智能家居基礎(chǔ)《智能家居概論》配套ppt

1、第3章 智能家居基礎(chǔ) 智能家居概論配套 ppt 主編 羅漢江、束遵國(guó)3.1 通信技術(shù)概述3.2 有線通信技術(shù) 3.3 短距離無線通信技術(shù)3.4 長(zhǎng)距離低功耗無線通信技術(shù)3.5 其他無線通信技術(shù)3.6 智能家居互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù) 3.7 本章小結(jié)主要內(nèi)容 CONTENTS13.1通信技術(shù)概述3.1.1 有線通信技術(shù)早期的智能家居的有線通信技術(shù)并非獨(dú)立發(fā)展，大多是從工業(yè)控制轉(zhuǎn)變而來，在智能家居進(jìn)行新的應(yīng)用。采用有線通信的控制控制方式具有許多優(yōu)點(diǎn)，比如安全穩(wěn)定，通信和控制受環(huán)境的干擾小，數(shù)據(jù)傳輸速率較快等特點(diǎn)。但同時(shí)它也具有許多缺點(diǎn)，比如方案整體設(shè)計(jì)要求高，線路鋪設(shè)工程費(fèi)用高，周期長(zhǎng)。智能家居控制系統(tǒng)一

2、旦建立，后期拓展和改動(dòng)比較困難，靈活性差。總體而言，有線通信的方式在智能家居發(fā)展初期使用較多，但未來的發(fā)展趨勢(shì)是無線網(wǎng)絡(luò)逐漸增多，有線和無線以互補(bǔ)的方式并存于智能家居系統(tǒng)中。 23.1.2無線通信技術(shù) 智能家居中的無線通信技術(shù)主要包括無線電通信、紅外通信和光通信等多種形式。其中無線電通信最為廣泛，它利用電磁波信號(hào)在自由空間傳播的特性進(jìn)行信息交換。無線通信相對(duì)于有線而言，一般不需要通信的有線介質(zhì)。無線通信采用數(shù)字化通信技術(shù)，也就是一種用數(shù)字信號(hào)0和1進(jìn)行數(shù)字編碼傳輸信息的通信方式。 該方式通常由用戶設(shè)備、編碼和解碼、調(diào)制和解調(diào)、加密和解密、傳輸和交換設(shè)備等組成。當(dāng)無線信號(hào)在空中傳播時(shí)，無線信號(hào)的

3、強(qiáng)度會(huì)隨著傳播距離的增加而衰減。此外，有用的無線信號(hào)還會(huì)受到環(huán)境噪聲和其它同頻段信號(hào)的干擾。為保證無線通信的質(zhì)量，解決時(shí)空可變?cè)斐傻牟环€(wěn)定性等問題，無線通信一般需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)。33.2有線通信技術(shù) 3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)4智能家居485總線拓?fù)鋱DRS-485從嚴(yán)格意義上講并不是一個(gè)完整的總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)僅僅定義了物理層和鏈路層的通信標(biāo)準(zhǔn)，所以說算是比較初級(jí)和原始的總線架構(gòu)。但RS485總線技術(shù)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)容易，實(shí)現(xiàn)方便，成本及維護(hù)費(fèi)用較低，因此RS-485總線應(yīng)用非常廣泛。3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)5智能家居KNX結(jié)構(gòu)示意圖KNX（Konnex）是智能家居和樓宇控制領(lǐng)域唯

4、一的開放式國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它由歐洲三大總線協(xié)議EIB、BatiBus和EHSA合并成立的Konnex協(xié)會(huì)在1999年5月提出。其中EIB為歐洲安裝總線(EIB-European Installing Bus)，它是一個(gè)在歐洲占主導(dǎo)地位的樓宇自動(dòng)化(BA)和家庭自動(dòng)化(HA)總線標(biāo)準(zhǔn)。EIB 網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)完全對(duì)等的網(wǎng)絡(luò)，所有接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備都具有相同的地位。它最早由 Siemens和ABB 等一些知名企業(yè)首先提出。 3.2.2 電力載波技術(shù)6電力載波通信技術(shù)PLC（Power Line Communication），是指利用現(xiàn)有家居電力供電線路，通過載波方式將模擬或者數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。使用PLC

5、技術(shù)，不需要重新布線，具有高可靠性、低成本的特點(diǎn)，可以用于智能家居、智能小區(qū)、自動(dòng)抄表系統(tǒng)、監(jiān)控及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、集群式防盜報(bào)警系統(tǒng)、故障檢測(cè)、控制系統(tǒng)和一些專網(wǎng)應(yīng)用等。X10是一種國(guó)際上通用的智能家居電力載波協(xié)議。X10有著古老的歷史，它最早由總部設(shè)在蘇格蘭的Pico電子工程公司在20世紀(jì)70年代進(jìn)行開發(fā)。后來Pico的工程師遷移到紐約，據(jù)說X10協(xié)議的突破在工程師經(jīng)歷9次失敗時(shí)，在第10次獲得突破性進(jìn)展，故此得名。PLC-BUS由位于荷蘭阿姆斯特丹的ATS電力線通信有限公司研發(fā)，它重新定義了家庭內(nèi)部高可靠、低成本智能燈光控制的新標(biāo)準(zhǔn)，并擁有多項(xiàng)X10所不能比擬的優(yōu)勢(shì)，在歐洲家居領(lǐng)域的市場(chǎng)占有率較

6、高。3.3短距離無線通信技術(shù) 7 特性種類 工作頻段傳輸速率最大功耗最大功耗鏈接數(shù)倍數(shù)安全性主要用途Zigbee 2.4GHz 0.25Mbps1-3mW點(diǎn)到多點(diǎn)65536中等家庭網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)紅外 820nm16Mbps 幾mW 點(diǎn)到點(diǎn) 2 高近距離可見傳輸、智能家居HomeRF2.4GHz 2Mbps100mW 點(diǎn)到多點(diǎn) 127高家庭無線局域網(wǎng)藍(lán)牙 2.4GHz 732.2kbps 1-100mW點(diǎn)到多點(diǎn) 7高個(gè)人網(wǎng)絡(luò)、智能家居Wi-Fi2.4GHz 54Mbps 10-500mW點(diǎn)到多點(diǎn) 256中等家庭、商用局域網(wǎng)3.3短距離無線通信技術(shù) 83.3.1 藍(lán)牙技術(shù)工作頻段ISM頻

7、段，2.402GHz-2.480GHz雙工方式全雙工，TDD時(shí)分雙工業(yè)務(wù)類型支持電路交換和分組交換業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)速率1Mbps-24 Mbps非同步信道速率非對(duì)稱連接723.2Kbps/57.6 Kbps，對(duì)稱連接433.9 Kbps同步信道速率64 Kbps功率美國(guó)FCC要求0dbm(1mw)，其他國(guó)家可擴(kuò)展為100mw跳頻頻率數(shù)79個(gè)頻點(diǎn)/1MHz工作模式PARK/HOLD/SNIFF數(shù)據(jù)連接方式面向連接業(yè)務(wù)SCO，無連接業(yè)務(wù)ACL糾錯(cuò)方式1/3FEC,2/3標(biāo)FEC，ARQ鑒權(quán)采用反應(yīng)邏輯算術(shù)信道加密采用0位、40位、60位加密語音編碼方式連續(xù)可變斜率調(diào)制CVSD發(fā)射距離在10cm-300m之

8、間 藍(lán)牙的主要技術(shù)參數(shù)藍(lán)牙（Bluetooth）是一種低成本、低功率、短距離無線連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，最早在1994年由愛立信公司率先提出。1998年5月，世界知名企業(yè)如愛立信（Ericsson）、諾基亞（Nokia）、東芝（Toshiba）、國(guó)際商用機(jī)器公司（IBM）和英特爾（Intel）成立藍(lán)牙特別興趣小組，共同推出藍(lán)牙計(jì)劃。3.3.2 WiFi技術(shù)9WiFi版本工作頻率示意圖Wi-Fi技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在1997年發(fā)布802.11第一代標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速度在1Mbps左右，到第五代802.11ac，通信速率已經(jīng)達(dá)到1Gbps以上，期間經(jīng)歷了近十幾年時(shí)間，主要有IEEE802.11a、IEEE802.11b、IE

9、EE802.11g、IEEE802.11n和IEEE802.11ac、IEEE802.11ad等，其工作頻率如圖3-4所示。一般而言，工作頻率越高，數(shù)據(jù)傳輸速度越大，但穿墻能力越弱。 3.3.2 WiFi技術(shù)10標(biāo)準(zhǔn)版本802.11a802.11b802.11g802.11n802.11ac802.11ad發(fā)布時(shí)間1999199920032009 2013 2013工作頻段5GHz2.4GHz2.4GHz2.4、5GHz5GHz2.4/5G/60G傳輸速率54Mbps11Mbps54Mbps600Mbps433Mbps/867Mbps4.6G-7G編碼類型OFDMDSSSOFDM、DSSSMI

10、MO-OFDMMIMO-OFDMOFDM+單載波調(diào)制信道寬度20MHz22MHz20MHz20/40MHz20/40/80/160MHz-天線數(shù)目1x11x11x14x48x810 x10覆蓋距離（室內(nèi)）30m30m30m70m30m 5mWifi 802.11系列參數(shù)WiFi在智能家居應(yīng)用中的聯(lián)網(wǎng)方式，目前主要采用集中式的方式。在這種組網(wǎng)方式中，智能路由器擔(dān)當(dāng)了網(wǎng)關(guān)的功能，所有嵌入WiFi模塊的智能家居設(shè)備，都連接到智能路由器中。智能路由器能夠連接互聯(lián)網(wǎng)，從而可以通過路由器連接到外網(wǎng)中。3.3.3 ZigBee技術(shù)11版本名稱Zigbee04 2004 ZiZigbee04Zigbee06Z

11、igbee07Zigbee07發(fā)布時(shí)間2004.122006.122007.102007.10指令集無無ZigbeeZigbee Pro無線射頻標(biāo)準(zhǔn)802.15.4802.15.4802.15.4802.15.4地址分配無CSKIPCSKIP隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫菭顦錉?、網(wǎng)狀樹狀、網(wǎng)狀網(wǎng)狀大網(wǎng)絡(luò)不支持不支持不支持支持自動(dòng)跳頻是，3信道否否是PANID沖突決策支持否可選支持?jǐn)?shù)據(jù)分割支持否可選可選多對(duì)一路由否否否支持高安全支持支持，1密鑰支持，1密鑰支持，多密鑰支持節(jié)點(diǎn)數(shù)目少量節(jié)點(diǎn)300個(gè)以下300個(gè)以下1000個(gè)以上應(yīng)用領(lǐng)域消費(fèi)電子智能家居智能住宅智能家居、商業(yè)ZigBee（又稱紫蜂）技術(shù)是一種基于IE

12、EE802.15.4的通信協(xié)議的短距離無線通信技術(shù)，其中IEEE802.15.4處理低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議，而Zigbee協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)層和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。ZigBee技術(shù)旨在建立一種低速率、低功耗的個(gè)域網(wǎng)（LRWPAN，Low Rate Wireless Personal Area Network），主要特征是近距離、低功耗、低成本、低傳輸速率。ZigBee支持星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)的組網(wǎng)，形式多樣，可以應(yīng)用于智能家居、工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。Zigbee04- Zigbee07版本比較3.3.4 Z-wave技術(shù)12Z-wave是專門針對(duì)智能無線家居(Intelligent Wirele

13、ss Home)應(yīng)用開發(fā)的一種短距離無線通信技術(shù)，它由丹麥的芯片和軟件開發(fā)商Zensys公司開發(fā)。2005年1月，Zensys公司與其他60多家廠商在CES（Consumer Electronics Show）大會(huì)上宣布成立Z-Wave聯(lián)盟（Z-Wave Alliance），目前已有160多家公司加入。Z-wave聯(lián)盟雖然沒有ZigBee聯(lián)盟強(qiáng)大，但是Z-wave聯(lián)盟的成員均在智能家居領(lǐng)域有現(xiàn)行產(chǎn)品，聯(lián)盟成員覆蓋全球各個(gè)國(guó)家和地區(qū)。此外，隨著國(guó)際大公司如思科（Cisco）、英特爾（Intel）和Microsoft等公司的加入，確保了Z-wave在智能家居的地位，目前Z-Wave在歐美普及率比較

14、高。Z-Wave在智能家居應(yīng)用示意圖3.4長(zhǎng)距離低功耗無線通信技術(shù) 13技術(shù)名稱 發(fā)表年份 ZiZigbee04頻段最大傳輸距離傳輸速率NB-IOT2016 GSM/LTE 20km 28-64kbpsLoRa2015 Sub-Ghz3-15km 0.3-27kbps Sigfox2012Sub-Ghz 3-50km 100bps RPMA20082.4G 4km8-8kbps Wifi HaLow2016 Sub-Ghz 1km100kpbs 低功耗廣域網(wǎng)LPWA技術(shù)比較3.4.1 NB-IOT技術(shù)14NB-IOT應(yīng)用示意圖NB-IOT主要技術(shù)特點(diǎn)：1）低功耗：在低功耗智能家居設(shè)備中，尤其是

15、需要安裝電池的智能設(shè)備2）高覆蓋：NB-IoT室內(nèi)覆蓋能力及穿透能力較強(qiáng)，比LTE提升20dB增益3）強(qiáng)連接：NB-IoT能夠提供比現(xiàn)有無線通信技術(shù)50-100倍的接入設(shè)備數(shù)4）成本低：隨著NB-IoT應(yīng)用的推廣，未來NB-IoT模組成本有望降至5美元之內(nèi)。5）通信距離和數(shù)據(jù)傳輸速率：NB-IoT通信距離在1-20公里3.4.2 LoRa技術(shù)15LoRa組網(wǎng)示意圖LoRa技術(shù)是美國(guó)SemTech公司研發(fā)的一種低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)LPWA的技術(shù)。SemTech公司是高質(zhì)量模擬和混合信號(hào)半導(dǎo)體產(chǎn)品的領(lǐng)先供應(yīng)商，該公司在2013年8月發(fā)布了新型的基于1GHz以下的超長(zhǎng)距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)（Long Ran

16、ge，簡(jiǎn)稱LoRa）的芯片，其接收靈敏度達(dá)到了驚人的-148dBm與同類芯片相比，最高的接收靈敏度改善了20dB上。LoRa技術(shù)具有成本低、通信距離遠(yuǎn)、低功耗、安全性高等特點(diǎn)。尤其在于LoRa使用的是一種異步通訊協(xié)議，不僅在處理干擾、網(wǎng)絡(luò)重疊、可伸縮性等方面具有優(yōu)勢(shì)，而且在耗電方面大大增加了利用電池供電設(shè)備的使用壽命。3.4.3 Sigfox技術(shù)16Sigfox技術(shù)來自于2009年成立的一家法國(guó)的全球物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商公司。Sigfox建立的網(wǎng)絡(luò)使用UNB（Ultra Narrow Band）超窄帶技術(shù)，每秒只能處理10到1000比特的數(shù)據(jù)，但低功耗是該技術(shù)顯著的特點(diǎn)，其雙向通信連接的耗電功率為10

17、0微瓦，僅為一般移動(dòng)電話通信消耗功率的50分之一（移動(dòng)電話通信消耗功率一般約為5000微瓦）。數(shù)據(jù)傳輸每天每個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)發(fā)送140條消息，每條消息12個(gè)字節(jié)（96位），無線數(shù)據(jù)傳輸速率為100bps。Sigfox工作在ISM免費(fèi)頻段，在歐洲使用868MHz，在美國(guó)使用915MHz。Sigfox通信距離在農(nóng)村地區(qū)大約30-50km，在城市中常有更多的障礙物和噪聲距離可能減少到3-10km之間。Sigfox網(wǎng)絡(luò)是基于星型連接的可擴(kuò)展性好、容量高的網(wǎng)絡(luò)，具有非常低的能源消耗，同時(shí)保持簡(jiǎn)單和易于部署的特點(diǎn)。3.5 其他無線通信技術(shù)173.5.1 UWB技術(shù)UWB（ultra wideband）技術(shù)是一種

18、超寬帶無線通信技術(shù)，UWB的工作頻段范圍從3.1 GHz到10.6GHz，使用1GHz以上帶寬，其傳輸距離通常在10m以內(nèi)，使用1GHz以上帶寬，通信速度可以達(dá)到幾百M(fèi)bps以上。UWB并非采用常用的載波通信，而是利用納秒至微微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，適用于高速、近距離的無線個(gè)人通信。在智能家居中，可以實(shí)現(xiàn)短距離的高速數(shù)據(jù)傳輸，并能夠應(yīng)用于室內(nèi)定位。183.5.2 RFID技術(shù) RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)，又稱為射頻識(shí)別技術(shù)，最早源于二戰(zhàn)時(shí)期飛機(jī)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)，并于20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID利用射頻信號(hào)通過空間耦合

19、（交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)）實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞，對(duì)靜止或移動(dòng)物體進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。RFID 標(biāo)簽價(jià)格低廉，因此被廣泛應(yīng)用于智能工廠、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)產(chǎn)品追溯管理、高速車輛管理收費(fèi)、零售業(yè)物流配送、智能商場(chǎng)、圖書檔案管理、門禁系統(tǒng)等領(lǐng)域。在智能家居應(yīng)用領(lǐng)域，可以用于物體及人員移動(dòng)定位、食物、物品等識(shí)別與管理等。 193.5.3 NFC技術(shù) NFC（Near Field Communication）近場(chǎng)通信技術(shù)，是一種短距離高頻無線通信技術(shù)。該技術(shù)允許電子設(shè)備之間以非接觸方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，其通信距離在十厘米左右。NFC技術(shù)最早由Sony和Philips（現(xiàn)恩智浦半導(dǎo)體）各自開發(fā)成功，工作頻率為13.

20、56MHz, 采用主動(dòng)和被動(dòng)兩種讀取模式，其傳輸速度有106 kbps、212 kbps 或者424 kbps三種。近場(chǎng)通信技術(shù)已經(jīng)成為ISO/IEC IS 18092國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、ECMA-340標(biāo)準(zhǔn)與ETSI TS 102 190標(biāo)準(zhǔn)。203.5.4 紅外技術(shù) 紅外通信技術(shù)利用紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)間的近距離保密通信和信息轉(zhuǎn)發(fā)，一般由紅外發(fā)射和接收系統(tǒng)兩部分組成。紅外發(fā)射系將紅外輻射源進(jìn)行調(diào)制后發(fā)射紅外信號(hào)，接收系統(tǒng)通過光學(xué)裝置和紅外探測(cè)器進(jìn)行接收，完成通信。 紅外通信技術(shù)使用紅外線通信，其實(shí)是紅外線也是一種電磁波，波長(zhǎng)在750nm至1mm之間。紅外線頻率比微波高，但比可見光低，是一種人的眼睛看不到

21、的光線。紅外通信采用紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（IRDA）通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，采用波長(zhǎng)在850至900nm之內(nèi)紅外線。 盡管紅外通信技術(shù)有許多局限性，如傳輸距離短、對(duì)傳輸方向性要求高、通信角度小等缺點(diǎn)，但它具有通信穩(wěn)定性好、保密性強(qiáng)、信息容量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于智能家電的遙控控制等應(yīng)用場(chǎng)景，仍然會(huì)在智能家居控制系統(tǒng)占據(jù)一席之地。213.5.5 LIFI技術(shù) LiFi（Light Fidelity）是一種基于光的新興無線通信技術(shù)，結(jié)合了光的照明功能和數(shù)據(jù)通信功能。LiFi通信也稱為可見光通信VLC（Visible Light Communication），隨著白光發(fā)光二極管（LED）技術(shù)的

22、發(fā)展，成為新一代無線通信技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。LiFi概念最早由愛丁堡大學(xué)的德國(guó)物理學(xué)家Hardal Hass教授在2011年10月提出，并首次將“VLC”稱為“LiFi”。經(jīng)過多年的努力，Harald Hass教授逐步將Li-Fi概念從實(shí)驗(yàn)室的理論變成了現(xiàn)實(shí)中的產(chǎn)品。新的LiFi 產(chǎn)品，體積更加小巧，雙向傳輸速率達(dá)到40Mbps，并且能夠在非直接光源，如光源背向或側(cè)向的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)傳輸。223.6智能家居互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)3.6.1 智能家居+互聯(lián)網(wǎng) 智能家居是物聯(lián)網(wǎng)的一種具體應(yīng)用形式，而物聯(lián)網(wǎng)又稱為IOT（Internet of Things）。正如物聯(lián)網(wǎng)一樣，筆者認(rèn)為智能家居既是一個(gè)局域

23、網(wǎng)絡(luò)（將智能家居范圍內(nèi)的所有智能家電組成一個(gè)局部的網(wǎng)絡(luò)），同時(shí)又需要連接到互聯(lián)網(wǎng)上去，才能充分實(shí)現(xiàn)智能家居智能化的優(yōu)勢(shì)。233.6.2 6LowPAN技術(shù) 6LowPAN（IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks）技術(shù)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和IPv6（Internet Protocol Version 6）將低功率無線個(gè)域網(wǎng)（Low power Wireless Personal Area Networks）連接到互聯(lián)網(wǎng)中技術(shù)。 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)低速率、低功耗的小型嵌入式傳感器設(shè)備，并能夠使設(shè)備使用干電池供電連續(xù)工作1年以上。IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)是可擴(kuò)展性的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了物理層（PHY）和媒體訪問控制（MAC）層標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層等可以根據(jù)實(shí)際需要，進(jìn)一步開放設(shè)計(jì)。如Zigbee技術(shù)就是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的短距離無線通信技術(shù)。243.6.3 Thread技術(shù)Thread技術(shù)簡(jiǎn)介：盡管在智能家居領(lǐng)域的短距離無線通信技術(shù)上，已經(jīng)有藍(lán)牙、Zigbee、Z-wave和Wifi等技術(shù)，并且各自占有一定市場(chǎng)