幾種智能家居網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)方案的分析與比較

摘 要:針對現(xiàn)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(huán)境的現(xiàn)狀，介紹了智能家居網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的組成，重點分析系統(tǒng)主控制器解決方案、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨浮⒕W(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及各種有線、無線組網(wǎng)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(wǎng)方式進(jìn)行比較，說明了利用嵌入式控制器、無線組網(wǎng)方式組建智能家居網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。總結(jié)得出:嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是未來智能家居網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞:智能家居;網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng);嵌入式;無線網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號:TN873 文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàn)代家庭已經(jīng)從追求家居的豪華裝飾轉(zhuǎn)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(huán)境。智能家居是以家為平臺，兼?zhèn)渥詣踊⒅悄芑谝惑w的高效、舒適、安全、便利的住宅環(huán)境。智能家居網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是一個完整的集家庭通信、家庭設(shè)備互聯(lián)和控制、家庭安全防范等功能于一體的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目前智能家居網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)為兼容性強(qiáng)的家庭主控制器和滿足信息傳輸需要的家庭網(wǎng)絡(luò)，有PC架構(gòu)、單片機(jī)架構(gòu)、嵌入式架構(gòu)三大解決方案，有有線技術(shù)、無線技術(shù)、電力載波技術(shù)等三大類別的主要實現(xiàn)方式[1]。

1 智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)成

一個完整的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)一般由照明控制系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)、安防門禁系統(tǒng)、消防報警系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為三層[2]:應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和物理層。應(yīng)用層包括各種家用電器、安全系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)及各種智能終端等;網(wǎng)絡(luò)層包括控制網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和音頻視頻網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)信息的采集、輸入和輸出、集中控制、遠(yuǎn)程控制、聯(lián)動控制等功能，如圖1所示。

圖1 智能家居網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)組成框圖

2 智能家居網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)解決方案

智能家居網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)有三種解決方案[3]:基于PC機(jī)、單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)，分別代表了中國智能家居行業(yè)技術(shù)特點。智能家居主控制器作為家居網(wǎng)絡(luò)的核心，實現(xiàn)一個家居的管理和控制功能，完成顯示、控制，報警等任務(wù)，并通過家居網(wǎng)絡(luò)與上層智能家居管理系統(tǒng)和底層實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

2.1 基于PC機(jī)架構(gòu)系統(tǒng)

PC機(jī)架構(gòu)系統(tǒng)是以家用電腦作為主控制器，通過總線同各個設(shè)備、以太網(wǎng)相連，電腦充當(dāng)了一個網(wǎng)關(guān)和處理器的角色，同時在電腦上安裝專門開發(fā)的軟件管理系統(tǒng)，對家居各個設(shè)備進(jìn)行管理。這種方案借助了現(xiàn)代計算機(jī)的強(qiáng)大功能和普及優(yōu)勢，開發(fā)周期短，開發(fā)難度下降，但需要電腦24 h開機(jī)，造成電能的較大消耗和智能家居控制系統(tǒng)的成本提高，適用性下降。

PC機(jī)架構(gòu)系統(tǒng)出現(xiàn)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(qiáng)，且由于系統(tǒng)容易受到病毒的攻擊，穩(wěn)定性也很差。

2.2 基于單片機(jī)架構(gòu)系統(tǒng)

以單片機(jī)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(tǒng)。其實用性、易用性和專業(yè)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(jī)聯(lián)合控制，造成電路設(shè)計較復(fù)雜，系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，擴(kuò)展能力不強(qiáng)。

2.3 基于嵌入式架構(gòu)系統(tǒng)

嵌入式架構(gòu)系統(tǒng)是以嵌入式系統(tǒng)為核心，以專門設(shè)計的嵌入式主控制器作為智能家居網(wǎng)絡(luò)控制平臺，實現(xiàn)家居內(nèi)部、外部網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接以及內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中信息家電和設(shè)備的連接與控制。嵌入式系統(tǒng)適合比較復(fù)雜的應(yīng)用，擴(kuò)展能力強(qiáng)，功耗低，采用數(shù)字電路設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性強(qiáng)，嵌入式控制器成為家居控制器的首選。缺點就是開發(fā)周期長，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，市場價格比較高，應(yīng)用面比較狹窄。隨著嵌入式技術(shù)更加廣泛的應(yīng)用及成本的降低，基于嵌入式系統(tǒng)的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)將會有更廣闊的發(fā)展空間。

3 智能家居網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨?/p>

家居網(wǎng)絡(luò)是指在家庭內(nèi)部通過一定的傳輸介質(zhì)將各種電氣設(shè)備和電氣子系統(tǒng)連接起來，采用統(tǒng)一通信協(xié)議，對內(nèi)實現(xiàn)資源共享，對外通過網(wǎng)關(guān)與外部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)進(jìn)行信息交換的局域網(wǎng)[4]。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是拋開網(wǎng)絡(luò)物理連接來討論網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的連接形式，網(wǎng)絡(luò)中各站點相互連接的方法和形式稱為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｋ慕Y(jié)構(gòu)主要有星型結(jié)構(gòu)、總線結(jié)構(gòu)、樹型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、蜂窩狀結(jié)構(gòu)等。在智能家居網(wǎng)絡(luò)中用的比較多的是星型結(jié)構(gòu)和總線結(jié)構(gòu)。

3.1 星型結(jié)構(gòu)

星型結(jié)構(gòu)是指將家中電器和傳感器以星型方式連接成網(wǎng)。主控制器是網(wǎng)絡(luò)的中央節(jié)點，其他節(jié)點傳感器、家用電器與主控制器直接相連，這種結(jié)構(gòu)以主控制器為中心，特點是結(jié)構(gòu)簡單，便于建網(wǎng)，管理和控制方便，網(wǎng)絡(luò)延遲時間較小，傳輸誤差較低，可靠性高。

3.2 總線型結(jié)構(gòu)

總線結(jié)構(gòu)是指各節(jié)點家電和傳感器均掛在一條總線上，各節(jié)點地位平等，沒有中心節(jié)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(fā)送信息的節(jié)點開始向兩端擴(kuò)散。各節(jié)點在接收信息時都進(jìn)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(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，可擴(kuò)充性好，使用的電纜少，安裝容易，使用的設(shè)備相對簡單，可靠性高，但維護(hù)難，分支節(jié)點故障查找難。

4 智能家居網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案

智能家居網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)內(nèi)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(xiàn)。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(wǎng)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(wǎng)方式的IEEE 80211系列，家庭射頻技術(shù)的HomeRF，藍(lán)牙的IEEE 802151，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(wǎng)絡(luò)采用的傳輸線纜主要有電力線、電話線、以太網(wǎng)雙絞線、現(xiàn)場總線以及專用總線等[6，7]。

4.1.1 電話線聯(lián)網(wǎng)

這種方式是通過在電話線上加載高頻載波信號來實現(xiàn)信息的傳遞，可以同時滿足XDSL、電話業(yè)務(wù)和家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸，互相不干擾，HomePNA就是這方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它具有價格低、傳輸速度快、用戶界面好、無需鋪設(shè)新的電纜等優(yōu)點。可能存在的問題是電話線插座數(shù)量有限，在擴(kuò)充新的節(jié)點時還是會面臨重新布線的問題。

4.1.2 電力線聯(lián)網(wǎng)

在基于電力線聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)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(shè)備連成家庭內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通過入口或出口的調(diào)制、解調(diào)模塊后，再通過家庭內(nèi)部電力線進(jìn)行傳輸。目前國際上采用電力線作為聯(lián)網(wǎng)介質(zhì)推出的解決方案有X-10，CEBUS等。

采用電力線通信來實現(xiàn)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(jié)省了重新布線的開支，只需在低壓用電設(shè)備電源側(cè)電力線插座上連接一個通信控制開關(guān)和電力通信模塊，由家庭網(wǎng)絡(luò)智能控制數(shù)據(jù)終端通過電力線對通信控制開關(guān)進(jìn)行操作，簡單方便地實現(xiàn)了家居智能化。存在的問題是國內(nèi)電力質(zhì)量不高，其穩(wěn)定性受到較大限制，經(jīng)常出現(xiàn)信號傳輸不穩(wěn)定的現(xiàn)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(qū)使用一臺變壓器，電力線信號會在小區(qū)內(nèi)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(shù)字視頻和音頻信號的傳輸，保密性差，而且沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，接入設(shè)備昂貴等。

4.1.3 以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)

采用的傳輸介質(zhì)有雙絞線和光纖，傳輸協(xié)議主要是邏輯鏈路控制協(xié)議(IEEE 802.2)和載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD，IEEE 802.3)，數(shù)據(jù)傳輸率相當(dāng)高，可以達(dá)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(shù)據(jù)、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(wǎng)和高速因特網(wǎng)。它的優(yōu)勢在于技術(shù)已經(jīng)十分成熟，以太網(wǎng)的組網(wǎng)設(shè)備在市場上可以很容易地購買到。以太網(wǎng)本身的實現(xiàn)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(jīng)鋪設(shè)好的電纜或電話線，而不愿意重新安裝以太網(wǎng)線。因此就目前來說，以太網(wǎng)方式可能是家庭網(wǎng)絡(luò)發(fā)展初期的首選方案，但不是家庭網(wǎng)絡(luò)的最終選擇方案。

4.1.4 總線聯(lián)網(wǎng)

通過采用總線的形式來組建智能家居系統(tǒng)，常見的有LonWorks，RS 485總線解決方案。它的優(yōu)點是抗干擾能力強(qiáng)，技術(shù)成熟;缺點是需要重新鋪設(shè)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(zhì)一般采用雙絞線，最遠(yuǎn)傳輸距離為1 200 m。一般采用總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不支持環(huán)型或星型網(wǎng)絡(luò)。

LonWorks是具有強(qiáng)勁勢力的全新的總線技術(shù)，它采用了ISO/OIS模型的全部七層通信協(xié)議，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，其通信最大速率為1.25 Mb/s，直接通信距離可達(dá)2.7 km，支持雙絞線、同軸電纜、光線等多種通信介質(zhì)，在自動樓宇控制中得到廣泛的應(yīng)用。

4.2 無線傳輸方式

目前，應(yīng)用于智能家居的無線通信技術(shù)主要包括:IrDA紅外線技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth)、ZigBee技術(shù)[6，7]。

4.2.1 IrDA紅外線技術(shù)聯(lián)網(wǎng)

IrDA紅外線技術(shù)是家庭無線控制網(wǎng)絡(luò)的一種選擇。利用紅外線進(jìn)行點對點通信的技術(shù)，其相應(yīng)的軟件和硬件技術(shù)都已比較成熟。主要優(yōu)點是設(shè)備簡單，成本低廉，功率低，適合設(shè)備移動的需要，傳輸速率高，可達(dá)4 Mb/s，應(yīng)用普遍。現(xiàn)有家電通過紅外線遙控接口很容易融入到這樣的網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議。因此，IrDA方式對于家庭組網(wǎng)方式來說，不太合適。

4.2.2 藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth)聯(lián)網(wǎng)

藍(lán)牙技術(shù)是一種低功率短距離的無線連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的代稱，屬于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以組建相應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)。它支持IEEE 802.15.1標(biāo)準(zhǔn)，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(yè)務(wù)，帶寬可達(dá)1 Mb/s，完全滿足智能家居系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)中設(shè)備節(jié)點的數(shù)量會越來越多，藍(lán)牙有限的網(wǎng)絡(luò)容量將會限制其在低速控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。另外，藍(lán)牙的成本始終高居不下，這也導(dǎo)致其無法適用于未來的大規(guī)模家居控制網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

4.2.3 ZigBee技術(shù)(IEEE 802.15.4)聯(lián)網(wǎng)

ZigBee是IEEE 802.15.4通信協(xié)議的代名詞，是一種適用于自動化系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制的無線通信技術(shù)，具有復(fù)雜度低、成本低、功耗小、雙向傳輸?shù)奶匦裕且粋€比較完善的近距離低速率無線通信協(xié)議。在家居的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括:家庭安防系統(tǒng)、自動空調(diào)系統(tǒng)的自動溫控、照明和窗簾之類的遠(yuǎn)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(yuǎn)未達(dá)到協(xié)議中設(shè)計的理想年限。但是，ZigBee技術(shù)有效地解決了藍(lán)牙技術(shù)的高成本和高能耗缺點，這使得它在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用前景無疑將非常廣泛[7]。

4.3 有線方式和無線方式組網(wǎng)比較

有線方式中的一些技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相對比較成熟，在行業(yè)中已經(jīng)具有一定的標(biāo)準(zhǔn)型和通用性，但電話線、以太網(wǎng)、電力線等有線組網(wǎng)技術(shù)普遍存在布線麻煩，增減設(shè)備需要重新布線，影響美觀，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性差，安裝和維護(hù)成本高，移動性能差的缺陷。無線傳輸最大的優(yōu)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(kuò)容很方便。但是，無線通信的質(zhì)量遠(yuǎn)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(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

家庭網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的原則是使用方便、安裝簡單，不需要額外布線、擴(kuò)展性好。所以只有那些無線，或利用電力線和電話線的技術(shù)才比較符合家庭的要求。但目前利用現(xiàn)有電力線的技術(shù)存在著接入設(shè)備昂貴、技術(shù)成熟度不夠的難題;利用電話線的技術(shù)也存在家庭的電話插頭少，接入產(chǎn)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(shè)尚未考慮家庭聯(lián)網(wǎng)的需要，基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)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(chǎn)業(yè)界所體現(xiàn)的三大技術(shù)趨勢是領(lǐng)先的無線移動;網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展;不依靠PC的獨立形態(tài)。而推進(jìn)這個發(fā)展趨勢的正是無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用[10]，因此嵌入式無線智能家居網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是未來智能家居的發(fā)展方向，它能夠提供標(biāo)準(zhǔn)化接口和無線網(wǎng)絡(luò)互連功能，而且可以通過嵌入式通信協(xié)議的實現(xiàn)，使得系統(tǒng)能夠脫離傳統(tǒng)PC，從而使智能家居行業(yè)也跨入后“PC”時代。

6 結(jié) 語

智能家居是典型的小規(guī)模局域網(wǎng)，是未來住宅的發(fā)展趨勢。本文通過構(gòu)建智能家居網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的組網(wǎng)技術(shù)、主控制器技術(shù)等方面的比較說明，闡述了相關(guān)技術(shù)發(fā)展的趨勢。其中的無線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)的應(yīng)用及系統(tǒng)的集成化、功能的多樣化是主流的發(fā)展趨勢。

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