摘 要:针对现代家庭追求家居智能化,享受智能化带来的多元化信息,以及安全、舒适与便利的生活环境的现状,介绍了智能家居网络控制系统的组成,重点分析系统主控制器解决方案、网络拓扑方案、网络通信技术及各种有线、无线组网方式,阐述了各自的特点,指出其不足之处,并对有线、无线组网方式进行比较,说明了利用嵌入式控制器、无线组网方式组建智能家居网络控制系统的优越性。总结得出:嵌入式无线网络控制系统是未来智能家居网络控制系统的发展方向。
关键词:智能家居;网络控制系统;嵌入式;无线网络
中图分类号:TN873 文献标识码:B
文章编号: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
现代家庭已经从追求家居的豪华装饰转向家居智能化,享受智能化带来的多元化信息,以及安全、舒适与便利的生活环境。智能家居是以家为平台,兼备自动化、智能化于一体的高效、舒适、安全、便利的住宅环境。智能家居网络控制系统是一个完整的集家庭通信、家庭设备互联和控制、家庭安全防范等功能于一体的网络系统。目前智能家居网络控制系统实现的关键技术为兼容性强的家庭主控制器和满足信息传输需要的家庭网络,有PC架构、单片机架构、嵌入式架构三大解决方案,有有线技术、无线技术、电力载波技术等三大类别的主要实现方式[1]。
1 智能家居网络系统的构成
一个完整的智能家居网络控制系统一般由照明控制系统、电器控制系统、安防门禁系统、消防报警系统、远程控制系统等组成。系统总体结构分为三层[2]:应用层、网络层和物理层。应用层包括各种家用电器、安全系统、灯光系统及各种智能终端等;网络层包括控制网络、数据网络和音频视频网络等;物理层包括各种传输媒介,如电力线、双绞线、电话线、无线等。实现信息的采集、输入和输出、集中控制、远程控制、联动控制等功能,如图1所示。
图1 智能家居网络控制系统组成框图
2 智能家居网络控制系统解决方案
智能家居网络控制系统有三种解决方案[3]:基于PC机、单片机和嵌入式系统,分别代表了中国智能家居行业技术特点。智能家居主控制器作为家居网络的核心,实现一个家居的管理和控制功能,完成显示、控制,报警等任务,并通过家居网络与上层智能家居管理系统和底层实现数据交换。
2.1 基于PC机架构系统
PC机架构系统是以家用电脑作为主控制器,通过总线同各个设备、以太网相连,电脑充当了一个网关和处理器的角色,同时在电脑上安装专门开发的软件管理系统,对家居各个设备进行管理。这种方案借助了现代计算机的强大功能和普及优势,开发周期短,开发难度下降,但需要电脑24 h开机,造成电能的较大消耗和智能家居控制系统的成本提高,适用性下降。
PC机架构系统出现在中国智能家居的萌芽阶段,基本停留在向使用者展示智能家居的概念,实用性不强,且由于系统容易受到病毒的攻击,稳定性也很差。
2.2 基于单片机架构系统
以单片机作为核心处理单元,加上定制的硬件和软件,共同组成控制系统。其实用性、易用性和专业性都有了很大程度的提高。但随着新功能的不断增加和性能的不断提升,必须采用多片单片机联合控制,造成电路设计较复杂,系统稳定性不高,扩展能力不强。
2.3 基于嵌入式架构系统
嵌入式架构系统是以嵌入式系统为核心,以专门设计的嵌入式主控制器作为智能家居网络控制平台,实现家居内部、外部网络的联接以及内部网络中信息家电和设备的连接与控制。嵌入式系统适合比较复杂的应用,扩展能力强,功耗低,采用数字电路设计,结构简单,稳定性强,嵌入式控制器成为家居控制器的首选。缺点就是开发周期长,标准不统一,市场价格比较高,应用面比较狭窄。随着嵌入式技术更加广泛的应用及成本的降低,基于嵌入式系统的智能家居网络控制系统将会有更广阔的发展空间。
3 智能家居网络拓扑方案
家居网络是指在家庭内部通过一定的传输介质将各种电气设备和电气子系统连接起来,采用统一通信协议,对内实现资源共享,对外通过网关与外部网络互联进行信息交换的局域网[4]。网络的拓扑结构是抛开网络物理连接来讨论网络系统的连接形式,网络中各站点相互连接的方法和形式称为网络拓扑。它的结构主要有星型结构、总线结构、树型结构、网状结构、蜂窝状结构等。在智能家居网络中用的比较多的是星型结构和总线结构。
3.1 星型结构
星型结构是指将家中电器和传感器以星型方式连接成网。主控制器是网络的中央节点,其他节点传感器、家用电器与主控制器直接相连,这种结构以主控制器为中心,特点是结构简单,便于建网,管理和控制方便,网络延迟时间较小,传输误差较低,可靠性高。
3.2 总线型结构
总线结构是指各节点家电和传感器均挂在一条总线上,各节点地位平等,没有中心节点控制,公用总线上的信息多以基带形式串行传递,其传递方向总是从发送信息的节点开始向两端扩散。各节点在接收信息时都进行地址检查,看是否与自己的工作站地址相符,相符则接收线上的信息。总线型结构的网络结构简单,可扩充性好,使用的电缆少,安装容易,使用的设备相对简单,可靠性高,但维护难,分支节点故障查找难。
4 智能家居网络组网方案
智能家居网络控制系统内部传输接口可以通过有线传输方式和无线传输方式两种传输途径来实现。有线传输方式包括电力线载波的X-10和CEBUS,电话线方式的HomePNA,以太网方式的IEEE 802.3以及专用总线方式的LonWorks,RS 485,IEEE 1394等;无线传输方式包括红外方式的IrDA,无线局域网方式的IEEE 80211系列,家庭射频技术的HomeRF,蓝牙的IEEE 802151,ZigBee的IEEE 802.15.4等[5]。
4.1 有线传输方式
有线传输方式的家居网络采用的传输线缆主要有电力线、电话线、以太网双绞线、现场总线以及专用总线等[6,7]。
4.1.1 电话线联网
这种方式是通过在电话线上加载高频载波信号来实现信息的传递,可以同时满足XDSL、电话业务和家庭内部数据传输,互相不干扰,HomePNA就是这方面的技术标准。它具有价格低、传输速度快、用户界面好、无需铺设新的电缆等优点。可能存在的问题是电话线插座数量有限,在扩充新的节点时还是会面临重新布线的问题。
4.1.2 电力线联网
在基于电力线联网的智能家居系统中,电力线在家庭中扮演两个角色:传送电能以及将家中所有电器设备连成家庭内部通信网络,数据通过入口或出口的调制、解调模块后,再通过家庭内部电力线进行传输。目前国际上采用电力线作为联网介质推出的解决方案有X-10,CEBUS等。
采用电力线通信来实现家居智能化是比较好的方式,信号的传输仅借助电力线完成,不需要繁杂的布线,节省了重新布线的开支,只需在低压用电设备电源侧电力线插座上连接一个通信控制开关和电力通信模块,由家庭网络智能控制数据终端通过电力线对通信控制开关进行操作,简单方便地实现了家居智能化。存在的问题是国内电力质量不高,其稳定性受到较大限制,经常出现信号传输不稳定的现象,需要增加不固定的阻波与滤波装置。其次,电力线的通信范围就是单一变压器的供电范围,如果一个小区使用一台变压器,电力线信号会在小区内所有家庭间传输,容易造成通讯干扰;传输速率只有300 Kb/s,不能满足数字视频和音频信号的传输,保密性差,而且没有统一的标准,接入设备昂贵等。
4.1.3 以太网联网
采用的传输介质有双绞线和光纤,传输协议主要是逻辑链路控制协议(IEEE 802.2)和载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD,IEEE 802.3),数据传输率相当高,可以达到10 Mb/s或者100 Mb/s,甚至更高的1 000 Mb/s,能够传输电话、数据、视频和家电控制信息,主要用于基于个人电脑的有线局域网和高速因特网。它的优势在于技术已经十分成熟,以太网的组网设备在市场上可以很容易地购买到。以太网本身的实现成本并不高,但专门布线需要花费大量的费用。家庭中的用户可能更愿意使用家居中已经铺设好的电缆或电话线,而不愿意重新安装以太网线。因此就目前来说,以太网方式可能是家庭网络发展初期的首选方案,但不是家庭网络的最终选择方案。
4.1.4 总线联网
通过采用总线的形式来组建智能家居系统,常见的有LonWorks,RS 485总线解决方案。它的优点是抗干扰能力强,技术成熟;缺点是需要重新铺设线路。
RS 485总线是一种国际性的开放式的总线。采用双绞线差分传输方式,可连接成半双工和全双工两种通信方式,传输介质一般采用双绞线,最远传输距离为1 200 m。一般采用总线型网络结构,不支持环型或星型网络。
LonWorks是具有强劲势力的全新的总线技术,它采用了ISO/OIS模型的全部七层通信协议,采用面向对象的设计方法,其通信最大速率为1.25 Mb/s,直接通信距离可达2.7 km,支持双绞线、同轴电缆、光线等多种通信介质,在自动楼宇控制中得到广泛的应用。
4.2 无线传输方式
目前,应用于智能家居的无线通信技术主要包括:IrDA红外线技术、蓝牙技术(Bluetooth)、ZigBee技术[6,7]。
4.2.1 IrDA红外线技术联网
IrDA红外线技术是家庭无线控制网络的一种选择。利用红外线进行点对点通信的技术,其相应的软件和硬件技术都已比较成熟。主要优点是设备简单,成本低廉,功率低,适合设备移动的需要,传输速率高,可达4 Mb/s,应用普遍。现有家电通过红外线遥控接口很容易融入到这样的网络中来。但是,红外线控制方式的作用距离短,要求控制器与接收器之间必须具有目视接触,属于点对点的半双工通信方式,使用不便且失误率高,没有标准的通信协议。因此,IrDA方式对于家庭组网方式来说,不太合适。
4.2.2 蓝牙技术(Bluetooth)联网
蓝牙技术是一种低功率短距离的无线连接技术标准的代称,属于无线网络技术,可以组建相应无线网络。它支持IEEE 802.15.1标准,工作频率2.4 GHz,采用全双工的工作方式,支持电路交换及分组交换业务,带宽可达1 Mb/s,完全满足智能家居系统的需求。但它只有10 m左右的通信距离,这作为智能家居通信方式显然不足。同时由于未来的家居网络中设备节点的数量会越来越多,蓝牙有限的网络容量将会限制其在低速控制网络中的应用。另外,蓝牙的成本始终高居不下,这也导致其无法适用于未来的大规模家居控制网络的应用。
4.2.3 ZigBee技术(IEEE 802.15.4)联网
ZigBee是IEEE 802.15.4通信协议的代名词,是一种适用于自动化系统与远程控制的无线通信技术,具有复杂度低、成本低、功耗小、双向传输的特性,是一个比较完善的近距离低速率无线通信协议。在家居的应用领域主要包括:家庭安防系统、自动空调系统的自动温控、照明和窗帘之类的远程控制等。到目前为止,ZigBee也还存在着一些问题阻碍着它的推广,首先是ZigBee芯片的价格还比较高,其次是在功耗方面,市场上的ZigBee模块使用电池供电远未达到协议中设计的理想年限。但是,ZigBee技术有效地解决了蓝牙技术的高成本和高能耗缺点,这使得它在智能家居系统中的应用前景无疑将非常广泛[7]。
4.3 有线方式和无线方式组网比较
有线方式中的一些技术发展已经相对比较成熟,在行业中已经具有一定的标准型和通用性,但电话线、以太网、电力线等有线组网技术普遍存在布线麻烦,增减设备需要重新布线,影响美观,系统的可扩展性差,安装和维护成本高,移动性能差的缺陷。无线传输最大的优点就是省去了大量的电缆连线,移动性很好,可以随时增加链路,安装、扩容很方便。但是,无线通信的质量远低于有线通信,其信号衰减要比同距离的有线通信大很多,而且传输信道容易受到干扰,可靠性没有有线方式好。随着人们健康意识的提高,对电磁辐射的重视也越来越大,无线传输方式也受到一定程度的限制。
5 智能家居网络控制系统的发展方向
家庭网络构建的原则是使用方便、安装简单,不需要额外布线、扩展性好。所以只有那些无线,或利用电力线和电话线的技术才比较符合家庭的要求。但目前利用现有电力线的技术存在着接入设备昂贵、技术成熟度不够的难题;利用电话线的技术也存在家庭的电话插头少,接入产品不能芯片化,支持厂商少等问题,推广起来有一定难度。目前我国大部分住宅建设尚未考虑家庭联网的需要,基础设施严重不足,重新布线费时费力,影响推广。采用无线传输方式相对而言比较灵活,更适合家庭,可以避免上述问题。
如今智能家居产业界所体现的三大技术趋势是领先的无线移动;网络化发展;不依靠PC的独立形态。而推进这个发展趋势的正是无线通信技术、网络技术以及嵌入式系统的广泛应用[10],因此嵌入式无线智能家居网络控制系统是未来智能家居的发展方向,它能够提供标准化接口和无线网络互连功能,而且可以通过嵌入式通信协议的实现,使得系统能够脱离传统PC,从而使智能家居行业也跨入后“PC”时代。
6 结 语
智能家居是典型的小规模局域网,是未来住宅的发展趋势。本文通过构建智能家居网络控制系统的组网技术、主控制器技术等方面的比较说明,阐述了相关技术发展的趋势。其中的无线通信技术、嵌入式技术的应用及系统的集成化、功能的多样化是主流的发展趋势。
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