有線VS無線，智能家居通訊技術概述

隨著技術的發展和生活水平的提高，人們對美好宜居生活的嚮往快速推動了智能家居的蓬勃發展。智能家居（smart home, home automation）是以住宅為平臺，利用綜合佈線技術、網絡通訊技術、 安全防範技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，並實現環保節能的居住環境。智能家居涉及的技術非常之多，但其中最為重要的非通訊技術莫屬了。以至於在通常的交流中談及智能家居技術的時候，大部分都指的是通訊或者控制協議，專業來看這裡主要涉及硬件接口和軟件協議兩部分，籠統來看市場上主要分為兩大派別，即大家經常聽到的無線與有線技術。

智能家居常見技術類型

智能家居產品以及功能需求的多樣性和個性化特點，導致了目前通訊技術標準眾多，從應用角度來看主要有三類主流技術：

第一類——總線技術

總線技術在智能家居行業當中，可以算是應用最為廣泛的一種技術手段。其主要特點是所有設備通訊與控制都集中在一條總線上，是一種全分佈式智能控制網絡技術，其產品模塊具有雙向通訊能力，以及互操作性和互換性，其控制部件都可以編程。典型的總線技術採用雙絞線總線結構，各網絡節點可以從總線上獲得供電，亦通過同一總線實現節點間無極性、無拓撲邏輯限制的互連和通訊。總線技術類產品比較適合於樓宇智能化以及小區智能化等大區域範圍的控制，但一般設置安裝比較複雜，造價較高，工期較長，只適用新裝修用戶。

總線控制方法起源於上世紀70年代開始逐漸發展起來了的建築電氣自動化控制系統，這套系統採用一種總線控制方法實現對整個建築物中的電氣設備的集中管控。這種技術的應用基於一個更加安全、方便、節能的建築需求。技術要求專業、安全和高可靠性，相應發展起來了很多自動化通訊協議，如CEBUS、DALI、Modbus、KNX、Zigbee等等。這些協議中，除了Zigbee之外，無一例外都是有線的方式。其中KNX是唯一全球性的住宅和樓宇控制標準。1999年5月，歐洲三大總線協議EIB、BatiBus和EHSA合併成立了Konnex協會，提出了KNX協議。該協議以EIB為基礎，兼顧了BatiBus和EHSA的物理層規範，並吸收了BatiBus和EHSA中配置模式等優點，提供了家庭、樓宇自動化的完整解決方案。施耐德電氣在法國巴黎的總部大樓就是建築電氣自動化控制系統應用的典範，號稱世界上最節能的建築。

CEBUS消費電子總線技術是美國電子工業協會（EIA）於1984年開始組織開發的家居網絡標準，1992年正式推出，並定義為IS-60/EIA-600標準。參與研發CEBUS技術的公司多達幾百家，像IBM、Bell、Panasonic、Sony都是它的會員。該技術是一個較為完整的開放系統，它定義了在幾乎所有傳送媒體(如電力線、雙絞線、同軸電纜線、光纖、紅外線和無線電)中信號的傳輸標準，並要求控制信號在所有的介質中都要以相同速度（10kbit/s）傳送，從而有效的避免了信號傳輸中可能出現的“瓶頸”問題。但是CEBUS接口技術比較複雜，價錢昂貴，因此在國內應用不多。

CEBUS節點模型

RS485總線是一種國際性的開放式總線，採用雙絞線差分傳輸方式，可連接成半雙工和全雙工兩種通信方式，傳輸介質一般採用雙絞線，支持多點連接，允許創建多達32個節點的網絡；最大傳輸距離1200m，支持1200 m時為100kb/s的高速度傳輸；不支持環型或星型網絡。

RS485具有抑制共模干擾的能力，加上總線收發器具有高靈敏度，能檢測低至200mv的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。 有些RS485收發器修改輸入阻抗以便允許將多達8倍以上的節點數連接到相同總線。RS485最常見的應用是在工業環境下可編程邏輯控制器內部之間的通信。

第二類——電力線載波通訊技術

電力線載波通訊（power line carrier communication）出現於 20 世紀 20 年代初期，以輸電線路為載波信號的傳輸媒介的電力系統通信。由於輸電線路具備十分牢固的支撐結構，並架設 3條以上的導體（一般有三相良導體及一或兩根架空地線），所以輸電線輸送工頻電流的同時，用之傳送載波信號，既經濟又十分可靠。這種綜合利用早已成為世界上所有電力部門優先採用的特有通信手段。

電力載波在國外智能家居領域應用已經有幾十年，應用電力線通信方式發送數據時，兩端加以調制解調器，直接以50Hz交流電為載波，再以數百KHz的脈衝為調製信號，進行信號的傳輸與控制。

電力載波技術優勢非常明顯，成本低、有現成的電源線，價格低廉，延伸方便，不需要重新架設網絡；信號穩定，沒有所謂的穿牆干擾；沒有射頻汙染。其主要問題是國內電力質量不高，穩定性受到較大限制，需要增加不固定的阻波與濾波裝置。

目前國際上採用電力線作為聯網介質推出的解決方案有X-10、PLC-BUS等。

X-10協議是世界上第一個利用電力線載波技術來實現照明電燈等家用電器控制的規範，早在上世紀70年代就研製成功開始應用與家居自動化領域了。它不需要另外佈置控制線，易用、價廉是它的最大特點，已廣泛應用於家庭安全監控、家用電器控制和住宅儀表數字讀取等方面。

電力線載波模塊硬件框圖

X-10系統由發送控制盒和多個接受控制組件組成，各組件可設定不同編碼以示區別。使用時，控制盒和組件可插入室內不同的電源插座，家用電器設備就差在這些控制組件上。通過與控制盒連接的鍵盤，用戶可輸入控制命令和組件編碼，實現家用電器設備的遠程控制。

控制命令由120kHz脈衝串組成，在1ms時間內，有脈衝表示為“1”，無脈衝則表示為“0”，電源頻率過零點同步。每個X-10數據包包含有標識符、房間編碼和單元/功能編碼，共22bit。現已開發出電力線路通信的嵌入式芯片、雙向和三向通信組件、具有電腦接口的組建及相應軟件等。通信速率達350kbit/s和2Mbit/s的產品也在開發中。

另外，X-10的面板按鈕、開關驅動器、調光驅動器、定時器等節點智能設備，只能對連接其上的燈具產品的輸入端進行控制調節，因此除對白熾燈和低壓石英燈燈具的相位斬波調光還比較適合外，對於其他氣體放電燈燈具的調光控制很難適合、甚至無法應用。所以，X-10協議對智能照明控制來說目前也夠不上高質量水平。

此外，X-10的反映速度慢（傳送1個指令需零點幾秒），抗千擾性能差（信號加載在電力線中傳送）。由於我國電網質量不好，干擾問題等比較嚴重，這給X-10在我國的推廣應用帶來實質性的困難。X-10產品在我國的應用例子不多見。

總線式和電力線均為有線，幾種有線技術比較

幾種有線技術比較

第三類——無線通信技術

隨著越來越多的智能設備，傳統有線智能家居佈線複雜繁亂的確定越來越明顯，而無線技術的出現滿足了人們對自由的嚮往。有線技術相比無線技術，除了電力線載波之外，所有的有線技術都會說基於專用通訊線纜的系統是多麼地穩定和必要。無線技術方案的主要優勢在於無需重新佈線，安裝方便靈活，而且根據需求可以隨時擴展或改裝，可以適用於新裝修用戶和已裝用戶。

目前，無線通訊技術種類繁多，已經成功應用在智能家居領域的無線通信技術方案主要包括：射頻(RF)技術(頻帶大多為315 和433.92MHz)、VESP協議、IrDA紅外線技術、HomeRF 協議、Zigbee 標準、Z-Wave 標準、Z-world 標準、X2D 技術、藍牙（Bluetooth）、無線寬帶（Wi-Fi）、超寬帶（UWB）和近場通信（NFC）等。

在眾多的無線通訊技術中，目前藍牙、WiFi、ZigBee漸漸開始成為首選。下面對這三種技術做詳細介紹。

藍牙

藍牙，是一種基於2.4GHz頻段的、短距離通信技術。它有著功耗低且傳輸速率快、建立連接時間短、穩定性好、安全度高等優勢。從1.0-5.0，藍牙技術越來越完善，特別是5.0版本。藍牙5.0技術理論上的傳輸距離達到300米，可實現1m的室內定位，傳輸速度上限達到24Mbps。此外，藍牙5.0還將物聯網功能放在中心位置，推進Beacon和定位服務在智能家居市場的應用和部署；實現無APP化無線連接的物聯網新模式，減少下載應用程序或應用程序與設備連接的需求；進行底層優化，力求以更低的功耗和更高的性能為智能家居服務。

WIFI

WIFI基於其廣泛普及和傳輸速率，也是很多智能產品的首選。WIFI是一種星狀網絡結構，通常以一個設備為中心，向其他設備節點輻射。其主要用在大數據的傳輸（比如電視盒子、音箱），優勢就是傳輸速率快、組網省事（家庭用戶已經普及，直接購買設備組網即可），缺點是成本和功耗較高。

2019年9月16日，Wi-Fi聯盟宣佈啟動Wi-Fi 6認證計劃，該計劃旨在使採用下一代802.11ax Wi-Fi無線通信技術的的設備達到既定標準。Wi-Fi 6有望在2019年秋季晚些時候獲得電氣和電子工程師協會（IEEE）的批准。

WiFi 6的特點就很容易概括，那就是更快的傳輸速度，以及更多設備的穩定接入。從速度的角度來看，Wi-Fi 6的理論最高速度也在增加，從3.5Gbps增加到9.6Gbps。

另一個方面就是多設備的承載能力，WiFi 6 可以將無線信道劃分為大量子信道。這些子信道中的每一個都可以攜帶用於不同設備的數據。這意味著在設備密集的區域的速度將提高4倍，可連接設備數量增至 50-100，並且比前一代產品提供更大的帶寬，能夠允許無線設備充分利用WiFi 6提供的速度。

此外，Wifi6新的“目標喚醒時間”（TWT）功能允許設備規劃與路由器的通信，減少了保持天線通電以傳輸和搜索信號所需時間，這意味著減少電池消耗，改善設備電池續航。

ZigBee

zigbee是一種近距離、低成本的雙向無線通訊技術。主要用於距離短且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。底層是採用IEEE 802.15.4標準規範的媒體訪問層與物理層。主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網上節點、支持多種網上拓撲、低複雜度、快速、可靠、安全。ZigBee作為一種無線連接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915MHz（美國流行）3個頻段上，分別具有最高250kb/s、20kb/s和40kb/s的傳輸速率。類似於CDMA和GSM網絡，ZigBee數傳模塊類似於移動網絡基站。

ZigBee特點

1、數據傳速率低：10-250Kb/秒

2、功耗低：在低功耗待機模式下，兩節普通5號電池可使用6-24個月

3、成本低：協議簡單，速率低所以能大大降低成本

4、網絡容量大：可最多容納65000個設備

5、安全性好：可提供數據完整性檢查和鑑權功能，加密算法採用通用的AES-128，密碼長達128位，有效提高了信號傳輸的保密性。

Zigbee 3.0時代來了

之前的ZigBee協議允許不同應用層協議各自為戰，每個公司都有其一套獨有的技術和標準，但是相互之間的無線通信模板卻無法鏈接起來，更不用說全屋智能家居的互聯互通了。而Zigbee 3.0的最大意義正在於此，建立起不同設備之間的通信連接網絡，使所有智能家居產品能都統一到同一個網絡中，讓家居體驗更加智能便捷。

ZigBee3.0定義了超過定義了超過130個設備，涵蓋最廣泛的設備類型，不僅包括常見的家居自動、家居照明、智能家電，而且連傳感器以及醫療保健監控產品等都有覆蓋。甚至連基於ZigBee PRO定義的所有設備的類型，命令以及功能，ZigBee 3.0全都支持、包括在內。

下面針對三種智能家居無線通信協議作數據分析

三種無線通訊技術比較

隨著傳感器和智能家電的日益增多，有線式對於智能家居的普及已經形成障礙，未來無線技術將是主流。但有線式在安全性上會高於無線，因此在安全需求更大的情況下，有線式更有優勢。