智能家居通訊協(xié)議大匯總.doc

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. 智能家居無疑是這幾年來熱門的研究對象之一，各類協(xié)議不停的更新最新版本及改進缺點，導致目前沒有一種真正意義上國際標準化用于智能家居、智能照明的通訊協(xié)議。本文主要針對各種方案的原理，技術特點及優(yōu)缺點作出了一個對比并以此展望了智能家居市場的未來。 下面我們將一一介紹這些協(xié)議： 　　一、ZigBee協(xié)議： 　　Zigbee是IEEE 802.15.4協(xié)議的簡稱，它來源于蜜蜂的八字舞，蜜蜂(bee)是通過飛翔和“嗡嗡”(zig)抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，而ZigBee協(xié)議的方式特點與其類似便更名為ZigBee。ZigBee主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備，其特點是傳播距離近、低功耗、低成本、低數據速率、可自組網、協(xié)議簡單。 　　ZigBee的主要優(yōu)點如下： 　　1. 功耗低 對比Bluetooth與WiFi，在相同的電量下(兩節(jié)五號電池)可支持設備使用六個月至兩年左右的時間，而Bluetooth只能工作幾周，WiFi僅能工作幾小時。 　　2. 成本低 　　ZigBee專利費免收，傳輸速率較小且協(xié)議簡單，大大降低了ZigBee設備的成本。 　　3. 掉線率低 　　由于ZigBee的避免碰撞機制，且同時為通信業(yè)務的固定帶寬預留了專用的時間空隙，使得在數據傳輸時不會發(fā)生競爭和沖突；可自組網的功能讓其每個節(jié)點模塊之間都能建立起聯系，接收到的信息可通過每個節(jié)點模塊間的線路進行傳輸，使得ZigBee傳輸信息的可靠性大大提高了，幾乎可以認為是不會掉線的。 　　4. 組網能力強 　　ZigBee的組網能力超群，建立的網絡每個有60，000個節(jié)點。 　　5. 安全保密 　　ZigBee提供了一套基于128位AES算法的安全類和軟件，并集成了IEEE 802.15.4的安全元素。 　　6. 靈活的工作頻段 　　2.4 GHz，868 MHz及915 MHz的使用頻段均為免執(zhí)照頻段。 　　ZigBee的缺點如下： 　　1. 傳播距離近 　　若在不適用功率放大器的情況下，一般ZigBee的有效傳播距離一般在10m-75m，主要還是適用于一些小型的區(qū)域，例如家庭和辦公場所。但若在犧牲掉其低掉線率的優(yōu)點的前提下，以節(jié)點模塊作為接收端也作為發(fā)射端，便可實現較長距離的信息傳輸。 　　2. 數據信息傳輸速率低 　　處于2.4 GHz的頻段時，ZigBee也只有250 Kb/s的傳播速度，而且這單單是鏈路上的速率且不包含幀頭開銷、信道競爭、應答和重傳，去除掉這些后實際可應用的速率會低于100 Kb/s，在多個節(jié)點運行多個應用時速率還要被他們分享掉。 3. 會有延時性 　　ZigBee在隨機接入MAC層的同時不支持時分復用的信道接入方式，因此在支持一些實時的應用時會因為發(fā)送多跳和沖突會產生延時。 　　二、Bluetooth(藍牙協(xié)議) 　　藍牙協(xié)議是由愛立信公司創(chuàng)造并于1999年5月20日與其他業(yè)界領先開發(fā)商一同制定了藍牙技術標準，最終將此種無線通信技術命名為藍牙。藍牙技術是一種可使電子設備在10～100 m的空間范圍內建立網絡連接并進行數據傳輸或者語音通話的無線通信技術。 　　藍牙的優(yōu)點如下： 　　1. 功耗低且傳輸速率快 　　藍牙的短數據封包特性是其低功耗技術特點的根本，傳輸速率可達到1Mb/s，且所有連接均采用先進的嗅探性次額定功能模式以實現超低的負載循環(huán)。 　　2. 建立連接的時間短 　　藍牙用應用程序打開到建立連接只需要短短的3ms，同時能以數毫秒的傳輸速度完成經認可的數據傳遞后并立即關閉連接。 　　3. 穩(wěn)定性好 　　藍牙低功耗技術使用24位的循環(huán)重復檢環(huán)(CRC)，能確保所有封包在受干擾時的最大穩(wěn)定度。 　　4. 安全度高 　　CCM的AES-128完全加密技術為數據封包提供高度加密性及認證度。 　　藍牙的缺點如下： 　　1. 數據傳輸的大小受限 　　高速跳頻使得藍牙傳輸信息時有極高的安全性，但同時也限制了藍牙傳輸過程中數據包不可能太大。即使在所謂的高保真藍牙耳機中高低頻部分也是會被嚴重壓縮的。 　　2. 設備連接數量少 　　相對于Wifi與ZigBee，藍牙連接設備能力確實較差，理論上可連接8臺設備，實際上也就只能做到6——7個設備連接。 　　3. 藍牙設備的單一連接性 　　假設我用A手機連接了一個藍牙設備，那么B手機是連接不上它的，一定要我與此藍牙設備之間的握手協(xié)議斷開B手機才能連接上它。 　　三、WiFi(無線保真協(xié)議) 　　WiFi是IEEE 802.11的簡稱，是一種可支持數據，圖像，語音和多媒體且輸出速率高達54Mb/s的短程無線傳輸技術，在幾百米的范圍內可讓互聯網接入者接收到無線電信號。WiFi的首版于1997年問世，當時其中定義了物理層和介質訪問接入控制層(MAC層)，并在規(guī)定了無線局域網的基本傳輸介質和網絡結構的同時規(guī)范了介質訪問層(MAC)的特性和物理層(PHY)，其中物理層采用的是FSSS(調頻擴頻)技術、紅外技術和DSSS(直接序列擴頻)技術。在1999年又新增了IEEE 802.11g和IEEE 802.11a標準進行完善。 　　WiFi優(yōu)點： 　　1. 傳輸范圍廣 　　WiFi的電波覆蓋范圍半徑高達100 m，甚至連整棟大樓都可以覆蓋，相對于半徑只有15m藍牙，優(yōu)勢相當明顯。 2. 傳輸速度快 　　高達54Mb/s的傳輸速率使得WiFi的用戶可以隨時隨地接收網絡，并可快速地享受到類似于網絡游戲、視頻點播(VOD)、遠程教育、網上證券、遠程醫(yī)療、視頻會議等一系列寬帶信息增值服務。在這飛速發(fā)展的信息時代，速度還在不斷提升的WiFi必能滿足社會與個人信息化發(fā)展的需求。 　　3. 健康安全 　　WiFi設備在IEEE 802.11的規(guī)定下發(fā)射功率不能超過100 mW，而實際的發(fā)射功率可能也就在60～70 mW。與類似的通信設備相比，手機發(fā)射功率約在200 mW～1 W，而手持式對講機更是高達5 W。相對于這兩者WiFi產品的輻射更小。 　　4. 普及應用度高 　　現今配置WiFi的電子設備越來越多，手機、筆記本電腦、平板電腦、MP4幾乎都將WiFi列入了他們的主流標準配置。 　　WiFi缺點： 　　1.功耗大 　　2.價格貴 　　3.協(xié)議編碼復雜 　　四、LPWAN（低功耗廣域物聯網）： 　　全球最大的芯片廠商英特爾、高通，全球通信設備巨頭華為、諾基亞、愛立信，以及全球運營商巨頭沃達豐、中國移動等均加速低功耗廣域網絡(LPWAN)的商用，LPWAN協(xié)議標準也取得了實質性進展，2016年將是LPWAN發(fā)展的重大里程碑，屆時不僅各行業(yè)應用快速增加，基于Wi-Fi、藍牙、Zigbee連接的一部分也將被LPWAN連接所取代。 　　五、UWB(Ultra Wideband)： 　　是一種無載波通信技術，利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據。通過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號，UWB能在10米左右的范圍內實現數百Mbit/s至數Gbit/s的數據傳輸速率。 　　六、Z-Wave協(xié)議： 　　是由丹麥公司Zensys所一手主導的無線組網規(guī)格，Z-wave聯盟(Z-wave Alliance)雖然沒有ZigBee聯盟強大，但是Z-wave聯盟的成員均是已經在智能家居領域有現行產品的廠商，該聯盟已經具有160多家國際知名公司，范圍基本覆蓋全球各個國家和地區(qū)。目前國內應用不光。 　　七、RF射頻協(xié)議： 　　較常見的應用有無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)，常稱為感應式電子晶片或近接卡、感應卡、非接觸卡、電子標簽、電子條碼等。其原理為由掃描器發(fā)射一特定頻率之無線電波能量給接收器，用以驅動接收器電路將內部的代碼送出，此時掃描器便接收此代碼。 　　八、EnOcean協(xié)議： 　　國際電工技術委員會(International Electrotechnical Commission)將EnOcean無線通信標準采納為國際標準ISO/IEC 14543-3-10，這也是世界上唯一使用能量采集技術的無線國際標準。 　　九、ModBus協(xié)議： 　　是由Modicon(現為施耐德電氣公司的一個品牌)在1979年發(fā)明的，是全球第一個真正用于工業(yè)現場的總線協(xié)議。ModBus網絡是一個工業(yè)通信系統(tǒng)，由帶智能終端的可編程序控制器和計算機通過公用線路或局部專用線路連接而成。其系統(tǒng)結構既包括硬件、亦包括軟件。它可應用于各種數據采集和過程監(jiān)控。 十、KNX協(xié)議： 　　1999年5月，歐洲三大總線協(xié)議EIB、BatiBus和EHSA合并成立了Konnex協(xié)會，提出了KNX協(xié)議。該協(xié)議以EIB為基礎，兼顧了BatiBus和EHSA的物理層規(guī)范，并吸收了BatiBus和EHSA中配置模式等優(yōu)點，提供了家庭、樓宇自動化的完整解決方案 　　紅外 　　十一、Weave協(xié)議： 　　Weave是一個低功耗、低帶寬、低延遲、安全的設備間通信協(xié)議，該協(xié)議最初由Nest公司開發(fā)并被使用在他們自己的設備上。Nest將它開放給全世界的開發(fā)者。目前被Google收購，Google并決定推出基于 JSON的通訊語言Weave。意在創(chuàng)建智能硬件間的通用通信、指令收發(fā)方案，與Android兼容。 　　十二、Thread協(xié)議： 　　由三星、Nest、ARM、Big Ass Fans、飛思卡爾和Silicon Labs公司聯合推出， 是一種基于IP的無線網絡協(xié)議，用來連接家里的智能產品。 結束語 目前的各類協(xié)議在各自的領域內都有應用的場景，沒有誰會完全的取代誰，可以預見的是隨著智能設備的發(fā)展，未來會出現一個低功率wifi版本協(xié)議最終來取代以上協(xié)議，如Thread等協(xié)議的出現，我們將拭目以待。 有線技術 ? RS-485 IEEE802.3 (Ethernet) EIB，KNX LonWorks X-10，PLC-BUS CAN-BUS，C-BUS，SCS-BUS，H-BUS，A-BUS，MODBUS等等BUS CresNet，AXLink等等Net或Link 起源年代 1983 1980 1999 1990 1976 1970s～1990s 1970s 連接線（總線） 2芯雙絞線 8芯雙絞線 專用線纜 雙絞線、同軸電纜、電力線、 光纖、 無線、紅外等不拘 電力線 專用線纜 專用線纜 典型傳輸距離 1200米 100米 1000米 2700米 200米/X-10，2000米/PLC - - 網絡結構 總線式 星形 總線式、星形 總線式、星形、自由拓撲等多種拓撲結構 總線式、星形 總線式 總線式 速度（bps） 300～9.6K 10M～1000M 9.6K 300～1.25M 100～200 9.6K 9.6K 網絡容量 32/網段，可擴充至255 網段類型決定網段容量，可無限擴充 64或128/網段，可擴充至65536 64/網段，32385/域，可無限擴充 256個地址碼/X-10， 64000/PLC - - 協(xié)議規(guī)范 無 國際級 TCP/IP 國家級 國際級LONTALK 行業(yè)級 行業(yè)級或私有 私有協(xié)議 典型應用 工業(yè)自動化 互聯網 智能建筑 工業(yè)自動化 智能家居 各行各業(yè) 智能控制 無線技術 ? RF射頻 Bluetooth藍牙 IEEE 802.11a/b/g/n (WiFi) IEEE 802.15.4 (Zigbee) Z-Wave 起源年代 1894 1998 1997 2001 2005 工作頻率（Hz） 315M，433M等 2.4G 2.4G 2.4G 908.42MHz(美國) 868.42MHz(歐洲) 調制方式 模擬?-> 數字GFSK 數字GFSK， π/4-DQPSK， 8DPSK 數字DSSS/OFDM等 數字BPSK/QPSK 數字FSK(BFSK/GFSK) 典型發(fā)射功率 5mW（7dBm） 2.5mW（4dBm） 終端36mW（16dBm） AP 320mW（25dBm） 1mW（0dBm） 1mW（0dBm） 典型傳輸距離 50～100米 10米 50～300米 5～100米 5～100米 網絡結構 點到點 微微網(Piconet)和分布式網絡(Scatternet) 蜂窩 動態(tài)路由自組織網 動態(tài)路由自組織網 通訊速率（bps） 1.2K~19.2K 1M 1M～600M 250K 9.6K 網絡容量 取決于協(xié)議 8，可擴充8+255 50，取決于AP性能 255，可擴充至65000 232 協(xié)議規(guī)范 無 藍牙技術聯盟 國際級IEEE 802.11 國際級IEEE 802.15.4 Z-wave聯盟 安全與加密 無 密鑰，加密機采用了四個線性反饋移位寄存器（LFSR） WEP，WPA等 循環(huán)冗余校驗(CRC)， AES-128的加密算法 無加密 典型應用 遙控、門鈴 鼠標、無線耳機、手機、電腦等消費電子 無線局域網 物聯網，涵蓋智能家居、工業(yè)控制、醫(yī)療、交通、安防、無線傳感網絡等領域 智能家居、消費電子 11 可編輯修改