智能家居總線與無線技術分析

何 峰

（北京中建海外裝飾工程有限公司，北京 100000）

隨著計算機網絡技術和信息科技的進步，以及人們對住宅室內裝修品質要求不斷提升，近年來智能家居以其舒適便捷、信息通暢、服務完善等優點而備受人們青睞，成為現代化住宅的發展趨勢。因此，研發和推廣適應國內現代生活需求的智能化家居技術和產品具有重要的現實意義。

目前，國內智能家居領域還沒有統一的行業標準，企業各自發展，多種技術網關應運而生，相互間的產品無法兼容，市場認可度低，技術不成熟，質量不穩定；同時，智能家居品牌眾多，同質化產品問題嚴重，終端消費群體也不成熟，沒有廠商大批量生產產品，無論生產成本還是經營成本都居高不下，這也是目前智能家居行業的痛點。國外的大多數智能家居品牌都是采用有線連接的智能家居系統，而Fibaro則采用開放性的ZWave無線通訊協議進行開發，且在Z-Wave聯盟旗下的160多家國際智能家居廠商推動下，無線技術領域的智能家居產品得到了新的發展。

云計算和大數據技術的發展使物聯網由概念變成了現實，智能家居是物聯網實現的典型代表。它在逐漸的影響甚至改變人們的生活方式與習慣，其目的就是讓人們的生活充滿智能，更加舒適、便利。目前，國內智能家居領域還沒有統一的標準，企業各自發展，不斷涌出基于各種通訊技術的智能家居產品，但終端的智能產品與終端用戶的需求矛盾重重，嚴重阻礙了智能家居行業發展。因此，研發和推廣適應國內現代生活需求的智能化家居技術和產品具有重要的現實意義。

1 智能家居終端產品的技術分類及對比分析

智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，從而提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的居住環境[1]。

目前在國際上智能家居的通訊網絡架構技術總體上可以分為三大類：總線技術、電力載波技術和無線技術。如圖1所示為智能家居技術類型。電力載波技術在國內很少應用，國內普遍采用總線技術與無線技術，且各有優勢，可根據終端額的預算和功能性需求來進行選擇。

圖1 智能家居技術類型

隨著物聯網技術的快速發展，無線技術的穩定性問題已得到大幅度的改善和提升。按照當前市場的觀點來看，智能家居領域的“無線技術”勢必是未來主流技術；從技術層面來看，有線技術的廠商為贏得智能家居市場更多的份額，也勢必會向“無線技術”方向發展和延伸。關于總線技術與無線技術的對比分析見表1。

表1 總線技術與無線技術的對比分析表

2 智能家居總線技術

2.1 集中控制技術

集中控制技術是采用集中控制方式的智能家居系統，主要是通過一個以單片機為核心的系統主機來構建，中心處理單元（CPU）負責系統的信號處理，系統主板上集成一些外圍接口單元，包括安防報警、電話模塊、控制回路輸入/輸出（I/0）模塊等電路[1]。

集中控制智能家居系統[2]主機的主板通常有照明控制回路、電器控制回路、安防系統信號、接入抄表信號等。其布線方式多采用星型總線，所有設備的回路都需要接入智能家居系統主機的主板上，布線長度增加較多且較復雜。集中控制智能家居系統主機功能模塊可以根據終端客戶的需求進行一定范圍內的擴展，但系統安裝完成后，再擴展增回路，是非常困難的。

從終端客戶的需求以及集中控制技術的終端智能設備情況來看，目前酒店的客房智能化管理多采用集中的RCU（Room Control Unit）控制方式，即客房控制系統。

2.2 現場總線技術

現場總線控制的智能家居系統與傳統的布線方式基本相同，通常是采用分散型現場控制技術來控制網絡內各功能模塊，從而實現對室內[3]的照明系統、電器系統、安防系統的控制。其支持任意拓撲結構的布線方式，布線比較方便。

目前，比較典型的現場總線技術多采用雙絞線總線結構，網絡上的各個節點設備可以從線纜上獲得供電[1]，同時通過線纜實現節點間通信。產品的功能模塊具有雙向通信功能，可以實現與智能家居主機進行數據交互，也可以針對每個功能模塊進行編程。

特別說明，RS-232/422/485是目前最常用的一種串行通訊接口，支持對現有所有標準串行設備的控制。在整個控制領域，大多數的產品均有串行接口，通過對串口進行控制的，RS232普遍應用在近距離設備控制，而RS422/485主要是對支持多設備總線接入的遠距離設備控制[4]。

國內外家用電器廠都會在設備上預留RS-232/485接口，智能家居系統可將多個電器系統連接在一起進行集中控制。多個設備之間也可以實現資源共享、影音互傳和等功能。如DVD、公放機、電視機、投影儀等影像設備，而且還可以通過智能家居主機進行遮陽系統、照明系統、影音設備、投影幕布等來控制家庭影院的各個設備，實現觀影模式的一鍵啟動功能。

2.3 總線技術優劣勢分析

智能家居的總線技術在室內物理環境中應用其穩定性不容置疑，同時，情景聯運執行任務延時小，抗干擾能力強，這也是智能家居無線產品所不能及的。但因前期布線成本高，后期拓展能力差，技術人員技能要求高等因素，也阻礙了智能家居總線產品與技術的推廣。

3 智能家居常用無線技術

隨著無線通信技術發展，基于無線通信技術的智能家居廠商逐年增多，無線控制技術智能產品也豐富了起來。目前國內外智能配家居市場上比較常用的無線控制技術多采用Z-Wave、Zigbee、射頻、紅外、WiFi、藍牙（Blue-tooth）等技術。它們都有各自的標準、特點和適用的領域，下面簡單介紹國內外較常用的幾種無線控制技術在智能家居領域的應用及對比。

3.1 Z-Wave技術

Z-Wave是特別為家居住宅而設計的無線通信技術[5]，因而具備了所有必需元素來滿足市場需求。ZWave是由丹麥公司Zensys所主導的無線組網方式，是一種基于射頻技術開發的短距離雙向無線通信技術，其具有功耗低、穩定性好、安全性高、抗干擾能力強等特點。

（1）采用低于1 GHz的868.42MHz（國際）頻譜，避開極度擠塞的2.4 CH和5 CH波段，選擇有別于WLAN和Zigbee。Z-Wave無線信號在868.42頻帶傳輸時穩定性高、詢問式組網路，因該頻段比較純凈、無干擾。

（2）運用信息確認技巧（Message Acknowledge ment）和網狀網路結構，提供安全及可靠的雙向通信。采用雙向非自組網，互相認證的形式，蜂窩式網狀網絡結構，最多可組成232個節點的網絡，傳輸速率為9.6 kbps/40 kbps，信號有效覆蓋范圍30~100 m。ZWave技術節數點較少，但對于智能家居的多數終端用戶來講，232個節點是可以滿足家庭需要的。

（3）價格定位合理，當然比低端模擬技術的價格稍高，但相比之下具備更高端的技術，如EnOcean，則非常有競爭力。

（4）全球所有采納Z-Wave技術的設備都能在單一網絡中相互操作，并容許任何Z-Wave控制器管控。Z-Wave芯片是由Sigma Designs（NASDAQ：SIGM）公司生產制造，并為Z-Wave聯盟的成員提供芯片。該聯盟已經具有160多家國際知名公司，且聯盟成員均遵循聯盟下發的Z-Wave協議進行開發，產品種類覆蓋燈光控制、智能插座、網絡電視盒、傳感器、指紋鎖、中控系統、家用電器等諸多領域，聯盟成員開發后的智能產品必須經過Z-Wave聯盟認證后方可上市，因此采用Z-Wave技術開發的無線終端智能產品之間是可以在同一個智能家居系統中運行的，這也是當下國內智能家居領域廠商協同發展值得去借鑒之處。

3.2 Zigbee技術

Zigbee技術[6]與Z-Wave性能和特點較接近，是在目前國內智能家居領域應用較多的無線技術，該技術是基于IEEE802.15.4無線標準進行開發，其蜂窩式組網能力、安全性能和通信能力較優越，同時該開發協議在國際上是開放的，在國際上頻段定義為2.4 GHz，同時還定義了868和915兩個頻段，但芯片生產廠商眾多，成本較低，因此不同廠商之間的終端智能產品在加密碼后很難實現數據交互和相互間的控制。Zigbee技術同樣是一個適用于短距離傳輸的雙向無線網絡通訊技術，其低復雜度、傳輸速率和功耗均較低。基于Zigbee開放的技術[7-8]，國內廠商多采用該技術進行開發自己的智能家居產品，因為芯片出處不同，開發過程中的加密方式不同，造成不同廠商之間生產的智能家居產品不具務兼容性。

3.3 RF433MHz射頻技術

無線RF433MHz射頻技術與Z-Wave和Zigbee不同，其采用了點對點的傳播控制技術，設備與設備之間無法實現中繼功能。但其信號傳輸穿透力較強、成本更低，因此在智能家居領域、工業領域均得到了廣泛的應用。

無線RF433MHz射頻信號雖然不能組網式的中繼，但由于其傳透能力較強，可以實現點對點的雙向傳輸。在日常生活中，基于該技術開發的智能單品有很多，如智能窗簾、開關、傳感器以及家用電器等設備。

基于加密RF433MHz射頻技術開發的產品有智能門鎖、電動卷簾門、汽車鑰匙等。在我們日常生活的空間中，無線電波無處不在。基于射頻技術開發的智能家居產品，受無線信號同頻干擾時有發生，這也是無線射頻技術最大的一個缺陷，該技術開發的智能家居產品較適用于中低消費人群。

3.4 紅外技術

無線紅外技術在我們日常生活中應用的很廣，每個終端用戶家中的電器產品多配有紅外遙控器，和射頻技術一樣，紅外技術也采用短距離的點對點短距離通信技術[9]，是目前在世界范圍內被廣泛使用的一種無線連接技術。

紅外技術主要缺陷是傳輸距離短，且有不能穿透障礙物的特性。但是，這一缺點并沒有給無線紅外的應用帶來障礙，紅外線在智能家居控制系統中得到了廣泛應用。在未來很長一段時期內，紅外線技術依然會在智能家居控制系統中占據一席之地。

3.5 WiFi技術

WiFi技術在國際上是一種較常用的無線傳輸技術，通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM射頻頻段。其功耗較高，傳輸速率為54 Mbps，理想傳輸距離可達到100 m。雖然連接到無線局域網通常是有密碼保護的，但WiFi最大的問題是安全性非常低，穩定性較差。且WiFi技術的智慧家居系統可以連接的設備數量非常有限，未來發展空間受限[10]。但是通過TCP/IP通訊協議定義一些智能家居終端設備的IP地址，來實現智能家居主機對該設備的控制。

3.6 藍牙技術

藍牙（Bluetooth）是愛立信公司于1994年創制的，是作為總線技術RS232數據傳輸的替代方案。可用于實現固定設備和移動設備之間的短距離交互。該技術使用的是2.4G到2.485 GHz的ISM波段的UHF無線電波，它廣泛應用于世界各地。該技術也屬于點對點的通訊傳輸方式，但其傳輸距離最短，因此藍牙產品會提供一些較為私人化的使用體驗，例如，藍牙耳機、藍牙音箱[9]，也可用于無線連接手機、筆記本計算機、MP3播放器、背景音樂及智能鎖等設備。因此該技術并不適合組建龐大的家庭網絡，在一些影音設備中該技術應用較廣泛。

3.7 智能家居幾種常用的無線技術對比

通過對國內外幾種較常用的無線控制技術在智能家居領域中應用和分析，可以說各有其特點及優勢，也都有其適用性。下面針對幾種常用的無線技術的列表進行對比，見表2。

表2 常用無線技術對比分析表

4 智能家居控制技術發展趨勢

目前在國內外智能家居領域，基于總線技術開發的智能家居系統預留無線技術的設備接口，例如總線技術的智能家居主機對接Z-Wave技術、紅外技術、無線射頻技術等。其代表性的廠家為Control4，該公司是一家專業從事智能家居產品的研發、生產、銷售的知名企業，其智能家居領域提供一整套的有線和無線（Zigbee、WiFi）系列控制產品，有較為先進的連接和控制方式，且用戶可以輕松定制屬于自己的智能家居系統，以滿足終端用戶每個家庭成員的獨特的生活方式。

基于無線技術開發的智能家居系統，預留總線的接口，例如RS232/485技術、有線傳輸的紅外技術等。其代表的廠家為臺灣LivingLab生活實驗股份有限公司，其主機安裝的系統是一款基于Windows平臺的開發軟件系統，其特點具有普及性“廣”、兼容性“強”、安全性“高”等特點。臺灣LivingLab生活實驗股份有限公司開發的智能家居主機為一款預裝Windows系統和智能家居平臺系統的（平板）電腦，該主機通過USB橋接器與智能家居主機的控制器或其他設備的有線端口進行橋接，使得智能家居主機系統可以如此簡單地進行擴展，且易于觸控操作。其產品采用以無線連接為主拓展總線技術架構體系，該智能家居系統“整合”了ZWave技術、紅外技術、RF射頻（315/433MHz）技術、RS232/485技術、藍牙技術等，同時也向社會公開了開發協議和接口函數，為其他智能家居廠商“對接”該系統也提供了機會。

通過對各種通訊技術智能家居終端產品的應用研究，總結出：“無論是智能家居總線技術，還是智能家居無線技術，沒有一種完美無缺的”。但是各種技術都有其適用的環境及技術優勢。因此，本文重點研究的是多種控制技術在一個智能家居交互平臺上應用，即總線控制技術和無線控制技術相結合，就可以取長補短，能更好地適應終端客戶對智能產品的需要。