智能家居系统核心技术探讨

思考的牛

本文从技术与应用的广角全面阐述智能家居系统的现状和发展前景，深入分析了其核心技术——通讯网络架构和控制器，并提出个人的技术观点和建议。


1. 概述
智能家居，又称智能住宅，在国外常用Smart Home表示。与智能家居含义近似的有家庭自动化（Home Automation）、电子家庭（Electric Home、E-home）数字家园（Digital Family）、家庭网络（Home Net/Networks for Home）、网络家居（Network Home）、智能家庭（Intelligent Home），在我国港台地区，还有数码家庭、数码家居等称谓。


智能住宅或智慧家居，是利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术，依照人体工学原理，融合个性需求，对家居生活进行网络化的综合智能管理，实现更舒适、更安全、更便捷的全新家居生活体验。智能住宅对中国市民来说并不陌生，早在2001年就有媒体报道，上海智能化住宅已经达到400幢，但严格说来，他们只是在原来可视对讲的基础上，增设了几种简单的系统（比如基本的安防控制和三表远程抄送等），真正意义上的智能化住宅截止目前并不多见。智能小区经过多年的实际应用，已经有了长足的发展，仅仅提供安全保障的智能小区系统已经很难满足人们对于安全、方便、智能化等方面的需要。因此，智能家居必将成为一个新的市场热点。


智能家居系统的内涵，主要由家居综合布线系统、家居安全防范系统、家居电器自动控制系统和家居背景音响系统。


智能家居系统功能结构为家庭信息控制、家庭通信网络和控制总线、家庭网关。国际厂商如德国西门子、日本松下等，国内厂商如联想、海尔、TCL纷纷推出产品。

2. 通讯网络架构
目前实现智能家居控制的信息网络和控制网络技术总体上可以归为三大类：总线技术、无线技术、电力载波技术。


2.1 电力线载波技术
电力线载波技术起源于美国，X-10通信协议适用于X-10发送器与接收器之间，以家庭内的电力线缆为通信媒体，用于家庭安全监控、电器控制等家庭自动化系统。X-10缺点在于许多设备间进行单向通信，没有反馈机制，因为其控制元素是不完善的，通信媒体单一，通信速率较低。


荷兰PLC-Bus技术，是一种高稳定性及较高价格性能比的双向电力线通信总线技术，而其他的电力线控制技术在系统功能、可靠和成本上均无法与之比拟。它主要由三部分组成，即发射器、接收器和系统配套设备。该系统对弱电布线的唯一要求是每个开关盒里都必须有零线和火线。电力线的Home Plug也绽露良好发展前景。


国内引入PLC-Bus技术的主要有索博智能家居系统，济南中讯高科电子科技公司的同类产品。还有（佛山）自主开发基于电力线载波技术的智能墙壁开关产品。


2.2 无线网络技术
无线网络技术主要有802.11b，Bluetooth（蓝牙）和Home RF三种方案。


802.11b技术，是IEEE的无线局域网标准。无线宽带，目前802.11g也运行在2.4GHz频段,达到54M宽带，更高宽带（100M以上）的802.11n和UWB也开始崭露头角。基于无线通信技术的系统，具有免布线、安装简单的优点，但目前多数此类产品都是单向通信方式，各个开关之间也无法建立联动关系，对于某些要求220V交流电的火线和零线均连接到控制节点上的产品必须重新布线。


蓝牙技术是一种廉价的、低功能的无线网络技术，用户可以控制10m之内的蓝牙设备。工作在2.4GHz频段，数据速率为1Mbps。国内推出基于蓝牙技术的松本智能全无线家居智能系统；澳门科技大学智能家居系统（MUST Smart Home System）由PRO2主处理器、蓝牙控制系统（Bluetooth Control System，简称BCS），手机电脑连接系统（Motile to PC System，简称MPS）组成。


Home RF技术。主要为家庭网络设计，工作在2.4GHz频段，它采用了数字跳频扩频技术，HomeRF2.x中，跳频速率增加到75跳/S，其数据峰值也高达10Mbps，它能根据传输速率动态调整跳频宽带。


遥控器系统采用射频遥控的方式，主机通过射频的方式遥控现场的控制模块，安装与使用简单，但遥控器和中央监控的设备，受无线信号传输距离的限制，控制规模小。


3．总线技术
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，智能家居系统种类繁多，主要有基于楼宇对讲系统技术的智能家居系统、基于现场总线技术的家庭自动化系统和基于智能手机的智能家居系统三大类。


由于楼宇保安对讲系统产业化成熟，并使单纯的楼宇对讲系统向家庭自动化系统过渡顺藤摸瓜，以基于楼宇对讲系统技术的智能家居系统产品居多。这类产品基于楼宇对讲系统技术（系统结构和传输系统），在各户室内分机增添功能终端设备（防盗、防火、照明、家用电器等）。基于现场总线技术的智能家居系统技术含量高、功能强，实施容易，是本文探讨的重点。基于智能手机的智能家居系统属新兴产业技术，本文简要阐述。


在满足系统功能设计要求情况下，不同产品可能采用不同的技术手段，其核心技术——通讯网络架构和控制器。


目前实现智能家居系统的通讯网络架构技术总体上可以归为三大类：总线技术、无线技术、电力载波技术。


控制器方式主要有拼凑型控制系统、主机式集中控制系统和智能控制中心。

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、BAC net、CAN 总线、INTER 总线和CC Link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、Lon Works总线、AP Bus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。


3.1 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MOD Bus标准。


3.2 CE Bus总线
CE Bus(Consumer Electronics Bus)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。


3.3 AP Bus总线
AP Bus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Lon Works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CE Bus一样，分别是10kbps和4G。


3.4 CAN总线
CAN总线（Controller Area Network），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。


3.5 LonWorks总线
根据ISO/OSI 7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。


3.6 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。


3.7 LCN总线
局部控制网络LCN（Local Control Network）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。


3.8 CC－Link总线