半導體將數字家庭帶入現實

摘要：數字家庭，是一個全新并且逐漸進入普通人生活的新生活理念，在數字家庭各種設備的最后，看到的是各種半導體器件在其中的默默貢獻。本文探討數字家庭中幾個應用對半導體產品的需求與挑戰。

關鍵詞：數字家庭；半導體；智能家電；無線連接；智能電網

DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.8.003

科技，從來都是為了改變生活而不斷前行，特別是電子與信息技術的普及，正是人們在更智能、更便捷、更愜意的生活需求推動下逐步演進。而在數字化時代，家庭數字化已經成為一種不可抗拒的潮流，飛入尋常百姓家。

數字家庭概念是我們改變生活工作方式的關鍵。一個簡單的例子是數字媒體，傳統媒體概念下，很多人會立刻想到進入家庭的媒體內容——電視，而我們不能將其只局限于電視節目，還要考慮如何與內容互動，如何選擇并處理內容。現在，隨著家庭和個人都能夠觀看內容，并與之互動，如何與內容互動以及如何選擇并處理內容是一個巨大的挑戰。當手機開啟個人通信革命時，在電視觀眾中，家庭與個人的順序便顛倒過來。意法半導體大中華與南亞區消費電子事業部總監John Carey認為，這種發展趨勢導致一個無處不在且個性化的內容模型，個人用戶期望能夠隨時隨地選擇自己最喜歡的內容。為實現這個預期，我們需要研發一個靈活的解決方案，能夠向各種消費電子產品傳送不同品質的內容，這個解決方案還需要提供互動功能，且價格能夠讓廣大消費者接受。

控制、連接與觸控技術的成熟讓家電數字化進程前進了一大步，目前數字家庭的市場驅動力主要基于更好的用戶體驗和節能減排的需求。NXP技術市場經理張林總結的趨勢包括四大方面，一是智能電源，即具有更高的效率，更低待機和運行功耗，集成了智能診斷功能的電源。二智能化的連接方式，用不同的連接方式進行家電組網，并于各種公眾網絡可以連接。三是智能化人機交互界面，新興觸控技術人機交互界面讓未來家電控制更方便、更人性化。四是智能化的控制方式，包括更高效率的馬達驅動，傳感器技術的應用以及更綜合的智能信息處理。

智能家電與控制系統

數字家庭可為冰箱、安全系統以及自動調溫設備等常見產品帶來全新功能，同時還可推動新型家用消費類設備的創新發展，包括娛樂門戶乃至家庭自動化系統以及目前尚未出現的各種新產品。特別的，數字家庭為半導體企業帶來巨大的商機，因為各種各樣的產品都需要處理器（MCU 和 MPU）、支持電源管理與數據轉換的模擬組件、無線連接以及傳感器網絡等。

這些新設備支持未來特性及應用，但能否成功則取決于消費者日常使用的便捷性，包括設備本身支持的直觀快捷用戶界面以及基于互聯網及移動應用的高可靠高穩健控制功能。此外，隨著數字家庭新增更多無線連接設備，消費類產品的易用性也非常重要。設備需易于安裝，并支持無中斷連接與工作，各種消費類系統設備必須相互協作，而不是相互干擾。

數字家庭中，智能家電是非常重要的組成部分，某些可掌握用戶習慣的家用電器需要添加更多的智能性。例如，智能自動控溫器可了解您對房間溫度的喜好。此外，無論身處何方，您都希望能控制家用電器，獲得其信息，從而更加智能地與其互動。隨著物聯網的發展，技術發展的目標是通過增加互聯網連接實現同此前非互連設備的輕松互動。這種連接可實現三大關鍵應用：1. 用戶可通過簡單的智能手機或平板電腦應用遠程修改設置或檢查系統狀態；2. 設備本身可接入互聯網以獲得其需要顯示或操作的信息，比如最新天氣信息或能源價格等；3. 設備可在發生諸如洗碗機漏水等問題時向消費者報告，以便及時聯系維修工。此外，這種相同診斷信息也可直接發送給制造商，以便在設備出故障前及時維修，或者通過無線固件升級方式避免昂貴的上門維修。

過去，智能家電是用戶可以用手機或類似的便攜裝置遙控的家用電器，這個功能只能為少數人服務；現在，智能家電僅限于最早采用智能技術的家電，對于大多數用戶，這些智能家電的復雜性大于產品帶給用戶的好處。要想普及智能家電，必須簡化智能家電的操作，明確用戶可獲得的好處。今天，具有自動更新功能的家電是這個市場的一個成功案例，這些產品能夠提供新功能或容易查看的新內容，例如，食譜和新聞。將來，意法半導體John Carey預計智能家電將增加智能電源管理功能，通過智能電網管理家庭用電，這個功能可降低家庭用電量，不會給用戶帶來任何不方便。

典型的家用電器通常會集成傳感器、微控制器以及無線連接功能，以收集信息，控制設備。該技術的主要機遇是優化整體性能，以實現最低成本、尺寸與功耗。挑戰則在于如何讓這些設備在沒有干擾的情況下共同無縫工作，這正是嵌入式軟件的功能所在。此外，如家庭娛樂與游戲系統等其它應用在整個智能家庭數據中心設備的處理與內容分配方面也有發展潛力與創新機遇。TI 通用連接總經理Eran Sandhaus介紹，TI 達芬奇(DaVinci) 及 OMAP 平臺等在為家庭應用提供優質內容方面發揮著重要作用，可支持大屏幕顯示、家庭視頻聊天、便捷的家庭應用以及家庭機器人等。智能處理器架構支持優異的多媒體功能、低能耗以及差異化特性，可為數字家庭的內容共享、瀏覽與互動提供各種新途徑。

連接技術

數字家庭其中一個重要的意義就是可以進行移動交互，其整體目標是采用網絡技術，把家中的各種設備、家電和服務整合在一起，以便能夠集中或遠程控制整個室內生活空間。通過這種集中管理技術，室內的家電和服務能夠相互通信，代表我們做出電子決策，如選擇電視節目、建議去哪家食品店購物、監測管理能耗，以實現最佳效率、控制環境條件，在我們需要的時間和地點傳送新聞和信息。

高通創銳訊美國產品經理李本中博士介紹，數字家庭網絡通常包括控制著各種設備的有線和無線系統，如安防系統、照明、家庭遠程護理應用以及家庭娛樂系統。這些聯網設備要求由強健可靠的解決方案提供的低功率、高性能技術平臺。家庭網絡必須能夠在需要的時間提供高速度、大容量、按需分配帶寬等功能。為了實現數字家庭網絡的上述規范和標準，我們需要迎接大量的挑戰，包括標準化、帶寬、維護和電源。

為實現數字家庭網絡的大規模采用，需要解決的問題不僅有技術要求問題，還有客戶預期問題，包括：

能夠為家中多個房間提供高帶寬；

可靠性；

移動性 – 消費者正日益采用便攜式設備，因此家庭網絡必需支持在家中“移動”接入；

使用簡便 – 客戶要把多臺設備連接到家庭網絡中，因此讓設置和配置盡可能簡便至關重要。

無線技術是數字家庭的一個重要組成部分，因為其支持不同家庭設備、家用電器以及如智能手機與平板電腦等數字中心設備之間的互連。隨著物聯網 (IoT) 的發展，家庭中將存在許多無線及網絡技術，其中包括 Wi-Fi、ZigBee、藍牙 (Bluetooth)、蜂窩服務以及專利技術等。Eran Sandhaus分析，各種主要需求將不但是確保針對適當的應用使用適當的技術，同時還要考慮到連接距離、低功耗、安裝便捷性、連接可靠性等多種要求。此外，多種不同技術之間還應相互聯系，確保將信息從一個終端設備傳輸至互聯網，再從互聯網返回至中心設備。

從更普遍的角度看，政策、產業及社會的變化正推動著數字家庭領域的需求發生轉變。全球都關注綠色能源和氣候變化，對數字電子技術的日益依賴則需要更可靠的雙向無線網絡解決方案。現在技術已經開發出來了，現場測試也正在進行。在亞洲，飛思卡爾亞太區無線連接產品部市場經理鄺景亮介紹他們聯合本地制造商共同演示支持智能家電的家庭局域網解決方案。這些解決方案采用飛思卡爾ZigBee產品，為家庭和酒店提供更加靈活的產品安裝支持。開關和插座與家用電器和照明裝置相連，構成一個彼此通信的無線網絡。飛思卡爾ZigBee解決方案的可擴展性則允許客戶能夠添加數千臺設備，卻無需對網絡管理方面進行任何額外投資。ZigBee家庭自動化產品系列對家電及其他家用產品特征提出了要求。制造商應依照這些要求制造產品并進行認證。基于ZigBee的智能家電系統對無線射頻及網絡功能同時具有要求，兩者是實現該解決方案的基本要素同時也是重大挑戰。許多客戶不具備足夠的專業能力保證穩定、優化的硬件設計（尤其是無線射頻）。

功耗，是NXP張林所考慮無線技術在數字家庭中的重要因素，WiFi和BlueTooth相對而言功耗都還是不夠低，而且安全性和實時性方面無線技術需要更可靠和更穩定的技術積累才能進一步得到普及。數字連接的標準，是困擾數字家庭技術一個非常重要的原因，可靠性和安全性也是技術普及潛在的問題，在實驗性和局域性產品中有不同的標準，但是在可靠性和安全性方面還有欠缺。所以，接口和標準的確定是推廣智能家居和智能電網必須解決的關鍵因素。

當然，沒有哪一種單一的技術(有線或無線)能夠解決所有這些挑戰。Wi-Fi是一種移動技術，但不可能在每個家庭中都完全可靠。電力線雖然使用簡便，但存在噪聲和內部布線等相關問題。高通創銳訊擁有Hy-Fi解決方案，同時實現了Wi-Fi、電力線和以太網的最大優勢，在整個網絡中提供最靈活、最可靠的內容分配能力。這種智能技術選擇最優路徑，克服障礙，將高清媒體無縫地傳送到家中每個角落。這種網絡是讓網絡適應用戶，而不是讓用戶適應網絡。高通創銳訊正在采取前所未有的方式，解決許多消費者面臨的家庭網絡問題。

數字家庭與智能電網

家電的智能化，離不開一個話題，就是供電系統的智能化，供電系統智能化意味著對智能電網的改造?？梢哉f，智能電網是應對數字家庭時代一個不可缺少的環節，決定了整個數字家庭設備的連接、通信與供電工作等環節。（本刊第七期熱門技術詳細報道過智能電表內容，請參考）

中國國家電網宣布將在2020年建成覆蓋全國的智能電網，并且已投入了4萬億人民幣用于基礎設計建設。這可以說是全世界最大規模的智能電網項目。這項發展計劃實際上對半導體廠商提出了很多更高的要求。這一計劃的實施與新能源發電技術、新能源并網接入、大容量能量存儲、特高壓輸電、需求管理及智能計量技術等技術領域密不可分，這些方面也逐漸成為智能電網業務的增長點。在巨大的市場機遇背后，中國智能電網發展也面臨著嚴峻的挑戰。隨著全球電力需求的急劇增加，電力公司需要電力線監控系統，以對能量的消耗情況、成本和質量進行監視和控制。因此，智能電網逐漸的在替代傳統的電網。隨著傳統電網向智能電網的轉變，電力二次設備需要滿足具有更強的接口能力、控制能力、保護能力、測量能力、通信能力和數據處理能力的挑戰。同時，隨著智能電網具有復雜的接入環境、靈活多樣的接入方式、數量龐大的智能接入終端等，智能電網的安全也受到了嚴峻的挑戰。

為了幫助消費者達成節能省錢的目標，同時確保電力公司對消費者加入用電需求響應或電荷管理方案的預期規劃得到實現，除智能電表外，電力公司還必須在用戶家中部署用戶友好的配套產品。

家庭能源管理箱與智能電表、智能家電及遠程可控HVAC等大量設備相連，正是這樣一款用戶友好的產品。它能夠托管自動需求響應計劃，依據用戶設置的策略對電力公司的消息做出響應；同時還能托管非侵入式電荷分解軟件，使最終用戶了解自己的實時能耗模式與行為。大多數家電制造商通過能率更高、感知電費計價等方式，希望讓消費者意識到他們與別人的不同之處。這樣促使家電制造商根據消費者的需求采用盡可能低的電價段，從而幫助消費者省錢。飛思卡爾亞太區無線連接產品部市場經理鄺景亮強調，具備通信能力的智能電表提供多個應用來優化家庭的總體能源管理，幫助電力公司管理電網負荷和避開用電高峰。例如，能源管理系統就是電力公司控制的智能電網與屬于能耗室內對象的智能家電之間的接口，同時也是連接消費者的接口。如果消費者了解能源使用對成本及碳足跡有何影響，他們會改變自己的行為。能源管理系統可以通過用戶界面提供此類信息，無需組合到室內對象中或者使用智能移動設備查看。

ADI公司技術業務經理張松鋼介紹，對于ADI而言，數字家庭最主要涉及的領域在智能電網方面。ADI極其重視智能電網業的發展，將智能電網視為ADI公司最具前景的發展機遇之一。智能電網涉及到新能源發電、新能源并網接入、大容量能量存儲、特高壓輸電以及數字化變電站、智能計量等廣泛的相關領域，所有的這些領域都需要保護、測量及控制設備，這些設備把現場的高電壓、大電流信號需要轉換成小信號，傳遞到相應的控制設備進行記錄與控制。在這些設備中，半導體技術將起到至關重要的作用，主要體現在電信號的檢測、調理、模數變換、數字信號處理、存儲、電源管理、接口及隔離等，主要用到的半導體器件包括放大器、模數變換（ADC）、數模變換（D A C）、參考源、數字信號處理器（DSP）、微控制器（MCU）、存儲器、隔離器、接口器件、電源器件等。ADI公司參與能源解決方案已有超過十年的歷史，從能源計量芯片到全面參與能源及電力系統各個環節的控制系統方案中，在技術方面積累了大量的經驗和擁有一系列的高性能的產品，在輸配電、繼電保護、測控系統、電能計量及能量控制等方面一直保持領先優勢和占據著很高的市場份額。ADI公司作為半導體公司在智能電網及新能源領域一直強調真實世界信號的調理及處理，這包含了先進的測量、通信和處理技術，能幫助客戶更快地將構想變成現實，有效應對能源應用快速變化、豐富創新和終端要求不斷提高等市場特點。這其中ADI所建立了新的模數轉換器（ADC）系統結構，在性能和功能方面取得重大技術突破。從12位、14位、16位到24位廣泛的高精度ADC產品以無以倫比的性能滿足用戶對低功耗、小封裝和低成本的要求，為中國的超高壓及特高壓輸電市場提供了優異的解決方案。

目前，ADI已經在美國配合電力供應商推廣智能電表及無線網絡通訊技術，作為智能電網的一部分，智能電表的大范圍推廣將能更好的配合智能家電的使用。在中國，無線通訊技術和電力線載波技術已經開始應用在電表的抄表與通訊中，將很快過渡到智能電表。ADI在這兩項技術中都有非常強的實力及相應的技術方案，可以很好的支持中國智能電網的發展。

NXP的張林認為，智能電網方面對傳輸標準和借口標準的考慮更為嚴格，因為涉及整個供電系統，所以對其安全性和可靠性的要求也比單個家電和室內數據傳輸網絡的要求要高得多。

未來與挑戰

技術都已經準備好了，但由于涉及很多相關的產業鏈，所以在數字家庭普及的過程中，依然會有一些技術細節需要企業和產業鏈一起面對和解決。最大的阻力來自于家電企業，兩年前，談到家電數字化時，GE一位高層提出過這樣一個疑問，對于家電廠商，如果他們要將自己的產品智能化，需要增加更多軟件和硬件在自己的產品中，而這不僅增加了產品的成本，更增加了設計的復雜度和出現故障的幾率。在整體數字家電一體化優勢無法體現出來的現實環境下，對利潤本就不是很豐厚的家電制造商來說，究竟什么才是讓他們率先“吃螃蟹”的驅動力。這是一個很尷尬的循環問題，畢竟，沒有最終數字家電產品，就無法體現數字家庭的優勢，而反過來，消費者感受不到數字家庭的優勢，就沒有動力購買更昂貴和操作復雜的數字家電。這個循環問題如果無法解決，數字家庭的進程將被無限期拖慢，最終始終停留在影視資料的暢想中。

目前看，節能是數字和智能家電第一個推動力，智能電網已經為家電智能化提供了啟動的推動力，那么在后面漫長的家電智能化道路上，還有哪些技術細節需要完善呢？

按照數字家庭概念，家中的每一個主要設備都有處理器和網絡，這是一個巨大的潛在市場。處理器和網絡接口是內容提供設備的標配。當這個市場高速增長時，我們需要每一臺家電都有處理器和網絡接口。要實現這個目標，我們需要解決增加價值同時保持可靠性和低成本的問題。數字連接的標準，是困擾數字家庭技術一個非常重要的原因，可靠性和安全性也是技術普及潛在的問題，在實驗性和局域性產品中有不同的標準，但是在可靠性和安全性方面還有欠缺。正如前面所說，無論是連接技術內的有線無線標準，還是控制與人機界面之間的信息交互，不同廠商之間存在著不同的理解和標準。而數字家庭實現普及的一個重要條件就是一個通用的技術標準或者兼容性標準的確立，在這樣一套標準確立之前，數字家庭更多的還只能在少數幾個廠商或產業鏈中相對密切的幾個廠商之間實現。不能像現在的移動通信、電網和其他家電標準那樣具備一個通用性的整體數字家庭標準，以實現所有數字化家電的無縫連接，才是數字家庭面對最迫切的挑戰。

接口標準的確定，成本相對較高，終端用戶接受程度這是目前NXP張林看到的三大數字家庭普及路上的阻礙。更深層次，涉及到連接、控制與智能電網的綜合性考慮時，技術難關包括易用性、互操作性和擴展性。

意法半導體John Carey還強調，要想讓智能家居/智能電網在家用市場取得成功，內容提供商和供電公司必須解決相關設備在家中的易用性、互操作性和擴展性三大問題。用戶非常歡迎智能家居概念，但是他們花錢買到的卻是很難使用的或復雜的系統。

當然，雖然很多技術細節問題依然無法完全解決，但數字家庭的技術已經逐漸邁入現實。預見在未來生活中，設備與互聯網的緊密結合可構建更智能、更低能耗，充分利用互聯網為其完成繁重工作的家庭。例如，消費者將可通過 Web 與醫生互動了解和共享醫療信息，使用手機等設備控制和監控家用電器與家庭安全情況。未來家庭將支持令人驚嘆的互動設備、娛樂共享以及出色的視頻游戲體驗。最重要的是，未來家庭還將為消費者提供更便捷的用戶界面，以更加自然地與所有設備互動。例如，簡單的平板電腦應用可讀取用戶手勢，實現數字菜譜翻頁，從而可避免洗手的麻煩。總而言之，各種技術將把普通家庭轉變為智能化的互動家庭。