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专业实训论文 姓名：韩睿 学号：0093535 专业：电子信息工程
浅析智能家居三大技术
摘 要:随着现代住宅逐渐走向智能化的发展趋势，智能家居技术已成为近几年研究的热点问题。本论文目的在于分析智能家居现有的三大主流技术，通过分析各种不同技术的优劣，选择一个或几个合适的智能家居传输技术，从而实现一套低成本、低功耗、高效率、小型化的智能家居系统解决方案。 关键词: 智能家居；总线技术；电力载波技术；无线技术
Analysis three technologies of smart home
Abstract: With the intelligent trend of modern residential, smart home technology has become a hot research issue in recent years.The main purpose of this paper is that analysis the three mainstream technologies of smart home,Through the analysis of different technology,choose one or some appropriate technologies of smart home,in order to achieve a low-cost, low power, high efficiency and small smart home system solutions.
Keywords: smart home; Bus technology; Electric power carrier technology; Wireless technology
1 引言
智能家居（Smart Home）是以家为平台，兼备建筑、自动化，智能化于一体的高效、舒适、平安、便利的家居环境。家居智能化技术起源于美国，最具代表性的是X-10技术，通过X-10通信协议，网络系统中的各个设备便可实现资源的共享。因其布线简单、功能灵活，扩展轻易而被人们广泛接受和应用。至今，X-10技术产品的销售已超过两亿个，仅在美国一个国家，便有超过600万个家庭在使用。自动化的智能家居不再是一幢被动的建筑，相反，成了帮助主人尽量利用时间的工具，使家庭更为舒适、平安、高效和节能。
随着网络技术的发展，非凡是无线网络的发展，网络化智能家居系统可提供遥控、家电（空调，热水器等）控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段，使生活更加舒适、便利和平安。
本文主要从技术和应用的角度全面阐述智能家居系统，通过分析总线技术、电力载波技术、无线技术这三大类技术。根据客户需求和居住环境，采用多种传输技术混合搭配，设计出最理想的信号传输解决方案。
化，要实现这些要求也并非易事。所以对于实现家庭网络的总线的选择，应该结合家庭网络数据传输的特点来进行。家庭内部网络的信息流可以大体分为较为简单的数据采集、设备控制信号类和复杂的音视频类等媒体信号类。数据采集类的信号主要是指水、电、气三表的信号采集。设备控制类信号一般指对家用电器的开关控制等。这两类信号的特点是：数据主要是一些开关量和脉冲量，因此数据信息量小，传输速率较低；但实时性、可靠性要求较高，实现起来要求低功耗、低成本。因此对于这两类信号的传递完全可以采用一些简单的数据传输协议来实现。
随着网络技术的发展，产生了各种各样的数字家庭网络内部数据传输实现方案。但总体来讲，主要可分为有线和无线两种方式。虽然无线传输方式比较适合于家庭使用，但它需要考虑系统的功耗因素，所以其实现的算法程序要复杂得多，硬件成本也要比有线传输方式高。
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3 总线技术
目前，国际上家庭总线的标准主要有以下几种
摘要：前述的X-10，日本的家庭总线(Home Bus)，欧洲标准安装总线(EIB)和BatiBus，美国Echelon公司的LonWorks，HP公司的IRDACONTRAL等。其中，最受业界关注，应用最广的是X-10、LonWorks和消费总线（CEBus）、EIB总线技术这五种，以及下文还将介绍的一种新型的总线技术—LIN总线技术。
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2 智能家居系统现状分析
智能家居系统的特征是数字化、智能化和网络
3.1 X-10技术
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专业实训论文：浅析智能家居三大技术
X—10控制总线是历史最长且使用最简单的一种，它诞生于1978年，是全球第一个利用电力线来控制灯饰及电器产品，至今仍是美国家庭自动化的主导系统。
X一10控制总线是以50Hz(或60Hz)为载波，再以120kHz的脉冲为调变波(Moduhfing Wave)发展而来的数位控制技术，信号的传输是利用市电电源的正弦信号的过零点来进行的。x一10控制总线系统是一种电力配线方式的住宅智能化系统，直接利用住宅电力线作为控制总线，电力线将电能传到家中的各个房间，同时也将家中所有的电灯、电器连成网络，通过电力线将各控制器与各功能接口器相连并实现程序控制。
X一10系统主要由发送器和接收器组成，发送器和接收器都有地址。x一10的地址分为房间地址和设备地址，房间地址16个，设备地址也16个，所以x一10最多可以有256个设备。发送器和接收器的控制关系是由其地址来决定的，也就是说，当发送器A的地址与接收器B的地址相同时，发送器A就可以控制接收器B。发送器和接收器的地址是可以改变的，当发送器A和接收器B两者中的某一个地址改变后，它们之间的控制关系就不再存在了。根据不同需要，发送器有多种类型，有的可以进行灯光亮度调节，有的可实现定时控制等。
该系统的特点是：安装施工简便，不必再穿墙打孔，用户可自己动手安装，适用于旧房改造工程、新房装修工程、已装修房的改装工程；系统稳定、可靠、安全；使用方便，操作简单；具有系统扩展功能；有多种模块面板；产品价位比较低。因此被广泛应用于家庭，例如：安全监控、家用电器控制、室内照明控制、背景音乐控制和住宅仪表数字读取等方面。至今，x-10产品的销售已超过一亿个，单在美国一个国家，在使用的家庭就超过400万个。
然而x．10产品在我国的应用例子并不多，原因可能是产品不太适合国内使用。X-10产品在美国主要是用在旧房子的改造上，而国内则一般是在买新房或在旧房装修时才会考虑这个问题。如果房子是入墙式装修，要外加X．10功能模块在开关插头之上，多少会觉得不太协调。另外X．10的一些技术限制成为人们批评的借口，例如反应速度慢，在6oHz供电系统中，传送一个指令需0．883秒；抗干扰性能差，这是由于控制信号直接在强电网上传输，不稳定，极易受外界干扰，此外中国目前众多的家电厂家生产的家电不具规范性，就更加增加该方案的不稳定性。这些都
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给X-10在我国的推广应用带来一定的困难。
3.2 LonWorks
LonWorks是美国Echelon公司于1991年推出的，LonWorks技术为设计、创建、安装和维护设备网络方面的许多新问题提供解决方案摘要：网络的大小可以是两个到32385个设备，并且可以适用于任何场合。LonWorks提供从收发器到协议到软件API的一个完整的、端到端的控制网络解决方案。
LonWorks网络中设备的通信是采用一种称为LonTalk的网络标准语言实现的。LonTalk协议由各种答应网络上不同设备彼此间智能通信的底层协议组成。LonTalk协议提供一整套通信服务，这使得设备中的应用程序能够在网络上同其他设备发送和接收报文而无需知道网络的拓扑结构或者网络的名称、地址，或其他设备的功能。LonWorks协议能够有选择地提供端到端的报文确认、报文证实和优先级发送，以提供规定受限制的事务处理次数。对网络管理服务的支持使得远程网络管理工具能够通过网络和其他设备相互功能，这包括网络地址和参数的重新配置、下载应用程序、报告网络新问题和启动/停止/复位设备的应用程序。LonWorks可以在任何物理媒介上通信，这包括电力线，双绞线，无线（RF），红外（IR），同轴电缆和光纤。
LonWorks也有其弱点，主要是价格太高，光电开关的体积太大，对此，Echelon公司开发了一个智能型收发器－－PL3120芯片组，其中整合了Echelon公司的PLT－22电力线实体层和8位的Neuron芯片核心，这使得LonWorks被越来越多的高级建筑所采用。
我国目前对Lonworks技术的应用刚刚起步，随着业内人士的更多了解，相信会有更广泛的应用前景。
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3.3 CEBus控制总线
3.3.1 CEBus介绍
消费总线（CEBus)是美国电气工业协会(EIA)的消费电子小组制定的家用消费产品的网络通讯标准， 它描述了一种家庭电子产品之间的通讯方法，通过CEBus协议可以实现家庭网络。CEBus采用了简化的OSI模型，分为物理层、数据链路层、网络层和应用层，支持多种物理介质：电力线、红外线、无线电、双绞线等。物理层以同步扫频频率Chirps(线性调频波)为载体，Chirps覆盖了100～400kHz频带，每个线性调频波持续
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100?s。利用扩频技术进行的载波通信能有效提高系统性能，具有很强的抗干扰能力和保密性。数据链路层提供数据包装配、差错控制、响应和重传机制功能。网络层实现不同传输介质的连接。CEBus是一个完全面向报文分组(Packet)的对等网络，使用载波侦听多重访问和冲突检测与冲突分辨协议（CSMA/CDCR)。 CEBus在应用层定义了一种面向对象的、严格的设备描述语言CAL(Common Application Language EIA721)，简称公共应用语言，其内容涵盖了家庭中可能拥有的家电。公共应用语言采用了面向对象的方法，把任意一个家电设备按照功能分解成几个预定义的对象模型。在面向对象的编程语言中，一个对象由数据和操作这些数据的函数组成。在消费总线中，这些对象也由数据（称为实例变量）和操作（称为方法）组成，不同的设备可以采用相同的对象，用相同的方法操作，但是控制结果随设备的不同而有不同的意义。
CAL用一种层次关系描述设备的功能，如图1所示。一个设备可以分成几个上下文，它们代表了这个设备按照功能分的子系统。上下文又被分为几个对象，每个对象代表了上下文中的一种控制功能，对象分为若干类，每一类代表一种共有的功能。CAL预定义了27个对象模型。例如，类号为07的对象是模拟控制对象（Analog Control Object)，它可以用来代表音量控
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场景等上下文类组成；灯光类由光等级、特征选择等上下文对象组成K而光等对象由步长、电流值等事例变量组成。同样环境组也有类似照明组的层次结构。这和我们熟悉的C++语言有异曲同工之处。
上下文1 家电 设备 上下文2 . . . 上下文n 上下文1 对象1 上下文2 对象2 . . . 对象n . . . 上下文n 图2. Call层次关系
3.3.2 CEBus总线标准
CEBus标准涵盖如下内容：（1）CEBus网络的整 个拓扑结构和每个分立媒体使用的详细布局；(2)CEBus使用媒体的电力和物理描述；（3）设备到媒体的物理接口及用在媒体上的信令方式描述；（4）接入网络协议及控制消息格式描述；（5）允许所有设备执行公用通信函数集的命令语言CAL(公共应用语言)。 标准有如下特征：（1）对现存家庭作翻新改进，提高家居自动化；（2）通过使用CEBus的子集使得设备性能可以从简单到复杂变化；（3）可以适应不同的数据传输媒体，通信设备的大多方面不随媒体变化而
上下指针 文组 照明 ● 环境 ● 亮度 上下文类 灯光 灯场景 指针 ● ● 事例变量 电流 指针 ● ● 上下文类 灯光 灯场景 变化；（4）以不同的模拟、数字格式支持宽带音频和视频业务的分布；（5）使用一种分布式的通信策略，这样在设备间不需要中心控制器。CEBus具有网络智能，制造商支持子系统间集中协调和整个家居的家庭自动化；（6）网络配置时，允许用户把设备加入到网络中或无中断地移走。这种特性为“即插即用”（plus and play)；（7）为设备提供一个简便的方式使之接入到共享媒体，允许给时间紧急设备较高优先权来获得通信业务。
图1. 上下文结构层次图
制、温度调节或调光器。一个对象的具体功能完全由它所属的上下文决定。 每个对象包含一定数量的实例变量。
每个对象都能够解释执行方法，更新实例变量，并完成实际操作。举例说明，图2为一个模型结构事例。其中，照明和环境为两个上下文组。照明组由灯光、光
3.4 EIB控制总线
3.4.1 EIB系统的由来
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20世纪80年代中期，随着计算机技术和通讯技
术的迅速发展，工业自动控制领域对现场底层设备之间的通讯和控制提出了越来越高的要求，促使了现场总线技术的诞生。比较有代表性的有Profibus、FF、CAN、HART等，它们在全世界得到了广泛的应用
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安装系统：小到普通的一个房间，大至一栋摩天大楼，都可以在拓扑上分层次设计安装。EIB的最小安装单元是线路(line)，每条线路上最多可连接64个总线元件；通过线路路由器(line coupler)可以将多达15个线路连接组合成一个更大的拓扑单元，它称之为域(Area)；通过主干路由器(Backbone Line Coupler)更可将15个域相互连接和组合起来。这样，EIB系统最多可连接14400个总线元件，可控制的用电设备点数更是数量惊人。根据EIB标准规定，每条线路的总线最大长度为1000m。(EIB智能家居系统)通过中继器(双绞线线路中继器、光纤中继器、以太网络中继器)的使用，我们可以用EIB来实现一些大距离跨度项目如会展中心、桥梁、广场等的电气照明控制。
(3)信号传输
作为一个全分布式的现场总线系统，EIB系统中的每一个总线元件都是一个智能控制单元，元件之间通过广播的电信号(Telegram)交换信息，从而实现控制和被控制的操作。
在建筑中，各个电气设备的动作完全是个随机事件，如在某一个时刻，某个房间要打开灯光而另一个房间要关闭窗帘，这就意味着在总线上的电信号是随机出现的。EIB系统采用串行异步的传输方式，应用了CSMA／CA(载波侦听多路访问／冲突避免)技术，它使得多个元件同
时发送总线信号时几乎不会发生信号丢失现象。 (4)寻址
在EIB协议标准中，定义了两种类型的地址：物理地址(Physical Address)和逻辑地址(Group address)。
物理地址是用来标识每一个总线元件，用于程序下载和设备维护。每个总线元件都有一个唯一的物理地址。物理地址需按照该元件在整个拓扑中的位置来设定。
逻辑地址代表着“一种控制条件”，每个传感元件可以被编程为发出一个或多个逻辑地址，同时每个执行元件可以被编程为接收到一个或多个逻辑地址后执行相应的动作。逻辑地址是用来进行通讯用的，利用逻辑地址，可以轻易实现传统电气安装技术中很难实现的“一控多”和“多控一”任务。 3.4.3 EIB系统的特点
从EIB的技术角度上，EIB系统最大的特色体现在其兼容性和开放性方面。
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相对于对实时性、精确性及通讯效率等要求极高的工业自动化领域而言，建筑自动化领域的要求要低一些，从经济成本角度考虑，上面那些造价昂贵的现场总线技术也并不非常适合于建筑领域。(EIB智能家居系统)但是作为建筑本身的发展而言，随着用户对建筑提出的功能要求越来越高，满足这些功能而使用的现代化技术也日益复杂，在所谓的智能建筑中就集成了现代的通讯技术、微电子技术等多项尖端技术。这些技术的应用，不仅给建筑带来了较重的建设成本压力，其运行和维护的管理成本也越来越高，正是建筑对安全性、经济性、舒适性、应变性等各方面的不断提高的要求成为建筑领域的现场总线技术标准——欧洲安装总线(European lnstallation Bus)技术产生和发展的基础。
1990年，由7家德国著名的电气产品制造商组成联盟，制定了EIB技术标准并成立了中立的非商业性组织EIBA(EIBAssociate，欧洲安装总线协会)。EIBA协会的成立极大地推动了EIB标准的发展，迄今为止，已有100多家制造厂商成为了EIBA的会员。按照开放的EIB标准生产能够相互兼容和交互操作的各种元器件，各类产品品种多达4000多种，几乎覆盖了建筑中各个行业和各种用途的需要。经过十多年的发展，EIB不仅成为事实上的欧洲标准，也被成功地引人世界各地。2001年，EIB技术开始被引人中国，在短短的几年内，以其优越的性能和质量获得了很大的成功。
3.4.2 EIB系统的基本原理
EIB技术对传统电气安装技术而言是一次突破性的革命，它具有现场总线技术的核心优点，如全分散控制；设计、安装、维护方便等，是当今建筑技术领域非常优秀的现场总线标准。 (1)总线传输介质
EIB总线以双绞线(Twist Pair)为通讯介质。它采用2x2x0.8的标准EIB总线，具有良好的抗干扰性。
(2)系统拓扑结构
EIB系统非常灵活，可以适用于不同大小的电气
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