智能家居總線與無線技術(shù)分析

何 峰

（北京中建海外裝飾工程有限公司，北京 100000）

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息科技的進(jìn)步，以及人們對住宅室內(nèi)裝修品質(zhì)要求不斷提升，近年來智能家居以其舒適便捷、信息通暢、服務(wù)完善等優(yōu)點(diǎn)而備受人們青睞，成為現(xiàn)代化住宅的發(fā)展趨勢。因此，研發(fā)和推廣適應(yīng)國內(nèi)現(xiàn)代生活需求的智能化家居技術(shù)和產(chǎn)品具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國內(nèi)智能家居領(lǐng)域還沒有統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)各自發(fā)展，多種技術(shù)網(wǎng)關(guān)應(yīng)運(yùn)而生，相互間的產(chǎn)品無法兼容，市場認(rèn)可度低，技術(shù)不成熟，質(zhì)量不穩(wěn)定；同時(shí)，智能家居品牌眾多，同質(zhì)化產(chǎn)品問題嚴(yán)重，終端消費(fèi)群體也不成熟，沒有廠商大批量生產(chǎn)產(chǎn)品，無論生產(chǎn)成本還是經(jīng)營成本都居高不下，這也是目前智能家居行業(yè)的痛點(diǎn)。國外的大多數(shù)智能家居品牌都是采用有線連接的智能家居系統(tǒng)，而Fibaro則采用開放性的ZWave無線通訊協(xié)議進(jìn)行開發(fā)，且在Z-Wave聯(lián)盟旗下的160多家國際智能家居廠商推動(dòng)下，無線技術(shù)領(lǐng)域的智能家居產(chǎn)品得到了新的發(fā)展。

云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展使物聯(lián)網(wǎng)由概念變成了現(xiàn)實(shí)，智能家居是物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的典型代表。它在逐漸的影響甚至改變?nèi)藗兊纳罘绞脚c習(xí)慣，其目的就是讓人們的生活充滿智能，更加舒適、便利。目前，國內(nèi)智能家居領(lǐng)域還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)各自發(fā)展，不斷涌出基于各種通訊技術(shù)的智能家居產(chǎn)品，但終端的智能產(chǎn)品與終端用戶的需求矛盾重重，嚴(yán)重阻礙了智能家居行業(yè)發(fā)展。因此，研發(fā)和推廣適應(yīng)國內(nèi)現(xiàn)代生活需求的智能化家居技術(shù)和產(chǎn)品具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 智能家居終端產(chǎn)品的技術(shù)分類及對比分析

智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，從而提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境[1]。

目前在國際上智能家居的通訊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)總體上可以分為三大類：總線技術(shù)、電力載波技術(shù)和無線技術(shù)。如圖1所示為智能家居技術(shù)類型。電力載波技術(shù)在國內(nèi)很少應(yīng)用，國內(nèi)普遍采用總線技術(shù)與無線技術(shù)，且各有優(yōu)勢，可根據(jù)終端額的預(yù)算和功能性需求來進(jìn)行選擇。

圖1 智能家居技術(shù)類型

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，無線技術(shù)的穩(wěn)定性問題已得到大幅度的改善和提升。按照當(dāng)前市場的觀點(diǎn)來看，智能家居領(lǐng)域的“無線技術(shù)”勢必是未來主流技術(shù)；從技術(shù)層面來看，有線技術(shù)的廠商為贏得智能家居市場更多的份額，也勢必會(huì)向“無線技術(shù)”方向發(fā)展和延伸。關(guān)于總線技術(shù)與無線技術(shù)的對比分析見表1。

表1 總線技術(shù)與無線技術(shù)的對比分析表

2 智能家居總線技術(shù)

2.1 集中控制技術(shù)

集中控制技術(shù)是采用集中控制方式的智能家居系統(tǒng)，主要是通過一個(gè)以單片機(jī)為核心的系統(tǒng)主機(jī)來構(gòu)建，中心處理單元（CPU）負(fù)責(zé)系統(tǒng)的信號(hào)處理，系統(tǒng)主板上集成一些外圍接口單元，包括安防報(bào)警、電話模塊、控制回路輸入/輸出（I/0）模塊等電路[1]。

集中控制智能家居系統(tǒng)[2]主機(jī)的主板通常有照明控制回路、電器控制回路、安防系統(tǒng)信號(hào)、接入抄表信號(hào)等。其布線方式多采用星型總線，所有設(shè)備的回路都需要接入智能家居系統(tǒng)主機(jī)的主板上，布線長度增加較多且較復(fù)雜。集中控制智能家居系統(tǒng)主機(jī)功能模塊可以根據(jù)終端客戶的需求進(jìn)行一定范圍內(nèi)的擴(kuò)展，但系統(tǒng)安裝完成后，再擴(kuò)展增回路，是非常困難的。

從終端客戶的需求以及集中控制技術(shù)的終端智能設(shè)備情況來看，目前酒店的客房智能化管理多采用集中的RCU（Room Control Unit）控制方式，即客房控制系統(tǒng)。

2.2 現(xiàn)場總線技術(shù)

現(xiàn)場總線控制的智能家居系統(tǒng)與傳統(tǒng)的布線方式基本相同，通常是采用分散型現(xiàn)場控制技術(shù)來控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各功能模塊，從而實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)[3]的照明系統(tǒng)、電器系統(tǒng)、安防系統(tǒng)的控制。其支持任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的布線方式，布線比較方便。

目前，比較典型的現(xiàn)場總線技術(shù)多采用雙絞線總線結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以從線纜上獲得供電[1]，同時(shí)通過線纜實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間通信。產(chǎn)品的功能模塊具有雙向通信功能，可以實(shí)現(xiàn)與智能家居主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，也可以針對每個(gè)功能模塊進(jìn)行編程。

特別說明，RS-232/422/485是目前最常用的一種串行通訊接口，支持對現(xiàn)有所有標(biāo)準(zhǔn)串行設(shè)備的控制。在整個(gè)控制領(lǐng)域，大多數(shù)的產(chǎn)品均有串行接口，通過對串口進(jìn)行控制的，RS232普遍應(yīng)用在近距離設(shè)備控制，而RS422/485主要是對支持多設(shè)備總線接入的遠(yuǎn)距離設(shè)備控制[4]。

國內(nèi)外家用電器廠都會(huì)在設(shè)備上預(yù)留RS-232/485接口，智能家居系統(tǒng)可將多個(gè)電器系統(tǒng)連接在一起進(jìn)行集中控制。多個(gè)設(shè)備之間也可以實(shí)現(xiàn)資源共享、影音互傳和等功能。如DVD、公放機(jī)、電視機(jī)、投影儀等影像設(shè)備，而且還可以通過智能家居主機(jī)進(jìn)行遮陽系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、影音設(shè)備、投影幕布等來控制家庭影院的各個(gè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)觀影模式的一鍵啟動(dòng)功能。

2.3 總線技術(shù)優(yōu)劣勢分析

智能家居的總線技術(shù)在室內(nèi)物理環(huán)境中應(yīng)用其穩(wěn)定性不容置疑，同時(shí)，情景聯(lián)運(yùn)執(zhí)行任務(wù)延時(shí)小，抗干擾能力強(qiáng)，這也是智能家居無線產(chǎn)品所不能及的。但因前期布線成本高，后期拓展能力差，技術(shù)人員技能要求高等因素，也阻礙了智能家居總線產(chǎn)品與技術(shù)的推廣。

3 智能家居常用無線技術(shù)

隨著無線通信技術(shù)發(fā)展，基于無線通信技術(shù)的智能家居廠商逐年增多，無線控制技術(shù)智能產(chǎn)品也豐富了起來。目前國內(nèi)外智能配家居市場上比較常用的無線控制技術(shù)多采用Z-Wave、Zigbee、射頻、紅外、WiFi、藍(lán)牙（Blue-tooth）等技術(shù)。它們都有各自的標(biāo)準(zhǔn)、特點(diǎn)和適用的領(lǐng)域，下面簡單介紹國內(nèi)外較常用的幾種無線控制技術(shù)在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用及對比。

3.1 Z-Wave技術(shù)

Z-Wave是特別為家居住宅而設(shè)計(jì)的無線通信技術(shù)[5]，因而具備了所有必需元素來滿足市場需求。ZWave是由丹麥公司Zensys所主導(dǎo)的無線組網(wǎng)方式，是一種基于射頻技術(shù)開發(fā)的短距離雙向無線通信技術(shù)，其具有功耗低、穩(wěn)定性好、安全性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

（1）采用低于1 GHz的868.42MHz（國際）頻譜，避開極度擠塞的2.4 CH和5 CH波段，選擇有別于WLAN和Zigbee。Z-Wave無線信號(hào)在868.42頻帶傳輸時(shí)穩(wěn)定性高、詢問式組網(wǎng)路，因該頻段比較純凈、無干擾。

（2）運(yùn)用信息確認(rèn)技巧（Message Acknowledge ment）和網(wǎng)狀網(wǎng)路結(jié)構(gòu)，提供安全及可靠的雙向通信。采用雙向非自組網(wǎng)，互相認(rèn)證的形式，蜂窩式網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最多可組成232個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率為9.6 kbps/40 kbps，信號(hào)有效覆蓋范圍30~100 m。ZWave技術(shù)節(jié)數(shù)點(diǎn)較少，但對于智能家居的多數(shù)終端用戶來講，232個(gè)節(jié)點(diǎn)是可以滿足家庭需要的。

（3）價(jià)格定位合理，當(dāng)然比低端模擬技術(shù)的價(jià)格稍高，但相比之下具備更高端的技術(shù)，如EnOcean，則非常有競爭力。

（4）全球所有采納Z-Wave技術(shù)的設(shè)備都能在單一網(wǎng)絡(luò)中相互操作，并容許任何Z-Wave控制器管控。Z-Wave芯片是由Sigma Designs（NASDAQ：SIGM）公司生產(chǎn)制造，并為Z-Wave聯(lián)盟的成員提供芯片。該聯(lián)盟已經(jīng)具有160多家國際知名公司，且聯(lián)盟成員均遵循聯(lián)盟下發(fā)的Z-Wave協(xié)議進(jìn)行開發(fā)，產(chǎn)品種類覆蓋燈光控制、智能插座、網(wǎng)絡(luò)電視盒、傳感器、指紋鎖、中控系統(tǒng)、家用電器等諸多領(lǐng)域，聯(lián)盟成員開發(fā)后的智能產(chǎn)品必須經(jīng)過Z-Wave聯(lián)盟認(rèn)證后方可上市，因此采用Z-Wave技術(shù)開發(fā)的無線終端智能產(chǎn)品之間是可以在同一個(gè)智能家居系統(tǒng)中運(yùn)行的，這也是當(dāng)下國內(nèi)智能家居領(lǐng)域廠商協(xié)同發(fā)展值得去借鑒之處。

3.2 Zigbee技術(shù)

Zigbee技術(shù)[6]與Z-Wave性能和特點(diǎn)較接近，是在目前國內(nèi)智能家居領(lǐng)域應(yīng)用較多的無線技術(shù)，該技術(shù)是基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)，其蜂窩式組網(wǎng)能力、安全性能和通信能力較優(yōu)越，同時(shí)該開發(fā)協(xié)議在國際上是開放的，在國際上頻段定義為2.4 GHz，同時(shí)還定義了868和915兩個(gè)頻段，但芯片生產(chǎn)廠商眾多，成本較低，因此不同廠商之間的終端智能產(chǎn)品在加密碼后很難實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和相互間的控制。Zigbee技術(shù)同樣是一個(gè)適用于短距離傳輸?shù)碾p向無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，其低復(fù)雜度、傳輸速率和功耗均較低?；赯igbee開放的技術(shù)[7-8]，國內(nèi)廠商多采用該技術(shù)進(jìn)行開發(fā)自己的智能家居產(chǎn)品，因?yàn)樾酒鎏幉煌?，開發(fā)過程中的加密方式不同，造成不同廠商之間生產(chǎn)的智能家居產(chǎn)品不具務(wù)兼容性。

3.3 RF433MHz射頻技術(shù)

無線RF433MHz射頻技術(shù)與Z-Wave和Zigbee不同，其采用了點(diǎn)對點(diǎn)的傳播控制技術(shù)，設(shè)備與設(shè)備之間無法實(shí)現(xiàn)中繼功能。但其信號(hào)傳輸穿透力較強(qiáng)、成本更低，因此在智能家居領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。

無線RF433MHz射頻信號(hào)雖然不能組網(wǎng)式的中繼，但由于其傳透能力較強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的雙向傳輸。在日常生活中，基于該技術(shù)開發(fā)的智能單品有很多，如智能窗簾、開關(guān)、傳感器以及家用電器等設(shè)備。

基于加密RF433MHz射頻技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品有智能門鎖、電動(dòng)卷簾門、汽車鑰匙等。在我們?nèi)粘Ｉ畹目臻g中，無線電波無處不在?；谏漕l技術(shù)開發(fā)的智能家居產(chǎn)品，受無線信號(hào)同頻干擾時(shí)有發(fā)生，這也是無線射頻技術(shù)最大的一個(gè)缺陷，該技術(shù)開發(fā)的智能家居產(chǎn)品較適用于中低消費(fèi)人群。

3.4 紅外技術(shù)

無線紅外技術(shù)在我們?nèi)粘Ｉ钪袘?yīng)用的很廣，每個(gè)終端用戶家中的電器產(chǎn)品多配有紅外遙控器，和射頻技術(shù)一樣，紅外技術(shù)也采用短距離的點(diǎn)對點(diǎn)短距離通信技術(shù)[9]，是目前在世界范圍內(nèi)被廣泛使用的一種無線連接技術(shù)。

紅外技術(shù)主要缺陷是傳輸距離短，且有不能穿透障礙物的特性。但是，這一缺點(diǎn)并沒有給無線紅外的應(yīng)用帶來障礙，紅外線在智能家居控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。在未來很長一段時(shí)期內(nèi)，紅外線技術(shù)依然會(huì)在智能家居控制系統(tǒng)中占據(jù)一席之地。

3.5 WiFi技術(shù)

WiFi技術(shù)在國際上是一種較常用的無線傳輸技術(shù)，通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM射頻頻段。其功耗較高，傳輸速率為54 Mbps，理想傳輸距離可達(dá)到100 m。雖然連接到無線局域網(wǎng)通常是有密碼保護(hù)的，但WiFi最大的問題是安全性非常低，穩(wěn)定性較差。且WiFi技術(shù)的智慧家居系統(tǒng)可以連接的設(shè)備數(shù)量非常有限，未來發(fā)展空間受限[10]。但是通過TCP/IP通訊協(xié)議定義一些智能家居終端設(shè)備的IP地址，來實(shí)現(xiàn)智能家居主機(jī)對該設(shè)備的控制。

3.6 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙（Bluetooth）是愛立信公司于1994年創(chuàng)制的，是作為總線技術(shù)RS232數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶娲桨??？捎糜趯?shí)現(xiàn)固定設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備之間的短距離交互。該技術(shù)使用的是2.4G到2.485 GHz的ISM波段的UHF無線電波，它廣泛應(yīng)用于世界各地。該技術(shù)也屬于點(diǎn)對點(diǎn)的通訊傳輸方式，但其傳輸距離最短，因此藍(lán)牙產(chǎn)品會(huì)提供一些較為私人化的使用體驗(yàn)，例如，藍(lán)牙耳機(jī)、藍(lán)牙音箱[9]，也可用于無線連接手機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)、MP3播放器、背景音樂及智能鎖等設(shè)備。因此該技術(shù)并不適合組建龐大的家庭網(wǎng)絡(luò)，在一些影音設(shè)備中該技術(shù)應(yīng)用較廣泛。

3.7 智能家居幾種常用的無線技術(shù)對比

通過對國內(nèi)外幾種較常用的無線控制技術(shù)在智能家居領(lǐng)域中應(yīng)用和分析，可以說各有其特點(diǎn)及優(yōu)勢，也都有其適用性。下面針對幾種常用的無線技術(shù)的列表進(jìn)行對比，見表2。

表2 常用無線技術(shù)對比分析表

4 智能家居控制技術(shù)發(fā)展趨勢

目前在國內(nèi)外智能家居領(lǐng)域，基于總線技術(shù)開發(fā)的智能家居系統(tǒng)預(yù)留無線技術(shù)的設(shè)備接口，例如總線技術(shù)的智能家居主機(jī)對接Z-Wave技術(shù)、紅外技術(shù)、無線射頻技術(shù)等。其代表性的廠家為Control4，該公司是一家專業(yè)從事智能家居產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售的知名企業(yè)，其智能家居領(lǐng)域提供一整套的有線和無線（Zigbee、WiFi）系列控制產(chǎn)品，有較為先進(jìn)的連接和控制方式，且用戶可以輕松定制屬于自己的智能家居系統(tǒng)，以滿足終端用戶每個(gè)家庭成員的獨(dú)特的生活方式。

基于無線技術(shù)開發(fā)的智能家居系統(tǒng)，預(yù)留總線的接口，例如RS232/485技術(shù)、有線傳輸?shù)募t外技術(shù)等。其代表的廠家為臺(tái)灣LivingLab生活實(shí)驗(yàn)股份有限公司，其主機(jī)安裝的系統(tǒng)是一款基于Windows平臺(tái)的開發(fā)軟件系統(tǒng)，其特點(diǎn)具有普及性“廣”、兼容性“強(qiáng)”、安全性“高”等特點(diǎn)。臺(tái)灣LivingLab生活實(shí)驗(yàn)股份有限公司開發(fā)的智能家居主機(jī)為一款預(yù)裝Windows系統(tǒng)和智能家居平臺(tái)系統(tǒng)的（平板）電腦，該主機(jī)通過USB橋接器與智能家居主機(jī)的控制器或其他設(shè)備的有線端口進(jìn)行橋接，使得智能家居主機(jī)系統(tǒng)可以如此簡單地進(jìn)行擴(kuò)展，且易于觸控操作。其產(chǎn)品采用以無線連接為主拓展總線技術(shù)架構(gòu)體系，該智能家居系統(tǒng)“整合”了ZWave技術(shù)、紅外技術(shù)、RF射頻（315/433MHz）技術(shù)、RS232/485技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)等，同時(shí)也向社會(huì)公開了開發(fā)協(xié)議和接口函數(shù)，為其他智能家居廠商“對接”該系統(tǒng)也提供了機(jī)會(huì)。

通過對各種通訊技術(shù)智能家居終端產(chǎn)品的應(yīng)用研究，總結(jié)出：“無論是智能家居總線技術(shù)，還是智能家居無線技術(shù)，沒有一種完美無缺的”。但是各種技術(shù)都有其適用的環(huán)境及技術(shù)優(yōu)勢。因此，本文重點(diǎn)研究的是多種控制技術(shù)在一個(gè)智能家居交互平臺(tái)上應(yīng)用，即總線控制技術(shù)和無線控制技術(shù)相結(jié)合，就可以取長補(bǔ)短，能更好地適應(yīng)終端客戶對智能產(chǎn)品的需要。