威易智能家居系統技術及特色介紹

北京中訊威易科技有限公司

威易智能家居系統將無線、電力線和雙絞線三種傳輸途徑的有機融合，實現了ARM控制、有線、無線傳輸等核心技術模塊化。其中，無線技術采用的是ZigBee，電力線技術采用的是PLC-BUS，雙絞線傳輸方式采的是CAN BUS。本文首先概要介紹一下三種技術，說明三種技術是如何實現優勢互補，并突出介紹智能家居核心技術模塊化。

ZigBee

1、什么是zigBee?

ZigBee是一種新興的短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術。

主要用于近距離無線連接。它依據IEEE 802.15.4標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。802.15.4強調的就是省電、簡單、成本又低的規格。802.15.4的物理層(PHY)采用直接序列展頻(DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum)技術，以化整為零的方式，將一個訊號分為多個訊號，再經由編碼方式傳送訊號避免干擾。在媒體存取控制(MAC)層方面，主要是沿用WLAN中802.11系列標準的CS MA/CA方式，以提高系統兼容性，所謂的CSMA/CA是在傳輸之前，會先檢查信道是否有數據傳輸，若信道無數據傳輸，則開始進行數據傳輸動作，若有產生碰撞，則稍后重新再傳。可使用的頻段有3個，分別是2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段、以及美國的915MHz頻段，而不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個。ZigBeeg聯盟預測的主要應用領域包括工業控制、消費，性電子設備、汽車自動化、家庭和樓宇自動化、醫用設備控制等。

ZigBee是一組基于IEEE批準的802.15.4無線標準研制開發的、有關組網、安全和應用軟件方面的技術。IEEE 802.15.4僅處理MAC層和物理層協議，ZigBee聯盟對其網絡層協議和APl進行了標準化。

一個真正的ZigBee，由ZigBee Alliance所主導的標準，定義了網絡層(Network Layer)、安全層(Security Layer)、應用層(Application Layer)、以及各種應用產品的資料(Profile)；而由國際電子電機工程協會(IEEE)所制訂的802.15.4標準，則是定義了物理層(PHY Layer)及媒體存取層(Media Access Centrel Layer；MAC Layer)。

2、zigBee的特點

·數據傳輸速率低：10KB/秒～250KB/秒，專注于低傳輸應用；

·功耗低：在低功耗待機模式下，兩節普通5號電池可使用6～24個月；

·成本低：ZigBee數據傳輸速率低、協議簡單，所以大大降低了成本；

·網絡容量大：網絡可容納65，000個設備；

·時延短：典型搜索設備時延為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設備信道接入時延為15ms；

·安全：ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒別功能，采用AES-128加密算法(美國新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一)，各個應用可靈活確定其安全屬性；

·有效范圍小：有效覆蓋范圍10～75米，具體依據實際發射功率大小和各種不同的應用模式而定；

·工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz(歐洲)和915MHz(美國)，均為免執照(免費)的頻段。

3、zi2Bee網絡中的三種設備類型

●網絡協調器：包含所有的網絡消息，是3種設備類型中最復雜的一種，存儲容量最大、計算能力最強。發送網絡信標、建立一個網絡、管理網絡節點、存儲網絡節點信息、尋找一對節點間的路由消息、不斷地接收信息；

●全功能設備(FFD)：可以擔任網絡協調者，形成網絡，讓其它的FFD或是精簡功能裝置(RFD)連結，FFD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸；

·附帶由標準指定的全部802.15.4功能和所有特征；

·更多的存儲器、計算能力可使其在空閑時起網絡路由器作用；

·也能用作終端設備。

●精簡功能設備(RFD)：RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。

·附帶有限的功能來控制成本和復雜性；

·在網絡中通常用作終端設備；

·ZigBee相對簡單的實現自然節省了費用。RFD由于省掉了內存和其他電路，降低了ZigBee部件的成本，而簡單的8位處理器和小協議棧也有助于降低成本。

PLC-BUS

1、PLC-BUS背景

在2002年6月9日，位于荷蘭阿姆斯特丹市，致力于設計、開發和制造先進的電力載波燈光控制技術的荷蘭ATS電力線通信有限公司(ATS，CO)宣布又研發出一種高可靠、低成本的電力線通信技術——PLC-BUS電力總線技術(Power Line Communication Bus)。此項技術擁有超強的系統穩定性和可靠性，為商業住宅提供了更為經濟的智能化控制解決方案。

2、PLC-BUS概述

·PLC-BUS智能家居系列產品，利用家庭中現有的電力線，傳送控制燈光和家用電器的指令。

·利用電力線通訊最大的好處是無須另外布線，而且不需要主機，使得安裝既簡單又快速。

·利用跳頻技術(4-40KHZ)，傳輸距離更遠，抗干擾能力更強，更穩定。

·雙向通信，能夠實時反饋查詢。

3、PLC-BUS傳輸原理

PLC-BUS信號總的來說，是通過給一個電容先進行高壓充電，然后在一個很精確的時間里將電容的電量釋放到電力線上。這種快速的電容放電會在電力線上產生一個瞬間的能量脈沖，因而PLC-BUS接收器可以在很遠的地方輕松接收PLC-BUS信號。

每半個50Hz的正弦波周期里可以傳遞一個PLC-BUS脈；中信號，PLC-BUS脈沖信號總是出現在半個正弦波周期里的四個固定位置中的一個位置。每個位置可以搭載兩個比特的信息，因此在50Hz的電力線上，一秒鐘可以傳輸200比特的數據。

4、PLC-BUS技術優勢

·沿用世界上現有最廣泛的有線網絡：電力線。發展將更加的廣泛、更加光明，達到真正即插即用。

·改進了以往的通訊方式，實現了發射端和接收端的雙向互動的通訊方式，使得控制變得更直觀，一目了然。

·改進電力線的指令的加載方式，發射器指令傳送至接收器可靠性提高至99.95％。接收器回饋至發射器的可靠度達到99％。

·擴展了控制的地址，PLC-BUS的可控制地址得到了進一步的擴展，高達6萬多個地址。

·高速的傳送速度。信號從發射器至接收器只需0.1秒，控制只是轉瞬之間。

·由于采用新的信號電力線加載技術，能抵御電力線上的各類吸波和雜波的干擾，因此無需阻波設備，這是PLC-BUS的最大特點之一。

·由于高的抗干擾能力，使得信號的傳送遠達幾十公

里。因此應用的范圍更加的廣泛，超大的別墅和賓館甚至體育館也不在話下。

·更優的防串戶設計，只需發射器間的對碼就可解決戶與戶間的控制干擾。

·采用主、副地址技術，實現了擴展場景功能。每個接收器除了自帶的一個主地址外，另可記憶16個副地址，以實現16種場景功能。

·具有高級的調試診斷性能，調試方式方法進一步簡化，通過一個插座就可以檢測到系統中每個接收器處的信號強度及干擾的強度。

·PLC-BUS與X10的產品相兼容，適用領域更加廣泛。

CAN

1、CAN概述

CAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。最初，CAN被設計作為汽車環境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網絡。

CAN總線是德國BOSCH公司為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種串行數據通訊協議，是交通運載工具電氣系統中應用較廣的總線。現在向過程工業、機械工業、機器人、數控機床、傳感器等方面發展。

1993年11月，ISO正式頒布CAN為國際標準IS011898。

支持CAN協議的公司有Intel、Moto rola、Philis、Siemens、NEC、Honeywell等公司。

2、CAN總線的主要技術指標

傳輸速率：可達到1Mbps(40米以內)

傳輸距離：10千米(5kbps以下)

支持的介質：銅線，光纖

媒體訪問控制方式：CSMA/沖突按優先權解決

可掛接的最大節點數：110

3、CAN總線的信號傳送

信號使用差分電壓傳送，兩條信號線被稱為“CAN_H”和“CAN_L”，靜態時均是2.5V左右，此時狀態表示為邏輯“1”，也可以叫做“隱性”。用CAN_H比CAN_L高表示邏輯“0”，稱為“顯形”，此時，通常電壓值為：CAN_H=3.5V和CAN_L=1.5V。

Canbus采用雙絞線自身校驗的結構，既可以防止電磁干擾對傳輸信息的影響，也可以防止本身對外界的干擾。系統中采用高低電平兩根數據線，控制器輸出的信號同時向兩根通訊線發送，高低電平互為鏡像。并且每一個控制器都增加了終端電阻，已減少數據傳送時的過調效應。

4、CAN總線的數據通信

·CAN屬于總線式串行通信網絡；

·可實現點對點、一點對多點及全網廣播幾種方式發送接收數據；

·為多主方式工作，通信方式靈活；

·CAN網絡按節點類型分成不同的優先級；

·CAN采用非破壞性總線優先級仲裁技術；

·每幀信息都有循環冗余校驗CRC及其它檢錯措施；

·CAN節點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉輸出功能；

·CAN總線以報文為單位進行數據傳遞；

·每個標準報文起始部分有一個11位的標志符ID；

·數據域為0-8個字節，每個字節8位。

5、載波偵聽多路訪問，沖突檢測

利用CSMA/CD(Carrier Sense Multiiple Access with Colision Detect)訪問總線，可對總線上信號進行檢測，只有當總線處于空閑狀態時，才允許發送。利用這種方法，可以允許多個節點掛接到同一網絡上。當檢測到一個沖突位時，所有節點重新回到“監聽”總線狀態，直到該沖突時間過后，才開始發送。在總線超載的情況下，這種技術可能會造成發送信號經過許多延遲。為了避免發送時延，可利用CSMA/CD方式訪問總線。

當總線上有兩個節點同時進行發送時，必須通過“無損的逐位仲裁”方法來使有最高優先權的報文優先發送。在CAN總線上發送的每一條報文都具有唯一的一個11位或29位數字的ID。CAN總線狀態取決于二進制數“0”而不是“1”，所以ID號越小，則該報文擁有越高的優先權。因此一個為全“0”標志符的報文具有總線上的最高級優先權。可用另外的方法來解釋：在消息沖突的位置，第一個節點發送0而另外的節點發送1，那么發送0的節點將取得總線的控制權，并且能夠成功的發送出它的信息。

6、CAN的報文格式

CAN協議定義了四種不同的幀。

·數據幀，這個幀被用于當一個節點把信息傳送給系統的任何其它節點。數據幀由7個不同的位域組成，即幀起始、仲裁域、控制域、數據域、CRC域、應答域、幀結束。

·遠程幀，此幀是基于數據幀格式，只要把RTR(Remote Transmit Request)位設置成遠程發送請求，并且沒有數據場。總線上發送此幀后，表示請求接收與該幀ID相符的數據幀。遠程幀由6個不同的位場組成，即幀起始、仲裁域、控制域、CRC域、應答域、幀結束。

·錯誤幀。任何單元監測到錯誤時就發送錯誤幀。錯誤幀由兩個不同的域組成。第一個域是錯誤標志，用做為不同站提供錯誤標志的疊加；第二個域是錯誤界定符。

·超載幀，節點需要增加時間來處理接收到的數據時便發送超載幀。超載幀包括兩個位域：超載標志和超載界定符。

三者優勢互補

ZigBee、PLC-BUs與CAN等三種傳輸方式各有其應用局限性，ZigBee穿越墻壁能力差，信號易被鋼筋混凝土阻隔。PLC-BUs停電時無法使用，因此無法用于安防領域。CAN-BUS需要布線，施工相對麻煩。中訊威易建立的統一融合平臺可以充分發揮三種技術的優勢，在應用時就會揚長避短，實現三者的優勢互補，從而實現產品的最優性價比：

比如：PLC-BUS基于電力線傳輸，在燈光控制領域，具有相當的優勢。在安防領域等PLC-BUS不適合的領域，容易布線時，可以考慮CAN，不容易布線的地方，可以考慮ZigBee。

也就是說我們擁有了這三種技術，并且可以實現無縫融合，這樣不管針對怎么樣的應用環境，我們都可以拿出一個最適合的解決方案滿足用戶的各種特性化需求，這就是威易智能家居的核心能力。

智能家居核心技術模塊化

1、ARM控制模塊

主要特點如下：

MPU：at91sam9261

存儲器：64MB NandFlash

64M B SDRAM

2MB Data Fash

電源(Power)：標準配置參數為：DC+5V/2A；

網絡(Ethernet)：一個10/100M網絡，帶網絡變壓器和指示燈；

USB Host端口：兩組USB 2.0 Full-Speed Host端口，完全兼容0HCI USB 2.. Full-Speed規格(12Mbps)，支持U盤、鼠標、鍵盤、攝像頭、打印機、USB Hubs等設備；

USB Device端口：一組USB 2.0 Full-SpeedDevice端口，完全兼容OHCI USB 2.0 Full-Speed；

音頻(Audio)：提供音頻輸入、輸出和麥克輸入接口.

串口(USART)：二個三線串口，一個五線串口，USART支持RS485和ISO7816協議；

Dbgu調試口：專用調試串口；

液晶顯示和觸摸屏接口(LCD，Touch)：一個50Pins插槽引出了LCD和touch的全部信號，顯示更穩定；可驅動黑白、單色、偽彩(STN)、真彩(TFT)色LCD；最大分辨率2048X2048，支持18位或24位LCD。

2、ZigBee模塊

ZigBee模塊集成MCU控制與射頻前端，實現了ZigBee組網與通信，與ARM控制模塊之間采用串口進行通信。

3、PLC-BUS模塊

PLC-BUS模塊集成了電力線載波通信收發功能，可通過ARM控制模塊的串口進行直接控制。

4、CAN模塊

CAN模塊集成了MCU控制、CAN控制器及CAN收發器等，跟ARM控制模塊之間采用串口進行通信。

5、協議互轉模塊

ZigBee、PLC-BUS與CAN之間經常用到協議轉換，威易公司專門設計了協議轉換器，該協議轉換器包括三種模塊，他們之間通過UART進行通信，最終通過MCU的串口實現數據的對外輸出。