智能家居系统核心技术的探讨.docx

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。 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。 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（3009.6kbps）；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（3001.25Mbps）；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 CCLink总线 控制与通信总线CCLink规范（Control & Communication Link ）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。 3.9 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。 3.9.1 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Lon Works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。 深圳市普力特科技公司基于TP-Bus总线技术自主开发了Maxicom智能家居系统。 3.9.2 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。 4基于智能手机家庭自动化系统 GPRS是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供了端到端的、广域的无线IP连接。它充分利用现有GSM网络资源，具有不受通信线路及地区限制、保密性好、可靠性高、使用方便、灵活等优点，为远程家电控制和安防监测系统设备间的通信提供了强大的平台支持。 智能手机基本上都具有GPRS功能。它采用开放式操作系统，第三方可根据操作系统提供的API为智能手机开发各种扩展应用和提供各种扩展硬件。利用智能手机这一特性再加上智能手机足够的屏幕尺寸和强大的数据、声音、图像处理能力，可轻松开发出用于远程家电控制和安防监测的应用软件，方便了用户的操作。 基于智能手机的远程家电控制及安防监测系统利用人们随身携带的智能手机与中央控制器进行会话，并在中央控制器的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对家电的远程控制和家庭内部状况的实时监测。 系统总体结构如图2所示，主要由智能手机、中央控制器、热释电人体红外探测器、温度传感器、烟感探测器、燃气泄漏探测器、摄像头、家电设备、Internet和GPRS网络组成。 其主要功能如下：智能手机经由GPRS网、Internet与中央控制器进行通信。用智能手机发送家电控制消息到中央控制器时，若所要控制的家电为红外设备，中央控制器驱动红外收发器向该设备发送相应红外控制信号进行控制；若是普通设备，中央控制器驱动开关控制器对该设备进行控制。当热释电人体红外探测器检测到有人非法进入室内时，中央控制器启动摄像头拍摄入侵者照片，并发送非法入侵报警消息和入侵者照片到智能手机。当温度传感器检测到室内温度过高，并且烟雾探测器同时探测到烟雾超标时，中央控制器将火灾报警消息发送到智能手机；当燃气泄漏探测器探测到煤气等可燃气体浓度超标时，中央控制器发送气体泄漏报警消息到智能手机。智能手机接收到相应的报警消息后，播放报警音，并显示盗窃者照片或其他报警信息。 5控制器方式 控制器是可编程家居自动化控制处理器，它具有信息接收、贮存、发送、管理和通信的功能。可以自动执行各种预设的控制程序，具有电话、网络、短信、总线、无线多种通信接口，可实现设备的远程操作控制。 前面已述，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。 5.1常用的控制器 拼凑型（功能间无关联的孤立）控制系统，各个功能子系统独立设计、自主工作，互不相连和交换数据。其集成方式多数体现为多个独立系统互相拼合，其系统集成性、稳定性、扩展性必然下降。 主机式集中控制系统，它可以是一个普通计算机、嵌入式或者单片机系统，系统的逻辑关系固定在主控制器上，有的可以通过软件修改。添加新设备需要修改主控制器。分级集中控制系统是前一种类型的扩展。如果现场采集量较大，通常在中央控制单元和现场设备之间加入现场级的控制单元（PLC，单片机等），现场控制单元与中央控制单元之间使用RS-232。 常用的控制器，采用普通计算机、嵌入式或者单片机系统。如V-Z8101B智能控制器，采用嵌入式结构设计，32位ARM9微处理器，8M SDRAM，8M FLASH 存储器，可扩展到64M，可外接SD卡，RS2321，RS4851，PUT1，USB2.01通讯端口。实现最大控制距离1200米，最大控制区域256个，最大控制设备种类256个，最大控制对象65536个。 5.2 智能家居电视遥控中心 这是一种新型开放式家居自动化控制平台，它是一种可视、简单的家庭自动化控制新技术。它把家用电器的所处位置和状态信号用电视机屏幕显示出来，用电视机的遥控器在电视屏幕上选择电器进行遥控操作的家庭自动控制系统。 它由“智能家居电视遥控中心”和配套的功能模块组成。它使用一个标准电视遥控器，实现电视机收看功能和家用电器控制功能，在观看电视的同时可以进行电器控制而不影响电视节目收看。图形化的控制界面操作简单、使用方便。 5.3 用于会议系统的中控产品 在目前高档别墅住宅中，内容和功能相对比较完整的家居智能化系统，其智能化系统集成平台主要采用用于会议系统的中控产品，如快思聪MC2W内置完整的单向无线射频接受器的控制主机、AMX 5.4 家庭网关 高端应用中常采用家庭网关。家庭网关（Home Gateway）是户内控制和网络协议转换的中心，利用家庭网关(Home Gateway)使所有可能的设备信息互通，实现环境自动控制、就地集中监控、网络远程监控。 如“波创科技”的数字网关，嵌入式LINUX操作系统，32位350MHz CPU 。又如海尔U-home数字家庭系统，以家庭网关为控制中心，集散式网络控制系统，采用星形的网络拓扑结构，一个中央控制单元，采用e家佳联盟标准无线通讯协议。 霍尼韦尔HS-5000系统完全基于TCP/IP协议和以太网平台运行，所有的音频、视频、控制、监视、状态等信息全部数字化传输。家庭网关通过唯一的RJ-45接口连接到小区局域网，成为以太网上的一个普通节点，进而路由到Internet，网络成为全部信息流的通道。 在户内，家庭网关将所用可能的设备整合为一个系统，成为就地集中控制和WAP/WEB和电话远程控制的基础。家庭网关支持户内多系统多协议接入，如霍尼韦尔灯控系统以H-BUS总线接入，各分机以RS-485形式接入，信息家电通过PLC或RS-485总线接入，安防探头直接接入防区扩展模块，等等，把各种设备和功能无缝整合一个家庭网络系统，为未来业主实现了真正意义的高舒适度的智慧家居。 新一代智能家居系统数字家庭。家庭网络以i Home为例，家庭服务网关有四个数据接口，即WAN、LAN、COM1和COM2。家庭网络通过主网关实现家庭内部网络与外部网络的互联，通过子网关实现控制网络与信息网络的互联。在实际应用上，主网关和子网关通常在物理上是合为一体的，多协议的网关具有外部网络接口、内部局域网接口、控制网接口。家庭服务网络整合了AP Bus和Q Bus两种控制总线、有线和无线局域网、固定和移动互联网。 5.5 PLC控制器 ASE控制系统是一款可编程逻辑控制器（PLC），通过指令表中设置控制指令的方式，完成编程设计的一款多用途控制器。 同时具备与短信收发设备的通讯功能，通过普通手机短信远程控制系统和报告系统状态。其功能： 16个数字量输入点，16个数字量涑龅悖?2个端口。 内部共6个指令表，共68296个控制指令行。 每个指令行均可调用系统任意一个功能，例如：发送短信、控制继电器操作、延时计时等。 8个独立手机号码设置 8个独立远程控制指令行 8条警示短信设置 系统启动初始化设置 防断电记忆设置 其技术优势： 强抗干扰设计，与强电设备安装在同一个配电箱中。 将可编程控制器与手机短信收发机集成起来，特别是支持中英文短信的自动双向收发功能， 拓宽了编程器的远程控制能力，在经济性、安全性和可靠性上，相对于目前市场上以电话语音报警和控制的方式，有了相当大的提高。 在编程方面突破传统的工业PLC编程方式，对编程员的要求很低，不需要掌握任何编程经验和语言基础，有利于产品大规模的推广和应用。全中文编程界面，编程极其简单方便。 定位于建筑电气控制领域，根据这个领域的要求而设计的专业控制系统。 6个人技术见解 作为资深专业人士，我长期关注和潜心探索智能家居系统技术发展，深入分析其核心技术通讯网络架构和控制器，现提出个人拙见如下： 6.1 智能家居系统技术多元化 由于智能家居宏大产业发展和市场井喷，商家和媒体过分渲染，智能家居系统技术推陈出新、层出不穷，大有后者迅速淘汰前者之势。 其实不然，如无线技术，最典型的无线射频或红外技术，它的特点是无须布设任何线路，安装方便，但传输距离短、穿墙能力差、安全性较差，信号可能会受到墙体和障碍物的阻碍，因为无线射频信号一般只能穿透两层左右的墙体，则容易出现控制“死角”。电力载波可以用在光环境的控制、多媒体信息传输与三表远抄等方面，电力线的布线方便，但价格较高，受电力线上电器的干扰较大。这三种技术都有自己的优势与特点，都有它最适合的应用环境。可能谁也无法完全替代谁，只是不同技术在各种场合的适应性不同。各种技术的发展不是适用所有的应用，而是根据内容和环境需要，选择最合适的网络。 也可以将不同技术交叉应用，这主要应用的是先进的无线技术与电力载波技术，它们之间可以互相协调。利用电力载波技术来弥补无线技术的缺陷，应用在无线网关控制、智能安防、环境温湿度自控制与多媒体中心等，而最终有一个总的控制平台，对各智能家居系统进行统筹参观、协调工作。 6.2 智能家居系统的性能价格比 据悉，美国ABB、GE,德国莫顿，美国Honeywell,澳洲奇胜，一般别墅配置价基本最少10万元、舒适型一般都需要