摘 要:針對現代家庭追求家居智能化,享受智能化帶來的多元化信息,以及安全、舒適與便利的生活環境的現狀,介紹了智能家居網絡控制系統的組成,重點分析系統主控制器解決方案、網絡拓撲方案、網絡通信技術及各種有線、無線組網方式,闡述了各自的特點,指出其不足之處,并對有線、無線組網方式進行比較,說明了利用嵌入式控制器、無線組網方式組建智能家居網絡控制系統的優越性。總結得出:嵌入式無線網絡控制系統是未來智能家居網絡控制系統的發展方向。
關鍵詞:智能家居;網絡控制系統;嵌入式;無線網絡
中圖分類號:TN873 文獻標識碼:B
文章編號:1004-373X(2010)03-143-04
Analysis and Comparison among Several Network Control System Solutions for Smart Home
LI Hong
(Xiangtan Polytechnic College,Xiangtan,411102,China)
Abstract:Aimming at the status that the modern families are seeking for the smart home,enjoying the safe,comfortable and convenient environment,the basic components of control system for the smart home network are introduced.The solution for the principal controller,network topology plan,network communication technology,diversified lineate and wireless networking mode in this system are analyzed as well as their respective features.Each deficiency is also pointed out.Comparisons between lineate and wireless networking mode are made.The superiority of the smart home network system using embedded controller and wireless networking mode is illustrated.It is concluded that the embedded and wireless network controller is becoming developmental tendency in the future of the smart home network control system.
Keywords:smart home;network control system;embedded;wireless network
0 引 言
現代家庭已經從追求家居的豪華裝飾轉向家居智能化,享受智能化帶來的多元化信息,以及安全、舒適與便利的生活環境。智能家居是以家為平臺,兼備自動化、智能化于一體的高效、舒適、安全、便利的住宅環境。智能家居網絡控制系統是一個完整的集家庭通信、家庭設備互聯和控制、家庭安全防范等功能于一體的網絡系統。目前智能家居網絡控制系統實現的關鍵技術為兼容性強的家庭主控制器和滿足信息傳輸需要的家庭網絡,有PC架構、單片機架構、嵌入式架構三大解決方案,有有線技術、無線技術、電力載波技術等三大類別的主要實現方式[1]。
1 智能家居網絡系統的構成
一個完整的智能家居網絡控制系統一般由照明控制系統、電器控制系統、安防門禁系統、消防報警系統、遠程控制系統等組成。系統總體結構分為三層[2]:應用層、網絡層和物理層。應用層包括各種家用電器、安全系統、燈光系統及各種智能終端等;網絡層包括控制網絡、數據網絡和音頻視頻網絡等;物理層包括各種傳輸媒介,如電力線、雙絞線、電話線、無線等。實現信息的采集、輸入和輸出、集中控制、遠程控制、聯動控制等功能,如圖1所示。
圖1 智能家居網絡控制系統組成框圖
2 智能家居網絡控制系統解決方案
智能家居網絡控制系統有三種解決方案[3]:基于PC機、單片機和嵌入式系統,分別代表了中國智能家居行業技術特點。智能家居主控制器作為家居網絡的核心,實現一個家居的管理和控制功能,完成顯示、控制,報警等任務,并通過家居網絡與上層智能家居管理系統和底層實現數據交換。
2.1 基于PC機架構系統
PC機架構系統是以家用電腦作為主控制器,通過總線同各個設備、以太網相連,電腦充當了一個網關和處理器的角色,同時在電腦上安裝專門開發的軟件管理系統,對家居各個設備進行管理。這種方案借助了現代計算機的強大功能和普及優勢,開發周期短,開發難度下降,但需要電腦24 h開機,造成電能的較大消耗和智能家居控制系統的成本提高,適用性下降。
PC機架構系統出現在中國智能家居的萌芽階段,基本停留在向使用者展示智能家居的概念,實用性不強,且由于系統容易受到病毒的攻擊,穩定性也很差。
2.2 基于單片機架構系統
以單片機作為核心處理單元,加上定制的硬件和軟件,共同組成控制系統。其實用性、易用性和專業性都有了很大程度的提高。但隨著新功能的不斷增加和性能的不斷提升,必須采用多片單片機聯合控制,造成電路設計較復雜,系統穩定性不高,擴展能力不強。
2.3 基于嵌入式架構系統
嵌入式架構系統是以嵌入式系統為核心,以專門設計的嵌入式主控制器作為智能家居網絡控制平臺,實現家居內部、外部網絡的聯接以及內部網絡中信息家電和設備的連接與控制。嵌入式系統適合比較復雜的應用,擴展能力強,功耗低,采用數字電路設計,結構簡單,穩定性強,嵌入式控制器成為家居控制器的首選。缺點就是開發周期長,標準不統一,市場價格比較高,應用面比較狹窄。隨著嵌入式技術更加廣泛的應用及成本的降低,基于嵌入式系統的智能家居網絡控制系統將會有更廣闊的發展空間。
3 智能家居網絡拓撲方案
家居網絡是指在家庭內部通過一定的傳輸介質將各種電氣設備和電氣子系統連接起來,采用統一通信協議,對內實現資源共享,對外通過網關與外部網絡互聯進行信息交換的局域網[4]。網絡的拓撲結構是拋開網絡物理連接來討論網絡系統的連接形式,網絡中各站點相互連接的方法和形式稱為網絡拓撲。它的結構主要有星型結構、總線結構、樹型結構、網狀結構、蜂窩狀結構等。在智能家居網絡中用的比較多的是星型結構和總線結構。
3.1 星型結構
星型結構是指將家中電器和傳感器以星型方式連接成網。主控制器是網絡的中央節點,其他節點傳感器、家用電器與主控制器直接相連,這種結構以主控制器為中心,特點是結構簡單,便于建網,管理和控制方便,網絡延遲時間較小,傳輸誤差較低,可靠性高。
3.2 總線型結構
總線結構是指各節點家電和傳感器均掛在一條總線上,各節點地位平等,沒有中心節點控制,公用總線上的信息多以基帶形式串行傳遞,其傳遞方向總是從發送信息的節點開始向兩端擴散。各節點在接收信息時都進行地址檢查,看是否與自己的工作站地址相符,相符則接收線上的信息。總線型結構的網絡結構簡單,可擴充性好,使用的電纜少,安裝容易,使用的設備相對簡單,可靠性高,但維護難,分支節點故障查找難。
4 智能家居網絡組網方案
智能家居網絡控制系統內部傳輸接口可以通過有線傳輸方式和無線傳輸方式兩種傳輸途徑來實現。有線傳輸方式包括電力線載波的X-10和CEBUS,電話線方式的HomePNA,以太網方式的IEEE 802.3以及專用總線方式的LonWorks,RS 485,IEEE 1394等;無線傳輸方式包括紅外方式的IrDA,無線局域網方式的IEEE 80211系列,家庭射頻技術的HomeRF,藍牙的IEEE 802151,ZigBee的IEEE 802.15.4等[5]。
4.1 有線傳輸方式
有線傳輸方式的家居網絡采用的傳輸線纜主要有電力線、電話線、以太網雙絞線、現場總線以及專用總線等[6,7]。
4.1.1 電話線聯網
這種方式是通過在電話線上加載高頻載波信號來實現信息的傳遞,可以同時滿足XDSL、電話業務和家庭內部數據傳輸,互相不干擾,HomePNA就是這方面的技術標準。它具有價格低、傳輸速度快、用戶界面好、無需鋪設新的電纜等優點。可能存在的問題是電話線插座數量有限,在擴充新的節點時還是會面臨重新布線的問題。
4.1.2 電力線聯網
在基于電力線聯網的智能家居系統中,電力線在家庭中扮演兩個角色:傳送電能以及將家中所有電器設備連成家庭內部通信網絡,數據通過入口或出口的調制、解調模塊后,再通過家庭內部電力線進行傳輸。目前國際上采用電力線作為聯網介質推出的解決方案有X-10,CEBUS等。
采用電力線通信來實現家居智能化是比較好的方式,信號的傳輸僅借助電力線完成,不需要繁雜的布線,節省了重新布線的開支,只需在低壓用電設備電源側電力線插座上連接一個通信控制開關和電力通信模塊,由家庭網絡智能控制數據終端通過電力線對通信控制開關進行操作,簡單方便地實現了家居智能化。存在的問題是國內電力質量不高,其穩定性受到較大限制,經常出現信號傳輸不穩定的現象,需要增加不固定的阻波與濾波裝置。其次,電力線的通信范圍就是單一變壓器的供電范圍,如果一個小區使用一臺變壓器,電力線信號會在小區內所有家庭間傳輸,容易造成通訊干擾;傳輸速率只有300 Kb/s,不能滿足數字視頻和音頻信號的傳輸,保密性差,而且沒有統一的標準,接入設備昂貴等。
4.1.3 以太網聯網
采用的傳輸介質有雙絞線和光纖,傳輸協議主要是邏輯鏈路控制協議(IEEE 802.2)和載波監聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD,IEEE 802.3),數據傳輸率相當高,可以達到10 Mb/s或者100 Mb/s,甚至更高的1 000 Mb/s,能夠傳輸電話、數據、視頻和家電控制信息,主要用于基于個人電腦的有線局域網和高速因特網。它的優勢在于技術已經十分成熟,以太網的組網設備在市場上可以很容易地購買到。以太網本身的實現成本并不高,但專門布線需要花費大量的費用。家庭中的用戶可能更愿意使用家居中已經鋪設好的電纜或電話線,而不愿意重新安裝以太網線。因此就目前來說,以太網方式可能是家庭網絡發展初期的首選方案,但不是家庭網絡的最終選擇方案。
4.1.4 總線聯網
通過采用總線的形式來組建智能家居系統,常見的有LonWorks,RS 485總線解決方案。它的優點是抗干擾能力強,技術成熟;缺點是需要重新鋪設線路。
RS 485總線是一種國際性的開放式的總線。采用雙絞線差分傳輸方式,可連接成半雙工和全雙工兩種通信方式,傳輸介質一般采用雙絞線,最遠傳輸距離為1 200 m。一般采用總線型網絡結構,不支持環型或星型網絡。
LonWorks是具有強勁勢力的全新的總線技術,它采用了ISO/OIS模型的全部七層通信協議,采用面向對象的設計方法,其通信最大速率為1.25 Mb/s,直接通信距離可達2.7 km,支持雙絞線、同軸電纜、光線等多種通信介質,在自動樓宇控制中得到廣泛的應用。
4.2 無線傳輸方式
目前,應用于智能家居的無線通信技術主要包括:IrDA紅外線技術、藍牙技術(Bluetooth)、ZigBee技術[6,7]。
4.2.1 IrDA紅外線技術聯網
IrDA紅外線技術是家庭無線控制網絡的一種選擇。利用紅外線進行點對點通信的技術,其相應的軟件和硬件技術都已比較成熟。主要優點是設備簡單,成本低廉,功率低,適合設備移動的需要,傳輸速率高,可達4 Mb/s,應用普遍。現有家電通過紅外線遙控接口很容易融入到這樣的網絡中來。但是,紅外線控制方式的作用距離短,要求控制器與接收器之間必須具有目視接觸,屬于點對點的半雙工通信方式,使用不便且失誤率高,沒有標準的通信協議。因此,IrDA方式對于家庭組網方式來說,不太合適。
4.2.2 藍牙技術(Bluetooth)聯網
藍牙技術是一種低功率短距離的無線連接技術標準的代稱,屬于無線網絡技術,可以組建相應無線網絡。它支持IEEE 802.15.1標準,工作頻率2.4 GHz,采用全雙工的工作方式,支持電路交換及分組交換業務,帶寬可達1 Mb/s,完全滿足智能家居系統的需求。但它只有10 m左右的通信距離,這作為智能家居通信方式顯然不足。同時由于未來的家居網絡中設備節點的數量會越來越多,藍牙有限的網絡容量將會限制其在低速控制網絡中的應用。另外,藍牙的成本始終高居不下,這也導致其無法適用于未來的大規模家居控制網絡的應用。
4.2.3 ZigBee技術(IEEE 802.15.4)聯網
ZigBee是IEEE 802.15.4通信協議的代名詞,是一種適用于自動化系統與遠程控制的無線通信技術,具有復雜度低、成本低、功耗小、雙向傳輸的特性,是一個比較完善的近距離低速率無線通信協議。在家居的應用領域主要包括:家庭安防系統、自動空調系統的自動溫控、照明和窗簾之類的遠程控制等。到目前為止,ZigBee也還存在著一些問題阻礙著它的推廣,首先是ZigBee芯片的價格還比較高,其次是在功耗方面,市場上的ZigBee模塊使用電池供電遠未達到協議中設計的理想年限。但是,ZigBee技術有效地解決了藍牙技術的高成本和高能耗缺點,這使得它在智能家居系統中的應用前景無疑將非常廣泛[7]。
4.3 有線方式和無線方式組網比較
有線方式中的一些技術發展已經相對比較成熟,在行業中已經具有一定的標準型和通用性,但電話線、以太網、電力線等有線組網技術普遍存在布線麻煩,增減設備需要重新布線,影響美觀,系統的可擴展性差,安裝和維護成本高,移動性能差的缺陷。無線傳輸最大的優點就是省去了大量的電纜連線,移動性很好,可以隨時增加鏈路,安裝、擴容很方便。但是,無線通信的質量遠低于有線通信,其信號衰減要比同距離的有線通信大很多,而且傳輸信道容易受到干擾,可靠性沒有有線方式好。隨著人們健康意識的提高,對電磁輻射的重視也越來越大,無線傳輸方式也受到一定程度的限制。
5 智能家居網絡控制系統的發展方向
家庭網絡構建的原則是使用方便、安裝簡單,不需要額外布線、擴展性好。所以只有那些無線,或利用電力線和電話線的技術才比較符合家庭的要求。但目前利用現有電力線的技術存在著接入設備昂貴、技術成熟度不夠的難題;利用電話線的技術也存在家庭的電話插頭少,接入產品不能芯片化,支持廠商少等問題,推廣起來有一定難度。目前我國大部分住宅建設尚未考慮家庭聯網的需要,基礎設施嚴重不足,重新布線費時費力,影響推廣。采用無線傳輸方式相對而言比較靈活,更適合家庭,可以避免上述問題。
如今智能家居產業界所體現的三大技術趨勢是領先的無線移動;網絡化發展;不依靠PC的獨立形態。而推進這個發展趨勢的正是無線通信技術、網絡技術以及嵌入式系統的廣泛應用[10],因此嵌入式無線智能家居網絡控制系統是未來智能家居的發展方向,它能夠提供標準化接口和無線網絡互連功能,而且可以通過嵌入式通信協議的實現,使得系統能夠脫離傳統PC,從而使智能家居行業也跨入后“PC”時代。
6 結 語
智能家居是典型的小規模局域網,是未來住宅的發展趨勢。本文通過構建智能家居網絡控制系統的組網技術、主控制器技術等方面的比較說明,闡述了相關技術發展的趨勢。其中的無線通信技術、嵌入式技術的應用及系統的集成化、功能的多樣化是主流的發展趨勢。
參考文獻
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[5]蔡型,張思全.短距離無線通信技術綜述[J].現代電子技術,2004,27(3):35-37.
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[10]Bertseh L A.Development Tools for Home Automation[J].IEEE Trans.on Consumer Electronies,1990,36(4):854-858.
關鍵詞:智能家居;網絡控制系統;嵌入式;無線網絡
中圖分類號:TN873 文獻標識碼:B
文章編號:1004-373X(2010)03-143-04
Analysis and Comparison among Several Network Control System Solutions for Smart Home
LI Hong
(Xiangtan Polytechnic College,Xiangtan,411102,China)
Abstract:Aimming at the status that the modern families are seeking for the smart home,enjoying the safe,comfortable and convenient environment,the basic components of control system for the smart home network are introduced.The solution for the principal controller,network topology plan,network communication technology,diversified lineate and wireless networking mode in this system are analyzed as well as their respective features.Each deficiency is also pointed out.Comparisons between lineate and wireless networking mode are made.The superiority of the smart home network system using embedded controller and wireless networking mode is illustrated.It is concluded that the embedded and wireless network controller is becoming developmental tendency in the future of the smart home network control system.
Keywords:smart home;network control system;embedded;wireless network
0 引 言
現代家庭已經從追求家居的豪華裝飾轉向家居智能化,享受智能化帶來的多元化信息,以及安全、舒適與便利的生活環境。智能家居是以家為平臺,兼備自動化、智能化于一體的高效、舒適、安全、便利的住宅環境。智能家居網絡控制系統是一個完整的集家庭通信、家庭設備互聯和控制、家庭安全防范等功能于一體的網絡系統。目前智能家居網絡控制系統實現的關鍵技術為兼容性強的家庭主控制器和滿足信息傳輸需要的家庭網絡,有PC架構、單片機架構、嵌入式架構三大解決方案,有有線技術、無線技術、電力載波技術等三大類別的主要實現方式[1]。
1 智能家居網絡系統的構成
一個完整的智能家居網絡控制系統一般由照明控制系統、電器控制系統、安防門禁系統、消防報警系統、遠程控制系統等組成。系統總體結構分為三層[2]:應用層、網絡層和物理層。應用層包括各種家用電器、安全系統、燈光系統及各種智能終端等;網絡層包括控制網絡、數據網絡和音頻視頻網絡等;物理層包括各種傳輸媒介,如電力線、雙絞線、電話線、無線等。實現信息的采集、輸入和輸出、集中控制、遠程控制、聯動控制等功能,如圖1所示。
圖1 智能家居網絡控制系統組成框圖
2 智能家居網絡控制系統解決方案
智能家居網絡控制系統有三種解決方案[3]:基于PC機、單片機和嵌入式系統,分別代表了中國智能家居行業技術特點。智能家居主控制器作為家居網絡的核心,實現一個家居的管理和控制功能,完成顯示、控制,報警等任務,并通過家居網絡與上層智能家居管理系統和底層實現數據交換。
2.1 基于PC機架構系統
PC機架構系統是以家用電腦作為主控制器,通過總線同各個設備、以太網相連,電腦充當了一個網關和處理器的角色,同時在電腦上安裝專門開發的軟件管理系統,對家居各個設備進行管理。這種方案借助了現代計算機的強大功能和普及優勢,開發周期短,開發難度下降,但需要電腦24 h開機,造成電能的較大消耗和智能家居控制系統的成本提高,適用性下降。
PC機架構系統出現在中國智能家居的萌芽階段,基本停留在向使用者展示智能家居的概念,實用性不強,且由于系統容易受到病毒的攻擊,穩定性也很差。
2.2 基于單片機架構系統
以單片機作為核心處理單元,加上定制的硬件和軟件,共同組成控制系統。其實用性、易用性和專業性都有了很大程度的提高。但隨著新功能的不斷增加和性能的不斷提升,必須采用多片單片機聯合控制,造成電路設計較復雜,系統穩定性不高,擴展能力不強。
2.3 基于嵌入式架構系統
嵌入式架構系統是以嵌入式系統為核心,以專門設計的嵌入式主控制器作為智能家居網絡控制平臺,實現家居內部、外部網絡的聯接以及內部網絡中信息家電和設備的連接與控制。嵌入式系統適合比較復雜的應用,擴展能力強,功耗低,采用數字電路設計,結構簡單,穩定性強,嵌入式控制器成為家居控制器的首選。缺點就是開發周期長,標準不統一,市場價格比較高,應用面比較狹窄。隨著嵌入式技術更加廣泛的應用及成本的降低,基于嵌入式系統的智能家居網絡控制系統將會有更廣闊的發展空間。
3 智能家居網絡拓撲方案
家居網絡是指在家庭內部通過一定的傳輸介質將各種電氣設備和電氣子系統連接起來,采用統一通信協議,對內實現資源共享,對外通過網關與外部網絡互聯進行信息交換的局域網[4]。網絡的拓撲結構是拋開網絡物理連接來討論網絡系統的連接形式,網絡中各站點相互連接的方法和形式稱為網絡拓撲。它的結構主要有星型結構、總線結構、樹型結構、網狀結構、蜂窩狀結構等。在智能家居網絡中用的比較多的是星型結構和總線結構。
3.1 星型結構
星型結構是指將家中電器和傳感器以星型方式連接成網。主控制器是網絡的中央節點,其他節點傳感器、家用電器與主控制器直接相連,這種結構以主控制器為中心,特點是結構簡單,便于建網,管理和控制方便,網絡延遲時間較小,傳輸誤差較低,可靠性高。
3.2 總線型結構
總線結構是指各節點家電和傳感器均掛在一條總線上,各節點地位平等,沒有中心節點控制,公用總線上的信息多以基帶形式串行傳遞,其傳遞方向總是從發送信息的節點開始向兩端擴散。各節點在接收信息時都進行地址檢查,看是否與自己的工作站地址相符,相符則接收線上的信息。總線型結構的網絡結構簡單,可擴充性好,使用的電纜少,安裝容易,使用的設備相對簡單,可靠性高,但維護難,分支節點故障查找難。
4 智能家居網絡組網方案
智能家居網絡控制系統內部傳輸接口可以通過有線傳輸方式和無線傳輸方式兩種傳輸途徑來實現。有線傳輸方式包括電力線載波的X-10和CEBUS,電話線方式的HomePNA,以太網方式的IEEE 802.3以及專用總線方式的LonWorks,RS 485,IEEE 1394等;無線傳輸方式包括紅外方式的IrDA,無線局域網方式的IEEE 80211系列,家庭射頻技術的HomeRF,藍牙的IEEE 802151,ZigBee的IEEE 802.15.4等[5]。
4.1 有線傳輸方式
有線傳輸方式的家居網絡采用的傳輸線纜主要有電力線、電話線、以太網雙絞線、現場總線以及專用總線等[6,7]。
4.1.1 電話線聯網
這種方式是通過在電話線上加載高頻載波信號來實現信息的傳遞,可以同時滿足XDSL、電話業務和家庭內部數據傳輸,互相不干擾,HomePNA就是這方面的技術標準。它具有價格低、傳輸速度快、用戶界面好、無需鋪設新的電纜等優點。可能存在的問題是電話線插座數量有限,在擴充新的節點時還是會面臨重新布線的問題。
4.1.2 電力線聯網
在基于電力線聯網的智能家居系統中,電力線在家庭中扮演兩個角色:傳送電能以及將家中所有電器設備連成家庭內部通信網絡,數據通過入口或出口的調制、解調模塊后,再通過家庭內部電力線進行傳輸。目前國際上采用電力線作為聯網介質推出的解決方案有X-10,CEBUS等。
采用電力線通信來實現家居智能化是比較好的方式,信號的傳輸僅借助電力線完成,不需要繁雜的布線,節省了重新布線的開支,只需在低壓用電設備電源側電力線插座上連接一個通信控制開關和電力通信模塊,由家庭網絡智能控制數據終端通過電力線對通信控制開關進行操作,簡單方便地實現了家居智能化。存在的問題是國內電力質量不高,其穩定性受到較大限制,經常出現信號傳輸不穩定的現象,需要增加不固定的阻波與濾波裝置。其次,電力線的通信范圍就是單一變壓器的供電范圍,如果一個小區使用一臺變壓器,電力線信號會在小區內所有家庭間傳輸,容易造成通訊干擾;傳輸速率只有300 Kb/s,不能滿足數字視頻和音頻信號的傳輸,保密性差,而且沒有統一的標準,接入設備昂貴等。
4.1.3 以太網聯網
采用的傳輸介質有雙絞線和光纖,傳輸協議主要是邏輯鏈路控制協議(IEEE 802.2)和載波監聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD,IEEE 802.3),數據傳輸率相當高,可以達到10 Mb/s或者100 Mb/s,甚至更高的1 000 Mb/s,能夠傳輸電話、數據、視頻和家電控制信息,主要用于基于個人電腦的有線局域網和高速因特網。它的優勢在于技術已經十分成熟,以太網的組網設備在市場上可以很容易地購買到。以太網本身的實現成本并不高,但專門布線需要花費大量的費用。家庭中的用戶可能更愿意使用家居中已經鋪設好的電纜或電話線,而不愿意重新安裝以太網線。因此就目前來說,以太網方式可能是家庭網絡發展初期的首選方案,但不是家庭網絡的最終選擇方案。
4.1.4 總線聯網
通過采用總線的形式來組建智能家居系統,常見的有LonWorks,RS 485總線解決方案。它的優點是抗干擾能力強,技術成熟;缺點是需要重新鋪設線路。
RS 485總線是一種國際性的開放式的總線。采用雙絞線差分傳輸方式,可連接成半雙工和全雙工兩種通信方式,傳輸介質一般采用雙絞線,最遠傳輸距離為1 200 m。一般采用總線型網絡結構,不支持環型或星型網絡。
LonWorks是具有強勁勢力的全新的總線技術,它采用了ISO/OIS模型的全部七層通信協議,采用面向對象的設計方法,其通信最大速率為1.25 Mb/s,直接通信距離可達2.7 km,支持雙絞線、同軸電纜、光線等多種通信介質,在自動樓宇控制中得到廣泛的應用。
4.2 無線傳輸方式
目前,應用于智能家居的無線通信技術主要包括:IrDA紅外線技術、藍牙技術(Bluetooth)、ZigBee技術[6,7]。
4.2.1 IrDA紅外線技術聯網
IrDA紅外線技術是家庭無線控制網絡的一種選擇。利用紅外線進行點對點通信的技術,其相應的軟件和硬件技術都已比較成熟。主要優點是設備簡單,成本低廉,功率低,適合設備移動的需要,傳輸速率高,可達4 Mb/s,應用普遍。現有家電通過紅外線遙控接口很容易融入到這樣的網絡中來。但是,紅外線控制方式的作用距離短,要求控制器與接收器之間必須具有目視接觸,屬于點對點的半雙工通信方式,使用不便且失誤率高,沒有標準的通信協議。因此,IrDA方式對于家庭組網方式來說,不太合適。
4.2.2 藍牙技術(Bluetooth)聯網
藍牙技術是一種低功率短距離的無線連接技術標準的代稱,屬于無線網絡技術,可以組建相應無線網絡。它支持IEEE 802.15.1標準,工作頻率2.4 GHz,采用全雙工的工作方式,支持電路交換及分組交換業務,帶寬可達1 Mb/s,完全滿足智能家居系統的需求。但它只有10 m左右的通信距離,這作為智能家居通信方式顯然不足。同時由于未來的家居網絡中設備節點的數量會越來越多,藍牙有限的網絡容量將會限制其在低速控制網絡中的應用。另外,藍牙的成本始終高居不下,這也導致其無法適用于未來的大規模家居控制網絡的應用。
4.2.3 ZigBee技術(IEEE 802.15.4)聯網
ZigBee是IEEE 802.15.4通信協議的代名詞,是一種適用于自動化系統與遠程控制的無線通信技術,具有復雜度低、成本低、功耗小、雙向傳輸的特性,是一個比較完善的近距離低速率無線通信協議。在家居的應用領域主要包括:家庭安防系統、自動空調系統的自動溫控、照明和窗簾之類的遠程控制等。到目前為止,ZigBee也還存在著一些問題阻礙著它的推廣,首先是ZigBee芯片的價格還比較高,其次是在功耗方面,市場上的ZigBee模塊使用電池供電遠未達到協議中設計的理想年限。但是,ZigBee技術有效地解決了藍牙技術的高成本和高能耗缺點,這使得它在智能家居系統中的應用前景無疑將非常廣泛[7]。
4.3 有線方式和無線方式組網比較
有線方式中的一些技術發展已經相對比較成熟,在行業中已經具有一定的標準型和通用性,但電話線、以太網、電力線等有線組網技術普遍存在布線麻煩,增減設備需要重新布線,影響美觀,系統的可擴展性差,安裝和維護成本高,移動性能差的缺陷。無線傳輸最大的優點就是省去了大量的電纜連線,移動性很好,可以隨時增加鏈路,安裝、擴容很方便。但是,無線通信的質量遠低于有線通信,其信號衰減要比同距離的有線通信大很多,而且傳輸信道容易受到干擾,可靠性沒有有線方式好。隨著人們健康意識的提高,對電磁輻射的重視也越來越大,無線傳輸方式也受到一定程度的限制。
5 智能家居網絡控制系統的發展方向
家庭網絡構建的原則是使用方便、安裝簡單,不需要額外布線、擴展性好。所以只有那些無線,或利用電力線和電話線的技術才比較符合家庭的要求。但目前利用現有電力線的技術存在著接入設備昂貴、技術成熟度不夠的難題;利用電話線的技術也存在家庭的電話插頭少,接入產品不能芯片化,支持廠商少等問題,推廣起來有一定難度。目前我國大部分住宅建設尚未考慮家庭聯網的需要,基礎設施嚴重不足,重新布線費時費力,影響推廣。采用無線傳輸方式相對而言比較靈活,更適合家庭,可以避免上述問題。
如今智能家居產業界所體現的三大技術趨勢是領先的無線移動;網絡化發展;不依靠PC的獨立形態。而推進這個發展趨勢的正是無線通信技術、網絡技術以及嵌入式系統的廣泛應用[10],因此嵌入式無線智能家居網絡控制系統是未來智能家居的發展方向,它能夠提供標準化接口和無線網絡互連功能,而且可以通過嵌入式通信協議的實現,使得系統能夠脫離傳統PC,從而使智能家居行業也跨入后“PC”時代。
6 結 語
智能家居是典型的小規模局域網,是未來住宅的發展趨勢。本文通過構建智能家居網絡控制系統的組網技術、主控制器技術等方面的比較說明,闡述了相關技術發展的趨勢。其中的無線通信技術、嵌入式技術的應用及系統的集成化、功能的多樣化是主流的發展趨勢。
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