一、智能家居有线(总线)技术

1、现场总线

现场总线是现代控制技术、计算机技术和通信技术相结合的产物。现场总线技术是近十年中蓬勃发展起来的新生事物,在实际工程应用中体现出其强大的生命力,控制网必将沿着现场总线方向发展,现场总线技术也必将是控制网技术的核心,每个现场控制单元具有数字处理和双向高速通讯的能力,分散控制,网络规模大且具有高质的稳定性。

目前世界上现场总线的标准有200多个,有很多应用于建筑物的总线技术,它们中大多数是某个具体应用的解决方案。当前国际上具有代表性的现场总线技术与产品有FF总线、PROFI总线、LON总线、BACnet、CAN总线、INTER总线和CCLink总线等。

以双绞线为基础的家居控制总线,以此通信介质的主要有CEBUS消费电子总线、LonWorks总线、APBus总线、RS-485总线、EIB电气安装总线。就总线本身而言,这几种总线的拓扑结构基本是相同的。

RS-485总线

其网络特性使用差分电压传输方式;一般采用总线型网络结构,总线节点数有限,使用标准485收发器时,单条通道的最大节点数为32个,传输距离较近(约1.2km),传输速率低(300~9.6kbps);传输可靠性较差,对于单个节点,电路成本较低,设计容易,实现方便,维护费用较低。

从严格意义上讲,并不是一个完整的总线技术标准,仅仅定义为物理层和链路层的通信标准,许多厂商采用其技术全新定义了自己的总线技术标准,比较有代表性的美国Honeywell的C-Bus总线技术。另外在RS-485技术基础上应用较多的是MODBus标准。

CEBus总线

CEBus(ConsumerElectronicsBus)是美国电子工业协会(EIA)为消费电子产品制定的一种通信和产品和操作性的标准,是家用电器之间通信所使用的五种类型的介质(电力线、无线频率、红外、双绞线和同轴电缆)中信号的传输标准。信号传输速率和系统容量分别是10kbps和4G。

APBus总线

APBus总线是目前唯一拥有中国自主知识产权的总线技术。它是一种针对家庭的、全分布式的智能控制网络技术,这一点与LonWorks技术相似。产品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。信号传输速率和系统容量则与CEBus一样,分别是10kbps和4G。

CAN总线

CAN总线(ControllerAreaNetwork),它是一种支持分布式控制和实时控制的对等式现场总线网络。其网络特性使用差分电压传输方式;总线节点数有限,使用标准CAN收发器时,单条通道的最大节点数为110个,它的传输速率范围是5kbps至1Mbps,传输介质可以是双绞线和光纤等,任意两个节点之间的传输距离可达10km。

对于单个节点,电路成本高于RS-485,设计时需要一定的技术基础;传输可靠性较高,界定故障节点十分方便,维护费用较低。在目前已有的几种现场总线方式中,具有较高的性能价格比。

LonWorks总线

根据ISO/OSI7层模型标准,采用三层网络结构:域、子网和节点;使用48位ID神经元芯片,节点数量没有限制,传输距离较远(约2.7km),传输速率快(300~1.25Mbps);传输可靠性较高,对于单个节点,电路成本很高,设计难度较大,维护费用较高。

我国智能建筑界对其中的LONWORKS技术的开发与应用起步于二十世纪九十年代中期,与国外大公司对该技术的开发与应用基本上是同步的,现已初步形成适合我国国情的产品系列。如中国台湾尼科(NICO)的LonWorks系统,它采用触摸玻璃面板,美观大方。

2、以太网

基于IEEE802.3规范,采用CSMA/CD技术的网络结构。节点数量没有限制,传输可靠性较高,对于单个节点,成本很高,软硬件设计、维护费用均较高。信息网络目前使用最广泛的是100M以太网。

LCN总线

局部控制网络LCN(LocalControlNetwork)现场总线,作为自动化控制通用技术,本身已具有更强的包容性和扩展性。高智能和高灵活性,为智能家居用户提供丰富的个性化解决方案。

LCN模块标准配置2个执行器,其他扩展执行器和感应器均通过3个多用途接口T,I,P扩展连接而成。为了节省安装空间,所有系统的功能被集成在几个总线模块之中,安装者可按实际需要,使用其部分功能。

LCN具备布线简便和参数设置简单的优点,它提供了种类不多,但功能全面的总线模块和多级的报文反馈系统,所以它被欧洲很多人认为是目前最先进的总线技术。

CC-Link总线

《控制与通信总线CC-Link规范》(Control&CommunicationLink)于2005年9月取得中国国家标准,进入中国市场。这是由日本三菱电机推出的,中国市场又多了一种总线技术的选择。值得关注这一总线技术已成功地应用于在中国智能建筑工程项目。

3、其他总线

双绞线系统中常见有ABB、Siemens等欧洲厂商的EIB系统,美国立维腾(LEVITON)智能照明系统和奇胜C-Bus系统;还有TP-Bus总线和Q-BUS总线等。

TP-Bus总线

TP-Bus是一种电源/信号混合传输技术,同时也是一种家庭自动化网络总线技术,该总线技术主要用于网络化控制,如智能家居网络等。该总线技术采用24V直流电源,信号传输速率为10kbps,以双绞线作为传输媒体,容易实现。总线的网络结构使网络既可作数据传输,也可以作为电能的供应。

TP-Bus是一种多能控制总线,该系统采用总线式结构,主要由电源供应器、双绞线和功能模块三个基本部分组成。在欧洲标准EIB总线及LonWorks总线技术上作了改进,其防通信冲撞协议的设计很好的解决了总线上各节点收发指令的冲撞问题,大大提高了系统的通信效率和稳定性。在安全方面,它采用的是24V直流供电。系统可以通过修改软件改变,而不需要像传统方式那样重新连接。

Q-BUS总线

以解决低速控制信号为主要目的、并与高带宽功能实现无缝连接的应用控制平台总线系统——Q-BUS智能小区和智能家居低速控制总线系统。

Q-BUS总线基于差分电压传输方式利用CSMA/CD技术原理实现现场总线技术,实现了数据可靠、高效的中长距离传输。

在家居内,往往只需要极少的数据就能满足控制要求,直接用高带宽实现的话,会造成资源的及大浪费,而对于语音和视频数据配合专用网络来实现,这样无论经济性,还是可靠性都是最合理的选择。家庭内部Q-BUS总线连接了家庭内部的智能、安防设备,完成家庭内部独立自主的智能生活,不受外界干扰;通过以太网转换器,只要将家用服务器连接入Internet,就可以远程控制家居设备。外界数据通过家用服务器后,高流量数据通过家庭内部的高速网传输,而低流量则通过Q-BUS总线的网络平台传输,实现的两者的完美统一。

智能家居中心主机通过楼道内Q-BUS总线连接至小区的智能化平台,构成了家庭内部与小区平台数据交换的桥梁,不但可以实现最直接的数据沟通,而且实时性得到了保证。整个系统中有两条分离的Q-BUS总线,一条是家庭内部总线;另一条则由家庭内部连到户外,它与很多户家庭相连,同时连接整个小区的智能系统。

二、智能家居无线技术

当前市面采用较多的无线技术基本有以下几种:Zigbee技术、红外技术(IrDA)、HomeRF、蓝牙技术(Bluetooth)和Wif技术。

1、Zigbee技术

Zigbee技术是一种近距离、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术,其主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。Zigbee是一种无线连接,可工作在868MHz、915MHz和2.4GHz的3个频段上。简单的说,ZigBee是一种高可靠的无线数传网络,类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里,并且支持无限扩展。

ZigBee是一种无线连接,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术,ZigBee具有如下特点:

(1) 低功耗:由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。

(2) 成本低:ZigBee模块的初始成本在6美元左右,估计很快就能降到1.5—2.5美元, 并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

(3) 时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。

(4) 网络容量大:一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备, 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络, 而且网络组成灵活。

(5) 可靠:采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式, 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

(6) 安全:ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证, 采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。

2、红外技术(IrDA)

红外接口是新一代手机的配置标准,它支持手机与电脑以及其他数字设备进行数据交流。红外通讯有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点,因此在小型的移动设备中获得了广泛的应用。通过红外接口,各类移动设备可以自由进行数据交换.。红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波,它的频率高于微波而低于可见光,是一种人的眼睛看不到的光线。由于红外线的波长较短,对障碍物的衍射能力差,所以更适合应用在需要短距离无线通讯的场合,进行点对点的直线数据传输.红外数据协会(IRDA)将红外数据通讯所采用的光波波长的范围限定在850nm至900nm之内。 红外接口是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术,被众多的硬件和软件平台所支持;通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发。

红外线技术的主要应用:设备互联、信息网关。设备互联后可完成不同设备内文件与信息的交换。红外传输是一种点对点的传输方式,无线,不能离的太远,要对准方向,且中间不能有障碍物也就是不能穿墙而过,几乎无法控制信息传输的进度;IrDA已经是一套标准,IR收/发的组件也是标准化产品。

3、HomeRF

HomeRF无线标准是由HomeRF工作组开发的开放性行业标准,目的是在家庭范围内,使计算机与其他电子设备之间实现无线通信。

HomeRF由微软、英特尔、惠普、摩托罗拉和康伯等公司提出,使用开放的2.4GHz频段,采用跳频扩频技术,跳频速率为50跳/秒,共有75个宽带为1MHz的跳频信道。

HomeRF基于共享无线接入协议(shared wireless access protocol,SWAP)。SWAP使用TDMA+CSMA/CA方式,适合语音和数据业务。在进行语音通信时,它采用数字增强无绳电话(DECT)标准,DECT使用TDMA时分多址技术,适合于传送交互式语音和其他时间敏感性业务。在进行数据通信时它采用IEEE802.11的CSMA/CA,CSMA/CA适合于传送高速分组数据。HomeRF的最大功率为100mV,有效范围50m。调制方式分为2FSK和4FSK两种,在2FSK方式下,最大的数据传输速率为1Mbps;在4FSK方式下,速率可达2Mbps。

HomeRF是对现有无线通信标准的综合和改进:当进行数据通信时,采用IEEE802.11规范中的TCP/IP传输协议;当进行语音通信时,则采用数字增强型无绳通信标准。但是,该标准与802.11b不兼容,并占据了与802.11b和Bluetooth相同的2.4GHz频率段,所以在应用范围上会有很大的局限性,更多的是在家庭网络中使用。

HomeRF的特点是安全可靠;成本低廉;简单易行;不受墙壁和楼层的影响;传输交互式语音数据采用TDMA技术,传输高速数据分组则采用CSMA/CA技术;无线电干扰影响小;支持流媒体。

4、蓝牙技术

蓝牙(Bluetooth):是一种无线技术标准,可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换(使用2.4—2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波)。蓝牙技术最初由电信巨头爱立信公司于1994年创制,当时是作为RS232数据线的替代方案。

Bluetooth 无线技术是在两个设备间进行无线短距离通信的最简单、最便捷的方法。它广泛应用于世界各地,可以无线连接手机、便携式计算机、汽车、立体声耳机、MP3 播放器等多种设备。由于有了“配置文件”这一独特概念,Bluetooth产品不再需要安装驱动程序软件。此技术现已推出第四版规格,并在保持其固有优势的基础上继续发展 — 小型化无线电、低功率、低成本、内置安全性、稳固、易于使用并具有即时联网功能。其周出货量已超过五百万件,已安装基站数超过 5 亿个。

5、Wi-Fi技术

Wi-Fi是一种允许电子设备连接到一个无线局域网(WLAN)的技术,通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM 射频频段。连接到无线局域网通常是有密码保护的;但也可是开放的,这样就允许任何在WLAN范围内的设备可以连接上。Wi-Fi功耗低,传输速度54Mbps,理想传输距离可达100m,安全性相对较低。几种无线技术比较见表1.

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表1. 几种主流无线通信技术比较

三、智能家居中有线技术和无限技术比较

智能家居有线技术和无线技术都有比较典型的厂商在做,有线技术厂商代表的有河东、快思聪、ThinkHome、Control4等,无线技术厂商代表有:安居宝、南京物联、紫光物联、欧瑞博、小米等。通过上文可以容易比较得出有线技术和无线技术的各方面优缺点,详细比较见表2.

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表2.智能家居中有线技术和无线技术具体比较

四、总结

在智能家居中,有线技术和无线技术各有优势,视客户情况而定:如果客户不差钱,对智能家居认可,想全面装智能家居,看中稳定性,那有线无疑是更好的选择,在装修之前考察完智能家居厂商,和装修公司一起做全面装修方案。相反如果对智能家居只是想体验一下,那选择有线技术不是很好的选择,一旦装进去,后期很难改变。所以可以选择无线方案,价格实惠,随时可换。

对于智能家居厂商而言,不可认准一条路走到黑,现在看来是技术的问题,随着电子技术与计算机技术的快速发展,可能在以后看来就不算个问题。比如现在的普遍观点,无线技术比较不稳定,那谁能确保以后的技术还会不稳定。按照市场的观点,智能家居领域势必是无线技术的未来,有线技术有个前装的市场时机,天然弱势,对于一个已装修完的房子根本不会考虑有线技术。在技术层面,无线技术都能搞定的厂商做有线技术其实应该不是很大的门槛,同时毫无疑问,有线技术的厂商以后肯定会慢慢向无线技术伸展。你中有我,我中有你,最后都被超大的技术厂商吞并,嘿嘿大家都死了。

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