1、简要分析智能化家居系统中的前端信息采集与传递介质的技术与问题及智能家居系统的产品分类 简要分析智能化家居系统中的前端信息采集与传递介质的 技术与问题及智能家居系统的产品分类 华联发展集团-浙江华联杭州湾创业有限公司规划设计部 徐辉摘要：智能家居，是当今智能化系统集成平台应用领域的继安全防范系统后又一个“深蓝空间”。如果把物联网的应用比做智能化系统集成领域的王冠；那么智能化家居系统集成应用平台将是这个王冠上最耀眼明珠。 智能家居（Smart Home）在智能化系统集成领域定义为：智能家居系统是利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设备集成。本文简约
2、探讨智能家居系统集成平台，从智能化家居系统前端信息采集，信号传输，智能家居系统产品分类；层面分析智能家居系统架构的特点及应用的瓶颈。关键词：智能化家居产品分类信号采集无线射频，电力载波，KNX 总线智能家居概念释义; 智能住宅或智慧家居，是利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术，依照人体工学原理，融合个性需求，对家居生活进行网络化的综合智能管理，实现更舒适、更安全、更便捷的全新家居生活体验场所空间。智能化家居前端信号发展趋势 笔记在参加2012 年4 月参加全国智能化标准委员会第二大会，听取了与会各专家的报告，尤其是ITS 研究发展中心总工程师，博士生导师陈洪教授的报告。笔者认为,智
3、能家居市场发展首要解决的是前端信息采集的速度。高速信息采集是智能机家居市场第一个需要解决的问题。 智能化系统集成平台第一需要解决的是前端信息采集的方式，目前在民用领域智能化系统信息采集都是低速信息，与均匀及非均匀信息采集。数据采集系统DAS （ Data Acquisition System ），是仪表把外部模拟量（温度、压力、照度，流量、位移等）进行采集、量化（数字量）后，由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。采集的被测对象常是一些非电量，所以数据采集系统首先要把被测非电量转换为电信号即传感器，除数字传感器外，大多数传感器转换成的模拟电量不宜直接用数据采集电路进行数字转换，还需进行适当的
4、信号调理，再将模拟电信号转换为数字信号的数据采集电路。高速数据采集系统定义及任务： 高速数据采集系统内部包含高速电路，电路系统1/3 以上数字逻辑电路的时钟频率=50MHz；对于并行采样系统，采样频率达到50MHz，并行8bit 以上；对于串行采样系统，采样频率达到200MHz ， 目前广泛使用的高速数据采集系统采样频率一般在200KS/s100MS/s，分辨率16bit24bit高数采集系统的任务是采集各种类型传感器输出的模拟信号并转换成数字信号后输入计算机处理，得到特定的数据结果。同时将计算得到波形和数值进行显示，对各种物理量状态监控。高速数据采集系统基本原理： 下图是基于DSP 的数据采
5、集系统，一般包括：AD 模数转换芯片、SDRAM 动态数据存储元件、Flash 静态数据存储元件、HPI 主机接口、USB 接口、PCI 接口等。典型的数字信号处理过程如图所示。输人信号可以是语音信号、调制后的电话信号、编码的数字信号、压缩的图像信号，也可以是各种传感器输出的信号。如果输人信号的幅度较小或者过大，一般都需要经过放大器单元将输入信号幅度放大或者缩小后，送到AD 进行模数转换；如果输入信号带有较大的噪声，一般需要经过一个硬件的模拟滤波单元，将信号滤波整形后，送到AD 进行模数转换。AD 能将模拟信号变换成数字信号，但必须满足奈奎斯特采样定理，也就是为了保证不丢失信息的所有信息，采样
6、频率必须高于输入信号最高频率的2 倍，一般为5 倍以上。AD 变换后得到的数字信号输人到DSP 芯片；再由DSP 芯片对该数字信号进行各种数字信号算法的处理。智能家居的信号传输分析 智能化系统集成平台，在信息传输介质的选择上是决定一个系统集成设计者对智能化系统发展的前瞻性的考验，在实际工作中往往受困于，甲方业主以一种路易十五“我死后哪怕洪水滔天” 的心态。只考虑造价与任职内的效果。目前实现智能家居系统的信号通讯网络架构技术总体上可以归为三大类：电力载波技术，无线技术、总线技术、。 电力线载波技术 电力线载波技术（ZigBee）起源于美国，X-10 通信协议适用于X-10 发送器与接收器之间，以
7、家庭内的电力线缆为通信媒体，用于家庭安全监控、电器控制等家庭自动化系统。ZigBee 是基于IEEE802. 15. 4 标准制定的一种短距离、低功耗的无线个人网络通信协议，具有近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本的特点。ZigBee 协议栈是以OSI（Open Systems Interconnection）七层结构为参考建立起来的，为简化协议栈，ZigBee 协议栈由4 个层结构组成，即物理层、MAC 层、网络层和应用层，ZigBee 协议栈结构如图2 所示。 图2 ZigBee 协议栈结构图。（ 1） 物理层： 主要功能是启动和关闭无线电收发机、当前频道内的能量监测、接收
8、包连接质量指示、为CSMA - CA 确认清除频道、频道频率选择、数据传输和接收。（ 2） 介质接入控制层（ MAC 层） : MAC 层负责维护物理无线电频道的接口，任务包括： 对于协调器要负责产生网络信标、对网络信标进行同步、维护个人局域网的加入和离开、维护设备安全、利用CSMA - CA 机制进行频道管理、处理与维护GTS 机制、在MAC 实体内部保证可靠的连接等。（ 3） 网络层： ZigBee 网络层由ZigBee 联盟自行定义，负责为无线网络提供建立、加入和离开网络，进行路由转发等功能。（ 4） 应用层： 由用户根据需要来自行开发，概括来说，应用层要实现的功能为： 维持节点功能，发
9、现该节点附近的其他工作节点，维护和管理多个节点之间的通信。通过传感器信息采集模块收集信息，并借助ZigBee 模块将收集来的信息上传，当 ZigBee 模块接收到控制命令时，控制模块负责根据命令执行操作。程序流程如下： 开启电源启动终端设备，初始化终端设备的硬件资源、并启动协议栈、加入网络。当设备成功加入网络后，开始设置循环采集时钟，当有数据包被收到后，终端设备随即解读数据信息，并执行命令。没有数据包接收就进入采集过程，当发现采集数据超过限制时，按预定程序进入处理程序并向上传达报警数据包报警，当到达循环采样点时，系统将该时刻的采集数据上传。 图6 终端设备程序流程图 通过以上分析，笔者发现电力
10、载波技术（ZigBee）即X-10 缺点在于许多设备间进行单向通信，没有反馈机制，因为其控制元素是不完善的，通信媒体单一，通信速率较低。其技术局限： 1、配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送； 2、三相电力线间有很大信号损失（10 dB -30dB）。通讯距离很近时，电力载波芯片不同相间可能会收到信号。一般电力载波信号只能在单相电力线上传输； 3、不同信号藕合方式对电力载波信号损失不同，藕合方式有线-地藕合和线-中线藕合。线-地藕合方式与线-中线藕合方式相比，电力载波信号少损失十几dB，但线-地藕合方式不是所有地区电力系统都适用； 4、电力线存
11、在本身固有的脉冲干扰。目前使用的交流电有50HZ 和60HZ，其周期为20ms 和16.7ms，在每一交流周期中，出现两次峰值，两次峰值会带来两次脉冲干扰，即电力线上有固定的100HZ 或120HZ 脉冲干扰，干扰时间约2ms，因此干扰必须加以处理。有一种利用波形过0 点的短时间内进行数据传输的方法，但由于过0 点时间短，实际应用与交流波形同步不好控制，现代通讯数据帧又比较长，所以难以应用； 5、电力线对载波信号造成高削减。当电力线上负荷很重时，线路阻抗可达1 欧姆以下，造成对载波信号的高削减。实际应用中，当电力线空载时，点对点载波信号可传输到几公里。但当电力线上负荷很重时，只能传输几十米 荷
12、兰PLC-Bus 技术，是一种高稳定性及较高价格性能比的双向电力线通信总线技术，而其他的电力线控制技术在系统功能、可靠和成本上均无法与之比拟。它主要由三部分组成，即发射器、接收器和系统配套设备。该系统对弱电布线的唯一要求是每个开关盒里都必须有零线和火线。电力线的HomePlug 也绽露良好发展前景。但也要解决以上技术瓶颈问题。 无线技术 无线网络技术主要有802.11b，Bluetooth（蓝牙）和HomeRF 无线射频RFID 四种方案。 802.11b 技术，是IEEE 的无线局域网标准。无线宽带，目前802.11g 也运行在2.4GHz 频段,达到54M 宽带，更高宽带（100M 以上）
13、的802.11n 和UWB 也开始崭露头角。基于无线通信技术的系统，具有免布线、安装简单的优点，但目前多数此类产品都是单向通信方式，各个开关之间也无法建立联动关系，对于某些要求220V 交流电的火线和零线均连接到控制节点上的产品必须重新布线。 蓝牙技术是一种廉价的、低功能的无线网络技术，用户可以控制10m 之内的蓝牙设备。工作在2.4GHz 频段，数据速率为1Mbps。国内推出基于蓝牙技术的松本智能全无线家居智能系统；澳门科技大学智能家居系统（MUSTSmartHomeSystem）由PRO2 主处理器、蓝牙控制系统（BluetoothControlSystem，简称BCS），手机电脑连接系统
14、（MotiletoPCSystem，简称MPS）组成。 HomeRF 技术。主要为家庭网络设计，工作在2.4GHz 频段，它采用了数字跳频扩频技术，HomeRF2.x 中，跳频速率增加到75 跳/S，其数据峰值也高达10Mbps，它能根据传输速率动态调整跳频宽带。 无线射频译自英文Radio Frequency Identification，简称为RFID，RFID 技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(Passive Tag，无源标签或被动标签)，或者主动发送某一频率的信号(Active Tag，有源标签或
15、主动标签)；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。 无线技术在智能家居系统集成领域，其最无线射频技术是无线技术中最成熟的。也是物联网发展的新欣载体。但无线射频技术的技术瓶颈为：其技术局限： 1 信息冲撞在RFID 系统中，传输信息的冲撞问题是制约整个系统工作效率的关键问题。信息冲撞问题又分为标签信息碰撞问题和阅读器信息冲突问题(RCP)。标签信息碰撞问题指的是当阅读器发送读取命令后，由于标签共享无线信道，如果多个标签同时回复，返回的信号就会在阅读器处发生碰撞，使得阅读器无法正确接收和解调标签的信息，导致整个读取过程失败。 2 信息安全最初的RFID 应用设计和开发过程中，没
16、有考虑安全问题，导致安全问题日益凸显，现在已经成为制约RFID 应用无法大力推广应用的又一重要因素。RFID 的广泛应用产生了独特的安全与隐私问题。射频波能透过建筑物或金属，使标签和读写器可以嵌入到任何物体中。大多数用户的安全与隐私威胁都是因为标签而暴露个人身份。 3 信息干扰：无线射频干扰就是电磁波所带来的干扰。如两个频率相差不多的电磁波会同时被接收机接收造成干扰。在离发射台近的地方会有谐波干扰。干扰其他的接收设备射频是一种高频交流电也就是通常所说的电磁波总线技术 现场总线是现代控制技术、计算机技术和通信技术相结合的产物。现场总线技术是近十年中蓬勃发展起来的新生事物，在实际工程应用中体现出其
17、强大的生命力，控制网必将沿着现场总线方向发展，现场总线技术也必将是控制网技术的核心，每个现场控制单元具有数字处理和双向高速通讯的能力，分散控制，网络规模大且具有高质的稳定性。在智能家居系统集成领域目前总线制是目前在信号传输层面技术是最好好的，但最大缺点是，信号对接的协议标准繁多。目前欧美比较公认的标准是KNX 协议。目前世界上现场总线的标准有200 多个，有很多应用于建筑物的总线技术，它们中大多数是某个具体应用的解决方案。当前国际上具有代表性的现场总线技术与产品有FF 总线、PROFI 总线、LON 总线、BACnet、CAN 总线、INTER 总线和CCLink 总线等。KNX 总线 KNX
18、 是Konnex 的缩写。1999 年5 月，欧洲三大总线协议EIB、BatiBus 和EHSA合并成立了Konnex 协会，提出了KNX 协议。该协议以EIB 为基础，兼顾了BatiBus 和EHSA 的物理层规范，并吸收了BatiBus 和EHSA 中配置模式等优点，提供了家庭、楼宇自动化的完整解决方案。 KNX 总线是独立于制造商和应用领域的系统。通过所有的总线设备连接到KNX 介质上( 这些介质包括双绞线、射频、电力线或IP/Ethernet), 它们可以进行信息交换。总线设备可以是传感器也可以是执行器，用于控制楼宇管理装置如： 照明, 、遮光/ 百叶窗、保安系统、能源管理、供暖、通风
19、、空调系统、信号和监控系统、服务界面及楼宇控制系统、远程控制、计量、视频/ 音频控制、大型家电等。所有这些功能通过一个统一的系统就可以进行控制、监视和发送信号，不需要额外的控制中心。 KNX 是唯一全球性的住宅和楼宇控制标准。在KNX 系统中，总线接法是区域总线下接主干线，主干线下接总线，系统允许有15 个区域，即有15 条区域总线，每条区域总线或者主干线允许连接多达15 条总线，而每条总线最多允许连接64 台设备，这主要取决于电源供应和设备功耗。每一条区域总线、主干线或总线，都需要一个变压器来供电，每一条总线之间通过隔离器来区分。在整个系统中，所有的传感器都通过数据线与制动器连接，而制动器则
20、通过控制电源电路来控制电器。所有器件都通过同一条总线进行数据通信，传感器发送命令数据，相应地址上的制动器就执行相应的功能。此外，整个系统还可以通过预先设置控制参数来实现相应的系统功能，如组命令，逻辑顺序，控制的调节任务等。同时所有的信号在总线上都是以串行异步传输（广播）的形式进行传播，也就是说在任何时候，所有的总线设备总是同时接收到总线上的信息，只要总线上不再传输信息时，总线设备即可独立决定将报文发送到总线上。KNX 电缆由一对双绞线组成，其中一条双绞线用于数据传输(红色为CE+ 黑色为CE-)，另一条双绞线给电子器件提供电源。KNX 有三种结构：线形、树形、和星形。以双绞线为基础的家居控制总
21、线，以此通信介质的主要有CEBUS 消费电子总线、LonWorks 总线、APBus 总线、RS-485 总线、EIB 电气安装总线。就总线本身而言，这几种总线的拓扑结构基本是相同的。1RS-485 总线 其网络特性使用差分电压传输方式；一般采用总线型网络结构，总线节点数有限，使用标准485 收发器时，单条通道的最大节点数为32 个，传输距离较近（约1.2km），传输速率低（3009.6kbps）；传输可靠性较差，对于单个节点，电路成本较低，设计容易，实现方便，维护费用较低。从严格意义上讲，并不是一个完整的总线技术标准，仅仅定义为物理层和链路层的通信标准，许多厂商采用其技术全新定义了自己的总线
22、技术标准，比较有代表性的美国Honeywell 的C-Bus 总线技术。另外在RS-485 技术基础上应用较多的是MODBus 标准。CEBus 总线 CEBus(ConsumerElectronicsBus)是美国电子工业协会（EIA）为消费电子产品制定的一种通信和产品和操作性的标准，是家用电器之间通信所使用的五种类型的介质（电力线、无线频率、红外、双绞线和同轴电缆）中信号的传输标准。信号传输速率和系统容量分别是10kbps 和4G。APBus 总线 APBus 总线是目前唯一拥有中国自主知识产权的总线技术。它是一种针对家庭的、全分布式的智能控制网络技术，这一点与LonWorks 技术相似。
23、产品具有双向通信能力以及互操作性和互换性，其控制部件都可以编程。信号传输速率和系统容量则与CEBus 一样，分别是10kbps 和4G。CAN 总线 CAN 总线（ControllerAreaNetwork），它是一种支持分布式控制和实时控制的对等式现场总线网络。其网络特性使用差分电压传输方式；总线节点数有限，使用标准CAN 收发器时，单条通道的最大节点数为110 个，它的传输速率范围是5kbps 至1Mbps，传输介质可以是双绞线和光纤等，任意两个节点之间的传输距离可达10km。对于单个节点，电路成本高于RS-485，设计时需要一定的技术基础；传输可靠性较高，界定故障节点十分方便，维护费用较
24、低。在目前已有的几种现场总线方式中，具有较高的性能价格比。LonWorks 总线 根据ISO/OSI7 层模型标准，采用三层网络结构：域、子网和节点；使用48 位ID 神经元芯片，节点数量没有限制，传输距离较远（约2.7km），传输速率快（3001.25Mbps）；传输可靠性较高，对于单个节点，电路成本很高，设计难度较大，维护费用较高。我国智能建筑界对其中的LONWORKS 技术的开发与应用起步于二十世纪九十年代中期，与国外大公司对该技术的开发与应用基本上是同步的，现已初步形成适合我国国情的产品系列。如中国台湾尼科（NICO）的LonWorks 系统,它采用触摸玻璃面板，美观大方。以太网基于I
25、EEE802.3 规范，采用CSMA/CD 技术的网络结构。节点数量没有限制，传输可靠性较高，对于单个节点，成本很高，软硬件设计、维护费用均较高。信息网络目前使用最广泛的是100M 以太网。LCN 总线 局部控制网络LCN（LocalControlNetwork）现场总线，作为自动化控制通用技术，本身已具有更强的包容性和扩展性。高智能和高灵活性，为智能家居用户提供丰富的个性化解决方案。LCN 模块标准配置2 个执行器，其他扩展执行器和感应器均通过3 个多用途接口T，I，P 扩展连接而成。为了节省安装空间，所有系统的功能被集成在几个总线模块之中，安装者可按实际需要，使用其部分功能。LCN 具备布
26、线简便和参数设置简单的优点，它提供了种类不多，但功能全面的总线模块和多级的报文反馈系统，所以它被欧洲很多人认为是目前最先进的总线技术。CCLink 总线 控制与通信总线CCLink 规范（Control&CommunicationLink）于2005 年9月取得中国国家标准，进入中国市场。这是由日本三菱电机推出的，中国市场又多了一种总线技术的选择。值得关注这一总线技术已成功地应用于在中国智能建筑工程项目。其他总线双绞线系统中常见有ABB、Siemens 等欧洲厂商的EIB 系统，美国立维腾（LEVITON）智能照明系统和奇胜C-Bus 系统；还有TP-Bus 总线和Q-BUS 总线等。 笔者认
27、为既要精通PLC 控制系统，又要通晓建筑领域现场需求，这样的智能家居设备厂家方能实现跨学科的移植，其技术含量之高不言而喻。因其技术优势见长和性能价格比较高，自然具有强大的生命力和发展前景。关于智能家居信号传销介质层面，笔者认为用一句话可以概括：有线世界，无线空间。智能家居系统产品分类控制主机（集中控制器）：英文Smarthome Control Center。 智能家居控制主机又称为智能家居集中控制器，是指封装好的具有智能家居系统控制功能控制器硬件和软件，具备有相应外围接口，控制主机通常包括各种形式的控制器终端产品。控制主机通过直接连接或者协议转换间接控制方式实现智能照明、家电控制、家庭安防（
28、可视对讲系统、监控系统、防盗报警、门禁电锁）、智能遮阳、家庭能源管理功能。与互联网连接的控制主机还能实现网络控制和远程控制的功能。控制主机及相关产品包括： 1) 控制主机 2) 控制器 3) 遥控器智能家居控制主机可为一个独立的设备，也可以作为嵌入设备嵌入到智能照明系统、家电控制系统、可视对讲系统、监控系统、防盗报警、智能家居产品、家庭能源管理、家庭网络中。控制主机还能在第三方的智能家居软件的配合下，实现更好的场景设置、时间管理和跨平台的连接，获得更佳的用户体验。有智能家居控制主机产品，且自有产品中整合了智能照明系统、家电控制系统的厂商称为智能家居系统厂商。只提供智能家居控制主机的厂商不能称为
29、智能家居系统厂商。智能照明系统。英文Intelligent Lighting System（ILS），智能照明控制系统，是利用程序控制系统，通讯传输技术，信息智能化处理及电器控制等技术组成的分布式控制系统，对灯光具有高度的强弱调节、场景设置、定时设置的功能。智能照明系统组成：系统单元、输入单元与输出单元。系统单元：用于提供工作电源，源系统时钟及各种系统的接口如PC、以太网、电话等；输入单元：主要功能是将外部控制信号换成网络上的传输信号，具体有开关，红外接收开关，红外遥控器，多功能的控制板，传感器；输出单元：智能系统的输出单元是用于接收来自网络传输的信号，控制相应回路的输出以实现实时控制。智能照
30、明系统由以下产品组成： 4) 智能照明控制系统 5) 调光开关 6) 灯具 7) 光源 在智能家居系统中，智能照明系统是一个核心系统，每个智能家居品牌厂商都可实现这一功能，通常将智能照明控制系统整合在智能家居控制主机中。电器控制系统。英文Electrical Apparatus Control System（EACS）。智能家居中的电器控制系统是指控制主机对家用电器、电源插座开关进行的开关控制、功能设置、场景设定。电器控制由控制主机中的模块单元、连接线路、传感器和执行器模块组成。传感器和执行器模块可封装到开关插座中，直接连接电器设备使用，也可嵌入到家用电器中。在智能家居系统中，电器控制系统是一
31、个核心系统，每个智能家居品牌厂商都可实现这一功能。智能家居系统中的电器控制系统除了嵌入控制模块的开关插座外，还包括连接智能家居系统的各种遥控器和信号中转放大设备（Remotes & IR Repeaters），以及各类定时器和家庭自动化配件（Timers & Automation）。电器控制系统主要包括以下产品： 8) 智能控制开关 9) 智能控制插座 10) 定时器 11) 遥控器 12) 信号中转放大设备尽管电器控制也包含照明电源、智能遮阳（电动窗帘）开关电源的控制，但这两部分的控制都分属于智能照明系统和智能遮阳（电动窗帘）。家庭背景音乐。英文Whole Home Audio（WHA）。由一个集中的音乐源或可汇入的音乐源经过功放设备放大，通过连接线缆、连接单元和包含调音模块的控制面板连接到分区或房间，由各个音箱喇叭进行播放，实现背景音乐效果。背景音乐有四种常见的配置方式包括不可分区的单一音源播放，可分区的单一音源播放，独立控制的多个音源播放，可加入本地音源的独立控制的多个音源播放。在智能家居系统中，家庭背景音乐系统是一个选配系统，通常在场景设置中通过设定实
