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一些无线传输技术在智能家居场景中的应用

2016-05-18 09:58:11 来源:互联网 有...人评论

[摘要] 随着经济高速的发展,社会不断的进步,对智能家居的需求也日益强烈。同时,节能和环保已是大势所趋,采用新型节能LED光源、节能电器以及...

    随着经济高速的发展,社会不断的进步,对智能家居的需求也日益强烈。同时,节能和环保已是大势所趋,采用新型节能LED光源、节能电器以及如何通过控制的方式来达到节能的目的,已被人们广泛接受。目前,有线的照明控制系统,不但布线麻烦,系统的可扩展性也较差——倘若需要增加设备时需要重新布线,系统的安装调试成本比较高。如此一来,无线通信技术对智能家居系统已成为了理想的选择。近年来,近距离无线通信技术获得了迅猛的发展,包括红外、蓝牙(Blue-tooth)、Zigbee、Insteon、WiFi等技术。它们都有各自的标准、特点和相应的应用领域。本文将简单介绍无线系统在智能家居行业的应用对比:

   ① ZigBee

    市场上应用比较多的无线技术还有ZigBee,ZigBee技术是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的涉及到组网、安全和应用软件方面的通信技术,它是短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线网络技术,它使用的频段是全球通用的2.4GHZ(同时也定义了868HZ/915HZ两个频段)。ZeeBee技术有如下优点:
ZigBee.jpg

    · 数据传输速率低:只有10~250kbps的带宽,因而它专注于低速数据传输方面应用;

    · 功耗低,成本低:由于工作周期很短,并且在应用中采用了休眠模式,那么收发信息功耗较低。ZigBee数据传输速率低、协议简单,这大大降低了成本;

    · 网络容量大:ZigBee支持星状、片状和网状网络结构,一个基于ZigBee的网络可以容纳最多254个从设备和1个主设备,一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络;

    · 迟延短:通常的迟延都在15~30ms之间,因此在对实时性要求高的自动控制领域,ZigBee有着很好的应用和推广的价值;

    · 保密性好:ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用通用的AES-128,长达128位的密码给ZIGBEE信号传输的保密性提供了保障。

    · 有效范围小:ZigBee的通信有效覆盖范围在10~75m之间,基本上能够覆盖普通的家庭或者办公室环境,其具体的通信范围受实际发射功率的大小和各种不同应用模式的影响。

    ·抗干扰力强:Zigbee收发模块使用的是2.4G直序扩频技术,比起一般FSK,ASK和跳频的数传电台来,具有更好的抗干扰能力。

    ·可扩展性强:ZIGBEE组网容易,自恢复能力强,因此,便于在设备进行扩展,增加新设备。

    ZigBee建立在IEEE802.15.4标准之上,并确定了可以在不同制造商之间共用的应用协议,是一种低成本的无线传感器网络技术,依据这个标准,可在众多的传感器节点之间相互协调实现通信。ZigBee主要应用在距离短、功耗低且传输速率要求不高的各种电子设备之间的通信,因而它的主用应用目标是:工业控制、医护、智能家居控制(灯关、水电气计量及报警)、消费类电子设备的遥控装置、PC外设的无线连接等领域。

    基于ZigBee技术有着这样良好的适应性,目前在智能家居行业得到了比较多的应用。比如说,目前市场上control4系统,其在如火如荼的物联网技术中也有广泛的应用,笔者认为,基于智能家居的需求和ZigBee技术具有的特点,决定了ZigBee技术是实现无线智能家居系统的比较好的解决方案。

   ② WiFi

    WiFi,这种无线技术的优势是技术研发门槛低,产品成本低。由于技术开发难度小,很多初创企业均以WiFi为基础开发智慧家居产品,但 其缺点也非常明显。首先,WiFi最大的问题是安全性非常低,产品的无线稳定性也比较差,用户体验度不好。最近外媒相继报导了美国贝尔金等公司的智慧家居 产品被骇客轻松攻破,央视近日也报导了美国骇客展示了如何使用无人遥控飞机轻松获取开启WiFi功能手机用户的所有讯息。很难想像,假如你的邻居可以轻松 获知你家所有讯息,可以知道你家是否有人、是否睡觉甚至连你正在看什么影片他都瞭如指掌。
WiFi.jpg

    其次,WiFi的功耗高也是其很大的弱点,这也导致其在智慧家居领域的应用有限。由于其功耗较高,WiFi将不能用在诸如智慧门锁、红外转发控制 器、各种感应器等产品内,而智慧门锁是智慧家庭不可或缺的产品之一。而温湿度感应器、光照感应器、烟雾探测器等各类感应器也是智慧家居系统必不可少的部 分。

    再次,WiFi组网能力低,扩展空间受限制。目前,WiFi网络的实际规模一般不超过16个设备,而普通家庭内开关、电灯、家电的数量已经远远超过16个了,显然基于WiFi技术的智慧家居系统可以连接的设备数量非常有限,未来发展空间受限。


   ③ 315MHZ

    根据国际上所采用的通用技术种类将无线传感器网络划分为无线广域网(WWAN)、无线城域网(WMAN)、无线局域网(WLAN)、无线个域网(WPAN)、低速率无线个域网(LR-WPAN)。目前在智能家居系统中主要应用的是低速率无线个域网,包括ZigBee、Insteon、Z-wave、HomePlug等技术。同时在无线通信中应用的无线电波作为电磁频谱上的一部分,绝大多数的无线频率都在加以分配之后进行应用,有许多频率处于特别许可的频段,比如作为军事或者其它用途;而某些行业内的公司,需缴付相应的费用来获取使用某些频率的许可,对于一个特定的国家或者地区,这些许可常常也是特定的。然而有一些频段是可以不经许可、自由使用的,包括工业、科学或医疗(ISM)频段。对使用者的要求是,他们需要遵循某些管制的规定,例如限制发送功率等。目前,在全球范围内通用的频率是2.4GHZ,1GHZ以下的频率根据各个国家的规定而有所不同,在美国和亚洲地区通用使用的频率是315MHZ。
315MHZ.jpg

    对于315M HZ频率的无线智能家居系统,目前在国内已经有了比较广泛的应用,以Honeywell的Momas HRIS-1000产品为例,这套系统避免了大量的布线,同时又可以轻松地实现灯光、窗帘的控制,以及对空调地暖等设备的控制,并具防盗报警和场景控制、远程控制等功能。在系统的整个架构中,可以看出应用到的无线技术包括WI-FI, 无线红外技术(通过红外学习模块实现需要的功能),315MHZ无线射频技术。

    简单分析一下所应用的技术。无线红外技术是一种利用红外线进行点对点短距离通信技术,主要特点是:利用红外传输数据,无须专门申请特定频段的使用执照;具有设备体积小、功率低的特点;由于采用点到点的连接,数据传输所受到的干扰较小,数据传输速率高,速率可达到16Mbps。但红外技术缺陷主要有:

    · 受视距影响,其传输距离短;

    · 要求通信设备的位置固定;

    · 其点对点的传输连接,无法灵活的组成网络等。

    不过,这些缺点并没有给无线红外的应用带来致命的障碍,比如说在影音系统中得到广泛的应用,适合的就是最好的。

    315MHZ的无线射频技术也是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术。这种技术的优点是部分产品无需重新布线,利用点对点的射频技术,实现对家电和灯光的控制,成本适中。这种技术对于已经装修好的用户非常适用,无须预先布线,不会破坏原有家居的美观,使用了基于无线射频技术的设备,可以将家里所有的电器串成一个网络,在这个网络中,住户可以随意遥控,对每个电器都能进行控制,体现智能化。系统中使用的WiFi技术是目前最普及,应用最广泛的无线标准,在HRIS-1000系统中的应用主要是指可以通过手持设备,ipad等对系统进行相关的配置和控制,实现所需要的功能。

    系统中三种无线技术的相互应用,很好地实现了智能家居的控制,例如系统中红外发射设备是通过无线射频的方式和主机进行通信的,再通过发射红外线去控制相应的设备,这样此设备就可以根据需要放在适合的地方,提供电源即可。可以用IPAD通过WiFi对系统进行配置,也可以通过其客户端对系统进行控制,应用非常灵活,给客户使用带来了很多的便利性。

    无线射频信号可以穿墙越壁,不受任何外物遮挡。系统在开发环境中覆盖范围可达100m,同时耗电量低,覆盖面广,任何角落,均可操作。以一所180m2的住宅为例,室内长30米,以100m的覆盖范围计算,用户无论走到哪里,各个开关都可以接收遥控器的指令。每个遥控器,开关或调光开关都装有无线射频发送器或接收器,因此遥控器可直接向各开关发出指令,控制预设的灯光组合,而不需要敷设任何通信线缆。但是室内30m的遥控距离已经是无线射频技术的极限了(随着穿越不同的介质,信号衰减的幅度有所不同),同时,如果超过这个距离,无线信号易受同频干扰,这也是无线射频技术最大的一个缺陷。影响无线传输距离的因素包括设备的灵敏度、发射功率、天线,以及使用环境等等因素。如果希望提高传输的距离,可以从这几个方面着手考虑相应的解决方案。按照理论上的计算,发射功率每增加6dB,传输的距离可以增加一倍;发射的频率增加一倍,则传输距离减少一半,例如433MHZ的传输距离约是868MHZ的两倍。目前,很多厂家均可以提供相关的专业设备来测试信号的强度,以满足现场调试的需要。

    ④ 红外线技术

    红外线会议系统当前被认为是较有发展前途的新型会议系统。红外通讯技术的特点:

    1.它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术,被众多的硬件和软件平台所支持;

    2.通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发。

    3.主要是用来取代点对点的线缆连接;

    4.具有不能穿透障碍物的特性,有效保障了会议信息的安全与保密;

    5.安装方便快捷,成本低;
红外线技术.jpg

    注意一下红外线技术的一些局限性。在进行系统安装时, 设备距离红外信号收发器的距离通常比较短,大都在10米内,且应远离其它红外光源(如日光灯,等离子屏等),以避免干扰。

   ⑤ Insteon
Insteon.jpg

    Insteon是一种复杂度低、功耗低、数据传输速率低、成本低的双向混合通信技术,具有即时响应、易安装、易使用、经济可靠和与X10兼容的特点,Insteon网络工作在131.65kHz的电力线和904MHz的ISM频段上。家庭网络中单独使用电力线或ISM频段都存在很多问题。单独使用无线通信时,无线设备要受到其它设备的干扰且无线信号在家庭环境中有很强的多径效应。使用电力线存在相位桥接和有严重电流噪声。为了解决这些问题,Insteon通过电力线和无线构成的双线网状网络,改善了单一介质传输中的问题,提高了网络的可靠性。

   ⑥ Z-Wave

    Z-Wave是Z-Wave联盟推出的一种基于射频的、低成本、低功耗、适用于无线传感器网络的高可靠性的无线通信技术。其工作频段为908MHz ISM频带,其着力于窄带宽应用。基于Z-Wave的网络是一个对等式网络,网络没有中心结构,节点之间的地位是平等的。网络中的节点可以随时加入和离开网络,而且任意节点的故障都不会影响整个网络的运行,具有很强的抗毁性。由于Z-Wave结构简单、成本低、功耗低、可靠性高、安全性高和其网络易管理等特征,Z-Wave在家庭自动化领域的市场中极易抢占到一席之地。
Z-Wave.jpg

    从以上各种技术特点可以看出,目前并没有一种技术可以说是完美无缺的,但是多种无线技术在一个系统中相互运用,以及无线系统和有线系统的相互结合,就可以扬长避短,能更好地适应市场的需要。目前在市场流行的绝大部分有线智能家居系统中均有无线运用的接口,使得系统的扩展性更好,包括通过红外的方式,无线射频的方式等。无线系统在工程施工中免去了布线的麻烦,对于二次改造项目来说是个非常好的选择。同时也方便了系统调试,以及后续的系统维护问题。在各种无线技术的应用中,如果能很好地结合了并很好地体现出现在节能环保的理念,开发出各种应用,必将获得市场的认可。目前在市场流行的EnOcean技术是比较典型的例子。

   ⑦ EnOcean

    EnOcean技术用微型能量转换器来替代电池供电:线性运动转换器、太阳电池板和热能温差转换器,这些子获能方式可以支持不同环境中的无线操作,EnOcean无线信号采用868MHZ和315MHZ频段,适合在全球范围内大多数国家的应用。电信号的传输速率为125kb/s,传输占空比仅为1毫秒。另外,为了避免无线信号传输冲突,一个电信号在30毫秒的传输区间内,对数据信息随机重复发射三次,这三次信号让无线器件在空气中发生冲突的可能性降到极小,而这个技术也是其他无线技术无法比较的。
EnOcean.jpg

    EnOcean无线、无电池传感器的感应范围是户外300米,室内可达到30米。每个EnOcean模块都有唯一的32位的识别地址,可排除与其他无线设备重叠的可能性。自供能无线技术的使用,让不同领域的企业在实现相同功能的情况下,节省多达40%的能量和运营成本。

    EnOcean技术目前在应用中有独立应用案例,也有和有线系统结合运用案例,比如EIB/KNX,LON技术等,通过和有线系统的完美结合,是EnOcean技术更加如虎添翼。假如50~60层的高层大厦的管理系统有时会使用上千个传感器单元,如果传感器单元以电池为驱动,电池的更换和管理将成为巨大的负担,令大厦管理公司无所适从,而用EnOcean技术则可以解决这一问题。和ZigBee技术比较起来,它不用电池供电,且无线信号所需的电力是ZigBee的1/30~1/100。

    EnOcean技术未来将在无线智能家居系统中占有重要的地位,目前已经有很多公司正基于该技术开发出造福人类的绿色低碳的高科技产品。目前,全球的经济形势不乐观,新建建筑的数量可能在不断减少,但对于大楼必要的改造和装修,即使是在危机中也是要完成的,此时选择无线系统的集成方案将是一个不错的选择,它可以避免敲墙凿壁,也避免考虑如何走线,放什么规格的线等等问题,同时也使以后的维护变得更加方便。我们有理由相信无线系统集成技术将使我们的生活越来越方便,越来越丰富多彩。

    ⑧ 蓝牙技术Bluetooth
蓝牙技术Bluetooth.jpg

    大家对蓝牙技术的熟知,恐怕要属手机上的蓝牙功能了。其功耗以及成本都介于WiFi与Zigbee两者之间,但传输距离最短,属一种点对点、短距离的通讯方式,因在移动设备或较短距离间传输,故蓝牙产品会提供一些较为私人化的使用体验,例如蓝牙耳机、蓝牙喇叭、智能秤等,由于其传输距离较短,所以并不适合组建庞大的家庭网络。
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