在網路快速發展的今日，除了成功應用在企業外，目前已有越來越多的應用延伸到家庭之中。具有安裝容易與操作簡單的網路化智慧家電產品就是其中的一種成功應用。另一方面，隨著寬頻網路的普及，網路設備及數位資訊產品的相繼問市，除了帶動許多創新的網路應用服務外，同時也加速數位家庭的發展，進一步實現智慧家庭的夢想。在業界對於智慧家庭的定義雖然沒有一個具體共通的說法，但大都是針對如何整合這些不同功能的網路家電設備，以達自動化、網路化與智慧化的目標作努力，提供人們有一個更舒適、便利、安全的居家環境。本文將針對智慧家庭網路技術作進一步之分析與探討。

家庭網路技術

一般而言，現代家庭存在著數十種以上的家電或資訊設備。這意味著未來家庭中將會有許多不同用途的智慧家電與資訊產品，欲整合這些多樣性的設備，需要一個共通的網路平台。在整合技術上，家庭網路技術扮演著關鍵性角色。家庭網路依功能區分，大致上可分為家電控制網路、資訊網路與多媒體影音視訊網路等三大類。

家電網路屬於低速的控制網路，主要是將電視、冰箱或洗衣機等家電設備，透過外加或內建通訊模組的方式，達成家電連網的目的。此類網路型態全球目前並沒有統一的技術標準，不同國家有不同的技術標準與支持的廠商。其傳輸速率通常在10Kbps以下。根據國內工研院的分析指出，目前以美規的SCP/UPnP、LonWorks，日規的Echonet與歐規的KNX為主。資訊網路則是用來連結電腦，供資料傳輸與交換的網路，此類網路型態的通訊協定比較統一，架構也是大家比較熟悉，都是以TCP/IP協定為基礎。隨著高畫質數位電視的興起，加上娛樂用途的數位影音設備在家庭中逐漸普及，未來數位家庭中也會存在著串聯這些數位影音設備的寬頻多媒體影音視訊網路。

相關的技術標準

不管是何種用途的網路技術，可以將它概略區分為有線與無線二大類型，如(圖一)所示。有線網路技術包括：Ethernet、HomePNA、HomePlug等，無線網路技術則有IEEE 802.11、Bluetooth與HomeRF、Zigbee等。在這些技術中，有些已經是非常成熟且為大家所熟知的技術，有些則正在發展中。對於比較熟知的技術，如Ethernet、IEEE 802.11等，由於有非常多的書籍及技術文件可供參考，在此就不再敘述。以下僅挑選幾個應用在數位家庭中的技術標準作介紹。

《圖一　家庭網路示意圖　　　》

HomePNA

HomePNA全名為Home Phone-line Networking Alliance，該組織目的在制定透過家中既有電話線路連網的一種技術規格。組織的主要成員有IBM、HP、AT&T、Intel、3COM與Broadcom等。HomePNA標準與乙太網路一樣實現了OSI七層中的實體層與連結層。在HomePNA 1.1的版本中支援到1Mbps的傳輸速率，HomePNA 2.0的版本中可支援到10Mbps，而在最新的HomePNA 3.0中，已經可以支援到100Mbps的速度，並且可以與ADSL、ISDN等服務相容。

HomePlug

在一般家庭中，由於電話線接口數量通常不如電源線插座密集，加上以往在電源線通訊遇到的很多問題，藉由目前快速發展的通訊技術，已獲得改善，使得電源線通訊（Power line communication；PLC）近年來在家庭的應用與發展，比HomePNA更受矚目。

電源線通訊，傳輸速率達到1Mbps以上的高速通訊技術，在家庭應用方面主要是以HomePlug電源線聯盟（HomePlug Powerline Alliance）所推出之技術規格為主。HomePlug電源線聯盟是一個非營利性的機構，成立的目的是希望能建立一個藉由電源線進行家庭上網的業界標準。聯盟由DS2、Intellon、Motorola、Panasonic和Texas Instrument等約50個左右的業界領導廠商所成立的一個組織。2001年6月，HomePlug聯盟在北美進行500個家庭的測試，基於這些測試結果的驗證，完成HomePlug 1.0規格的制定。

HomePlug主要之訴求在於家庭資訊網路服務，因此傳送之載波頻率較高，資料的傳輸速度也較快。HomePlug 1.0頻寬理論上可達14Mbps，（實際效能約為4～8Mbps），不過對於MP3、CD等媒體資訊的傳遞已經足夠，但對於傳送資料量龐大的多媒體影音視訊資料，這樣的頻寬將會導致時間的延遲，影響收訊品質。

為了讓寬頻連接遍佈每個家庭，HomePlug 1.0的下一代規格為HomePlug AV，期能達到200Mbps級的網路連線速率。從其命名即不難了解它是針對傳輸視訊（Audio and Video；AV）資料所發展。HomePlug AV針對家庭電源線上傳輸音/視訊流進行最佳化，目的在提昇網路頻寬，提供視聽娛樂方面的服務，以達成家庭中電腦互連及達成網路資源共享等應用。

SCP（Simple Control Protocol）

SCP是微軟所提倡的一種輕巧型控制協定，主要是針對家電控制網路作設計，利用此協定可建構出家電控制網路，使設備與設備之間可以在安全性高、穩健性夠的低速網路達成相互溝通的目的，目前這種協定技術只支援電源線通訊。作為控制需求的家電網路，通常並不需要大量的訊息傳遞，而是要求立即反應與可靠的傳輸。因此，同樣是以電源線作為通訊媒介，SCP與HomePlug之載波頻率、調變技術與網路頻寬，有很大的不同。目前SCP載波收發（transceiver）晶片由以色列ITRAN及日本Renesas製造。整體而言，其載波收發晶片價格與性能，頗具市場競爭力。

LonWorks

LonWorks是一種分散式控制網路技術，它是由美國Echelon於1990年所推出，採用LonTalk協定，此協定遵循國際標準化組織（ISO）所定義的開放系統互連（OSI）模型。LonWorks早期是應用在工業控制與大樓自動化領域，近年來，其應用遍及各自動化領域，也包括家庭自動化。Lonworks技術支援許多不同的傳輸介面與拓樸結構。由於LonWorks這項技術的發展已有十多年的歷史，其電源線傳輸晶片在抗雜訊與高衰減的電源線通道上有一定程度上的性能表現。惟其價格及整體開發成本相對較高，如果應用在低單價的家電設備，會因其整體價格高而影響民眾之購買意願。

Bluetooth

藍芽（Bluetooth）技術是一種短距離無線傳輸的技術，屬於無線個人區域網路（Wireless Personal Area Network；WPAN）的開放標準技術。提供固定設備或移動設備的通信環境建立通用的無線電接取介面，使通訊設備在無線的情況下，能在近距離範圍內達到相互通信或操作的目的，是一種低功率無線技術。其傳輸頻段為全球公用的2.4GHz ISM頻段，提供1Mbps的傳輸速率和10～100公尺的傳輸距離。

Zigbee

Zigbee技術也是屬於短距離無線通訊技術，具有低成本、低耗電、雙向傳輸等特色。主要訴求在於發展一種易佈建的低成本無線網路。在產品發展的初期，以工業感測網路為主，提供感應辨識、燈光與安全控制等功能。接取方式是採直序展頻技術，傳輸速率介於20kbps～250kbps之間，會隨著傳輸距離的增長而減慢。目前國內資策會在經濟部科專計畫的支持下，也將其應用在家電控制之研究與產品開發。

UWB

超寬頻（Ultra Wide Band；UWB）是一種短距離無線技術，具有低成本與低耗電雙重優勢，其頻寬可達數百Mbps，適合應用於多媒體娛樂應用。基本上，傳輸速度達100Mbps的超寬頻晶片技術即能夠載送視訊與音訊串流服務，並有極大的優勢進入消費性電子產品市場。在IEEE 802.15的標準中，除了納入藍芽（Bluetooth）技術規格外，同時也發展高速傳輸的UWB與低耗電的ZigBee，這些都可能在未來數位家庭中嶄露頭角。

整體而言，應用於家庭影音視訊傳輸之網路技術，以目前發展的技術來看，高速電源線通訊技術HomePlug AV及UWB無線通訊技術，皆適合應用於家庭影音視訊資料之傳輸。HomePlug AV的優勢在於利用家庭中既有電源線載送信號，故可節省佈線成本與施工帶來的麻煩；UWB是一個具有高傳輸速率、低耗電量和低成本的無線通訊技術，適合應用於需要高品質服務的無線個人區域網路等領域。

UPnP

UPnP全名為Universal Plug and Play，是微軟延伸原本在電腦硬體中隨插即用的概念至連網設備上，讓各種連上網路的裝置可以動態的加入網路。連接的硬體平台包括各種不同的數位電子產品，舉凡電腦、家電設備等皆可成為UPnP網路的成員。整體架構屬於一種分散式、開放性的網路結構。整個UPnP架構以協定為基礎，使用標準的網際網路協定，具有獨立性可適用於各種不同作業系統。透過UPnP網路六項運作流程：定址（Addressing）、發現（Discovery）、描述（Description）、控制（Control）、事件（Eventing）、呈現（Presentation），建立完整UPnP網路運作機制。

智慧家庭雛型系統之實作

在介紹了一些常見的連線技術之後，則需選擇適合的技術架構，建構智慧家庭系統。下文將以SCP與UPnP技術，建立智慧家庭之雛型系統。

首先將各個連網的家電設備連結SCP通訊模組，使設備間能夠利用家庭既有的電源線路作為通訊媒介，形成互連之家電控制網路。再藉由SCP-UPnP橋接器，將家電控制網路與資訊網路作連結，如此一來，家電設備便可在IP網路的基礎上，成為UPnP網域中的成員，達到家電控制的目的。

建置家電控制網路

在此，我們將採用ITRAN生產的IT800-SCP電源線通訊晶片，以SCP協定建置家電控制網路。一個SCP設備元件模型包括應用子系統及通訊子系統兩個主要元件，這兩個元件藉由SPI介面進行通訊，如(圖二)所示。

應用子系統（Application Subsystem）

這個子系統主要是一個微控制器，微控制器執行存取家電設備資訊的程式。

通訊子系統（Communication Subsystem）

通訊子系統的核心為通訊協定控制器，利用通訊協定控制器將訊號傳送至電源線，或從電源線上接收訊號。

由於每個家電功能不一樣，故在通訊子系統中以EEPROM儲存著有關家電的資訊。

《圖二　SCP設備元件模型》 - BigPic:567x255

連結UPnP網路

當設備加入UPnP網路時，必須擁有獨一無二的位址以供識別。UPnP設備分為兩種：一是受控設備（Controlled device），一是控制點（Control Point）。受控設備有如提供服務的伺服器；而控制點則是使用服務的用戶端。UPnP設備可以利用多點廣播的方式發現訊息（Discovery message），並告訴網路中對它有興趣的任何控制點。相對的控制點也會搜尋其所感到興趣的受控設備。當受控設備加入UPnP網路之後，控制點可以不需要安裝任何驅動程式即可找到所欲尋找之受控設備，控制點藉由受控設備的描述和服務的描述，即可得到更多的受控設備資訊並加以控制。

橋接器

橋接器的作用，是讓UPnP與SCP能夠相互溝通的中介程式。透過橋接器，可使UPnP協定格式與SCP協定格式相互轉換，達到相互溝通的目的。此橋接器為SCP Device Development Kit所提供。例如，當具有SCP裝置之電燈泡與SCP控制器加入SCP網路後，啟動橋接器。此時，這兩個SCP裝置會被UPnP的控制點發現，並且存取其狀態。在整個實作過程中，可以感受到以SCP/UPnP技術建構一個簡易雛型智慧家電網路的方便性。同時也了解SCP家電網路經由橋接器，就可以藉由UPnP的控制點存取SCP網路的家電設備。

結論

由於科技的進步、人們生活水準的提高以及對舒適方便生活方式的需求，將家電資訊化的智慧家電產品的研發，已逐漸成為各主要家電業者的發展重點。智慧家電產品的研發，不僅可滿足對客戶提供良好服務的需求，同時也增加了傳統家電產業者的競爭力。另一方面，資訊業者也開始將資訊產品家電化，提供家用資訊家電產品。伴隨著智慧與資訊家電的興起，建構一個智慧化的數位家庭將不再是一個夢想。如何整合不同的技術標準，建立一個共通的技術平台，才能帶動相關產業的興起，而這也是未來各領導廠商需要共同努力的方向。

（作者為國立台北科技大學自動化科技研究所專任副教授陳文輝）

延 伸 閱 讀	未來智慧手機的電源管理技術 智慧家庭網路是資訊時代帶給人們的又一個高科技產物。它借助現有的電腦網路技術，將家庭內各種家電和設備連網，通過網路為人們提供各種豐富、多樣化、個性化、方便、舒適、安全和高效的服務。家庭網路化也是整個社會資訊化的一個重要的部分。相關介紹請見「 論智慧家庭網路的門戶」一文。 本文將家庭網路閘道分成兩大類：僅提供數據業務的DSL寬頻家庭網路閘道；能同時提供數據和語音業務的多業務智慧家庭網路閘道。你可在「 採用網路處理器設計DSL家庭網路閘道 」一文中得到進一步的介紹。 前面我們已經介紹過，智慧家居是通過統一的網路匯流排和控制平台將家庭的電器設備、燈光控制系統、安全控制系統、能源管理系統等連成一體的。目前智慧家居的發展趨勢是由集中控制到分佈控制，與集中式控制相比，分散式控制不僅能減少佈線，而且能提高系統的可靠性。在「 解剖智慧家居」一文為你做了相關的評析。

市場動態

家庭網路軟硬提供商：以微軟、思科、摩托羅拉等為代表的家庭網路軟硬提供商盡情演繹網路家庭，並提供以家庭通訊閘為核心的智慧家庭解決方案，由於這些企業產品與家庭用戶距離最近，加上這些企業強大的宣傳廣告，在家庭用戶中留下了深刻印象。相關介紹請見「 智慧家庭：跨領域的混戰」一文。 最近LonWorks系統大步進軍家庭網路市場。世界上最大的公共電力設施公司Enel公司，將要採用電表將27000000戶義大利家庭網路化，這將節省公共設施和用戶的開銷，並且為每個家庭的智慧設備提供了一個增值服務的平臺。 你可在「 利用LonWorks網路實現智慧家庭」一文中得到進一步的介紹。 隨著互聯網的高速發展，寬頻正成為人們日常生活中最主要的需求之一。如今的北京寬頻市場上，除主流的ADSL寬頻接入外，同時共存於市場的還有社區寬頻（LAN）、有線寬頻（CableModem）、電力線寬頻接入（PLC）等多種寬頻接入。究竟如何選擇最合適你的寬頻，已經成為家庭用戶所面臨的重大問題。在「 家庭用戶如何選擇寬頻產品」一文為你做了相關的評析。