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智能家居系統的幾種常用通信協議探究

2019-03-20    

來源:儀器儀表

   作者:許奎  

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導語: 人們對智能家居系統通信協議進行的研究,到目前為止已經取得了一些卓有成效的成果,包括 X-10、KNX、Lon Works、Zigbee 等。并且,這些成果在智能家居的發展工程中,扮演了極其重要的作用。然而,随着時代的發展,人們生活方式的多元化,傳統的智能家居系統過分單一的功能已經無法再滿足現代生活方式的需求。

  

摘要

  0 概述

  智能家居系統中,如果說通信線路是控制主機和各傳感器、執行器之間溝通的橋梁,那麼通信協議就是橋梁上的交通規則,隻有定義 1 套實用的、高效的交通規則,内部的溝通才會更順暢。

  美國的斯坦福研究所于 1979 年成立了相應的研究會,并提出了家庭總線(HOMEBUS)技術。美國電子工業協會于 1983 年組織專門機構制定家庭電氣設計标準,于 1988年編制了第一個用于家庭住宅的電氣設計标準《家庭自動化系統與通訊标準》,也稱家庭總線系統标準 (HBS),在标準中明确表示,智能住宅必須具有家庭總線系統并且通過總線系統提供各種服務。

  人們對智能家居系統通信協議進行的研究,到目前為止已經取得了一些卓有成效的成果,包括 X-10、KNX、Lon Works、Zigbee 等。并且,這些成果在智能家居的發展工程中,扮演了極其重要的作用。然而,随着時代的發展,人們生活方式的多元化,傳統的智能家居系統過分單一的功能已經無法再滿足現代生活方式的需求。

  1 幾種常用的通信協議

  1.1 X-10

  X-10 協議即國際标準電力載波通訊協議,是以電力線為連接介質,采用載波方式傳送信号或者指令,用于對電子設備遠程控制,已廣泛應用于家庭安全監控、家用電器控制和住宅儀表數字讀取等方面,具有擴展容易、功能靈活、無需單獨布線等特點。X-10 由發送終端和多個接收終端組成,它們之間通過站地址編碼的方式以示區别,使用時将各個終端分别插在插座上即可[1].

  1.2 CAN

  CAN 簡稱制器局域網絡(Controller Area Network),由德國 BOSCH 公司為汽車應用開發,是 ISO 國際标準化(ISO11898、ISO11519)的串行通信協議[1,2],它的出現不但為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持,并且還具有易開發、成本低等特點。目前是國際上應用最廣的現場總線之一,廣泛應用于汽車、計算機控制系統、嵌入式工業控制、智能家居、樓宇自動化和醫療器械等行業中[2].

  1.3 KNX

  KNX 起源于歐洲,主要用于樓宇和家居的分布式總線控制技術,在的住宅和樓宇控制領域是唯一全球性标準[3,4].KNX 是一種與制造商和應用領域相獨立的總線系統,将所有的總線設備連接到 KNX 傳輸介質上可以進行信息通訊。KNX 采用物理層、數據鍊路層、網絡層、傳輸層和應用層的五層技術通信模型,物理層支持射頻、電力線或雙絞線。KNX 采用對等網絡技術,網絡上的設備理論上都能夠實現相互通信,與基于主從結構的總線技術相比,KNX 面臨更多的互操作層面的問題。因此,KNX 技術定義了很詳細的互操作規範,包括互操作模型和數據點類型等,較好地解決了來自不同廠家設備的互操作問題[5].

  1.4 Lon Works

  Lon Works 是美國 Echelon 公司推出的現場總線技術,其核心技術是 Lon Talk 協議和神經元芯片,神經元芯片都内嵌有 Lon Talk 協議的固件,同時神經元芯片還具有通信和控制功能。Lon Works 網絡采用分布式結構,實現網絡上節點相互通信[6].Lon Works 作為一種開放、互操作、全數字的現場總線技術,以實時性好、靈活性好、可靠性高等特點,赢得了相關領域的生産商、研究機構和用戶的青睐,得到了極為廣泛的應用,在智能家居中占據主導地位。它可以采用電力線、同軸電纜、雙絞線、光纖、紅外線、無線電波等傳輸介質進行通信,并且支持多種傳輸介質混合使用,采用電力線作為傳輸介質,不需要單獨布線,具有簡單、易擴展、易維護等特性[7].

  1.5 Mode Bus

  Modbus 由 Modicon 在 1979 年提出,是一種用于電子控制器上的通用語言,也是全球第一個真正用于工業現場的總線協議,Modbus 現已經成為國家标準 GB/T19582-2008[8].Mod Bus 網絡實際上是一個工業通信系統,由計算機和可編程序控制器通過公用或者專用線路連接而成,其系統結構包括硬件、軟件,它可應用于各種數據采集和過程監控。Mod Bus 網絡允許一個主站,所有通信都由主站發出,支持傳統的 RS-232、RS-422、RS-485 和以太網設備作為電氣通信接口。Modebus 是一種标準、開放、支持多種電氣接口的通信協議,并且具有幀格式簡單、緊湊、通俗易懂等特點[9].

  1.6 Zigbee

  Zigbee 是一種短距離、低功耗的無線通信技術,基于IEEE802.15.4 标準,協議包含應用層、網絡層、傳輸層、媒體訪問控制層與物理層等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循 IEEE802.15.4 标準的規定[10].Zig Bee 無線數傳網絡平台最多可由 65000 個無線數傳模塊組成,在網絡範圍内,Zig Bee 網絡中任意兩個數傳模塊之間可以相互通信,每個網絡節點間的距離可以從标準的 75m 無限擴展,通訊距離從标準的 75m 到幾百米、幾公裡,并且支持無限擴展。具有簡單、使用方便、工作可靠、低成本、低功耗、低速率、近距離、短時延、高容量、高安全的特點,廣泛用于傳感控制等領域[11].

  1.7 Bluetooth

  Bluetooth 是一種實現固定設備、移動設備和樓宇個人域網之間的短距離數據交換的無線技術标準,最初由愛立信創造,可連接多個設備,克服了數據同步的難題。藍牙的波段為 2400MHz ~ 2483.5MHz,這是全球範圍内無需取得執照的工業、科學和醫療用(ISM)波段的 2.4GHz 短距離無線電頻段。藍牙使用跳頻技術,将傳輸的數據分割成單個的數據包,通過 79 個指定的藍牙頻道分别傳輸數據包,頻段從 2402MHz,每個頻道頻寬 1MHz,直到 2480MHz.藍牙是有着主從架構的通信協議,設備之間可通過協議轉換角色,從設備可轉換為主設備,主設備也可以轉換為從設備,一個主設備至多可和同一微網中的 7 個從設備通訊,所有從設備共享主設備的時鐘[12,13].

  2 存在的問題及分析

  目前市面上的智能家居産品,例如:海爾、小米等,基本上都有自己的一套通信協議系統,并且都能夠很好地完成各自領域中的功能,能夠滿足簡單智能家居的需求。然而,廣義的智能家居系統是由一個個龐大的子系統組成,包含安防系統、智能家電控制系統、室内環境健康舒适控制系統、灌溉系統、消防與預警系統等等,單一一個廠家想要涵蓋全功子系統的全部産品,是不可能實現的。

  目前市面上各個廠家的智能家居控制系統,都隻是局限于自己傳統産業所熟悉的領域,無法做到一個完整的智能家居控制系統,而且各廠家控制系統的通信協議系統都不是開放的、标準的,其它廠家的智能家居産品無法有效地集成到現有智能家居系統中來,造成智能家居系統産品功能過于單一,無法滿足人們對智能家居系統的期望,不但限制了智能家居的發展,還限制了智能家居産業的進步。

  然而,在工業控制領域則大不一樣,雖然各家控制器廠商都有自己的總線協議,例如西門子的 Profibus-DP、Profinet、倍福的 Ether CAT 等,但是他們都成立了專門的基金會或者交由标準化委員會來管理總線協議,其它任何廠商通過協議授權,都可以的将自己的産品兼容該總線協議,應用工程師通過簡單的組态就可以将其集成到控制系統中去,這樣他們的控制系統通過一個标準的、開放的總線協議就可以具備無限的可能性。

  所以,筆者認為要鑄就智能家居産業的百花齊放,需要各智能家居控制系統主機廠家采用或者将自己現有的通信協議定位為标準的、開放的通信協議,并能夠對其它設備生産廠家進行協議授權,讓其它設備生産廠家能将自己的設備兼容該通信協議,并能夠通過類似于應用組态等簡單地配置就能集成到智能家居系統中去。

  3 總結與建議

  現有的智能家居通信協議主要分為有線和無線兩大類,X-10、CAN、KNX、Lonworks 和 Modebus 都屬于有線通信協議,Zigbee 以及 Bluetooth 等屬于無線通信協議。有線通信協議由于需要單獨布線、安裝位置不靈活等原因,在智能家居領域已經逐漸被淘汰,而 Zigbee、Bluetooth 等無線通信協議逐漸地占據着智能家居行業的更多份額。

  總之,筆者建議一種廣泛的智能家居通信協議,應該具備如下特點:

  1)采用無線通信方式,無需單獨布線。

  2)适合的傳輸距離,支持系統無限擴展。

  3)低功耗。

  4)通信協議是标準的、開放的,允許第三方産品輕松接入。

  5)應用簡單、維護方便,非專業人士可以無憂使用。

  參考文獻:

  [1]劉志斌 . X-10 協議及其在智能家居系統中的應用 [J]. 微電子學與計算機,2004,21(3): 5-8.

  [2]王平,姜華麗,何華 . 基于單片機的 CAN 總線通訊應用設計 [J].電子測量技術,2009,32(9): 131-13.

  [3]ISO/IEC 14543-3, Information technology. Home electronicsystem (HES)[S].

  [4]中國國家标準化管理委員會 . 控制網絡 HBES 技術規範住宅和樓宇控制系統:GB/Z 20965[S]. 北京:中國标準出版社,2013,07.

  [5]王麟坤,王春喜,柳曉菁 . KNX 技術簡介及其特點分析 [J].通訊與網絡,2012,6(5): 79-84.

  [6]IEC 61158, Industrial communication networks. Fieldbusspecifications[S].

  [7]黃英 . Lon Work 智能家居網絡開發與信息智能處理的節點智能控制研究 [D]. 廣東:廣東工業大學,2004.

  [8]全國工業過程測量和控制标準化技術委員會 . 基于 Modbus 協議的工業自動化網絡規範:GB/T19582-2008[S]. 北京:中國标準出版社,2008,04.

  [9]邵先來,魯娟 . Modbus 協議在智能家居中的應用 [J]. 智能建築與城市信息,2011,(9): 73-76.

  [10]IEEE802.15.4, Low-Rate Wireless Personal Area Networks(Wpans) [S].

  [11]蘆甯 . Zigbee 無線技術在智能家居中的應用 [D]. 哈爾濱:哈爾濱工業大學 ,2006.

  [12]IEEE 802.15.1, Information technology-Telecommunications andinformation exchange between systems-Local and metropolitanarea networks-Specific requirements[S].

  [13]吳成東,張家瑞,馬斌,等 . 基于藍牙技術的智能家居網絡技術 [J]. 智能建築,2004,(1): 1-5.


編輯:李傑

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