數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡論文-劉冬-20142305912

1、 濱江學院2016-2017（1）數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡 課程論文 題 目 智能家居與互聯(lián)網(wǎng)技術 院 系_電子工程系_ 專 業(yè)_ 電子信息工程 _ 班 級_ 電信3 _ 學生姓名_ 劉冬 _ 學 號_ 20142305912 _ 任課教師_王新蕾_ 二一六 年 十二 月 二十 日摘要智能家居,是一個基于網(wǎng)絡的智能控制系統(tǒng).它通過家庭網(wǎng)絡連接使各種設備(如音頻和視頻設備、照明、窗簾控制、空調(diào)控制、安全系統(tǒng)、數(shù)字影院系統(tǒng)、網(wǎng)絡家電以及三表復制,等等)。與普通家居相比,智能家居不僅能提供一個安全、舒適、高品位的家庭生活和愉快的空間;還能提供用戶與家居全方位的信息交互功能與外部溝通,便捷人們的生活方式,

2、幫助人們有效安排時間,增強家庭生活的安全性,甚至降低能源成本。 隨著信息技術的進步，各種家電設備能通過網(wǎng)絡互聯(lián)已經(jīng)成為現(xiàn)實。強大的網(wǎng)絡通信功能是智能家居系統(tǒng)中不可或缺的部分。目前，智能家庭網(wǎng)絡已逐漸向分布式發(fā)展。分布式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)各個節(jié)點之間的信息共享，并且節(jié)點之間地位平等，可以任意通信。某一個節(jié)點出現(xiàn)了問題，不會影響整個系統(tǒng)的運行。智能家庭網(wǎng)絡不能只局限于將家中的各種電氣設備聯(lián)系起來，還應該能和Internet互聯(lián)、通信。具有通過Internet進行遠程訪問、控制和監(jiān)控功能的家庭網(wǎng)絡才能使人們真正的享受到“無處不在的網(wǎng)絡”所帶來的驚喜和魅力。【關鍵詞】智能家居 智能控制系統(tǒng) 家庭網(wǎng)絡 生

3、活方式智能家居網(wǎng)絡通信系統(tǒng)使用現(xiàn)狀 國際上對于智能家居網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的主要分為有線和無線兩類。有線傳輸方式的優(yōu)點在與其可靠性好、協(xié)議設計方便、低功耗，又因為帶寬想對較大，壓縮比可以降低，它包括電力線載波的X210 和CEBUS ,電話線方式的HomePNA ,以太網(wǎng)方式的IEEE 802. 3 以及專用總線方式的LonWorks ,RS 485 , IEEE 1394 等;無線傳輸機制相對于有線傳輸機制更易于部署與拓展，包括紅外方式的IrDA ,無線局域網(wǎng)方

4、式的IEEE 802.11系列,藍牙,ZigBee 等5  。這里主要介紹X-10，onWorks，BIuetooth和ZigBee。X-10X-10是智能家居通信系統(tǒng)中，歷史最長且使用最簡單的一種。它于1978年誕生于美國，至今仍是美國家庭自動化的主導系統(tǒng)。X-lO協(xié)議是一種國際通用的智能家居電力載波協(xié)議，它以電力線為轉(zhuǎn)輸介質(zhì)實現(xiàn)對用電設備進行智能遠程控制。X-lO智能家居系統(tǒng)是指基于x-lO協(xié)議，由發(fā)射器發(fā)出x-10控制信號，通過現(xiàn)有電力線網(wǎng)轉(zhuǎn)輸X一10信號到接收器，然后由接收器再對各燈具、用電器等用電設備進行控制的系統(tǒng)。  X-

5、lO系統(tǒng)以電力線為傳輸介質(zhì)。系統(tǒng)由三部分組成，即發(fā)射器，接收器，系統(tǒng)保障設備三部分。發(fā)射器通過電力線發(fā)射控制信號給接收器，由接收器對被控器件進行遠程控制。系統(tǒng)保障設備主要是由于電力線干擾問題，故而用來檢測和解決電子線噪音問題的一些設備，主要目的是保障x一10信號在電力線上轉(zhuǎn)輸?shù)姆€(wěn)定與有效強度，從而保障X-IO系統(tǒng)運作正常。到目前為止美國的X-10用戶已經(jīng)達到1000萬以上，X-10控制規(guī)格已成為當今美國家庭自動化控制規(guī)格的主要領導者。其產(chǎn)品已超過5000多種，不論是基本的燈光控制、保全系統(tǒng)、家庭劇院、溫度或動作感測與電腦相關界面與控制等等的產(chǎn)品皆已具備。目前應用XIO技術的產(chǎn)品在我國還不多，國

6、內(nèi)的xlO技術剮剛起步。作為最老資格的家居通信網(wǎng)絡系統(tǒng)，X-IO的優(yōu)缺點明顯，它的優(yōu)點是：物理線路和協(xié)議實現(xiàn)簡單，。安裝方便，不必再穿墻打孔，更有利于改交結(jié)構(gòu)空問。用戶可自己動手安裝，價格也比較低廉。而作為與Internet互聯(lián)的家庭網(wǎng)絡，X-IO的缺點也非常明顯：反應速度慢；抗干擾能力較差；控制方向單一，電器問缺少互操作性，x_10具有的單一方向的控制性，即只能由發(fā)射器發(fā)送控制數(shù)據(jù)到接收器，這也是它的一大缺陷；X一10的局限性還在于，X-IO系統(tǒng)在興起時是以家庭內(nèi)網(wǎng)作為考慮的中心，并未想到與Internet之間的互聯(lián)，故而在目前與外部網(wǎng)絡連接時，X-10系統(tǒng)必須通過昂貴復雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換器接入外

7、網(wǎng)。在目前網(wǎng)絡化大潮形勢下，使用X一10作為與互聯(lián)網(wǎng)相連的智能家居網(wǎng)絡系統(tǒng)，對它的配置安裝及維護將會非常繁瑣。onWorks onWorks協(xié)議是美國Echelon公司開發(fā)并與Motorola和東芝公司共同倡導的現(xiàn)場總線技術嘲。onWorks性質(zhì)上是點對點雙向通信的單層分布式控制網(wǎng)絡。它追求網(wǎng)絡的全面控制，包含了傳感器總線、設備總線和現(xiàn)場總線三層意義。onWorks網(wǎng)絡的基本單元是節(jié)點，網(wǎng)絡節(jié)點也是監(jiān)控模塊，利用一根總線可將系統(tǒng)所有的監(jiān)控模塊連接起來，每個監(jiān)控模塊是由神經(jīng)元芯片、電源、一個通過媒介通信收發(fā)器和被監(jiān)控設備接口的Io電路組成。onWorks支持多種物理介質(zhì)，適用于雙絞線、電力線、光

8、纜、射頻、紅外線等，并可在同一網(wǎng)絡中混合使用。onWorks協(xié)議支持多種拓撲結(jié)構(gòu)，可以選用任意形式的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，組網(wǎng)方式靈活。 目前國內(nèi)外對onWorks智能家居通信系統(tǒng)研究較多，各種基于onWorks的產(chǎn)品也已經(jīng)推出。世界上有2萬多家0EM廠商生產(chǎn)onWorks相關產(chǎn)品，其中種類已達6000多種。自1996年以來，onWorks也開始在國內(nèi)獲得大量的應用。在建設部的支持下，國內(nèi)一些研究所和企業(yè)開始陸續(xù)開發(fā)出基于onWorks的樓宇自動化控制系統(tǒng)，并在一些新建智能大廈和建設部智能化小區(qū)試點工程中得到應用。onWorks作為一種開放式的交互網(wǎng)絡，其優(yōu)點有：協(xié)議的標準化。由于onTalk協(xié)議的絕

9、大部分是固化在芯片內(nèi)部的，所以用戶不必擔心它的一致性。良好的實時性。在onTalk協(xié)議中網(wǎng)絡流量的預測和避免擁塞的方法，使得在最壞情況下的響應時間得到了控制。設計的模式化。onTalk協(xié)議的高層應用層協(xié)議的數(shù)據(jù)稱為網(wǎng)絡變量。它可以是任何單個的數(shù)據(jù)項，也可以是結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。應用程序的設計者只需使用關鍵字“NETWORK”來定義這些變量，那么在網(wǎng)絡中的任何節(jié)點都可與之相聯(lián)系。節(jié)點的獨立性。onWorks技術為對等式通訊網(wǎng)絡，各節(jié)點地位均等，無主節(jié)點。 作為與Internet互聯(lián)的家庭網(wǎng)絡，onWorks也有其自身的缺點：單一芯片的限制。onWorks使用Neuron芯片，Neuron的容量以及由Neu

10、ron芯片限制的存儲結(jié)構(gòu)和onWorks的設計所帶來的性能缺陷限制了onWorks應用邏輯段的規(guī)模和范圍，也限制了邏輯段之間的互動操作甚至數(shù)據(jù)傳輸速度。另外，onWorks在與Internet互聯(lián)時需要進行協(xié)議的轉(zhuǎn)換，必然要加入專門針對于onWorks設計的協(xié)議轉(zhuǎn)換設備，這樣勢必會增加復雜性和安裝費用。onWorks作為一種先進的智能家居通信系統(tǒng)在目前得到了廣泛的應用，突出的優(yōu)點使得它成為目前各種智能家居網(wǎng)絡系統(tǒng)中一種較好的選擇。但是，如果說要將智能家庭網(wǎng)絡接入整個Internet，使得智能家居網(wǎng)絡系統(tǒng)與Internet做到無縫連接，則onWorks通信系統(tǒng)不確定的開放性、傳輸速率的不足以及o

11、nWorks網(wǎng)絡與Internet互聯(lián)時必須要增加的協(xié)議轉(zhuǎn)換設備，成為它進入網(wǎng)絡互聯(lián)時代智能家居系統(tǒng)的主要障礙。BIuetooth 藍牙技術(Bluetooth)是由藍牙特別規(guī)范SIG(Special Interest Group)聯(lián)合制定的近距離無線通信技術標準，其目的是實現(xiàn)最高數(shù)據(jù)傳輸速率1Mbs(有效數(shù)據(jù)傳輸速率是721kbs)、最大傳輸距離為10米(增加功率后可傳輸100米)的無線通信。  藍牙系統(tǒng)由天線單元、鏈路控制(固件)單元、鏈路管理(軟件)單元和藍牙軟件(協(xié)議棧)單元四個功能單元組成。藍牙系統(tǒng)工作于24GHz的頻段，無需申請頻率

12、許可證。系統(tǒng)采用1600helps的快速跳頻技術 (FEc)技術。藍牙系統(tǒng)使用FM調(diào)制方式，支持點到點點到多點通信。  目前，藍牙的實際應用在世界范圍內(nèi)穩(wěn)定的增長，近兩年支持藍牙的設備已過億件，發(fā)展前途廣大。中國各企業(yè)和研究機構(gòu)對藍牙測試協(xié)同的開發(fā)以及多種藍牙應用系統(tǒng)的開發(fā)也正在進行之中。然而藍牙由于技術和成本原因，近期在世界范圍內(nèi)的應用和發(fā)展阻力重重。藍牙系統(tǒng)作為智能家居網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的一種可選方式，它的優(yōu)點和缺點都十分明顯，優(yōu)點在于：藍牙系統(tǒng)支持移動互聯(lián)。用戶可以像使用移動電話一樣靈活的移動藍牙設備的位置而不必擔心網(wǎng)絡斷開。同時，因為其不需要使用物理線路，安裝簡

13、便，故在改動網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)布局時，不需要對網(wǎng)絡重新設置。藍牙系統(tǒng)設備體積小，功率小，便于攜帶或移動。藍牙系統(tǒng)采用的跳頻通信機制使得通信比較隱蔽也難以被截獲。只要對方不清楚載頻跳變的規(guī)律，就很難截獲我方的通信內(nèi)容。藍牙采用的擴頻技術能有效減少干擾和衰落的影響，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性有保障。藍牙系統(tǒng)采取了FEC和包重發(fā)的糾錯機制，使得數(shù)據(jù)沖突造成的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定狀況大大改善。  然而就目前而言，藍牙系統(tǒng)的應用還存在種種缺陷：首先，藍牙產(chǎn)品的互操作性是目前藍牙發(fā)展的一大問題，雖然當前各廠商的藍牙產(chǎn)品一致性測試都已經(jīng)沒有問題，但是仍然無法互通。其次，由于目前主流的軟件和硬件平臺均不提供對藍牙的支持，這使

14、得藍牙的應用成本升高，普及難度較大。再者，藍牙技術雖然可以進行網(wǎng)絡之間切換，但每次切換都必須斷開與當前PAN的連接。最后，藍牙系統(tǒng)在與有線的Internet連接時，必須考慮使用合適的協(xié)議轉(zhuǎn)換設備。Zigbee Zigbee是一種近程（10米-100米）、低速率（250Kbps標稱速率）、低功耗的無線網(wǎng)絡技術，主要用于近距離無線連接。具有低復雜度、低功耗、低速率、低成本、自組網(wǎng)、高可靠、超視距的特點。主要適合應用于自動控制和遠程控制等領域，可以嵌入各種設備。  Zigbee是基于IEEE802.15.4的通信協(xié)議，IEEE802.15.4處理低級MAC層和物理層協(xié)議

15、，而Zigbee協(xié)議對網(wǎng)絡層和API進行了標準化。Zigbee完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個設備的基本節(jié)點的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32K字節(jié)。每個協(xié)調(diào)器可連接多達255個節(jié)點，而幾個協(xié)調(diào)器則可形成一個網(wǎng)絡，對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。國外對ZigBee技術的研究起步較早，研究也比較成熟，zigbee聯(lián)盟成立于2002年8月，為了推動Zigbee技術的發(fā)展，Chaddron,Ember,FreeScale,Sansumg等公司成立了Zigbee聯(lián)盟，如今已吸引了上百家芯片公司、無線節(jié)點公司和開發(fā)商的加入【Zigbee無線組網(wǎng)技術的研究】。國內(nèi)Zigbee起步較晚，國內(nèi)Zigb

16、ee模塊生產(chǎn)廠家一般都受芯片廠家數(shù)量等限制價格，國內(nèi)市場主要有國外儀器占領，國內(nèi)未見成熟的自助研制的ZigBee產(chǎn)品。不過隨著無線科技大趨勢的發(fā)展，很多高校和研究機構(gòu)都已著手無線組網(wǎng)、無線技術應用等方面的研究。  Zigbee技術在智能家居中的應用，具有以下優(yōu)點：  抗干擾力強：Zigbee收發(fā)模塊使用的是2.4G直序擴頻技術，比起一般FSK，ASK和跳頻的數(shù)傳電臺來，具有更好的抗干擾能力。保密性好：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用通用的AES-128，長達128位的密碼給ZIGBEE信號傳輸?shù)谋Ｃ苄蕴峁┝吮Ｕ稀鬏斔俣瓤欤篫IG

17、BEE傳輸數(shù)據(jù)多采用短幀傳送，因此，傳輸速度快，實時性強?？蓴U展性強：ZIGBEE組網(wǎng)容易，自恢復能力強，因此，便于在智能家居中進行擴展，增加新設備。  但是，我們必須認識到，在智能家居的應用中，Zigbee也存在一些缺點： 成本較高，目前ZIGBEE芯片出貨量比較大的TI公司的CC2430，CC2530以及Freescale的MC1319X,MC1322X系列，其成本均在23美金左右，再考慮到其他外圍器件和相關2.4G射頻器件，BOM成本難以低于10美金，針對智能家居這種成本敏感而有需要大量節(jié)點的家用設備，其成本較高。通信不穩(wěn)定，目前國內(nèi)Zigbee技術主要采用

18、ISM頻段中的2.5G頻率，其衍射能力弱，穿墻能力弱。如果對2.5G信號進行放大，會造成額外的輻射污染，同時也和ZIGBEE低功耗，節(jié)能的初衷背道而馳。另外，ZIGBEE雖然支持多達65000個節(jié)點，但是在家居場合，一個別墅，所有的開關插座窗簾控制加起來，也不會超過100個，如果數(shù)量更多，也將超出用戶能夠使用的極限。因此，龐大的網(wǎng)絡容量未必對智能家居應用帶來價值?？偨Y(jié)通過上述的幾種技術的論述，可以看出有線方式中的一些技術發(fā)展已經(jīng)相對比較成熟,在行業(yè)中已經(jīng)具有一定的標準型和通用性,但電話線、以太網(wǎng)、電力線等有線組網(wǎng)技術普遍存在布線麻煩,增減設備需要重新布線,影響美觀,系統(tǒng)的可擴展性差,安裝和維護成本高,移動性能差的缺陷。而無線傳輸最大的優(yōu)點就是省去了大量的電纜連線,移動性很好,可以隨時增加鏈路,安裝、擴容很方便。但是,無線通信的質(zhì)量遠低于有線通信,其信號衰減要比同距離的有線通信大很多,而且傳輸信道容易受到干擾,可靠性沒有有線方式好。隨著人們健康意識的提高,對電磁輻射的重視也越來越大,無線傳輸方式也