1.2 智能家居的主流技术概述

智能家居领域的多样性和个性化的特点导致了技术路线、标准众多，没有统一通行技术标准体系。目前，智能家居的三大主流技术主要有总线技术、无线通信技术和电力线载波通信技术，这三大主流技术让我们日常的家居产品变得更加智能化。

1.2.1 总线技术

总线技术的主要特点是，所有设备通信与控制都基于一条总线。总线技术是一种全分布式智能控制网络技术，其产品模块具有双向通信能力，以及互操作性和互换性，对其控制部件都可以编程。典型的总线技术采用双绞线总线结构，各网络节点可以从总线上获得供电，也通过同一总线实现节点间无极性、无拓扑逻辑限制的互连和通信。总线技术类产品比较适合于楼宇智能化及小区智能化等大区域范围的控制，其优势在于技术成熟、系统稳定、可靠性高，应用也比较广泛；但一般设置安装比较复杂，造价较高，工期较长，只适用于新装修用户。市场上比较有影响力的总线技术包括RS485、KNX、LonWorks、CAN、C-BUS、SCS-BUS、ModBus等。

1.RS485总线

RS485总线由于其布线简单、稳定可靠，从而广泛地应用于视频监控、门禁对讲、楼宇报警、楼宇智能控制等各领域。

RS485总线一般采用半双工工作方式，在任何时候只能有一点处于发送状态。因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS485总线用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS485总线可以联网构成分布式系统，允许最多并联32台驱动器和32台接收器。

从智能照明发展的轨迹看，最早的产品一般采用RS485总线技术，这是一种串行的通信标准。因为只是规定物理层的电气连接规范，每家公司自行定义产品的通信协议，所以RS485总线的产品很多，但相互都不能直接通信。RS485总线一般需要一个主接点，通信的方式采用轮询方式，模块之间采用“手拉手”的接线方式，因此存在通信速率不高（一般为9.6kbit/s）、模块的数量有限等问题。

2.KNX总线

KNX是Konnex的缩写。1999年5月，欧洲三大总线协议EIB、BatiBus和EHSA合并成立了Konnex协会，提出了KNX协议。该协议以EIB为基础，兼顾了BatiBus和EHSA的物理层规范，并吸收了BatiBus和EHSA中配置模式等优点，提供了家庭、楼宇自动化的完整解决方案。KNX于1999年引入中国，在欧洲成功使用了近20年，其特点是：产品成熟、功能组态结构灵活、能实现多种功能内容的控制等。

KNX是唯一全球性的住宅和楼宇控制标准。在KNX系统中，总线接法是区域总线下接主干线，主干线下接总线，系统允许有15个区域，即有15条区域总线，每条区域总线或者主干线允许连接多达15条总线，而每条总线最多允许连接64台设备，这主要取决于电源供应和设备功耗。每条区域总线、主干线或总线，都需要由一个变压器供电，每条总线之间通过隔离器来区分。在整个系统中，所有的传感器都通过数据线与制动器连接，制动器通过控制电源电路来控制电器。所有器件都通过同一条总线进行数据通信，传感器发送命令数据，相应地址上的制动器执行相应的功能。

此外，整个系统还可以通过预先设置控制参数来实现相应的系统功能，如组命令、逻辑顺序、控制的调节任务等。同时，所有的信号在总线上都以串行异步传输的形式进行传播，也就是说在任何时候，所有的总线设备总是同时接收到总线上的信息，只要总线上不再传输信息，总线设备即可独立决定将报文发送到总线上。KNX有三种结构：线状、树状和星状。

KNX既能用于最新的楼宇，也能用于现有的楼宇，并且能用于住宅和楼宇控制中所有可能的功能/应用，包括照明、多种安全系统的关闭控制、加热、通风、空调、监控、报警、用水控制、能源管理、测量，以及家居用具、音响及其他众多领域。除此以外，KNX更舒适、更安全，并且为节约能源和气候保护做出了重大贡献，但KNX总线的成本较高。值得一提的是，KNX技术于2007年被批准为中国标准GB/Z 20965。

3.LonWorks总线

LonWorks总线由美国Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。它采用ISO/OSI模型的全部7层通信协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置；支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通信速率从300bit/s至1.5Mbit/s不等，直接通信距离可达2700m（78kbit/s）。

LonWorks总线技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron神经元的芯片中，并得以实现。在智能家居领域中，其最大特点是不像其他智能家居总线系统必须有一个类似大脑的主机。LonWorks总线技术不需要主机，它采用的是神经元网络。每个节点都是一个神经元，这些神经元连接到一起时就能协同工作，并不需要另外一个大脑来控制，因此安全性和稳定性较其他总线大大提高。LonWorks总线的实时性、处理大量数据的能力有些欠缺；另外，因为LonWorks总线依赖于Echelon公司的Neuron芯片，所以其完全开放性也受到一些质疑。

4.CAN总线

CAN（Controller Area Network）总线是由德国BOSCH公司发明的一种基于消息广播模式的串行通信总线的通信协议，它最初用于实现汽车内ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元）之间的可靠通信，由于其高性能、高可靠性、实时性等优点已被广泛应用于智能家居系统中。1993年11月，ISO正式颁布了控制器局域网CAN国际标准，为控制器局域网标准化、规范化推广铺平了道路。CAN总线协议的最大特点是废除了传统的站地址编码，取而代之的是对通信数据块进行编码。

采用这种方法的优点：可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义2个或2个以上不同的数据块。这种对数据块进行编码的方式还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这在分布式控制系统中非常有用。

数据段长度最多为8字节，可满足通常工业领域中的控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。

CAN总线协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性，CAN总线的卓越特性、极高可靠性和独特设计已越来越受到各界的重视，并被公认为最有前途的总线之一。CAN总线与RS485总线具有相同的缺陷，不能连接树状总线，信号线要像有线电视一样连接，它常常作为大系统的分支连线。

5.C-BUS总线

C-BUS控制系统由澳大利亚奇胜公司开发。C-BUS控制系统是一种以非屏蔽双绞线作为总线载体，广泛应用于建筑物内照明、空调、火灾探测、出入口、安防等系统的综合控制与综合能量管理的智能化控制系统。C-BUS控制系统的核心是主控制器和总线连接器，主控制器存储控制程序、实现模块间总线通信及与编程计算机间的通信，通过控制总线采集各输入单元信息、根据预先编制的程序控制所有输出模块；其RS-232标准接口用于与编程计算机的连接，在计算机上通过专用软件进行编程、监控，当完成编程并下载至主控制器后，计算机仅作为监视，即C-BUS控制系统的运行完全不需要计算机的干预。

C-BUS控制系统以人居环境为主要服务对象，提供了多种接收外部指令的途径，如控制按键、光传感器、被动型红外探测器、定时单元等。实际上，C-BUS控制系统就是一个典型的基于计算机总线控制技术面向智能建筑需求的系统化控制产品，模块的任意搭配使系统设计十分灵活便利。家居用C-BUS控制系统的控制按键有一键、二键、四键三种产品，安装方式与常用暗装灯开关相同，可以对每个键进行编程控制一路或多路负载，对于重要场所可采用多按键实现灯光场景控制，以适应不同工作对灯光系统的不同要求。

C-BUS控制系统是一个十分灵活的柔性控制系统，这是因为所有的输入和输出元件自带微处理器且通过总线互连，外部事件信息来自输入元件，通过总线到达相应的输出元件并按预先编好的程序控制所连接的负载。对每个元件都可以按照需求进行编程以适应任何使用场合，其灵活的编程可在不改变任何硬件连线的情况下非常方便地调整控制程序。作为系统的管理者，最好能掌握编程技能，以便及时适应使用需求的变化。

6.SCS-BUS总线

SCS-BUS是结构化布线/总线系统，是BTICINO公司独创的自主的双总线系统，其性能稳定、响应速度快，能满足各种智能家居功能需求，功能也是此行业最齐全的，是一个在欧洲占主导地位的楼宇自动化（BA）和家庭自动化（HA）标准。

SCS-BUS通信协议遵循OSI（开放式系统互连）参考模型，提供OSI参考模型所定义的全部7层服务，这是其先进性之一。物理层和链路层明显依赖于物理介质的特性，SCS-BUS通过优化防冲突规定了带有冲突检测的载波侦听多路存取（CSMA）以控制媒质接口；网络层通过网络协议控制信息（NPCI）控制跳跃数；传输层的逻辑通信关系包括一对多无连接即多终点组传输、一对所有无连接即广播、一对一无连接、一对一导向连接，传输层提供了地址与抽象内部表达之间的映射通信访问标识等；通过预留的会话层和表示层，所有设备被明显地映射出来；应用层执行SCS-BUS网络用户/服务器管理的API（应用程序接口）功能，应用层对通信对象组内部请求或共享变量分配通信访问标识符，以完成收（一对多）和发（一对一）功能。

SCS-BUS通信协议支持通信介质分段组合的网络，包括双绞线、输电线、无线频率传输。SCS-BUS双绞线自由拓扑结构成本较低，控制逻辑0的位级别冲突检测提高传输的可靠性，每个双粗绞线物理段可长达2000m；SCS输电线运用新型扩展频率调制技术，通过相应数量的匹配筛选，保证输电线组地址传输的完整性和可靠性。

7.ModBus总线

ModBus是一种串行通信协议，是由Modicon公司（现在的施耐德电气SchneiderElectric公司）于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发布的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。为更好地普及和推动ModBus协议基于以太网的分布式应用，施耐德电气公司已将ModBus协议的所有权移交给IDA（Interface for Distributed Automation，分布式自动化接口）组织，并成立了ModBus-IDA组织，为ModBus协议今后的发展奠定了基础。

ModBus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过该协议，控制器相互之间或经由网络如以太网和其他设备之间可以通信。该协议已经成为通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。该协议定义了一个控制器能识别使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信。它描述了控制器请求访问其他设备的过程，如何回应来自其他设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。在ModBus协议网络上通信时，此协议决定了每个控制器必须知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用ModBus协议发出。在其他网络上，包含了ModBus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节点地址、路由路径及错误检测的方法。

ModBus协议具有标准性、开放性，用户可以免费且放心地使用该协议，不需要交付许可证费，也不会侵犯知识产权。目前，支持ModBus协议的厂家超过400家，支持ModBus协议的产品超过600种。ModBus协议可以支持多种电气接口，如RS-232、RS-485等，还可以在各种介质上（如双绞线、光纤、无线等）传送。ModBus协议的帧格式简单、紧凑、通俗易懂，用户使用容易，厂商开发简单。

1.2.2 电力线载波通信技术

电力线载波通信技术充分利用现有的电网，在电网两端加以调制解调器，直接以50Hz交流电为载波，再以数百kHz的脉冲为调制信号，进行信号的传输与控制。电力线载波技术的优势非常明显：成本低，有现成的电源线，一线两用，价格低廉，延伸方便，不需要重新架设网络，只要有电力线就能进行数据传递，即充分利用现有的电力网，便能简单地实现家居智能化的改造，只要有供电网络的环境就能使用。

在诸多的有线控制技术中，电力线载波技术应用较为广泛。电力线载波技术通过电力线将控制信号传输给各电气设备，使控制端和家用电器形成家居网络。电力线载波分为高压载波和低压载波。高压载波用于远程控制和调节；低压载波由于其传输距离相对较短，主要用于家居内。电力线载波技术利用电力线作为控制电器的传输介质，不用重新布线，降低了智能家居的成本，并方便更新和维护。

目前应用于电力线载波上的通信协议有BACnet（Building Automation and Control Network，楼宇自动化和控制网络）、EBI（European Installing Bus，欧洲安装总线）、HBS（Home Bus System，家庭总线系统）、X-10协议等。其中，X-10协议的信号频率为120kHz，比交流电信号频率要高得多，因此接收器很容易识别到。基于X-10协议的智能家居设计采用电力线载波通信技术，利用220V的电源线作为信号的传输介质。在智能家居中，X-10协议也是比较主流的网络通信协议。相比无线射频、集中布线，X-10电力线载波由于其发展时间长、用户数量多、升级方便、价格便宜等优点，在这三类智能家居技术中发展最成熟。

X-10可以通过电力线实现设备之间的通信，并对设备传送控制命令。1976年，英国PicoElectronics公司提出电力家居控制方案，并且该公司的工程师开发了X-10协议并获得专利。X-10模组引入美国后不仅在技术上得到了较大的完善，而且开始应用于智能家居领域。此后，全球出现了大量智能家居生产厂家，各大电气公司如西门子、三星等也都投身于智能家居领域。

X-10系统主要由两部分组成：发射器和接收器。控制信号由发射器通过电力线传送给接收器，由接收器对电气设备进行控制。X-10的信号叠加在交流电力线的过零点上，由于脉冲信号越接近零点则干扰越小，所以将120kHz的编码信号加载到60Hz的电力线上，根据此时有无载波信号来表示传输数据的“0”和“1”。发射器和接收器同时检测电力线的过零点信号以确定数据应该何时传送，但X-10无法区分在过零点时是上升沿还是下降沿，因此在正弦波的零相位处有120kHz的脉冲群，而紧随这一脉冲群之后的1800相位处没有脉冲群则表示信号“1”。相反，在正弦波的零相位处无脉冲群，而紧随其后的1800相位处有脉冲群则表示信号“0”。为了使接收器得知何时开始接收发射器发出的数据，需要设定一个启动点，当接收器检测到该启动信号时就开始接收数据。在连续的3个过零点处都有脉冲群，而接下来的一个过零点没有脉冲群，表示启动点生成完毕。为了使线路转送装置不错过任何传输信息，X-10让每个数据帧传输两次。一条完整的控制指令由4帧数据组成：前两帧传输被控设备地址，两帧之间无间隔；后两帧传输控制命令，两帧之间也无间隔，但前两帧与后两帧之间有3个周期的间隔，所以每条控制指令需要47个周期。对于50Hz的电力线来说，47个指令周期接近1s。

基于X-10协议构建的智能家居系统，主要由家庭网关和分布在家居各处的符合X-10规范的家电产品组成。由于现在市场上大多数家电产品仍未在其内部提供对X-10协议的支持，所以暂时需要在电力线与家电电源之间增加一个X-10模块，由网关对X-10模块进行控制，间接实现对家电产品的控制。在该系统中，为了识别网络中的不同设备，采用了2位十六进制编码，称为地址码，使系统中所有的被控设备都被赋予一个唯一地址码。

1.2.3 无线通信技术

随着物联网、云计算等新技术的发展，早期用于智能家居的有线技术虽然其数据传输可靠性强、传输速率高，但由于体积庞大、灵活性差、布线需钻墙凿洞、施工复杂、功能固定、成本相对较高，在智能家居的应用中开始显得力不从心，而取而代之的是无线通信/网络技术。无线通信/网络技术具有灵活多变、流动性佳、扩展性强等特点，更符合家庭网络通信需求，已成为智能家居技术发展的趋势，并将大大促进智能家居发展，实现大众家居生活智能化。

无线通信技术众多，已经成功应用在智能家居领域的无线通信技术方案主要有RF（射频）技术（射频大多为315MHz和433.92MHz）、WiFi技术、ZigBee技术、蓝牙技术、5G技术等。无线通信技术方案的主要优势在于无须布线，安装方便灵活，而且可以根据需求随时扩展或改装。无线通信最大的缺点在于信号容易受干扰，导致系统不稳定，直接影响用户体验。

1.RF（射频）技术

RF（Radio Frequency，射频）技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术。具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频，当电流流过导体时，导体周围会形成磁场；交变电流通过导体，导体周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。在电磁波频率低于300kHz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输；在电磁波频率高于300kHz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离传输能力。

普通家用或商用接收器通常使用红外线（IR），信号收发要求直线路径，容易受外物遮挡。使用无线射频技术，信号收发不受外物遮挡，凡在系统覆盖范围内，不论任何方位或角度，接收皆准确可靠。此外，信号根据使用地区的不同，由315MHz或433.92MHz无线频率传输，穿墙越壁，不受任何外物遮挡；系统在开放环境中，覆盖范围可达100m；无线射频耗电量低，覆盖面广，无论走到任何角落，操控都是最方便可靠、自由舒心的。RF技术的优点是部分产品无须重新布线，通过高频的无线频率（315MHz或433.92MHz）点对点传输，实现对家电和灯光的控制，安装设置都比较方便，主要应用于实现对某些特定电器或灯光的控制，成本适中。

2.WiFi技术

WiFi（Wireless Fidelity，无线保真）技术是一种短距离无线技术。该技术使用2.4GHz附近的频段，由一个名为WECA（Wireless Ethernet Compatibility Alliance，无线以太网兼容性联盟）的组织发布。它目前可使用的标准有两个：IEEE802.11a和IEEE802.11b。

WiFi是由AP（Access Point，接入点）和无线网卡组成的无线网络。AP也称为网络桥接器，它是传统有线局域网络与无线局域网络之间的桥梁，因此任何一台装有无线网卡的PC均可通过AP去分享有线局域网络甚至广域网络的资源，其工作原理相当于一个内置无线发射器的Hub或路由器。

WiFi技术是以太网的一种无线扩展，其组网的成本更低，传输速率较高、速度非常快，无线电波的覆盖范围半径则可达100m，可以嵌入其他设备中。

基于WiFi技术的智能家居产品最为常见，其优势在于传输速率高，且产品成本低，具有更好的可扩展性、移动性，在生活中也最普及，对用户来说，基于WiFi的智能家居组合最省事，购买设备直接组网即可。在智能家居系统应用中，WiFi智能网关就是家庭的一个智能化枢纽，经过智能网关上的无线射频模块与收集中各子节点进行通信，实现家电的控制；经过Web网络控制智能网关，从而实现对家电的远程控制。

WiFi虽然传输快、普及广，但也存在着自身的技术劣势：其最大的问题是安全性非常低，无线稳定性弱；功耗大也是其弱点之一，将导致其在家居领域的应用受限，例如智能门锁、红外转发控制器、各种传感器等不适宜使用；此外，WiFi的组网能力也相对较弱，目前WiFi网络的实际规模一般不超过16个设备，而实际家居环境中，仅开关、照明、家电的数量就已远远多于16个，显然发展空间受到了一定的限制。

3.ZigBee技术

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术；主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间的数据传输，以及周期性数据、间歇性数据、低反应时间数据传输。ZigBee协议架构建立IEEE802.15.4标准基础之上。IEEE802.15.4标准定义了ZigBee协议的物理层（PHY）和媒介访问控制层（MAC）；ZigBee联盟则定义了ZigBee协议的网络层（NWK）、应用层（APL）和安全服务规范。

ZigBee设备按网络功能分为三种：网络协调器（Network Coordinator）、路由器（Router）及终端设备（End-Device）。前两种都是FFD（Full Function Device，全功能设备），可以与任何节点通信；终端节点是RFD（Reduce Function Device，简化功能设备）。

网络协调器负责启动整个网络。它也是网络的第一个设备。网络协调器选择一个信道和一个网络ID（也称为PANID，即Personal Area Network ID），随后启动整个网络。路由器允许其他设备加入网络，多跳路由和协助它自己的子终端设备的通信。终端设备没有特定的维持网络结构的责任，它可睡眠或被唤醒，因此它可以是一个电池供电设备。

ZigBee的特点是数据传输速率低、功耗低、成本低、网络容量大、网络自组织、自愈能力强，通信可靠、数据安全、工作频段灵活。

ZigBee智能家居以家庭为单位进行设计安装，每个家庭都安装一个家庭网关、若干个无线通信ZigBee子节点模块。在家庭网关和每个子节点上都接有一个无线网络收发模块（符合ZigBee技术标准的产品），通过这些无线网络收发模块，在网关和子节点之间传送数据。

4.蓝牙技术

蓝牙（Bluetooth）技术是一种支持设备短距离通信（一般在10m内）的无线电技术，能在移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑及其他相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。它使用跳频扩谱（FHSS）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）等先进技术，在小范围内建立多种通信与信息系统之间的信息传输。但这只是点对点的短距离通信，其功耗介于ZigBee技术和WiFi技术之间，一般有效的范围在10m左右，抗干扰能力不强。在智能家居应用中，该技术一般只能作为一种辅助方式，用来传传手机里的音乐等，无法派上大用场。

5.5G技术

第五代移动通信技术（5th Generation Mobile Networks或5th Generation Wireless Systems、5th-Generation，5G或5G技术）是最新一代蜂窝移动通信技术，也是4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系统之后的延伸。5G的性能目标是提高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、增加系统容量和大规模设备连接。2019年10月31日，三大运营商公布5G商用套餐，并于11月1日正式上线5G商用套餐。