智能家居中的网络通信

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1、智能家居，是一个基于网络的智能控制系统.它通过家庭网络连接使各种设备（如音频和视频 设备、照明、窗帘控制、空调控制、安全系统、数字影院系统、网络家电以及三表复制，等 等）。与普通家居相比，智能家居不仅能提供一个安全、舒适、高品位的家庭生活和愉快的空 间;还能提供用户与家居全方位的信息交互功能与外部沟通，便捷人们的生活方式，帮助人们 有效安排时间，增强家庭生活的安全性,甚至降低能源成本。随着信息技术的进步，各种家电设备能通过网络互联已经成为现实。强大的网络通信功能是 智能家居系统中不可或缺的部分。目前，智能家庭网络已逐渐向分布式发展。分布式网络结构能够实现各个节点之间的信息共享，并且节点之间地位

2、平等，可以任意通信。 某一个节点出现了问题，不会影响整个系统的运行。智能家庭网络不能只局限于将家中的各 种电气设备联系起来，还应该能和Internet互联、通信。具有通过Internet进行远程访问、 控制和监控功能的家庭网络才能使人们真正的享受到“无处不在的网络”所带来的惊喜和魅 力。智能家居网络通信系统使用现状国际上对于智能家居网络通信系统的主要分为有线和无线两类。有线传输方式的优点在与其 可靠性好、协议设计方便、低功耗，又因为带宽想对较大，压缩比可以降低，它包括电力线 载波的X210和CEBUS，电话线方式的HomePNA以太网方式的IEEE 802. 3以及专用总线 方式的LonWor

3、ks，RS 485，IEEE 1394等;无线传输机制相对于有线传输机制更易于部署与 拓展，包括红外方式的IrDA，无线局域网方式的IEEE 802.11系列，蓝牙，ZigBee等5 。这 里主要介绍 X-10， onWorks， BIuetooth 和 ZigBee。X-10:X-10是智能家居通信系统中，历史最长且使用最简单的一种。它于1978年诞生于美国，至 今仍是美国家庭自动化的主导系统。X-lO协议是一种国际通用的智能家居电力载波协议， 它以电力线为转输介质实现对用电设备进行智能远程控制。X-lO智能家居系统是指基于 x-lO协议，由发射器发出x-10控制信号，通过现有电力线网转输X

4、 一 10信号到接收器， 然后由接收器再对各灯具、用电器等用电设备进行控制的系统。X-lO系统以电力线为传输介质。系统由三部分组成，即发射器，接收器，系统保障设备三 部分。发射器通过电力线发射控制信号给接收器，由接收器对被控器件进行远程控制。系统 保障设备主要是由于电力线干扰问题，故而用来检测和解决电子线噪音问题的一些设备，主 要目的是保障X 一 10信号在电力线上转输的稳定与有效强度，从而保障X-IO系统运作正 常。到目前为止美国的X-10用户已经达到1000万以上，X-10控制规格已成为当今美国家庭自 动化控制规格的主要领导者。其产品已超过5000多种，不论是基本的灯光控制、保全系统、 家

5、庭剧院、温度或动作感测与电脑相关界面与控制等等的产品皆已具备。目前应用XIO技 术的产品在我国还不多，国内的X-lO技术剐刚起步。作为最老资格的家居通信网络系统，X-IO的优缺点明显，它的优点是：物理线路和协议实 现简单，。安装方便，不必再穿墙打孔，更有利于改交结构空问。用户可自己动手安装，价 格也比较低廉。而作为与Internet互联的家庭网络，X-IO的缺点也非常明显：反应速度慢；抗干扰能力较差； 控制方向单一，电器问缺少互操作性，x_10具有的单一方向的控制性，即只能由发射器发 送控制数据到接收器，这也是它的一大缺陷；X 一 10的局限性还在于，X-IO系统在兴起时 是以家庭内网作为考虑

6、的中心，并未想到与Internet之间的互联，故而在目前与外部网络连 接时，X-10系统必须通过昂贵复杂的协议转换器接入外网。在目前网络化大潮形势下，使用X 一 10作为与互联网相连的智能家居网络系统，对它的配 置安装及维护将会非常繁琐。onWorksLonWorks协议是美国Echelon公司开发并与Motorola和东芝公司共同倡导的现场总线技术 嘲。LonWorks性质上是点对点双向通信的单层分布式控制网络。它追求网络的全面控制， 包含了传感器总线、设备总线和现场总线三层意义。LonWorks网络的基本单元是节点，网络节点也是监控模块，利用一根总线可将系统所有的 监控模块连接起来，每个监

7、控模块是由神经元芯片、电源、一个通过媒介通信收发器和被监 控设备接口的I/o电路组成。LonWorks支持多种物理介质，适用于双绞线、电力线、光缆、 射频、红外线等，并可在同一网络中混合使用。LonWorks协议支持多种拓扑结构，可以选 用任意形式的网络拓扑结构，组网方式灵活。目前国内外对LonWorks智能家居通信系统研究较多，各种基于LonWorks的产品也已经推 出。世界上有2万多家0EM厂商生产LonWorks相关产品，其中种类已达6000多种。自1996 年以来，LonWorks也开始在国内获得大量的应用。在建设部的支持下，国内一些研究所和 企业开始陆续开发出基于LonWorks的楼

8、宇自动化控制系统，并在一些新建智能大厦和建设 部智能化小区试点工程中得到应用。LonWorks作为一种开放式的交互网络，其优点有：协议的标准化。由于LonTalk协议的绝 大部分是固化在芯片内部的，所以用户不必担心它的一致性。良好的实时性。在LonTalk协 议中网络流量的预测和避免拥塞的方法，使得在最坏情况下的响应时间得到了控制。设计的 模式化。LonTalk协议的高层一应用层协议的数据称为网络变量。它可以是任何单个的数据 项，也可以是结构数据。应用程序的设计者只需使用关键字“NETWORK”来定义这些变量， 那么在网络中的任何节点都可与之相联系。节点的独立性。LonWorks技术为对等式通

9、讯网 络，各节点地位均等，无主节点。作为与Internet互联的家庭网络，LonWorks也有其自身的缺点：单一芯片的限制。LonWorks 使用Neuron芯片，Neuron的容量以及由Neuron芯片限制的存储结构和LonWorks的设计所 带来的性能缺陷限制了 LonWorks应用逻辑段的规模和范围，也限制了逻辑段之间的互动操 作甚至数据传输速度。另外，LonWorks在与Internet互联时需要进行协议的转换，必然要 加入专门针对于LonWorks设计的协议转换设备，这样势必会增加复杂性和安装费用。LonWorks作为一种先进的智能家居通信系统在目前得到了广泛的应用，突出的优点使得它

10、 成为目前各种智能家居网络系统中一种较好的选择。但是，如果说要将智能家庭网络接入整 个Internet，使得智能家居网络系统与Internet做到无缝连接，则LonWorks通信系统不确定 的开放性、传输速率的不足以及LonWorks网络与Internet互联时必须要增加的协议转换设 备，成为它进入网络互联时代智能家居系统的主要障碍。无线：Bluetooth：蓝牙技术（Bluetooth）是由蓝牙特别规范组SIG（Special Interest Group）联合制定的近距离无线 通信技术标准，其目的是实现最高数据传输速率1Mb / s（有效数据传输速率是721kb / s）、 最大传输距离为

11、10米（增加功率后可传输100米）的无线通信。蓝牙系统由天线单元、链路控制（固件）单元、链路管理（软件）单元和蓝牙软件（协议栈）单元四 个功能单元组成。蓝牙系统工作于2.4GHz的频段，无需申请频率许可证。系统采用1600help /s的快速跳频技术（FEc）技术。蓝牙系统使用FM调制方式，支持点到点点到多点通信。目前，蓝牙的实际应用在世界范围内稳定的增长，近两年支持蓝牙的设备已过亿件，发展前 途广大。中国各企业和研究机构对蓝牙测试协同的开发以及多种蓝牙应用系统的开发也正在 进行之中。然而蓝牙由于技术和成本原因，近期在世界范围内的应用和发展阻力重重。蓝牙系统作为智能家居网络通信系统的一种可选方

12、式，它的优点和缺点都十分明显，优点在 于：蓝牙系统支持移动互联。用户可以像使用移动电话一样灵活的移动蓝牙设备的位置而不 必担心网络断开。同时，因为其不需要使用物理线路，安装简便，故在改动网络结构布局时， 不需要对网络重新设置。蓝牙系统设备体积小，功率小，便于携带或移动。蓝牙系统采用的 跳频通信机制使得通信比较隐蔽也难以被截获。只要对方不清楚载频跳变的规律，就很难截 获我方的通信内容。蓝牙采用的扩频技术能有效减少干扰和衰落的影响，数据稳定性有保障。 蓝牙系统采取了 FEC和包重发的纠错机制，使得数据冲突造成的数据不稳定状况大大改善。然而就目前而言，蓝牙系统的应用还存在种种缺陷：首先，蓝牙产品的互

13、操作性是目前蓝牙 发展的一大问题，虽然当前各厂商的蓝牙产品一致性测试都已经没有问题，但是仍然无法互 通。其次，由于目前主流的软件和硬件平台均不提供对蓝牙的支持，这使得蓝牙的应用成本 升高，普及难度较大。再者，蓝牙技术虽然可以进行网络之间切换，但每次切换都必须断开 与当前PAN的连接。最后，蓝牙系统在与有线的Internet连接时，必须考虑使用合适的协议 转换设备。Zigbee：Zigbee是一种近程（10 米-100米）、低速率（250Kbps标称速率）、低功耗的无线网络技术， 主要用于近距离无线连接。具有低复杂度、低功耗、低速率、低成本、自组网、高可靠、超 视距的特点。主要适合应用于自动控制

14、和远程控制等领域，可以嵌入各种设备。Zigbee是基于IEEE802.15.4的通信协议，IEEE802.15.4处理低级MAC层和物理层协议，而 Zigbee协议对网络层和API进行了标准化。Zigbee完全协议用于一次可直接连接到一个设 备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接 多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。国外对ZigBee技术的研究起步较早，研究也比较成熟，zigbee联盟成立于2002年8月，为 了推动 Zigbee 技术的发展，Chaddron,Ember,FreeScale,Sansumg 等

15、公司成立了 Zigbee 联盟， 如今已吸引了上百家芯片公司、无线节点公司和开发商的加入【Zigbee无线组网技术的研 究】。国内Zigbee起步较晚，国内Zigbee模块生产厂家一般都受芯片厂家数量等限制价格， 国内市场主要有国外仪器占领，国内未见成熟的自助研制的ZigBee产品。不过随着无线科 技大趋势的发展，很多高校和研究机构都已着手无线组网、无线技术应用等方面的研究。Zigbee技术在智能家居中的应用，具有以下优点：抗干扰力强：Zigbee收发模块使用的是2.4G直序扩频技术，比起一般FSK，ASK和跳频的 数传电台来，具有更好的抗干扰能力。保密性好：ZigBee提供了数据完整性检查和

16、鉴权功 能，加密算法采用通用的AES-128,长达128位的密码给ZIGBEE信号传输的保密性提供了 保障。传输速度快：ZIGBEE传输数据多采用短帧传送，因此，传输速度快，实时性强。可 扩展性强：ZIGBEE组网容易，自恢复能力强，因此，便于在智能家居中进行扩展，增加新 设备。但是，我们必须认识到，在智能家居的应用中，Zigbee也存在一些缺点：成本较高，目前ZIGBEE芯片出货量比较大的TI公司的CC2430，CC2530以及Freescale 的MC1319X,MC1322X系列，其成本均在23美金左右，再考虑到其他外围器件和相关2.4G 射频器件，BOM成本难以低于10美金，针对智能家

17、居这种成本敏感而有需要大量节点的家 用设备，其成本较高。通信不稳定，目前国内Zigbee技术主要采用ISM频段中的2.5G频率， 其衍射能力弱，穿墙能力弱。如果对2.5G信号进行放大，会造成额外的辐射污染，同时也 和ZIGBEE低功耗，节能的初衷背道而驰。另外，ZIGBEE虽然支持多达65000个节点，但 是在家居场合，一个别墅，所有的开关插座窗帘控制加起来，也不会超过100个，如果数量 更多，也将超出用户能够使用的极限。因此，庞大的网络容量未必对智能家居应用带来价值。综上所述，ZIGBEE技术在智能家居中，固然有着加密高，安全性好的优点。然而，成本高， 传输距离近，巨大的网络容量成了摆设，也

18、制约着ZIGBEE技术在智能家居产品中的应用 和推广。灵活运用ZIGBEE技术的优点，并且克服其缺点，才能够更好的提供高性价比， 高可靠性的智能家居产品。比较：通过上述的几种技术的论述，可以看出有线方式中的一些技术发展已经相对比较成熟，在行 业中已经具有一定的标准型和通用性，但电话线、以太网、电力线等有线组网技术普遍存在 布线麻烦，增减设备需要重新布线，影响美观，系统的可扩展性差，安装和维护成本高，移动性能 差的缺陷。而无线传输最大的优点就是省去了大量的电缆连线，移动性很好，可以随时增加链 路，安装、扩容很方便。但是无线通信的质量远低于有线通信，其信号衰减要比同距离的有线 通信大很多,而且传输

19、信道容易受到干扰，可靠性没有有线方式好。随着人们健康意识的提高, 对电磁辐射的重视也越来越大，无线传输方式也受到一定程度的限制。家庭网络构建的原则是使用方便、安装简单，不需要额外布线、扩展性好。所以只有那些无 线，或利用电力线和电话线的技术才比较符合家庭的要求。但目前利用现有电力线的技术存 在着接入设备昂贵、技术成熟度不够的难题;利用电话线的技术也存在家庭的电话插头少，接 入产品不能芯片化，支持厂商少等问题，推广起来有一定难度。目前我国大部分住宅建设尚未 考虑家庭联网的需要，基础设施严重不足，重新布线费时费力，影响推广。采用无线传输方式相 对而言比较灵活，更适合家庭，可以避免上述问题。如今智能家居产业界所体现的三大技术趋 势是领先的无线移动；网络化发展;不依靠PC的独立形态。而推进这个发展趋势的正是无线 通信技术、网络技术以及嵌入式系统的广泛应用10 ,因此嵌入式无线智能家居网络控制系 统是未来智能家居的发展方向，它能够提供标准化接口和无线网络互连功能，而且可以通过嵌 入式通信协议的实现，使得系统能够脱离传统PC，从而使智能家居行业也跨入后“PC”时代。