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无线应用在家居

2010-12-09 芦伟 依马狮视听网


无线应用在家居

    伴随着人们生活水平的逐步提高、网络及通信技术的不断发展,智能家居对于中国百姓来说已经不再是一种高不可攀的梦想,如今不少新型的高档别墅、小区都已实现智能管理。智能家居进入寻常百姓家的日子已不再遥远,成为未来的发展趋势。

    在当前智能家居网络控制技术中,主要分为两大类:有线网络控制和无线网络控制。有线网络控制技术依据良好的稳定性和可靠性以及高速的传输速率,目前占据着主导地位,但不容忽视的是,近些年来无线网络增长迅速,规模不断增大,大有盖过有线之势。这不仅仅是因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性,省去花在综合布线上的费用和精力,而且更因为它适合智能家居的普及。对于新建房屋来说,有线布置并不复杂,成本也不高;但面对数量极其庞大的成熟小区老旧房屋进行智能家居改造时,采用有线方式重新步线,不仅安装难度较大、成本很高,而且会大大影响房间的美观,使用也不便利。因此应用无线网络技术是为首选,这会大大加快家庭网络智能化的进程。

    在市场上无线技术种类有很多,各种技术性能不同,应用范围和领域也有所不同,应用在智能家居上的主要有:红外技术(IrDA)、家庭无线电射频技术(Home RF)、Wi-Fi无线宽带、超宽带无线通讯技术(UWB)、蓝牙技术(Blueooth)、智蜂技术(Zigbee)和Z-Wave技术。

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红外技术(IrDA)

    红外遥控技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术。1993年,由二十多个大厂商发起成立的红外数据协会(IrDA),统一了红外通讯的标准。红外数据协会(IRDA)将红外数据通讯所采用的光波波长的范围限定在850nm至900nm之内,它的频率高于微波而低于可见光,是一种人的眼睛看不到的光线。

    红外是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术,相应的软件和硬件技术都已比较成熟,被众多的硬件和软件平台所支持。它在技术上的主要优点是:1、很好的灵活性和可移动性;2、体积小、功率低;3、传输速率达16Mbit/s,适合家庭使用;4、信号无干扰,传输准确度高;5、成本低廉。它的缺点是:采用的点对点传输,中间不能有阻挡物;通讯距离较短,一般不超过10米;需要对准方向,通讯角度不能超过30度,因此在应用范围上受到一定限制。红外在智能家居中的安防监控报警、感应开关、电器遥控中应用较多。

家庭无线电射频技术(Home RF)

    家庭无线电射频(Home RF)无线联网标准是由Home RF工作组负责研发的,其初衷在为家庭无线联网提供一种组网方便易用、成本低廉的通用性标准。Home RF是IEEE802.11与无绳电话技术DECT的结合,可提供10Mbit/s的数据传输带宽,该技术工作频率采用的与802.11和Blue tooth相同的2.4G频率段,可连接127个设备。Home RF推出后,引起广泛关注,2000年普及率一度高达45%。但由于Home RF技术标准没有公开,仅获得数十家公司的支持,在抗干扰能力等方面与其他技术标准相比还存在不少缺陷,并且后续研发与技术升级进展迟缓,2001年后市场优势逐渐丧失。与此同时,作为Home RF技术劲敌的Wi-Fi技术不仅在商用与家庭无线联网市场双管齐下,而且无论在技术标准升级演化、普及程度和产品价格方面,Wi-Fi都开始领先于Home RF,尤其是芯片制造巨头Intel公司在面向家庭无线网络市场产品系列中增加了对802.11b标准的支持后,Home RF日渐西下。

    Home RF标准虽然未能大行其道,但无线射频RF技术却在智能家居中应用广泛。我国不少厂商都推出此类产品,不过是基于自定义的协议标准,频率主要采用315/433.29MHz,这种技术的优点是产品无需重新布线,利用点对点的射频技术,实现对家电和灯光的控制,安装设置都比较方便,主要应用于实现对某些特定电器或灯光的控制,成本适中。但系统功能较弱,控制方式比较单一,且易受周围无线设备环境特别是同频及阻碍物干扰和屏蔽。同时由于没有统一的标准,各公司的通信协议不一样,升级改造互联互通会比较困难。 [Page]

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Wi-Fi无线宽带技术

    Wi-Fi,全称WirelessFidelity,是由Wi-Fi联盟所持有的无线网络通信技术品牌。它的最大优点就是传输速度高、有效距离长、兼容性强,是具有国际先进性的通讯方式,最新的802.11n最高带宽已达450Mbit/s。在信号较弱或有干扰的情况下,带宽可调整为5.5Mbit/s、2Mbit/s和1Mbit/s。带宽的自动调整,有效地保障了网络的稳定性和可靠性。在开放性区域,其通讯距离可达305米,在封闭性区域,通讯距离为76-122米。

    当前智能家居中无线射频技术使用较多,但在多个房间通讯时,射频信号常常会被被多重墙壁钢混结构阻挡,这往往需要安装很多个RF无线接收器才能达到良好的控制效果。而Wi-Fi技术由于控制距离远,在隔墙非常多的场合就可以大大减少无线接收器的安装数量,更加增强的是在钢混结构建筑中的穿透性,使移动控制更加流畅。Wi-Fi最主要的优势在于不需要布线,可以不受布线条件的限制,不足之处是Wi-Fi收发器的功耗较大,价格相对较高。Wi-Fi在商用领域应用广泛,近两年智能家居领域也开始初露锋芒,国内外一些厂商如AMX、快思聪、ITAV纷纷面向智能家居推出了无线Wi-Fi系列产品,Wi-Fi将有望成为智能家居的生力军。 

超宽带无线通讯技术(UWB)

    UWB(UltraWideband)是一种无载波通信技术,能以极低功率在短距离内高速传输数据,在10米左右的范围内能实现每秒数百M至数G的数据传输速率,同时具有抗干扰性能强、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势。2002年2月,这项起源于军用雷达的技术被美国联邦通信委员会(FCC)批准用于民用,UWB的发展步伐开始逐步加快。 

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    与蓝牙或802.11采用的窄带技术仅使用某个频带的一小部分进行信息发送不同,UWB工作频宽较宽,信号发送分布在整个信号频宽内,信号速度和容量都较高,适合大量数据的传输,尤其是数字多媒体信号的传送。在“智能家居”、“数字化家庭”概念日益普及的今天,关注这一概念的消费电子厂商正在试图用UWB将消费者家居中的电器连接起来,使各种大带宽的视频信息可以在这些电器之间传递和交换。

    UWB与其他通信系统的共存和兼容是目前业界考虑较多的问题。由于UWB使用频带很宽,与其它不少无线通信系统频段重叠。虽然在理论上UWB发射功率谱密度很低,能和其他系统和平相处,但实际兼容性还待验证;同时UWB不超过10米的覆盖距离也稍显狭小,不过这也许正好可与Wi-Fi 10米以上覆盖距离形成互补;此外,还存在标准方面的争议,主要是两种调制发射方式:一种是由飞思卡尔等公司提出的单脉冲直接序列调制发射方式;另一种是以英特尔等公司提出的多载波调制发射方式。这两种方式各有优缺点,两大阵营互不相让,使得生产UMB设备的厂商的产品需要兼容两种方式,成本较高,从目前看,两种工作方式共存的可能性较大。

蓝牙技术(Blueooth)

    蓝牙技术是由蓝牙SIG(Special Interest Group)联合制定的近距离无线通信技术标准,该技术是一种用于替代便携或固定电子设备上所使用的电缆或连线的短距离无线连接技术。

    蓝牙工作在2.4GHz频段上,采用以每秒1,600次的扩频调频技术,FM调制方式,发射功率为1mW、10mW和100mW三种,传输速率可达3Mbit/s、最大传输距离为10m(增加功率后可传输100米)。

    蓝牙具有设备简单、体积小巧便于携带或移动、支持点到点、点到多点通信、协议体系完备、成本低廉的优势。因此蓝牙技术比较适合用于点到点的高速数据连接,不适用于构成复杂的网络控制。在智能家居设计中宜用与其它网络控制技术组合使用,作为补充(如人机交互通讯连接等)。 [Page]

智蜂技术(Zigbee)

    Zigbee是基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的关于组网、安全和应用软件等方面的技术标准,是目前呼声最高的家居无线技术之一。它是一种短距离、低功耗的无线通信技术。

    Zigbee联盟成立于2001年8月。由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司和荷兰飞利浦半导体组成,至今吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商加盟。ZigBee采用网格(Mesh Network)分布式网络架构,可提供多条传输路径,故能提高网络的可靠性和扩展性。网格网络分布式网络架构的自我修复能力同时能使ZigBee网络稳定可靠,只要包含足够的路由器节点,就算某个路由器节点发生问题,数据仍能经由其它路径抵达目的地。Zigbee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的短距离双向无线通信技术。传输速率为20k~250Kbit/s,较蓝牙慢。但蓝牙功耗较高,电池在不充电的情况下最多只能工作几周,而应用Zigbee技术两节五号电池可使用长达六个月到两年左右都不用更换;另外蓝牙同一时间只能处理8个设备,如果更多的话,通信速率将显著下降,而Zigbee可达245个;传输距离上,蓝牙一般在10米,Zigbee为100米。

    Zigbee的出发点是要替代蓝牙,发展一种更容易建设的低成本无线网络。依据Zigbee联盟和参与联盟的主要厂商的基本设想,产品应提供一站式的解决方案,使不熟悉RF技术的人员也能迅速上手。因此其产品不仅提供RF的无线信道解决方案,同时其内置的协议栈可完成Zigbee的通信、组网等无线沟通方面的工作,用户只需要根据协议提供的标准接口进行应用软件编程即可。

    Zigbee主要应用于距离短、数据传输速率不高的各种电子设备之间。通常,符合下列条件的应用都可以考虑采用Zigbee技术:设备距离短;设备成本低、数据传输量小;设备体积小,没有充足的电力支持;需要覆盖的范围较大,网络内需要容纳的设备较多。ZigBee并非专注于家居系统提出的标准,应用范围十分广泛,PC外设、消费电子设备、家庭智能控制、玩具、医疗护理和工业控制都能使用。也正是针对Zigbee这种通用性,另一竞争对手Z-Wave出现了。

Z-Wave技术

    在智能无线家居领域,Z-Wave被一些人看作是ZigBee的替代技术。 Z-Wave是由芯片与软件开发商Zensys公司开发的一种短距离无线通信技术,为了促进消费者认可并且信任在无线家居控制领域应用Z-Wave技术,确保所有成员的系统和设备之间的互通性。2005年1月,Zensys公司与其它60多家厂商在CES(Consumer Electronics Show)大会上宣布成立Z-Wave联盟(Z-Wave Alliance),包括像ControlThink、Panasonic、Leviton等这样的国际知名公司也在其中。Z-Wave联盟(Z-Wave Alliance)虽然没有ZigBee联盟强大,但是Z-Wave联盟的成员均是已经在智能家居领域有现行产品的厂商。尤其是国际大厂思科与英特尔的加入,进一步强化Z-Wave在智能家居领域的地位。 

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    Z-Wave技术在最初设计时,就定位于智能家居无线控制领域。采用小数据格式传输,当前使用的传输速率为40Kbit/s。在节点数方面,一个Z-Wave网路可支援232点,传输频率为865.22~956MHz之间。Z-Wave是一种结构简单、成本低廉、性能可靠的无线通信技术,通过Z-Wave技术构建的无线网络,不仅可以通过本网络设备实现对家电的遥控,甚至可以通过Internet网络对Z-Wave网络中的设备进行控制。由于它的软硬件设计非常贴近家居控制,在智能家居应用中比ZigBee技术更有针对性,因此被许多厂家采用。基于Z-Wave的产品研发速度较快,不少厂家已经能够提供相关的产品。随着Z-Wave技术的不断进步与完善,该技术的应用将不仅仅局限于智能家居,在工业自动化、农业自动化等多个领域,都将发现Z-Wave无线网络的身影。 [Page]

从有线走向无线 

    当前各类无线技术正在智能家居大发展的浪潮中接受着市场的检验和选择,无线技术整体也面临着很多需要解决的问题,例如不同无线种类的互联互通;如何使传输距离尽可能地远,而又尽可能地避免对人的损害;如何尽量避免信号受到干扰、如何提高传输的带宽,以便能够传输更为复杂的数据等等。但无论怎样,无线传输的灵活、移动性和可扩展性都是有线传输方式所无法具备的。尽管有不少问题亟待解决,但从有线走向无线的大趋势已无法逆转。

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