智能家居系统中wifi、Bluetooth、ZigBee、Z-wave、KNX通信技术分析_深圳捷易
2019-10-16 17:40    捷易智能家居

智能家居设备通过通信网络连接从而达到共享和交换信息的目的,因而通信网络在整个智能家居生态系统中起着举足轻重的作用。

 

智能家居网络有两个主要元素:物理连接和通信协议。通信协议基于通信媒介可以分为三大类:有线、无线和混合媒介。有线媒介通过使用电话线、双绞线等进行通信,无线协议通过使用RFISM频段进行通信;混合协议通过使用有线和无线媒体进行通信。

 

从数据容量、速度、距离、成本和安装要求来讲,不同的物理连接具有不同的优点和限制。不同的物理连接类型适合于不同应用或者预定的类型服务,大量的通信协议依赖于它们相关联的物理介质。不同的网络和协议由不同的制造商和供应商来开发和支持。

 

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1. 
wifi技术

 

20世纪90年代研究人员研发了很多有关无线LAN的标准和技术,IEEE802.11无线LAN,也称为WIFI,己经明显成为了其巾的赢家。Wi-Fi是由Wi-Fi联盟给IEEE802.11系列标准的名称,无线LANIEEE802.11标准包括802.11b、802.11a802.11g下表总结这些标准的主要特征。

Wi-Fi参数

IEEE802.11协议

802.11a

802.11b

802.11g

射频范围

5.1GHz~5.8GHz

2.4~2.485GHz

最大数据率

54Mbps

11Mbps

54Mbps

每通道可用带宽

20或者22GHz

最大数据吞吐量

18~22Mbps

6Mbps

18~22Mbps

调至技术

OFDM

CCK或者DSSS

OFDM

 IEEE802.11小结

 

上表中的三个IEEE802.11标准具有许多共同的特征:它们都使用相同的媒体访问协议CSMA/CA;它们都对链路层倾使用相同的顿格式;它们都具有降低传输速率以达到更远距离的能力;它们都允许“基础设施模式”和“自组织模式”。

 

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2. 
Bluetooth技术

 

Bluetooth(蓝牙)技术于19985月由爱立信、英特尔、诺基亚等世界著名公司联合提出的一种无线通信技术。Bluetooth的标准是IEEE802.15.1,IEEE802.15.1网络以小范围、低功率和低成本运行,它本质上是一个低功率、短距离、低速率的“电缆替代”技术。

 

802.15.1网络应用范围被称为无线个人区域网络(WireLess Ppersonal Area Network,简称WPAN)。Bluetooth中定义了两种拓扑结构:微微网和散射网。在微微网中,Bluetooth网络由一个主设备和多个从设备组成,它们都和主设备的时间和跳频模式同步。802.15.1网络以TDM方式工作于无需许可证的2.4GHz无线电波段,每个时隙长度为0.625ms。在每个时隙内,发送方利用79个信道中的一个进行传输,同时从时隙到时隙以一个已知的伪随机方式变更信道,这种称作跳频扩展频谱(FHSS)的信道跳动的形式将传输及时扩展到整个频谱。散射网是运行的Bluetooth微微网在空间和时间重叠的集合,两个微微网可以连接形成分散网,Bluetooth设备可以同时参与多个微微网,因此信息的流向能够允许超过单个微微网的覆盖区域,在分散网中的设备可以是多个微微网中的从设备,但是主设备只能是其中之一。

 

目前,802.15.1标准能够提供高达的4Mbps数据率,Bluetooth技术在许多场景得到应用,例如鼠标,键盘,打印机等物理设备。然而,Bluetooth芯片价格较高、抗干扰能力比较弱、传输距离太短以及兼容性不好等因素,使得Bluetooth应用不够广泛和普及,甚至是制约了其发展。

 

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3. 
ZigBee技术

 

ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议,底层采用国际电子电机工程协会IEEE802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层。ZigBee协议是由ZigBee联盟制定的无线通信标准,整个ZigBee协议栈包括物理层、媒体访问层、网络层、应用层等。由于IEEE802.15.4协议是IEEE802.15.4工作小组为无线个人区域网制定的标准,因而ZigBee是一种短距离、低功耗和低速率的无线连接技术。

 

ZigBee能够允许机器与机器间数据传输。由于其低能耗,ZigBee技术己被广泛用于智能设备,尤其面向低能耗的智能家居设备。当前它主要应用在工业控制、智能家居以及无线传感器网络。现今ZigBee釆用调频技术和扩频技术,分别提供250kbps的原始数据吞吐率。它通常在室内的传输距离为30-50米,若室内的障碍物比较少,可以达到100米距离。ZigBee访问控制采用CSMA/CA方法来为无线媒介提供可靠的数据传输,因而它也是安全性高的无线通信技术。ZigBee提供自组织、多跳且可靠的网状网络。

 

总而言之,ZigBee技术是被人们广泛认可的无线家庭网络协议,具有时延短、低功耗、安全性高、低成本、可靠性好、网络容量大等优良特性。与此同时,ZigBee也是一个带宽约束的复杂协议并且支持多种网络拓扑

 

4. Z-Wave技术

 

Z-Wave是一种为家庭自动化而设计的无线通信协议,目前它还没有被选作国际标准。Z-Wave使用的低功率无线技术通信是专门为远程控制应用而设计。Z-Wave无线协议为可靠、低时延、数据传输率高达100Kbps的通信进行优化。Z-Wave工作的频率范围大约是900MHz这个带宽避免了和拥挤在2.4GHz频段的wifi,Bluetooth及其他系统发生干扰。Z-Wave被设计的可以很容易被嵌入到消费类电子产品中。

 

Z-Wave协议栈包括射频媒介媒体访问层传输层以及应用层其中,射频部分即通信系统的空中接口;媒体访问层确保低成本、可靠数据传输、低功耗、易实现等特点;传输层负责端到端传输可靠性;应用层包括预置的应用软件。由于其协议栈相较其他协议简,单易用,并且支持嵌入式应用。

 

Z-Wave的吞吐量可达100Kbps,其传输距离大约为30米,并且Z-Wave单元可以运行在省电模式,从而极大地降低了功率消耗。Z-Wave无线技术使得普通家用产品,例如灯、门锁和恒温器,变得智能。Z-Wave产品能够使用无线安全地通信,并且可以使用手机、平板电脑或来PC控制Z-Wave产品。目前,将近有种1000不同的Z-Wave产品。

 

5. KNX技术

 

19995月,欧洲家庭系统协会欧洲安装总线协会BatiBUS国际俱乐部成立了Konnex协会,决定将EHS,EIBBatiBUS三大标准协议合成到KNX协议。因而,本质上提出的KNX协议是其他家庭自动化协议标准的集合,并且作为相对成熟的协议被采纳为国际标准。目前,KNX协会负责质量控制和标准化,KNX是针对智能建筑的基于标准化OSI的网络通信协议。

 

KNX旨在控制照明系统以及供热通风与空气调节系统(HVAC)KNX定义了几种不同类型的通信物理媒介,例如双绞线,KNX射频,电力线以KNXnet/IPKNX/IPKNX提供软件工具以便于设计,可视化并解决家庭自动化系统。因此KNX就支持的媒介以及软件支持工具数量而言,其优于其他协议。与此同时,KNX能够支持多达个65336个设备,其中每个设备获得它自己的16位地址空间。

 

KNX被设计为独立于任何特定的硬件平台大量研究人员使用KNX来实现智能家居服务,目前,最常见的形式是通过双绞线介质。根据特定场景下的实现需要,可以通过8位微控制器或者PC来控制KNX设备网络。


您还可以点击文章《
智能家居连接技术浅析》了解更多详情!


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