智能家居系统的几种常用通信协议探究

By | 2020年7月24日

  

摘要

  0 概述

  智能家居零碎中,假如说通讯线路是管制主机以及各传感器、执行器之间沟通的桥梁,那末通讯协定就是桥梁上的交通规定,只有界说 1
套适用的、高效的交通规定,外部的沟通才会更顺畅。

  美国的斯坦福钻研所于 1979 年景立了相应的钻研会,并提出了家庭总线(HOMEBUS)技巧。美国电子产业协会于 1983
年组织专门机构制订家庭电气设计规范,于 1988年体例了第一个用于家庭室第的电气设计规范《家庭主动化零碎与通信规范》,也称家庭总线零碎规范
(HBS),正在规范中明白示意,智能室第必需具备家庭总线零碎而且经过总线零碎提供各类效劳。

  人们对智能家居零碎通讯协定进行的钻研,到今朝为止曾经获得了一些行之有效的效果,包罗 X-十、KNX、Lon Works、Zigbee
等。而且,这些效果正在智能家居的倒退工程中,表演了极端首要的作用。但是,跟着时代的倒退,人们生存形式的多元化,传统的智能家居零碎过火繁多的性能曾经无奈再餍足古代生存形式的需要。

  1 几种罕用的通讯协定

  1.1 X-10

  X-10
协定即国内规范电力载波通信协定,是以电力线为衔接介质,采纳载波形式传送旌旗灯号或许指令,用于对电子设施近程管制,已宽泛使用于家庭平安监控、家用电器管制以及室第仪表数字读取等方面,具备扩大容易、性能灵敏、无需独自布线等特性。X-10
由发送终端以及多个接纳终端组成,它们之间经过站地点编码的形式以示区分,应用时将各个终端辨别插正在插座上便可[1].

  1.2 CAN

  CAN 简称制器局域网络(Controller Area Network),由德国 BOSCH 公司为汽车使用开发,是 ISO
国内规范化(ISO1189八、ISO11519)的串行通讯协定[1,2],它的呈现岂但为散布式管制零碎完成各节点之间及时、牢靠的数据通讯提供了强无力的技巧支持,而且还具备易开发、老本低等特性。今朝是国内上使用最广的现场总线之一,宽泛使用于汽车、较量争论机管制零碎、嵌入式产业管制、智能家居、楼宇主动化以及医疗器械等行业中[2].

  1.3 KNX

  KNX 来源于欧洲,次要用于楼宇以及家居的散布式总线管制技巧,正在的室第以及楼宇管制畛域是惟一寰球性规范[3,4].KNX
是一种与制作商以及使用畛域相自力的总线零碎,将一切的总线设施衔接到 KNX 传输介质上能够进行信息通信。KNX
采纳物理层、数据链路层、网络层、传输层以及使用层的五层技巧通讯模子,物理层支持射频、电力线或双绞线。KNX
采纳平等网络技巧,网络上的设施实践上都可以完成互相通讯,与基于主从构造的总线技巧相比,KNX 面对更多的互操作层面的成绩。因而,KNX
技巧界说了很具体的互操作标准,包罗互操作模子以及数据点类型等,较好地处理了来自没有同厂家设施的互操作成绩[5].

  1.4 Lon Works

  Lon Works 是美国 Echelon 公司推出的现场总线技巧,其外围技巧是 Lon Talk 协定以及神经元芯片,神经元芯片都内嵌有 Lon
Talk 协定的固件,同时神经元芯片还具备通讯以及管制性能。Lon Works 网络采纳散布式构造,完成网络上节点互相通讯[6].Lon Works
作为一种开放、互操作、全数字的现场总线技巧,以及时性好、灵敏性好、牢靠性初等特性,博得了相干畛域的消费商、钻研机构以及用户的青眼,失去了极为宽泛的使用,正在智能家居中盘踞主导位置。它能够采纳电力线、同轴电缆、双绞线、光纤、红内线、无线电波等传输介质进行通讯,而且支持多种传输介质夹杂应用,采纳电力线作为传输介质,没有需求独自布线,具备简略、易扩大、易保护等特点[7].

  1.5 Mode Bus

  Modbus 由 Modicon 正在 1979 年提出,是一种用于电子管制器上的通用言语,也是寰球第一个真正用于产业现场的总线协定,Modbus
现曾经成为国度规范 GB/T19582-2008[8].Mod Bus
网络其实是一个产业通讯零碎,由较量争论机以及可编顺序管制器经过专用或许公用线路衔接而成,其零碎构造包罗硬件、软件,它可使用于各类数据采集以及进程监控。Mod Bus
网络容许一个主站,一切通讯都由主站收回,支持传统的 RS-23二、RS-42二、RS-485 以及以太网设施作为电气通讯接口。Modebus
是一种规范、开放、支持多种电气接口的通讯协定,而且具备帧格局简略、松散、浅显易懂等特性[9].

  1.6 Zigbee

  Zigbee 是一种短间隔、低功耗的无线通讯技巧,基于IEEE802.15.4
规范,协定蕴含使用层、网络层、传输层、媒体拜访管制层与物理层等。此中物理层以及媒体拜访管制层遵照 IEEE802.15.4 规范的规则[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,正在网络范畴内,Zig Bee 网络中恣意两个数传模块之间能够互相通讯,每一个网络节点间的间隔能够从规范的
75m 有限扩大,通信间隔从规范的 75m
到几百米、几千米,而且支持有限扩大。具备简略、应用不便、工作牢靠、低老本、低功耗、低速度、近间隔、短时延、高容量、高平安的特性,宽泛用于传感管制等畛域[11].

  1.7 Bluetooth

  Bluetooth
是一种完成固定设施、挪动设施以及楼宇集体域网之间的短间隔数据替换的无线技巧规范,最后由爱立信发明,可衔接多个设施,克服了数据同步的难题。蓝牙的波段为
2400MHz ~ 2483.5MHz,这是寰球范畴内无需获得执照的产业、迷信以及医疗用(ISM)波段的 2.4GHz
短间隔无线电频段。蓝牙应用跳频技巧,将传输的数据宰割成单个的数据包,经过 79 个指定的蓝牙频道辨别传输数据包,频段从 2402MHz,每一个频道频宽
1MHz,直到
2480MHz.蓝牙是有着主从架构的通讯协定,设施之间可经过协定转换脚色,从设施可转换为主设施,主设施也能够转换为从设施,一个主设施至少可以及同一微网中的 7
个从设施通信,一切从设施同享主设施的时钟[12,13].

  2 存正在的成绩及剖析

  今朝市道市情上的智能家居产物,例如:海尔、小米等,根本上都有本人的一套通讯协定零碎,而且都可以很好地实现各自畛域中的性能,可以餍足简略智能家居的需要。但是,狭义的智能家居零碎是由一个个宏大的子零碎组成,蕴含安防零碎、智能家电管制零碎、室内环境衰弱温馨管制零碎、浇灌零碎、消防与预警零碎等等,繁多一个厂家想要涵盖全功子零碎的全副产物,是不成能完成的。

  今朝市道市情上各个厂家的智能家居管制零碎,都只是局限于本人传统工业所相熟的畛域,无奈做到一个完好的智能家居管制零碎,并且各厂家管制零碎的通讯协定零碎都没有是开放的、规范的,其它厂家的智能家居产物无奈无效地集成到现有智能家居零碎中来,造成智能家居零碎产物性能过于繁多,无奈餍足人们对智能家居零碎的希冀,岂但限度了智能家居的倒退,还限度了智能家居工业的提高。

  但是,正在产业管制畛域则年夜纷歧样,尽管各家管制器厂商都有本人的总线协定,例如西门子的 Profibus-DP、Profinet、倍福的 Ether
CAT
等,然而他们都成立了专门的基金会或许交由规范化委员会来治理总线协定,其它任何厂商经过协定受权,均可以的将本人的产物兼容该总线协定,使用工程师经过简略的组态就能够将其集成到管制零碎中去,这样他们的管制零碎经过一个规范的、开放的总线协定就能够具有有限的可能性。

  以是,笔者以为要铸就智能家居工业的百花齐放,需求各智能家居管制零碎主机厂家采纳或许将本人现有的通讯协定定位为规范的、开放的通讯协定,并可以对其它设施消费厂家进行协定受权,让其它设施消费厂家能将本人的设施兼容该通讯协定,并可以经过相似于使用组态等简略地设置装备摆设就能集成到智能家居零碎中去。

  3 总结与倡议

  现有的智能家居通讯协定次要分为有线以及无线两年夜类,X-十、CAN、KNX、Lonworks 以及 Modebus 都属于有线通讯协定,Zigbee 和
Bluetooth 等属于无线通讯协定。有线通讯协定因为需求独自布线、装置地位没有灵敏等缘由,正在智能家居畛域曾经逐步被裁汰,而 Zigbee、Bluetooth
等无线通讯协定逐步地盘踞着智能家居行业的更多份额。

  总之,笔者倡议一种宽泛的智能家居通讯协定,应该具有以下特性:

  1)采纳无线通讯形式,无需独自布线。

  2)适宜的传输间隔,支持零碎有限扩大。

  3)低功耗。

  4)通讯协定是规范的、开放的,容许第三方产物轻松接入。

  5)使用简略、保护不便,非业余人士能够无忧应用。

  参考文献:

  [1]刘志斌 . X-10 协定及其正在智能家居零碎中的使用 [J]. 微电子学与较量争论机,2004,21(3): 5-8.

  [2]王平,姜华美,何华 . 基于单片机的 CAN 总线通信使用设计 [J].电子丈量技巧,2009,32(9): 131-13.

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

  [4]中国国度规范化治理委员会 . 管制网络 HBES 技巧标准室第以及楼宇管制零碎:GB/Z 20965[S].
北京:中国规范出书社,2013,07.

  [5]王麟坤,王春喜,柳晓菁 . KNX 技巧简介及其特性剖析 [J].通信与网络,2012,6(5): 79-84.

  [6]IEC 61158, Industrial co妹妹unication networks.
Fieldbusspecifications[S].

  [7]黄英 . Lon Work 智能家居网络开发与信息智能解决的节点智能管制钻研 [D]. 广东:广东产业年夜学,2004.

  [8]天下产业进程丈量以及管制规范化技巧委员会 . 基于 Modbus 协定的产业主动化网络标准:GB/T19582-2008[S].
北京:中国规范出书社,2008,04.

  [9]邵先来,鲁娟 . Modbus 协定正在智能家居中的使用 [J]. 智能修建与都会信息,2011,(9): 73-76.

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

  [11]芦宁 . Zigbee 无线技巧正在智能家居中的使用 [D]. 哈尔滨:哈尔滨产业年夜学 ,2006.

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

  [13]吴成东,张家瑞,马斌,等 . 基于蓝牙技巧的智能家居网络技巧 [J]. 智能修建,2004,(1): 1-5.

编纂:李杰