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

1、 濱江學(xué)院2016-2017（1）數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡(luò) 課程論文 題 目 智能家居與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 院 系_電子工程系_ 專 業(yè)_ 電子信息工程 _ 班 級_ 電信3 _ 學(xué)生姓名_ 劉冬 _ 學(xué) 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(luò)的智能控制系統(tǒng).它通過家庭網(wǎng)絡(luò)連接使各種設(shè)備(如音頻和視頻設(shè)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(luò)家電以及三表復(fù)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(shù)的進步，各種家電設(shè)備能通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)已經(jīng)成為現(xiàn)實。強大的網(wǎng)絡(luò)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(luò)已逐漸向分布式發(fā)展。分布式網(wǎng)絡(luò)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(luò)不能只局限于將家中的各種電氣設(shè)備聯(lián)系起來，還應(yīng)該能和Internet互聯(lián)、通信。具有通過Internet進行遠(yuǎn)程訪問、控制和監(jiān)控功能的家庭網(wǎng)絡(luò)才能使人們真正的享受到“無處不在的網(wǎng)絡(luò)”所帶來的驚喜和魅力?！娟P(guān)鍵詞】智能家居 智能控制系統(tǒng) 家庭網(wǎng)絡(luò) 生

3、活方式智能家居網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)使用現(xiàn)狀 國際上對于智能家居網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(dǎo)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(shè)備進行智能遠(yuǎn)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(shè)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(shè)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(yuǎn)程控制。系統(tǒng)保障設(shè)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(shè)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(dāng)今美國家庭自動化控制規(guī)格的主要領(lǐng)導(dǎo)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(guān)界面與控制等等的產(chǎn)品皆已具備。目前應(yīng)用XIO技術(shù)的產(chǎn)品在我國還不多，國

6、內(nèi)的xlO技術(shù)剮剛起步。作為最老資格的家居通信網(wǎng)絡(luò)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(luò)，X-IO的缺點也非常明顯：反應(yīng)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(luò)連接時，X-10系統(tǒng)必須通過昂貴復(fù)雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換器接入外

7、網(wǎng)。在目前網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(dǎo)的現(xiàn)場總線技術(shù)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(luò)。它追求網(wǎng)絡(luò)的全面控制，包含了傳感器總線、設(shè)備總線和現(xiàn)場總線三層意義。onWorks網(wǎng)絡(luò)的基本單元是節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(luò)中混合使用。onWorks協(xié)議支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以選用任意形式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(guān)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(yīng)用。在建設(shè)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(shè)部智能化小區(qū)試點工程中得到應(yīng)用。onWorks作為一種開放式的交互網(wǎng)絡(luò)，其優(yōu)點有：協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)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?fù)?dān)心它的一致性。良好的實時性。在onTalk協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)流量的預(yù)測和避免擁塞的方法，使得在最壞情況下的響應(yīng)時間得到了控制。設(shè)計的模式化。onTalk協(xié)議的高層應(yīng)用層協(xié)議的數(shù)據(jù)稱為網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用程序的設(shè)計者只需使用關(guān)鍵字“NETWORK”來定義這些變量，那么在網(wǎng)絡(luò)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(shù)為對等式通訊網(wǎng)絡(luò)，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(luò)，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(shè)計所帶來的性能缺陷限制了onWorks應(yīng)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(shè)計的協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備，這樣勢必會增加復(fù)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(yīng)用，突出的優(yōu)點使得它成為目前各種智能家居網(wǎng)絡(luò)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(luò)接入整個Internet，使得智能家居網(wǎng)絡(luò)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(luò)與Internet互聯(lián)時必須要增加的協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備，成為它進入網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)時代智能家居系統(tǒng)的主要障礙。BIuetooth 藍牙技術(shù)(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(shù)標(biāo)準(zhǔn)，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(shù) (FEc)技術(shù)。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(yīng)用在世界范圍內(nèi)穩(wěn)定的增長，近兩年支持藍牙的設(shè)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(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)也正在進行之中。然而藍牙由于技術(shù)和成本原因，近期在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用和發(fā)展阻力重重。藍牙系統(tǒng)作為智能家居網(wǎng)絡(luò)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(shè)備的位置而不必?fù)?dān)心網(wǎng)絡(luò)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(luò)結(jié)構(gòu)布局時，不需要對網(wǎng)絡(luò)重新設(shè)置。藍牙系統(tǒng)設(shè)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(shù)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(yīng)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(dāng)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(yīng)用成本升高，普及難度較大。再者，藍牙技術(shù)雖然可以進行網(wǎng)絡(luò)之間切換，但每次切換都必須斷開與當(dāng)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(shè)備。Zigbee Zigbee是一種近程（10米-100米）、低速率（250Kbps標(biāo)稱速率）、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離無線連接。具有低復(fù)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(yīng)用于自動控制和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)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(luò)層和API進行了標(biāo)準(zhǔn)化。Zigbee完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個設(shè)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(luò)，對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。國外對ZigBee技術(shù)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(shù)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(shù)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(lǐng)，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(shù)應(yīng)用等方面的研究。  Zigbee技術(shù)在智能家居中的應(yīng)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(shù)，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?。傳輸速度快：ZIG

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。可擴展性強：ZIGBEE組網(wǎng)容易，自恢復(fù)能力強，因此，便于在智能家居中進行擴展，增加新設(shè)備。  但是，我們必須認(rèn)識到，在智能家居的應(yīng)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(guān)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(shè)備，其成本較高。通信不穩(wěn)定，目前國內(nèi)Zigbee技術(shù)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(guān)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(luò)容量未必對智能家居應(yīng)用帶來價值。總結(jié)通過上述的幾種技術(shù)的論述，可以看出有線方式中的一些技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)型和通用性,但電話線、以太網(wǎng)、電力線等有線組網(wǎng)技術(shù)普遍存在布線麻煩,增減設(shè)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(yuǎn)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