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智能家居系统的几种常用通信协议探究

2019-03-20    

来源:仪器仪表

   作者:许奎  

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导语: 人们对智能家居系统通信协议进行的研究,到目前为止已经取得了一些卓有成效的成果,包括 X-10、KNX、Lon Works、Zigbee 等。并且,这些成果在智能家居的发展工程中,扮演了极其重要的作用。然而,随着时代的发展,人们生活方式的多元化,传统的智能家居系统过分单一的功能已经无法再满足现代生活方式的需求。

  

摘要

  0 概述

  智能家居系统中,如果说通信线路是控制主机和各传感器、执行器之间沟通的桥梁,那么通信协议就是桥梁上的交通规则,只有定义 1 套实用的、高效的交通规则,内部的沟通才会更顺畅。

  美国的斯坦福研究所于 1979 年成立了相应的研究会,并提出了家庭总线(HOMEBUS)技术。美国电子工业协会于 1983 年组织专门机构制定家庭电气设计标准,于 1988年编制了第一个用于家庭住宅的电气设计标准《家庭自动化系统与通讯标准》,也称家庭总线系统标准 (HBS),在标准中明确表示,智能住宅必须具有家庭总线系统并且通过总线系统提供各种服务。

  人们对智能家居系统通信协议进行的研究,到目前为止已经取得了一些卓有成效的成果,包括 X-10、KNX、Lon Works、Zigbee 等。并且,这些成果在智能家居的发展工程中,扮演了极其重要的作用。然而,随着时代的发展,人们生活方式的多元化,传统的智能家居系统过分单一的功能已经无法再满足现代生活方式的需求。

  1 几种常用的通信协议

  1.1 X-10

  X-10 协议即国际标准电力载波通讯协议,是以电力线为连接介质,采用载波方式传送信号或者指令,用于对电子设备远程控制,已广泛应用于家庭安全监控、家用电器控制和住宅仪表数字读取等方面,具有扩展容易、功能灵活、无需单独布线等特点。X-10 由发送终端和多个接收终端组成,它们之间通过站地址编码的方式以示区别,使用时将各个终端分别插在插座上即可[1].

  1.2 CAN

  CAN 简称制器局域网络(Controller Area Network),由德国 BOSCH 公司为汽车应用开发,是 ISO 国际标准化(ISO11898、ISO11519)的串行通信协议[1,2],它的出现不但为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持,并且还具有易开发、成本低等特点。目前是国际上应用最广的现场总线之一,广泛应用于汽车、计算机控制系统、嵌入式工业控制、智能家居、楼宇自动化和医疗器械等行业中[2].

  1.3 KNX

  KNX 起源于欧洲,主要用于楼宇和家居的分布式总线控制技术,在的住宅和楼宇控制领域是唯一全球性标准[3,4].KNX 是一种与制造商和应用领域相独立的总线系统,将所有的总线设备连接到 KNX 传输介质上可以进行信息通讯。KNX 采用物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的五层技术通信模型,物理层支持射频、电力线或双绞线。KNX 采用对等网络技术,网络上的设备理论上都能够实现相互通信,与基于主从结构的总线技术相比,KNX 面临更多的互操作层面的问题。因此,KNX 技术定义了很详细的互操作规范,包括互操作模型和数据点类型等,较好地解决了来自不同厂家设备的互操作问题[5].

  1.4 Lon Works

  Lon Works 是美国 Echelon 公司推出的现场总线技术,其核心技术是 Lon Talk 协议和神经元芯片,神经元芯片都内嵌有 Lon Talk 协议的固件,同时神经元芯片还具有通信和控制功能。Lon Works 网络采用分布式结构,实现网络上节点相互通信[6].Lon Works 作为一种开放、互操作、全数字的现场总线技术,以实时性好、灵活性好、可靠性高等特点,赢得了相关领域的生产商、研究机构和用户的青睐,得到了极为广泛的应用,在智能家居中占据主导地位。它可以采用电力线、同轴电缆、双绞线、光纤、红外线、无线电波等传输介质进行通信,并且支持多种传输介质混合使用,采用电力线作为传输介质,不需要单独布线,具有简单、易扩展、易维护等特性[7].

  1.5 Mode Bus

  Modbus 由 Modicon 在 1979 年提出,是一种用于电子控制器上的通用语言,也是全球第一个真正用于工业现场的总线协议,Modbus 现已经成为国家标准 GB/T19582-2008[8].Mod Bus 网络实际上是一个工业通信系统,由计算机和可编程序控制器通过公用或者专用线路连接而成,其系统结构包括硬件、软件,它可应用于各种数据采集和过程监控。Mod Bus 网络允许一个主站,所有通信都由主站发出,支持传统的 RS-232、RS-422、RS-485 和以太网设备作为电气通信接口。Modebus 是一种标准、开放、支持多种电气接口的通信协议,并且具有帧格式简单、紧凑、通俗易懂等特点[9].

  1.6 Zigbee

  Zigbee 是一种短距离、低功耗的无线通信技术,基于IEEE802.15.4 标准,协议包含应用层、网络层、传输层、媒体访问控制层与物理层等。其中物理层和媒体访问控制层遵循 IEEE802.15.4 标准的规定[10].Zig Bee 无线数传网络平台最多可由 65000 个无线数传模块组成,在网络范围内,Zig Bee 网络中任意两个数传模块之间可以相互通信,每个网络节点间的距离可以从标准的 75m 无限扩展,通讯距离从标准的 75m 到几百米、几公里,并且支持无限扩展。具有简单、使用方便、工作可靠、低成本、低功耗、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全的特点,广泛用于传感控制等领域[11].

  1.7 Bluetooth

  Bluetooth 是一种实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换的无线技术标准,最初由爱立信创造,可连接多个设备,克服了数据同步的难题。蓝牙的波段为 2400MHz ~ 2483.5MHz,这是全球范围内无需取得执照的工业、科学和医疗用(ISM)波段的 2.4GHz 短距离无线电频段。蓝牙使用跳频技术,将传输的数据分割成单个的数据包,通过 79 个指定的蓝牙频道分别传输数据包,频段从 2402MHz,每个频道频宽 1MHz,直到 2480MHz.蓝牙是有着主从架构的通信协议,设备之间可通过协议转换角色,从设备可转换为主设备,主设备也可以转换为从设备,一个主设备至多可和同一微网中的 7 个从设备通讯,所有从设备共享主设备的时钟[12,13].

  2 存在的问题及分析

  目前市面上的智能家居产品,例如:海尔、小米等,基本上都有自己的一套通信协议系统,并且都能够很好地完成各自领域中的功能,能够满足简单智能家居的需求。然而,广义的智能家居系统是由一个个庞大的子系统组成,包含安防系统、智能家电控制系统、室内环境健康舒适控制系统、灌溉系统、消防与预警系统等等,单一一个厂家想要涵盖全功子系统的全部产品,是不可能实现的。

  目前市面上各个厂家的智能家居控制系统,都只是局限于自己传统产业所熟悉的领域,无法做到一个完整的智能家居控制系统,而且各厂家控制系统的通信协议系统都不是开放的、标准的,其它厂家的智能家居产品无法有效地集成到现有智能家居系统中来,造成智能家居系统产品功能过于单一,无法满足人们对智能家居系统的期望,不但限制了智能家居的发展,还限制了智能家居产业的进步。

  然而,在工业控制领域则大不一样,虽然各家控制器厂商都有自己的总线协议,例如西门子的 Profibus-DP、Profinet、倍福的 Ether CAT 等,但是他们都成立了专门的基金会或者交由标准化委员会来管理总线协议,其它任何厂商通过协议授权,都可以的将自己的产品兼容该总线协议,应用工程师通过简单的组态就可以将其集成到控制系统中去,这样他们的控制系统通过一个标准的、开放的总线协议就可以具备无限的可能性。

  所以,笔者认为要铸就智能家居产业的百花齐放,需要各智能家居控制系统主机厂家采用或者将自己现有的通信协议定位为标准的、开放的通信协议,并能够对其它设备生产厂家进行协议授权,让其它设备生产厂家能将自己的设备兼容该通信协议,并能够通过类似于应用组态等简单地配置就能集成到智能家居系统中去。

  3 总结与建议

  现有的智能家居通信协议主要分为有线和无线两大类,X-10、CAN、KNX、Lonworks 和 Modebus 都属于有线通信协议,Zigbee 以及 Bluetooth 等属于无线通信协议。有线通信协议由于需要单独布线、安装位置不灵活等原因,在智能家居领域已经逐渐被淘汰,而 Zigbee、Bluetooth 等无线通信协议逐渐地占据着智能家居行业的更多份额。

  总之,笔者建议一种广泛的智能家居通信协议,应该具备如下特点:

  1)采用无线通信方式,无需单独布线。

  2)适合的传输距离,支持系统无限扩展。

  3)低功耗。

  4)通信协议是标准的、开放的,允许第三方产品轻松接入。

  5)应用简单、维护方便,非专业人士可以无忧使用。

  参考文献:

  [1]刘志斌 . X-10 协议及其在智能家居系统中的应用 [J]. 微电子学与计算机,2004,21(3): 5-8.

  [2]王平,姜华丽,何华 . 基于单片机的 CAN 总线通讯应用设计 [J].电子测量技术,2009,32(9): 131-13.

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

  [4]中国国家标准化管理委员会 . 控制网络 HBES 技术规范住宅和楼宇控制系统:GB/Z 20965[S]. 北京:中国标准出版社,2013,07.

  [5]王麟坤,王春喜,柳晓菁 . KNX 技术简介及其特点分析 [J].通讯与网络,2012,6(5): 79-84.

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

  [7]黄英 . Lon Work 智能家居网络开发与信息智能处理的节点智能控制研究 [D]. 广东:广东工业大学,2004.

  [8]全国工业过程测量和控制标准化技术委员会 . 基于 Modbus 协议的工业自动化网络规范:GB/T19582-2008[S]. 北京:中国标准出版社,2008,04.

  [9]邵先来,鲁娟 . Modbus 协议在智能家居中的应用 [J]. 智能建筑与城市信息,2011,(9): 73-76.

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

  [11]芦宁 . Zigbee 无线技术在智能家居中的应用 [D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学 ,2006.

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

  [13]吴成东,张家瑞,马斌,等 . 基于蓝牙技术的智能家居网络技术 [J]. 智能建筑,2004,(1): 1-5.


编辑:李杰

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