浅析智能家居三大技术22

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1、 浅析智能家居三大技术摘 要:随着现代住宅逐渐走向智能化的发展趋势，智能家居技术已成为近几年研究的热点问题。本论文目的在于分析智能家居现有的三大主流技术，通过分析各种不同技术的优劣，选择一个或几个合适的智能家居传输技术，从而实现一套低成本、低功耗、高效率、小型化的智能家居系统解决方案。关键词: 智能家居；总线技术；电力载波技术；无线技术Analysis three technologies of smart home Abstract: With the intelligent trend of modern residential, smart home technology has bec

2、ome a hot research issue in recent years.The main purpose of this paper is that analysis the three mainstream technologies of smart home,Through the analysis of different technology,choose one or some appropriate technologies of smart home,in order to achieve a low-cost, low power, high efficiency a

3、nd small smart home system solutions.Keywords: smart home; Bus technology; Electric power carrier technology; Wireless technology 1 引言智能家居（Smart Home）是以家为平台，兼备建筑、自动化，智能化于一体的高效、舒适、平安、便利的家居环境。家居智能化技术起源于美国，最具代表性的是X-10技术，通过X-10通信协议，网络系统中的各个设备便可实现资源的共享。因其布线简单、功能灵活，扩展轻易而被人们广泛接受和应用。至今，X-10技术产品的销售已超过两亿个，仅在美

4、国一个国家，便有超过600万个家庭在使用。自动化的智能家居不再是一幢被动的建筑，相反，成了帮助主人尽量利用时间的工具，使家庭更为舒适、平安、高效和节能。 随着网络技术的发展，非凡是无线网络的发展，网络化智能家居系统可提供遥控、家电（空调，热水器等）控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段，使生活更加舒适、便利和平安。 本文主要从技术和应用的角度全面阐述智能家居系统，通过分析总线技术、电力载波技术、无线技术这三大类技术。根据客户需求和居住环境，采用多种传输技术混合搭配，设计出最理想的信号传输解决方案。 2 智能家居系统现状分析 智能

5、家居系统的特征是数字化、智能化和网络化，要实现这些要求也并非易事。所以对于实现家庭网络的总线的选择，应该结合家庭网络数据传输的特点来进行。家庭内部网络的信息流可以大体分为较为简单的数据采集、设备控制信号类和复杂的音视频类等媒体信号类。数据采集类的信号主要是指水、电、气三表的信号采集。设备控制类信号一般指对家用电器的开关控制等。这两类信号的特点是：数据主要是一些开关量和脉冲量，因此数据信息量小，传输速率较低；但实时性、可靠性要求较高，实现起来要求低功耗、低成本。因此对于这两类信号的传递完全可以采用一些简单的数据传输协议来实现。 随着网络技术的发展，产生了各种各样的数字家庭网络内部数据传输实现方案

6、。但总体来讲，主要可分为有线和无线两种方式。虽然无线传输方式比较适合于家庭使用，但它需要考虑系统的功耗因素，所以其实现的算法程序要复杂得多，硬件成本也要比有线传输方式高1。3 总线技术 目前，国际上家庭总线的标准主要有以下几种摘要：前述的X-10，日本的家庭总线(Home Bus)，欧洲标准安装总线(EIB)和BatiBus，美国Echelon公司的LonWorks，HP公司的IRDACONTRAL等。其中，最受业界关注，应用最广的是X-10、LonWorks和消费总线（CEBus）、EIB总线技术这五种，以及下文还将介绍的一种新型的总线技术LIN总线技术2。3.1 X-10技术X10控制总线

7、是历史最长且使用最简单的一种，它诞生于1978年，是全球第一个利用电力线来控制灯饰及电器产品，至今仍是美国家庭自动化的主导系统2。X一10控制总线是以50Hz(或60Hz)为载波，再以120kHz的脉冲为调变波(Moduhfing Wave)发展而来的数位控制技术，信号的传输是利用市电电源的正弦信号的过零点来进行的。x一10控制总线系统是一种电力配线方式的住宅智能化系统，直接利用住宅电力线作为控制总线，电力线将电能传到家中的各个房间，同时也将家中所有的电灯、电器连成网络，通过电力线将各控制器与各功能接口器相连并实现程序控制。X一10系统主要由发送器和接收器组成，发送器和接收器都有地址。x一10

8、的地址分为房间地址和设备地址，房间地址16个，设备地址也16个，所以x一10最多可以有256个设备。发送器和接收器的控制关系是由其地址来决定的，也就是说，当发送器A的地址与接收器B的地址相同时，发送器A就可以控制接收器B。发送器和接收器的地址是可以改变的，当发送器A和接收器B两者中的某一个地址改变后，它们之间的控制关系就不再存在了。根据不同需要，发送器有多种类型，有的可以进行灯光亮度调节，有的可实现定时控制等。该系统的特点是：安装施工简便，不必再穿墙打孔，用户可自己动手安装，适用于旧房改造工程、新房装修工程、已装修房的改装工程；系统稳定、可靠、安全；使用方便，操作简单；具有系统扩展功能；有多种

9、模块面板；产品价位比较低。因此被广泛应用于家庭，例如：安全监控、家用电器控制、室内照明控制、背景音乐控制和住宅仪表数字读取等方面。至今，x-10产品的销售已超过一亿个，单在美国一个国家，在使用的家庭就超过400万个。然而x10产品在我国的应用例子并不多，原因可能是产品不太适合国内使用。X-10产品在美国主要是用在旧房子的改造上，而国内则一般是在买新房或在旧房装修时才会考虑这个问题。如果房子是入墙式装修，要外加X10功能模块在开关插头之上，多少会觉得不太协调。另外X10的一些技术限制成为人们批评的借口，例如反应速度慢，在6oHz供电系统中，传送一个指令需0883秒；抗干扰性能差，这是由于控制信号

10、直接在强电网上传输，不稳定，极易受外界干扰，此外中国目前众多的家电厂家生产的家电不具规范性，就更加增加该方案的不稳定性。这些都给X-10在我国的推广应用带来一定的困难。3.2 LonWorks LonWorks是美国Echelon公司于1991年推出的，LonWorks技术为设计、创建、安装和维护设备网络方面的许多新问题提供解决方案摘要：网络的大小可以是两个到32385个设备，并且可以适用于任何场合。LonWorks提供从收发器到协议到软件API的一个完整的、端到端的控制网络解决方案3。 LonWorks网络中设备的通信是采用一种称为LonTalk的网络标准语言实现的。LonTalk协议由各种

11、答应网络上不同设备彼此间智能通信的底层协议组成。LonTalk协议提供一整套通信服务，这使得设备中的应用程序能够在网络上同其他设备发送和接收报文而无需知道网络的拓扑结构或者网络的名称、地址，或其他设备的功能。LonWorks协议能够有选择地提供端到端的报文确认、报文证实和优先级发送，以提供规定受限制的事务处理次数。对网络管理服务的支持使得远程网络管理工具能够通过网络和其他设备相互功能，这包括网络地址和参数的重新配置、下载应用程序、报告网络新问题和启动/停止/复位设备的应用程序。LonWorks可以在任何物理媒介上通信，这包括电力线，双绞线，无线（RF），红外（IR），同轴电缆和光纤。 LonW

12、orks也有其弱点，主要是价格太高，光电开关的体积太大，对此，Echelon公司开发了一个智能型收发器PL3120芯片组，其中整合了Echelon公司的PLT22电力线实体层和8位的Neuron芯片核心，这使得LonWorks被越来越多的高级建筑所采用。我国目前对Lonworks技术的应用刚刚起步，随着业内人士的更多了解，相信会有更广泛的应用前景。3.3 CEBus控制总线3.3.1 CEBus介绍消费总线（CEBus)是美国电气工业协会(EIA)的消费电子小组制定的家用消费产品的网络通讯标准， 它描述了一种家庭电子产品之间的通讯方法，通过CEBus协议可以实现家庭网络。CEBus采用了简化的

13、OSI模型，分为物理层、数据链路层、网络层和应用层，支持多种物理介质：电力线、红外线、无线电、双绞线等。物理层以同步扫频频率Chirps(线性调频波)为载体，Chirps覆盖了100400kHz频带，每个线性调频波持续100s。利用扩频技术进行的载波通信能有效提高系统性能，具有很强的抗干扰能力和保密性。数据链路层提供数据包装配、差错控制、响应和重传机制功能。网络层实现不同传输介质的连接。CEBus是一个完全面向报文分组(Packet)的对等网络，使用载波侦听多重访问和冲突检测与冲突分辨协议（CSMA/CDCR)4。 CEBus在应用层定义了一种面向对象的、严格的设备描述语言CAL(Common

14、 Application Language EIA721)，简称公共应用语言，其内容涵盖了家庭中可能拥有的家电。公共应用语言采用了面向对象的方法，把任意一个家电设备按照功能分解成几个预定义的对象模型。在面向对象的编程语言中，一个对象由数据和操作这些数据的函数组成。在消费总线中，这些对象也由数据（称为实例变量）和操作（称为方法）组成，不同的设备可以采用相同的对象，用相同的方法操作，但是控制结果随设备的不同而有不同的意义。CAL用一种层次关系描述设备的功能，如图1所示。一个设备可以分成几个上下文，它们代表了这个设备按照功能分的子系统。上下文又被分为几个对象，每个对象代表了上下文中的一种控制功能，对

15、象分为若干类，每一类代表一种共有的功能。CAL预定义了27个对象模型。例如，类号为07的对象是模拟控制对象（Analog Control Object)，它可以用来代表音量控上下文组 灯光指针上下文类指针照明 环境 灯场景事例变量亮度指针上下文类灯光电流灯场景 图1. 上下文结构层次图制、温度调节或调光器。一个对象的具体功能完全由它所属的上下文决定。 每个对象包含一定数量的实例变量。每个对象都能够解释执行方法，更新实例变量，并完成实际操作。举例说明，图2为一个模型结构事例。其中，照明和环境为两个上下文组。照明组由灯光、光场景等上下文类组成；灯光类由光等级、特征选择等上下文对象组成K而光等对象由

16、步长、电流值等事例变量组成。同样环境组也有类似照明组的层次结构。这和我们熟悉的C+语言有异曲同工之处。上下文1对象1上下文2上下文1.对象2家电设备上下文2. 上下文n对象n上下文n 图2. Call层次关系3.3.2 CEBus总线标准CEBus标准涵盖如下内容：（1）CEBus网络的整个拓扑结构和每个分立媒体使用的详细布局；(2)CEBus使用媒体的电力和物理描述；（3）设备到媒体的物理接口及用在媒体上的信令方式描述；（4）接入网络协议及控制消息格式描述；（5）允许所有设备执行公用通信函数集的命令语言CAL(公共应用语言)。 标准有如下特征：（1）对现存家庭作翻新改进，提高家居自动化；（2

17、）通过使用CEBus的子集使得设备性能可以从简单到复杂变化；（3）可以适应不同的数据传输媒体，通信设备的大多方面不随媒体变化而变化；（4）以不同的模拟、数字格式支持宽带音频和视频业务的分布；（5）使用一种分布式的通信策略，这样在设备间不需要中心控制器。CEBus具有网络智能，制造商支持子系统间集中协调和整个家居的家庭自动化；（6）网络配置时，允许用户把设备加入到网络中或无中断地移走。这种特性为“即插即用”（plus and play)；（7）为设备提供一个简便的方式使之接入到共享媒体，允许给时间紧急设备较高优先权来获得通信业务。3.4 EIB控制总线3.4.1 EIB系统的由来20世纪80年代

18、中期，随着计算机技术和通讯技术的迅速发展，工业自动控制领域对现场底层设备之间的通讯和控制提出了越来越高的要求，促使了现场总线技术的诞生。比较有代表性的有Profibus、FF、CAN、HART等，它们在全世界得到了广泛的应用5。相对于对实时性、精确性及通讯效率等要求极高的工业自动化领域而言，建筑自动化领域的要求要低一些，从经济成本角度考虑，上面那些造价昂贵的现场总线技术也并不非常适合于建筑领域。(EIB智能家居系统)但是作为建筑本身的发展而言，随着用户对建筑提出的功能要求越来越高，满足这些功能而使用的现代化技术也日益复杂，在所谓的智能建筑中就集成了现代的通讯技术、微电子技术等多项尖端技术。这些

19、技术的应用，不仅给建筑带来了较重的建设成本压力，其运行和维护的管理成本也越来越高，正是建筑对安全性、经济性、舒适性、应变性等各方面的不断提高的要求成为建筑领域的现场总线技术标准欧洲安装总线(European lnstallation Bus)技术产生和发展的基础。1990年，由7家德国著名的电气产品制造商组成联盟，制定了EIB技术标准并成立了中立的非商业性组织EIBA(EIBAssociate，欧洲安装总线协会)。EIBA协会的成立极大地推动了EIB标准的发展，迄今为止，已有100多家制造厂商成为了EIBA的会员。按照开放的EIB标准生产能够相互兼容和交互操作的各种元器件，各类产品品种多达40

20、00多种，几乎覆盖了建筑中各个行业和各种用途的需要。经过十多年的发展，EIB不仅成为事实上的欧洲标准，也被成功地引人世界各地。2001年，EIB技术开始被引人中国，在短短的几年内，以其优越的性能和质量获得了很大的成功。 3.4.2 EIB系统的基本原理EIB技术对传统电气安装技术而言是一次突破性的革命，它具有现场总线技术的核心优点，如全分散控制；设计、安装、维护方便等，是当今建筑技术领域非常优秀的现场总线标准6。(1)总线传输介质EIB总线以双绞线(Twist Pair)为通讯介质。它采用2x2x0.8的标准EIB总线，具有良好的抗干扰性。 (2) 系统拓扑结构EIB系统非常灵活，可以适用于不

21、同大小的电气安装系统：小到普通的一个房间，大至一栋摩天大楼，都可以在拓扑上分层次设计安装。EIB的最小安装单元是线路(line)，每条线路上最多可连接64个总线元件；通过线路路由器(line coupler)可以将多达15个线路连接组合成一个更大的拓扑单元，它称之为域(Area)；通过主干路由器(Backbone Line Coupler)更可将15个域相互连接和组合起来。这样，EIB系统最多可连接14400个总线元件，可控制的用电设备点数更是数量惊人。根据EIB标准规定，每条线路的总线最大长度为1000m。(EIB智能家居系统)通过中继器(双绞线线路中继器、光纤中继器、以太网络中继器)的使用

22、，我们可以用EIB来实现一些大距离跨度项目如会展中心、桥梁、广场等的电气照明控制。(3) 信号传输作为一个全分布式的现场总线系统，EIB系统中的每一个总线元件都是一个智能控制单元，元件之间通过广播的电信号(Telegram)交换信息，从而实现控制和被控制的操作。在建筑中，各个电气设备的动作完全是个随机事件，如在某一个时刻，某个房间要打开灯光而另一个房间要关闭窗帘，这就意味着在总线上的电信号是随机出现的。EIB系统采用串行异步的传输方式，应用了CSMACA(载波侦听多路访问冲突避免)技术，它使得多个元件同时发送总线信号时几乎不会发生信号丢失现象。(4)寻址在EIB协议标准中，定义了两种类型的地址

23、：物理地址(Physical Address)和逻辑地址(Group address)。物理地址是用来标识每一个总线元件，用于程序下载和设备维护。每个总线元件都有一个唯一的物理地址。物理地址需按照该元件在整个拓扑中的位置来设定。逻辑地址代表着“一种控制条件”，每个传感元件可以被编程为发出一个或多个逻辑地址，同时每个执行元件可以被编程为接收到一个或多个逻辑地址后执行相应的动作。逻辑地址是用来进行通讯用的，利用逻辑地址，可以轻易实现传统电气安装技术中很难实现的“一控多”和“多控一”任务。3.4.3 EIB系统的特点从EIB的技术角度上，EIB系统最大的特色体现在其兼容性和开放性方面。在产品标准上，

24、所有EIB产品按照统一的通讯标准进行通讯，不同厂商的产品可以完全兼容，这极大地保护了用户的利益。用户不必担心今后的升级维护问题，同时多家产品制造商也可以使用户得到最好的价格和服务。和其他现场总线系统相比，EIB系统有一个很大的特点和优点：EIB系统有一个统一的进行系统设计、编程和调试的工具软件ETS(EIBToolSoftware)，各个厂商按照标准的格式开发每个元件的数据库，统一的ETS编程软件是EIB系统成功的奥秘。3.4.4 EIB系统的应用EIB欧洲安装总线系统主要能够实现灯光控制、遮阳控制、空调控制等功能。其既可在现场通过智能面板控制，也可在中央控制室通过可视化软件控制。在一个需要使

25、用多种功能的房间内，EIB系统有着巨大的优势。以一个中型会议室为例，理想的功能涉及多类型照明(灯光开关、普通光源调光、日光灯调光)、电动投影机的升降、电动幕帘的升降、电动窗帘的升降或百叶帘的升降和调角度、空调室内风机的开关和调速等多项电气设备，采用EIB系统即可实现集成的控制。EIB系统主要适用于以下场所：(1)整体公共建筑的灯光、遮阳控制；(2)公用建筑中的部分单体建筑，如会议室、大堂、领导办公室等；(3)大空间的单体建筑，如体育场馆、会展中心、广场等；(4)桥梁、道路等远距离照明控制；(5)高档别墅等。 2001年，EIB欧洲安装总线系统进入中国市场，至今这套系统已被众多项目所采用。深圳万

26、科建筑研究中心、深圳中国集装箱集团大楼、东莞大宝公寓、上海同济大学桥梁馆、大连维多利亚庄园、大连医科大学、大连世界贸易大厦、厦门国际会展中心、昆明邮政办公楼、北京万泉新新家园等建筑都已经应用了EIB欧洲安装总线系统，(EIB智能家居系统)体现出其强大独特的优越性。3.4.5 EIB系统发展趋势和展望21世纪的到来，人们对舒适和节能提出了更高的要求，智能灯光、智能遮阳控制将会得到越来越广泛的应用。与此同时，用户对系统集成和维护升级的要求也愈趋严格化和专业化，标准化的产品将逐步体现其综合优势。作为开放和集成的技术标准，EIB系统在中国有着良好的应用前景，将为中国的智能建筑领域同国际接轨起到推动作用

27、。3.5 LIN总线技术3.5.1 LIN总线简介LIN（Local Interconnect Network）协议是新出现的一种新型低成本串行通信总线。它最开始出现于汽车行业，作为CAN的辅助总线，用于车身控制网络的低端场合，实现汽车车身网络的层次化，以降低汽车网络的复杂程度。LIN的目标应用是不需要CAN的性能带宽及复杂性的低端系统。由于LIN协议的突出特点是协议对硬件的依赖程度低，成本低廉，可以基于普通单片机的通用串口等硬件资源以软件方式实现，几乎所有的微控制都具备LIN必需的硬件资源，因此可广泛应用于汽车行业以外的其他领域，如智能家居系统内部网络的数据通信、节点控制等。LIN协议标准包

28、括传输协议规范、传输媒体规范、开发工具接口规范和用于软件编程的接口。LIN在硬件和软件上保证了网络节点的互操作性，并有可预测EMC的功能。3.5.2 LIN总线的特点 基于通用UART/SCI 接口的低成本硬件实现。 无须改变LIN 子节点的硬件和软件就可在网络上增加节点。 节点不需要晶振或陶瓷振荡器就可实现自同步，从而减少了子节点成本。 能保证最差状况下信号传送的等待时间，可避免总线访问冲突。3.5.3 LIN通信协议和数据帧格式LIN 网络由一个主节点和多个从节点构成。所有的节点都包括一个从任务，从任务又分成发送和接受任务，主节点还包括一个主任务。在LIN 网络中所有通信都是由主任务发起的

29、，主任务发送一帧头给所有的从任务。帧头由3 部分组成：同步间隔、同步场和信息识别符。从任务通过信息识别符来判断是否响应主任务，若需要响应主任务则开始发送响应信息。LIN的数据帧由帧头和响应信息组成。帧头由主任务发出，主任务在发出同步间隔后发送同步帧，从节点利用同步帧将它的波特率调整到传送来的信号的波特率。从任务通过该字节判断数据是否与自己有关，并确定自己如何处理该数据。LIN 总线的另一个帧是睡眠帧，由主任务发出，它的作用是让总线和节点进入低功耗状态。该通信规则可用多种方式来交换数据，可由主节点到一个或多个子节点，也可由一个子节点到主节点或其他的子节点。随着技术的日益发展，市场的逐渐成熟，用户

30、的更加关注，家庭网络产业将蓬勃发展，我们必定将体验到多样化、个性化的高品质的美好生活。以LIN总线架构的有线网络一定会帮助人们真正实现智能家居系统，LIN总线的应用也将在更多的工业领域推广7。3.5.4 LIN总线及其在智能家居系统中的应用LIN总线是新近出现在汽车行业的一种串行通信总线，其一主机多从机的模式无需总线仲裁。其协议对硬件的依赖程度低，可以基于普通单片机的通用串口等硬件资源以软件方式实现，成本低廉，因此可广泛应用于汽车行业以外对实时性要求不高的其他领域。对于智能家居系统中的电器控制，其实时性要求不高，但节点数目多，布置分散，对成本比较敏感，因此利用LIN总线实现智能家居系统的电器控

31、制具有很多优势。该总线有良好的扩展性，不需要改变LIN从节点的硬件和软件就可以在网络上增加节点，方便用户添置新电器；其次可靠性好，具有故障错误检测功能，可以可靠地控制家电的启动和关闭；再者，其成本低廉，基于普通串口硬件的低成本硬件实现，低成本的单线设备；可进入睡眠模式，降低系统功耗，节约能源。 3.6 总线技术小结总线技术在智能家居行业当中，目前可以算是应用最为广泛的一种技术手段。消费电子总线技术（Consum er Electronic Bus，CEBus）是美国电子工业协会（EIA）于1984年4月开始组织开发出的家居网络标准，于1992年正式推出，并定义为IS- 60/EIA-600 标

32、准。参与研究开发（CEBus）的公司多达几百家，像IBM、Bell、Panasonic、Sony 等都是它的会员。CEBus是一个较完整的开放系统，并要求控制信号在所有的介质中都要以相同速度（10kbit/s）传送，从而有效的避免了信号传输中可能出现的“瓶颈”问题。但由于CEBus接口技术比较复杂，价钱非常昂贵，因此CEBus 在中国的应用也不多见8。另外，总线技术还有香港永泰锋发明的埃普总线技术（Ap Bus）、RS- 48 5总线技术、iBus总线技术是具有可扩展性，工程安装也不是很复杂，由于科学技术的不断发展，新生成许多总线协议下的智能家居系统的价格也不是很高，目前市场的销售情况也很不错

33、。现场总线控制系统则通过系统总线来实现家居灯光、电器及报警系统的联网以及信号传输，采用分散型现场控制技术，控制网络内各功能模块只需要就近接入总线即可，布线比较方便。一般来说，现场总线类产品都支持任意拓扑结构的布线方式，即支持星型与环状结构走线方式。灯光回路、插座回路等强电的布线与传统的布线方式完全一致。“一灯多控”，在家庭应用比较普遍，以往一般采用“双联”、“四联”开关来实现，走线复杂而且布线成本高。若通过总线方式控制，则完全不需要增加额外布线。是一种全分布式智能控制网络技术，其产品模块具有双向通信能力，以及互操作性和互换性，其控制部件都可以编程。典型的总线技术采用双绞线总线结构，各网络节点可

34、以从总线上获得供电（24V/DC），亦通过同一总线实现节点间无极性、无拓扑逻辑限制的互连和通信，信号传输速率和系统容量则分别为10KBPS和4G。目前,还没有一种智能家居的控制总线在应用中占有绝对优势。在国外的系统和产品以较大的规模进入中国市场的同时,我国自行研制的系统已经较为成熟,自行设计和生产的智能家居设备也将有相当的规模。希望未来能涌现出更加完善的适合中国国情的技术和产品,为国人的生活和居住增添新的亮点,为家庭的智能化提供更加完善的解决方案。4 电力载波技术4.1 电力载波技术简介电力通信网具有传输信息量少，但种类复杂、实时性强、具有很大的耐“冲击”性、网络结构复杂、通信范围点多面广等特

35、点，同电力系统的安全稳定控制系统、调度自动化系统被人们合称为电力系统安全运行的大支柱。电力网作为电能输送的专用网络，是国家基础网络之一。其网络的建设质量、机械强度、路权通道、安全经济技术指标等都是经过反复论证合理优化的。它的覆盖面之广、容量之大是任何网络都不能相比的。因此，电力网是一种优质的不可多得的资源。如果对这一优质的网络资源（杆塔、导线、沟道、路由、通道、路权及其他金属材料等）进行充分的开发和利用，毫无疑问它将成为全社会的一个公共传输网络。电力线载波技术在国内已有多年的应用和发展历史，技术标准和管理规程相当完备和成熟。目前，尽管在线运行的载波设备呈下降趋势，但在电力系统中仍然还有相当大的

36、数量，承载着电网通信的某些核心业务。随着电力线通信技术的发展，近年来，不仅宽带电力线载波PLC(Power Line Commanication)开始在电力系统通信中崭露头角，窄带PLC也有了新的发展，在没有光缆到达，或采用光缆成本太高而有电力线的地区，特别是偏，远山区等人口不密集的地方，为电力部门解决通信资源，完成电网运行管理、配网自动化提供了一种成本低、组网方便、性能稳定的解决方案。4.2 X10电力载波技术4.2.1 X10名称之由来在智能家居20余年的发展过程中，X10是最引人注目的皮可电子公司（PicoElectronics Lcd.）是全球第一家研发出简单型计算机用集成电路的公司。

37、1976 年,该公司已在代号X-1 到X-9 的几个计划中研发出许多计算机用的集成电路。当时，该公司的研发计划为：在不必另行布新线路的情况下，如何利用即有线路来控制家中的灯饰及电子电器产品，并将该计划命名为X109。4.2.2 X10系统介绍X10 是国际通用的智能家居电力载波协议（即一种通讯“语言”）。用这种“语言”的兼容产品可以通过电力线互相说话，不需要重新铺设控制线路，电力线在提供电流的同时又可以像网线一样传送控制指令，从而实现网络化的控制。电力线将电能传到家中的各个房间，同时也将家中所有的电灯、电器连成了网络。用电力线做载体传输控制信号，既经济又方便，很容易进入家庭。1.电力线网络及电

38、力载波概念(1)电力线网络电力线将电能传到家中的各个房间，同时也将家中所有的电灯、电器连成了网络，这就是所谓的电力线网络。(2)电力载波用电力线做载体传输控制信号，实现网络化控制。电力载波是一种通讯方式，X10 是电力载波到60Hz（我国是50Hz）的电力线上，由指令发射器将一串X10 指令以广播的形式发送给网络，网络中的每个指令接收器可以收到来自电力线上的X10 信号，并执行相应的动作，从而实现网络化控制。2. X10 电力载波协议特点X10电力载波协议具有以下特点：国际通用、技术成熟；众多大公司的产品支持；没有主机、中心总控制台；不用额外布控制线路；使用、维护简单；模块化设计，系统搭建容易

39、；系统开放，随意扩展。X10系统主要由两部分组成：发射和接收（就控制指令而言），控制指令以广播的形式在电力线上的传送，在理想状态下可以达到21 公里，但是，由于电力线上带有很多负载设备，所以控制指令会有所衰减，一般在家庭环境下传送距离可达到500 米。控制指令的内容包括：地址码和执行码，如：A1_ON，A1_OFF在电力线上传送控制信号固然方便，但是必然面临一个问题：杂波干扰。系统中涉及了无线遥控技术，采用射频传输技术，315MHz。这种无线指令没有方向限制，不受障碍物阻碍。无线指令有效半径：空旷地带50 米。为了避免无线信号穿透墙壁后使邻居家的设备开启或关闭，或者邻居在用遥控器开灯时我家的窗

40、帘被拉开，我们采用了无线加密技术，使每家的遥控器都有一个密码，就像给门上加把锁一样，除了主人之外别人不能随便进来，遥控器也不会控制别人家的电灯或电器，邻居之间互不影响。4.2.3 电力线干扰及解决线路干扰来自电力线上的杂波，它不仅会影响X10系统，对家用电器同样有害。电力线网络中由于各种外接设备产生的各种噪音杂波会对室内X10 系统控制信号产生严重的干扰，使X10信号被减弱，X10系统通讯质量下降。1.电力线干扰的来源就像河流一样，本身是干净的，由于工厂排放污水，使河流受到污染，电力线自身也不会产生干扰，干扰来自接在电力线上的用电设备。2.电力线干扰的现象如果杂波干扰比较严重，会导致控制失灵，

41、甚至误操作。3.电力线干扰的解决电力线干扰的解决很简单，只要阻断杂波进入电线干路就可以了。方法就是用阻波器挡住户外干扰；用滤波器滤掉家电干扰（一般品牌好一些的家电都没有干扰）。4.2.4 X10系统安全保障X10系统安全保障主要靠以下三个卫士来实现，即阻波器、滤波器、无线信号。他们在各自的岗位上忠于职守，辛勤的为用户工作。发挥他们的特长的同时也起到了不小的作用。1.阻波器接在市电入户处，阻止外界信号入户，同时阻止户内信号外传。2.滤波器有些用电器能产生噪音，干扰电力载波信号，用滤波器将噪音吸收。3.无线信号加密处理的无线电数字信号。4.2.5 X10系统控制原理X10系统主要是通过地址码和执行

42、码实现对家庭设备的控制。下面接着介绍这两种“码”是如何进行系统控制的。1.地址码 执行码在系统中为了识别网络中的不同设备，采用了2 位16 进制编码，称之为地址码，这样系统中的所有被控制设备都被赋予一个唯一地址码，就像给人起名字一样。(1)两位16 进制码：根码：A、B、C、D（划分区域）子码：1、2、3、46（代表设备）二位16 进制编码分别用字母（A、B、C.P）和数字（1、2、3.16）表示，对应为根码和子码，它们两者之间组合，共有256 种组合，因此这套系统可容纳256 个不同的地址，可以执行的指令包括：on, off, dim, bright,all lights on, all u

43、nitsoff。(2)X10指令：地址码+ 执行码地址码：A1、A2、A3执行码：ON、 OFF、 DIM、 BRIGHT、ALL LIGHTS ON、ALL UNITS OFF2.地址码的意义系统中T 型（指令发射器）是通过发出相应控制指令来驱动想要控制的R型（指令接收器）执行相应的动作，从而达到控制电灯、电器的目的。(1)X10控制指令由两部分组成：地址码和操作码。所谓的地址码就相当于给每一个受控设备取一个名字，通过这个名字我们可以确定我们所要控制的电灯或电器，并对其进行控制。因此系统中的每个指令接收器都需要有一个唯一的地址码作为各自的标识，这样，一个地址码就代表一路电灯或电器。(2)X1

44、0地址码是由两部分组成的：根码和子码。跟码区代表是控制区域，用字母表示：A、B、C、DP，共16位，比如吊灯用子码A表示，窗帘用子码B表示等等；子码代表的是控制区域内设备编号，用数字表示，1、2、36，共16 位，比如吊灯用子码1 表示，窗帘用子码2 表示。根码和子码组合起来就像坐标一样能够确定一个用电设备，A1, A2, A3A16；B1, B2, B3B16；C1, C2, C3C16；（3） X10控制指令举例：A1_ON,A2_OFF由于X10控制指令是以广播的方式传递的，以同一瞬间不能有多个指令同时发出，否则操作失败。ON（开启），OFF（关闭），DIM（调弱） BRIGHT（调强）

45、，ALL LIGHTS ON（开启所有电灯）、ALL UNITS OFF（关闭所有设备）4.2.5 电力载波X10技术的弊端1、我国的电网波动较大，接入的干扰噪声较多并且没有进行较好的抑制。这给X-10在我国的推广应用带来相当大的困难。如在美国电力线一般是0.22mV的噪音(干扰信号强度)，中国电力线一般会有1020mV的噪音。在不同的城市里，老区的电力线噪音比较大，并分布在13-27mV之间；新区的电力线噪音比较小，多数分布在5-15mV之间。2、长距离的传输会导致信号衰减，这也会在我们家庭电路中有所体现，接触不良或者轻微的漏电的同时，X-10信号也被削弱了，当然最主要的还是有些电器是要吸收

46、X-10信号的！根据经验，大屏幕电视机、电脑的主机和显示器、UPS不间断电源等等都可以称作是X-10信号的杀手。还有些抑制电力线噪声的设备，也会在一定程度上削弱X-10信号。3、信号干扰：低压电力线一般由铜或其他电的良导体加工而成，其本身的阻抗很小。对不同频率的信号，其阻抗略有变化且相对稳定。因此，电力线本身的阻抗并不是产生干扰的主要原因。对于干扰问题分析从技术角度而言，利用电力线作为传输媒介，主要存在着以下几个因素： (1).脉冲噪声是电力线上最大的噪声源。噪声具有突变、高能和覆盖频率范围广的特点，对载波信号影响很大，不仅会造成信号误码率升高，而且可能使接收设备内部产生自干扰，严重影响整个系

47、统的工作。(2).信号衰减和阻抗变化，由于家用电器启停随机性大引起。如冰箱易造成电力负载变化大，使得电力线阻抗可从0.1变到100，信号衰减从55dB到100dB。(3).持续谐波干扰。如开关电源产生的主谐波频率在50kHz以上，处于载波信号的频率范围。 4.2 荷兰PLCBUS技术4.2.1 荷兰PLCBUS概述电力线通信总线技术PLC-BUS是一种高稳定性及较高价格性能比的双向电力线通信总线技术它主要利用已有的电力线来实现对家用电器及办公设备的智能控制。这种电力线通信技术是由位于荷兰阿姆斯特丹市的荷兰ATS电力线通信有限公司ATS.,CO研发而成它们致力于设计、开发和制造先进的电力载波灯光

48、控制技术并因此技术的革新被获得多项专利10。 ATS.,CO公司推出了一整套基于PLC-BUS技术的智能灯光控制系统它重新定义了家庭内部高可靠、低成本智能灯光控制的新标准此项技术拥有超强的系统稳定性和可靠性为商业住宅提供了更为经济的智能化控制解决方案。而其它的电力线控制技术与PLCBUS技术在系统功能、可靠性和成本上是没办法相比的。PLC-BUS技术的解决方案包括如下领域的应用灯光控制电器控制HVAC控制以及网络与电器设备间的通信。 ATS.,CO公司目前已经就此项技术与6家制造商进行了有偿授权使用此项专利的合作其中包括世界上最大的电子设备厂商。现在上海索博智能电子有限公司是中国大陆及亚洲地区

49、此项专利技术的唯一授权生产商。4.1.2 PLC-BUS技术前景每年，对高可靠性的电力线控制技术（如：PLC-BUS技术）的潜在市场需求高达30亿美金。现有的和正在开发中的电力线通信技术可靠性并不高，而且在为客户节约成本方面也做的不够理想，还达不到欧洲中等住宅市场的需求。而PLCBUS技术拓展了更宽的市场领域，包括：家庭网络，灯光控制，HVAC，家居自动化，无线遥控控制，安防，家庭影院和因特网控制等等。 单就家居自动化，现在每年预计单在美国就有1亿美金的市场需求。而采用X-10协议的X-10 Ltd.公司则占有了压倒性的市场份额。X-10技术的专利自1998年正式终止，这样结合PLCBUS技术

50、的优势，市场将更有竞争力。另外，灯光市场每年还有5亿美金的份额，为消费者考虑到高可靠性和低配置成本的PLCBUS技术将更受现有灯光市场的欢迎。 2003年，随着信息时代的来临，50%以上的网络用户会使用多种快捷的工具和智能化产品（如：汽车，电子设备等）。 在接下来的3-5年，网络及相关综合产品每年会以超过45%的比率迅猛发展。从2003年到2005年大型销售产品的20%汽车、手提电话、楼宇、电器等将普及因特网联通功能。“因特网已经为人们与他们所使用的商品间创造了一个通用的智能化平台。随着时代的发展数以万计的智能芯片、传感器和控制器出现在我们的汽车、家居和办公环境中。网络附属配件产业的迅猛发展及

51、成本的降低将大大增强网络信息产业的发展。 虽然，PLCBUS技术在灯光控制市场已有一些应用但其主要目标市场还是定位在为家居环境提供电力线通信解决方案。 因特网的未来将不仅仅局限于个人电脑，它将把您日常用品连成网络。这样，所有东西将被联系在一起，包括很小的日常用品，如：家用电器、仪表、自动调温器、抽水泵、电子管、开光等。接下来将有更多新的应用和新的产业发展起来。没有低的成本，将有一半因特网家庭网络控制贸易不会发生，而PLC-BUS恰恰就是这种技术，能可靠的为“网关到用电器通信”提供低带宽解决方案。网络的发展是已成为无可阻挡的时代潮流，智能家居的发展同样是未来的大趋势，目前像美国硅谷的一些科技公司

52、，INTEL、MICROSOFT、IBM等大公司正在努力投巨资开发家庭数字化产品，以期将来能在此领域的市场争得一席之地，据美国 HAA 称：全球对家居智能化的需求以每年20% 的速度增长；美国IDC集团和IN-STAT集团的预测：2005年家庭数字化设备的销量有望超过PC机的数量，2010年家居数字化产品在销量上将是PC机的10倍以上，全球市场规模将达到5800亿美元，届时将有9亿个家庭使用数字化设备。在中国，每年的数字化家园建设比例已经占到了新建住宅总量的30%左右，国家将投资15个亿支持该项目的实施，建设部已制订了 “到2010年，中国大中城市60%的住宅要实现智能化”的数字家园发展目标。

53、而PLC-BUS技术正是为这一市场需求服务的最好的技术，因为它无需布线，同时适用于已装修户及新装修户，它的高可靠性将最大程度地满足国内复杂的电力线环境同时它的高性能价格比是最适合国内现阶段的消费水平。中国单就家居自动化，现在每年预计单在美国就有一亿美金的的市场需求。另外，灯光市场每年还有5亿美金的份额，为消费者考虑到高可靠性和低配置成本的PLCBUS技术将更受现有灯光市场的欢迎。 综上所述，PLC-BUS将会在中国有很大的发展市场。4.1.3 荷兰PLC-BUS技术的七大优势 高度可靠，万无一失PLC-BUS技术采用新的电力线加载技术，利用低频、广谱技术产生一种非常超强的电力通信信号，使其具有

54、强抗干扰性，它的通信方式比X-10技术要可靠的多，通常在信号收发的传输中，接收不到的比率，X-10技术是PLCBUS技术的1001000倍，而CEBUS或LONWORKS技术信号传输的质量会相对X-10好一些，但信号接收不到的比率也是PLCBUS技术的10100倍，这里可靠性是指自最初安装后，信号传输正确收发的百分率。PLCBUS产品在荷兰测试时，被随意的安装在典型的单一家居住宅环境中，在原有的环境中，不做任何的修改。这也意味着在原有的环境基础上，不安装任何中继器和阻波/滤波器的情况下，它的可靠性在99.95%以上，而现在的X-10产品的可靠性大概只能达到70%80%，所以，PLC-BUS技术

55、更适合于中国复杂的电力线环境。 无需布线，即插即用 PLC-BUS技术一种非常超强的电力载波通信协议，它主要通过电力线来传输控制信号,所以无需要重新布线；而且PLCBUS技术的通信方式比X-10技术要可靠的多，信号在电力线上几乎能被100%传输，不需重新布线。 适用于所有已装修和未装修的住宅智能化项目和体育场等智能控制工程项目。 成本低廉，高性价比在微处理器内加双向收发组件的成本只比X-10单一的接收组件或发射组件成本高出40%60%左右，比较适合中国现阶段人们生活消费水平，可以轻松享受智能生活！ 超级速度，即控即现PLC-BUS的信号传输速度是X-10技术的20到40倍。这相当于每秒钟可完成

56、10个完整指令，平均每条指令从发射到执行在0.1秒钟之内，几乎是即控即现。 双向通信，状态反馈在PLC-BUS产品的硬件、软件和协议中我们设计其允许双向通信的功能，能让被控制设备真实反馈开关状态信号，以便确定控制命令是否真正被正确执行。PLC-BUS技术100%双向通信功能，也是为了实现多种设置方式和用电脑来进行控制。 6万地址，应用更广相对传统X-10的256个地址码，一个发射器可以最多控制256个不同的地址设备。PLC-BUS系统总共可以分配最多64000个不同的地址码。如果必要，也可以加密后应用于网络。这样更适合于楼宇小区内每家每户的智能家居功能实现，而不需要通过加装阻波滤波设备来保障每

57、家每户系统的单独使用，大大提高了社区式住宅智能化的可行性和稳定性。PLCBUS技术的高可靠性及多地址功能，使得它几乎可以应用到所有公共生活、娱乐、休闲、办公、交通等智能化工程项目领域。 兼容性好，互不冲突PLC-BUS技术设备可以与X-10, CEBus,和LonWorks设备兼容，完全不会产生任何信号冲突。它采用了与宽带，窄频和扩频技术完全不同的频率范围。并且PLC-BUS技术的通信方式与X-10, CEBus,和LonWorks的调制解调技术也完全不同。同时，只要安装了X10与PLC-BUS信号转换器，就能轻松实现X10系统与PLC-BUS系统的相互通信与控制11。4.1.4 荷兰技术与其

58、它技术的对比特点X10PLCBUSPLCBUS的技术优势通信的可靠性70%80%99.95%99%的可靠性及双向通信应用范围广泛性住宅等小范围智能控制社区等大范围智能控制因信号的可靠性，强抗干扰性，多地址码功能，可应用在智能控制工程项目上器件成本（美元）12美元35美元因其控制的可靠性，所以总体成本较低命令反馈速度08秒01秒0.1 秒/每次，场景启动时所有灯同时启动系统最多地址码数256路64000路PLCBUS技术有250个用户地址+16个房间码+16个单元码地址，最多64000个地址码。高级功能简单更多设置设置信息记忆功能；开关状态反馈与查询功能等 安装调试的容易性调试时间较长简单因高抗

59、干扰性，无需再花时间找干扰源并安装阻波滤波设备 功能完善性一般更完善可以在600W-2000W范围内调光，可以对低电压射灯调光，红外转发接口4.1.4 荷兰技术与其它技术的对比因PLC-BUS技术的超强抗干扰能力、高度可靠性及64000路可设地址，所以，它几乎可以广泛应用于所有已装修及未装修的住宅智能化和体育场等智能工程项目上12。 九大应用领域（1） 社区、会所、广场等公共社区应用（2） 宾馆酒店、美食城、咖啡酒吧等公共服务场所应用（3） 行政、商务办公大楼等公共建筑应用（4） KTV歌舞厅、夜总会、洗浴中心等公共娱乐场所应用（5） 体育场、博物馆、影剧院等公共文化体育场所应用（6） 火车站

60、、机场、汽车站、码头等公共交通中心应用公园、游乐园、渡假村公共旅游场所应用（7） 学校、医院、购物中心等公共生活场所应用（8） 化工、钢铁等易燃易爆，有毒有害工矿企业厂房应用4.1.5 荷兰PLCBUS两大智能控制系统简介索博智能家居系统主要包括智慧照明和智慧电器两大控制系统。1. Smart Lighting System智慧照明控制系统：哪里有灯光，哪里就有智慧照明！主要是采用PLC-BUS电力线载波通信技术实现的无线智能照明系统，通俗的讲就是对灯光进行智能控制与管理的系统，跟传统照明相比，它主要可以实现对白炽灯的调光、一键场景、一对一遥控及分区灯光全开全关等管理，并可以用遥控、集中、场景

61、、定时、远程、电脑等多种控制方式实现对灯的智能管理与控制，从而达到智能照明的节能、环保、舒适、方便的功能。Smart Lighting System的最出色表现功能： 同时适用于未装修户和已装修户 无需重新布线，快捷方便的设备安装 在无线接收范围内，自由遥控智慧照明系统 可实现定时和电话远程控制灯光等高级智慧照明功能 双向通信，可随时反馈与查询灯的开关状态 高度可靠性，信号可靠性达99.95% 可按需选配，分阶段实现整体灯光智能控制功能；Smart Lighting System的功能简介：1. 调光功能在客厅及卧室的灯可以随意调节亮度，创造温馨生活情调；2. 灯光软启白炽灯光的渐亮渐灭功能，

62、既可保护眼睛避受刺激，又可延长灯泡使用寿命。3. 亮度记忆白炽灯开启时，自动渐亮到上次关掉时的灯光记忆亮度。4. 全开全关睡觉前，按“全关”键，所有灯都全关；如有急事，按“全开”键，所有灯都全亮。5. 照明场景在玄关、客厅及卧室，创造 “离家”、“回家”、“会客”、“影院”等灯光电器场景。 6. 遥控控制照明、电器、安防智慧控制功能合而为一，无论在家里任何地方，只用一个遥控器就可一一遥控所有楼上楼下的灯和白炽灯的灯光亮度调节，以及每楼层灯的全开全关；一键创造“会客、就餐、休息、情话”等各种灯光电器联动场景效果；蓝色柔和“夜光”功能，创造黑夜一道亮丽风景线；键盘锁功能，尽现细致入微的人性化设计。

63、2. Smart Appliance System智慧电器控制系统：哪里有电器，哪里就有智慧传送！主要是采用PLC-BUS电力线载波通信技术实现的无线智能电器控制系统，通俗的讲就是对电器进行智能控制与管理的系统，传统的电器都是以个体形式存在，没有系统的管理与控制，而智能电器控制系统，就像一张无形的网络，把所有能控制的电器以一定的结构有机的组合起来，形成了一个整体，通过这个管理系统，用户可以用遥控、场景、定时、远程、电脑等多种控制方式实现对电器的智能管理与控制。以及实现电器的场景控制与管理，从而达到智能电器系统的节能、环保、舒适、方便的功能。Smart Appliance System的最出色表现功能： 同时适用于未装修户和已装修户 无需重新布线，快捷方便的设备安装 在无线接收范围内，自由遥控智慧电器系统 可实现定时和电话远程控制家电等高级智慧电器控制功能 双向通信，可随时反馈与