一起来的意思。因此蓝牙技术的发起人瑞典的爱立信(Ericsson)公司就以此命名来表达其要将这种全新的无线传输技术在全球推广，并成为全球标准的雄心。蓝牙技术标准由SIG(Special Interests Group 特别兴趣小组)创立发展，该小组于1998年5月成立，其成员包括Ericsson、Intel、Nokia、Toshiba和IBM等公司，现在已经有1000多家公司加入这个阵营。其中包括像Motorola、Sanyo等大的通讯设备制造商，甚至许多手表、游戏厂商也开始加入蓝牙SIG。可以预见，将来的数字家庭中将充斥各种品牌装备“蓝牙”技术的新产品。
蓝牙（Bluetooth）技术是一种短距离无线传输的技术，属于无线个人局域网络（Wireless Personal Area Network；WPAN）的开放标准技术。提供固定设备或移动设备的通信环境建立通用的无线电获取接口，使通信设备在无线的情况下，能在近距离范围内达到相互通信或操作的目的，是一种低功率无线技术。其传输频段为全球公用的2.4GHz ISM频段，提供1Mbps的传输速度和10~100米的传输距离。
蓝牙技术可以在近距离内最廉价地将几台数字化设备（各种移动通信设备、固定通信设备、计算机及其终端设备、各种数字系统<包括数码照相机、数字摄像机等>甚至各种家用电器、自动化设备）呈网状链接起来。蓝牙技术将是网络中各种外围设备接口的统一桥梁，它取缔了设备之间的连线桎梏，而代之以无线连线。是建立家庭网络、办公室网络和移动网络的理想手段。目前，已安装了蓝牙芯片的手机便可以无线接驳有线电话，从而大大节省通话费用。
６ Ｚｉｇｂｅｅ
Zigbee技术也是属于短距离无线通信技术，具有低成本、低耗电、双向传输等特色。主要偏重在于发展一种易布建的低成本无线网络。在产品发展的初期，以工业感测网络为主，提供感应辨识、灯光与安全控制等功能。传输速度介于20kbps~250kbps之间，会随着传输距离的增长而减慢。
７ ＵＷＢ
超宽带（Ultra Wide Band；UWB）是一种短距离无线技术，具有低成本与低耗电双重优势，其带宽可达数百Mbps，适合应用于多媒体娱乐应用。基本上，传输速度达100Mbps的超宽带芯片技术即能够提供传送视频与音频流服务，并有极大的优势进入消费性电子产品市场。在IEEE 802.15的标准中，除了纳入蓝牙（Bluetooth）技术规范外，同时也发展高速传输的UWB与低耗电的ZigBee，这些都可能在未来数字家庭中崭露头角。
从频域来看，超宽带有别于传统的窄带和宽带，它的频带更宽。窄带是指相对带宽(信号带宽与中心频率之比) 小于1%，相对带宽在1%到25%之间的被称为宽带，相对带宽大于25%，而且中心频率大于500MHz的被称为超宽带（如表1）。
从时域上讲， 超宽带系统有别于传统的通信系统。一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制，而UWB 是利用起、落点的时域脉冲直接实现调制， 超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行，而且以这一过程中所持续的时间，来决定带宽所占据的频率范围。由于UWB发射功率受限，进而限制了其传输距离据资料表明，UWB信号的有效传输距离在10米以内， 故而在民用方面，UWB普遍地定位于个人局域网范畴。
整体而言，应用于家庭影音视频传输之网络技术，以目前发展的技术来看，高速电源线通信技术HomePlug AV及UWB无线通信技术，都适合应用于家庭影音视频资料之传输。HomePlug AV的优势在于利用家庭中既有电源线传送信号，故可节省布线成本与施工带来的麻烦；UWB是一个具有高传输速度、低耗电量和低成本的无线通信技术，适合应用于需要高品质服务的无线个人局域网络等领域。
８ ＵＰｎＰ
UPnP全称为Universal Plug and Play，是微软延伸原本在电脑硬件中即插即用的概念至联网设备上，让各种连上网络的设备可以动态的加入网络。连接的硬件平台包括各种不同的数字电子产品，举凡电脑、家电设备等皆可成为UPnP网络的成员。整体架构属于一种分散式、开放性的网络结构。整个UPnP架构以协议为基础，使用标准的网际网络协议，具有独立性可适用于各种不同操作系统。通过UPnP网络六项运行流程：寻址（Addressing）、发现（Discovery）、描述（Description）、控制（Control）、事件（Eventing）、呈现（Presentation），从而建立完整UPnP网络运行机制。
智能家庭雏形系统的搭建
在介绍了一些常见的连线技术之后，则需选择适合的技术架构，建构智能家庭系统。下文笔者将以SCP与UPnP技术，模拟建立一个智能家庭之雏形系统。
首先，可以将各个联网的家电设备连接SCP通信模块，使这些设备之间能够利用家庭当中的既有的电源线路作为通信媒介，形成互联的家电控制网络。
再通过SCP-UPnP桥接器，将家电控制网络与信息网络作连接，如此一来，家电设备便可在IP网络的基础上，成为UPnP网域中的成员，达到家电控制的目的。
１ 建立家电控制网络
在此，我们将采用ITRAN生产的IT800-SCP电源线通信芯片，以SCP协议建立家电控制网络。一个SCP设备元件模型包括应用子系统及通信子系统两个主要元件，这两个元件通过SPI接口进行通信，如右图所示。
２ 应用子系统
（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ）
这个子系统主要是一个微控制器，微控制器执行存取家电设备信息的程序。
３ 通信子系统
（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ）
通信子系统的核心为通信协议控制器，利用通信协议控制器将信号传送至电源线，或从电源线上接收信号。
由于每个不同的家电功能不一样，所以在通信子系统中以EEPROM储存着有关家电的多种信息。
４ 连接ＵＰｎＰ网络
当设备加入UPnP网络时，必须拥有独一无二的位址以供识别。
UPnP设备分为两种：一是受控设备（Controlled device），一是控制点（Control Point）。受控设备有如提供服务的服务器；而控制点则是使用服务的用户端。
UPnP设备可以利用多点广播的方式发现信息（Discovery message），并告诉网络中对它有兴趣的任何控制点。相对的控制点也会搜寻其所感到兴趣的受控设备。
当受控设备加入UPnP网络之后，控制点可以不需要安装任何驱动程序就能够迅速找到所欲寻找的受控设备，控制点通过受控设备的描述和服务的描述，即可得到更多的受控设备信息并加以控制。
５ 桥接器
桥接器的作用，就是让UPnP与SCP能够相互沟通的中介程序。通过桥接器，可以使UPnP协议格式与SCP协议格式相互转换，达到相互沟通的目的。此桥接器为SCP Device Development Kit所提供。
例如，当具有SCP设备的电灯泡与SCP控制器加入SCP网络后，启动桥接器。此时，这两个SCP设备就会被UPnP的控制点所发现，并且存取其状态。
在整个实作过程中，可以感受到以SCP/UPnP技术建构一个简易雏形智能家电网络的方便性。同时也了解SCP家电网络经由桥接器，就可以通过UPnP的控制点存取SCP网络的家电设备。
ＵＰｎＰ技术能大大简化数字家庭网络的建设和管理
ＳＣＰ设备元件模型
写在最后
由于科技的进步、人们生活水平的提高以及对舒适方便生活方式的需求，家电信息化的智能家电产品的研发已逐渐成为各主要家电业者的发展重点。智能家电产品的研发，不仅可满足对客户提供良好服务的需求，同时也增加了传统家电产业者的竞争力。另一方面，信息业者也开始将信息产品家电化，提供家用信息家电产品。伴随着智能与信息家电的兴起，建构一个智能化的数字家庭将不再是一个梦想.
