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(jìn)缺點(diǎn)，導(dǎo)致目前沒有一種真正意義上國際標(biāo)準(zhǔn)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(shù)特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)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(diǎn)與其類似便更名為ZigBee。ZigBee主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備，其特點(diǎn)是傳播距離近、低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)速率、可自組網(wǎng)、協(xié)議簡單。 　　ZigBee的主要優(yōu)點(diǎn)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(shè)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(fèi)免收，傳輸速率較小且協(xié)議簡單，大大降低了ZigBee設(shè)備的成本。 　　3. 掉線率低 　　由于ZigBee的避免碰撞機(jī)制，且同時為通信業(yè)務(wù)的固定帶寬預(yù)留了專用的時間空隙，使得在數(shù)據(jù)傳輸時不會發(fā)生競爭和沖突；可自組網(wǎng)的功能讓其每個節(jié)點(diǎn)模塊之間都能建立起聯(lián)系，接收到的信息可通過每個節(jié)點(diǎn)模塊間的線路進(jìn)行傳輸，使得ZigBee傳輸信息的可靠性大大提高了，幾乎可以認(rèn)為是不會掉線的。 　　4. 組網(wǎng)能力強(qiáng) 　　ZigBee的組網(wǎng)能力超群，建立的網(wǎng)絡(luò)每個有60，000個節(jié)點(diǎn)。 　　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(diǎn)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(diǎn)的前提下，以節(jié)點(diǎn)模塊作為接收端也作為發(fā)射端，便可實(shí)現(xiàn)較長距離的信息傳輸。 　　2. 數(shù)據(jù)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(yīng)答和重傳，去除掉這些后實(shí)際可應(yīng)用的速率會低于100 Kb/s，在多個節(jié)點(diǎn)運(yùn)行多個應(yīng)用時速率還要被他們分享掉。 3. 會有延時性 　　ZigBee在隨機(jī)接入MAC層的同時不支持時分復(fù)用的信道接入方式，因此在支持一些實(shí)時的應(yīng)用時會因?yàn)榘l(fā)送多跳和沖突會產(chǎn)生延時。 　　二、Bluetooth(藍(lán)牙協(xié)議) 　　藍(lán)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(lǐng)先開發(fā)商一同制定了藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，最終將此種無線通信技術(shù)命名為藍(lán)牙。藍(lán)牙技術(shù)是一種可使電子設(shè)備在10～100 m的空間范圍內(nèi)建立網(wǎng)絡(luò)連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或者語音通話的無線通信技術(shù)。 　　藍(lán)牙的優(yōu)點(diǎn)如下： 　　1. 功耗低且傳輸速率快 　　藍(lán)牙的短數(shù)據(jù)封包特性是其低功耗技術(shù)特點(diǎn)的根本，傳輸速率可達(dá)到1Mb/s，且所有連接均采用先進(jìn)的嗅探性次額定功能模式以實(shí)現(xiàn)超低的負(fù)載循環(huán)。 　　2. 建立連接的時間短 　　藍(lán)牙用應(yīng)用程序打開到建立連接只需要短短的3ms，同時能以數(shù)毫秒的傳輸速度完成經(jīng)認(rèn)可的數(shù)據(jù)傳遞后并立即關(guān)閉連接。 　　3. 穩(wěn)定性好 　　藍(lán)牙低功耗技術(shù)使用24位的循環(huán)重復(fù)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(shù)為數(shù)據(jù)封包提供高度加密性及認(rèn)證度。 　　藍(lán)牙的缺點(diǎn)如下： 　　1. 數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇笮∈芟? 　　高速跳頻使得藍(lán)牙傳輸信息時有極高的安全性，但同時也限制了藍(lán)牙傳輸過程中數(shù)據(jù)包不可能太大。即使在所謂的高保真藍(lán)牙耳機(jī)中高低頻部分也是會被嚴(yán)重壓縮的。 　　2. 設(shè)備連接數(shù)量少 　　相對于Wifi與ZigBee，藍(lán)牙連接設(shè)備能力確實(shí)較差，理論上可連接8臺設(shè)備，實(shí)際上也就只能做到6——7個設(shè)備連接。 　　3. 藍(lán)牙設(shè)備的單一連接性 　　假設(shè)我用A手機(jī)連接了一個藍(lán)牙設(shè)備，那么B手機(jī)是連接不上它的，一定要我與此藍(lán)牙設(shè)備之間的握手協(xié)議斷開B手機(jī)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?jǐn)?shù)據(jù)，圖像，語音和多媒體且輸出速率高達(dá)54Mb/s的短程無線傳輸技術(shù)，在幾百米的范圍內(nèi)可讓互聯(lián)網(wǎng)接入者接收到無線電信號。WiFi的首版于1997年問世，當(dāng)時其中定義了物理層和介質(zhì)訪問接入控制層(MAC層)，并在規(guī)定了無線局域網(wǎng)的基本傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的同時規(guī)范了介質(zhì)訪問層(MAC)的特性和物理層(PHY)，其中物理層采用的是FSSS(調(diào)頻擴(kuò)頻)技術(shù)、紅外技術(shù)和DSSS(直接序列擴(kuò)頻)技術(shù)。在1999年又新增了IEEE 802.11g和IEEE 802.11a標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行完善。 　　WiFi優(yōu)點(diǎn)： 　　1. 傳輸范圍廣 　　WiFi的電波覆蓋范圍半徑高達(dá)100 m，甚至連整棟大樓都可以覆蓋，相對于半徑只有15m藍(lán)牙，優(yōu)勢相當(dāng)明顯。 2. 傳輸速度快 　　高達(dá)54Mb/s的傳輸速率使得WiFi的用戶可以隨時隨地接收網(wǎng)絡(luò)，并可快速地享受到類似于網(wǎng)絡(luò)游戲、視頻點(diǎn)播(VOD)、遠(yuǎn)程教育、網(wǎng)上證券、遠(yuǎn)程醫(yī)療、視頻會議等一系列寬帶信息增值服務(wù)。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(shè)備在IEEE 802.11的規(guī)定下發(fā)射功率不能超過100 mW，而實(shí)際的發(fā)射功率可能也就在60～70 mW。與類似的通信設(shè)備相比，手機(jī)發(fā)射功率約在200 mW～1 W，而手持式對講機(jī)更是高達(dá)5 W。相對于這兩者WiFi產(chǎn)品的輻射更小。 　　4. 普及應(yīng)用度高 　　現(xiàn)今配置WiFi的電子設(shè)備越來越多，手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦、MP4幾乎都將WiFi列入了他們的主流標(biāo)準(zhǔn)配置。 　　WiFi缺點(diǎn)： 　　1.功耗大 　　2.價格貴 　　3.協(xié)議編碼復(fù)雜 　　四、LPWAN（低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)）： 　　全球最大的芯片廠商英特爾、高通，全球通信設(shè)備巨頭華為、諾基亞、愛立信，以及全球運(yùn)營商巨頭沃達(dá)豐、中國移動等均加速低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)(LPWAN)的商用，LPWAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)也取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，2016年將是LPWAN發(fā)展的重大里程碑，屆時不僅各行業(yè)應(yīng)用快速增加，基于Wi-Fi、藍(lán)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(shù)，利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。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(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)百M(fèi)bit/s至數(shù)Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。 　　六、Z-Wave協(xié)議： 　　是由丹麥公司Zensys所一手主導(dǎo)的無線組網(wǎng)規(guī)格，Z-wave聯(lián)盟(Z-wave Alliance)雖然沒有ZigBee聯(lián)盟強(qiáng)大，但是Z-wave聯(lián)盟的成員均是已經(jīng)在智能家居領(lǐng)域有現(xiàn)行產(chǎn)品的廠商，該聯(lián)盟已經(jīng)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(nèi)應(yīng)用不光。 　　七、RF射頻協(xié)議： 　　較常見的應(yīng)用有無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)，常稱為感應(yīng)式電子晶片或近接卡、感應(yīng)卡、非接觸卡、電子標(biāo)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(qū)動接收器電路將內(nèi)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(shù)委員會(International Electrotechnical Commission)將EnOcean無線通信標(biāo)準(zhǔn)采納為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 14543-3-10，這也是世界上唯一使用能量采集技術(shù)的無線國際標(biāo)準(zhǔn)。 　　九、ModBus協(xié)議： 　　是由Modicon(現(xiàn)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(xiàn)場的總線協(xié)議。ModBus網(wǎng)絡(luò)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(jī)通過公用線路或局部專用線路連接而成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既包括硬件、亦包括軟件。它可應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)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(chǔ)，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(diǎn)，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(shè)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(shè)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(lián)合推出， 是一種基于IP的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，用來連接家里的智能產(chǎn)品。 結(jié)束語 目前的各類協(xié)議在各自的領(lǐng)域內(nèi)都有應(yīng)用的場景，沒有誰會完全的取代誰，可以預(yù)見的是隨著智能設(shè)備的發(fā)展，未來會出現(xiàn)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(xiàn)，我們將拭目以待。 有線技術(shù) ? 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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 總線式 星形 總線式、星形 總線式、星形、自由拓?fù)涞榷喾N拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 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(wǎng)絡(luò)容量 32/網(wǎng)段，可擴(kuò)充至255 網(wǎng)段類型決定網(wǎng)段容量，可無限擴(kuò)充 64或128/網(wǎng)段，可擴(kuò)充至65536 64/網(wǎng)段，32385/域，可無限擴(kuò)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(yīng)用 工業(yè)自動化 互聯(lián)網(wǎng) 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(shù) ? RF射頻 Bluetooth藍(lán)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(diào)制方式 模擬?-> 數(shù)字GFSK 數(shù)字GFSK， π/4-DQPSK， 8DPSK 數(shù)字DSSS/OFDM等 數(shù)字BPSK/QPSK 數(shù)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 點(diǎn)到點(diǎn) 微微網(wǎng)(Piconet)和分布式網(wǎng)絡(luò)(Scatternet) 蜂窩 動態(tài)路由自組織網(wǎng) 動態(tài)路由自組織網(wǎng) 通訊速率（bps） 1.2K~19.2K 1M 1M～600M 250K 9.6K 網(wǎng)絡(luò)容量 取決于協(xié)議 8，可擴(kuò)充8+255 50，取決于AP性能 255，可擴(kuò)充至65000 232 協(xié)議規(guī)范 無 藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟 國際級IEEE 802.11 國際級IEEE 802.15.4 Z-wave聯(lián)盟 安全與加密 無 密鑰，加密機(jī)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(yàn)(CRC)， AES-128的加密算法 無加密 典型應(yīng)用 遙控、門鈴 鼠標(biāo)、無線耳機(jī)、手機(jī)、電腦等消費(fèi)電子 無線局域網(wǎng) 物聯(lián)網(wǎng)，涵蓋智能家居、工業(yè)控制、醫(yī)療、交通、安防、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域 智能家居、消費(fèi)電子 11 可編輯修改