一、引言
1.1 智能建筑家居系統(tǒng)的產(chǎn)生背景
智能住宅是近幾年產(chǎn)生并迅速崛起的一種新型住宅，而家居的智能化是其最重要最基本的內(nèi)容，它是建筑藝術(shù)、生活理念與信息技術(shù)、電子技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)的完善綜合。
家居的智能化為住戶提供了一種更加安全、舒適、方便、快捷和開放的智能化、信息化的生活空間。它不僅已經(jīng)成為一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)的綜合標(biāo)志之一，而且也是人類社會(huì)住宅發(fā)展的必然趨勢。
1.2 智能家居系統(tǒng)的功能
智能家居一般是指將家庭中各種與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器和家庭保安裝置，通過家庭總線技術(shù)連接到一個(gè)智能家庭控制器上，并把其中的一些設(shè)備和裝置通過家庭網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)其現(xiàn)場和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)視、控制、家庭事務(wù)性管理，并保持這些家庭設(shè)施與住戶及環(huán)境的和諧與協(xié)調(diào)。
智能家居系統(tǒng)一般具有如下功能：
⑴ 家庭聯(lián)網(wǎng)功能：通過智能家居控制器的 HUB 功能，可接入電腦組建家庭局域網(wǎng)，并可同時(shí)使用一個(gè)賬號上寬帶網(wǎng)，節(jié)省費(fèi)用。支持家庭網(wǎng)絡(luò)綜合布線，避免今后增加電腦卻沒布線的煩惱，特別適合遠(yuǎn)程購物、遠(yuǎn)程教學(xué)及遠(yuǎn)程醫(yī)療、家庭辦公、娛樂和未來信息家電上網(wǎng)的需求；
(2)防盜報(bào)警功能：通過接入各種紅外探頭、門磁開關(guān)，并可根據(jù)需要隨時(shí)布防撤防，相當(dāng)于安裝了電子�；\、電子窗和電子防盜門，可以快速探知并警告闖入的不法分子，保衛(wèi)人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全；
(3)防災(zāi)報(bào)警功能：通過接入煙霧探頭、瓦斯探頭和水浸探頭，全天候 24 小時(shí)監(jiān)控可能發(fā)生的火災(zāi)、煤氣泄漏和溢水漏水，并可在發(fā)生報(bào)警時(shí)聯(lián)動(dòng)關(guān)閉氣閥、水閥，為家庭構(gòu)建堅(jiān)實(shí)的安全屏障；
(4)遠(yuǎn)程控制功能：利用電話或手機(jī)可在辦公室或其他地點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制家庭電器開關(guān)及布撤防等，如下班前利用電話打開家里的空調(diào)，回到家后便可享受溫暖如春的環(huán)境；
二、智能建筑家居系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)及其發(fā)展
2.1 智能建筑家居系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
智能家居系統(tǒng)由家庭網(wǎng)關(guān)、家庭局域網(wǎng)、家庭設(shè)備等部分組成。相互的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖所示。
圖1-1
由圖1-1可以發(fā)現(xiàn)，家庭網(wǎng)絡(luò)是智能家居系統(tǒng)的聯(lián)系樞紐。沒有家庭網(wǎng)絡(luò)，其他部分就處于孤立的的狀態(tài)，系統(tǒng)的功能大都無法實(shí)現(xiàn)，所以家庭局域網(wǎng)的設(shè)計(jì)是構(gòu)建智能家庭系統(tǒng)的前提和基礎(chǔ)。組網(wǎng)的參照 OSI(Open System Interconnection)的網(wǎng)絡(luò)模式，可以簡單地把欲實(shí)現(xiàn)上述功能的家庭網(wǎng)絡(luò)分為如下四層模式。相應(yīng)的家庭網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)可以分為兩種情況:1、2 層的協(xié)議規(guī)范可以叫做底層協(xié)議規(guī)范，中間件層（3 層)協(xié)議規(guī)范和 IV 層（4 層)規(guī)范可以稱作高層協(xié)議規(guī)范。
2.2 智能建筑家居系統(tǒng)的通訊媒體技術(shù)
家庭網(wǎng)絡(luò)的通訊主要是以物理媒體層的實(shí)際電磁信號為主要傳輸載體，所以物理媒體層傳輸介質(zhì)是整個(gè)家居網(wǎng)絡(luò)的物質(zhì)基礎(chǔ)。因而家庭網(wǎng)絡(luò)的通訊媒體的選用是很重要的。目前，家庭網(wǎng)絡(luò)的通訊媒體主要有以太網(wǎng)(雙絞線)、電話線、電力線、紅外線、電纜和光纖等幾種，但當(dāng)前主要以雙絞線、電話線和電力線為主，家庭無線網(wǎng)絡(luò)將以其靈活方便和可移動(dòng)計(jì)算的特點(diǎn)而成為未來發(fā)展的方向。
2.2.1 有線通訊技術(shù)
有線通訊方式主要利用家庭中的電力載波、總線技術(shù)等方式進(jìn)行通訊。
(1) 電力載波
x10是一種國際通用的智能家居電力載波協(xié)議（即一種通訊“語言”），用這種“語言”的兼容產(chǎn)品可以通過電力線相互“說話”，無需重新布線，被控制的電器可多達(dá)256路。低廉的價(jià)格、上千種的產(chǎn)品以及簡單的設(shè)置方式可以使您迅速進(jìn)入智能家居時(shí)代。
X-10是以50Hz或（60Hz）為載波，再以120KHz的脈沖為調(diào)變波（Modulating Wave），發(fā)展出來的數(shù)位控制技術(shù)，并制定出一套控制規(guī)格，是以電力線為連接介質(zhì)對電子設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的通訊協(xié)議。在許多國家已廣泛的應(yīng)用于家庭安全監(jiān)控、家用電器控制、室內(nèi)照明控制、背景音樂控制和住宅儀表數(shù)字讀取等方面。該系統(tǒng)的特點(diǎn)有：安裝施工簡便，系統(tǒng)調(diào)試比較簡單；可用于舊房子改造工程，新房子裝修工程；系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、安全；使用方便，操作簡單；具有系統(tǒng)擴(kuò)展功能；產(chǎn)品價(jià)位比較底。
(2) 總線技術(shù)
總線技術(shù)在智能家居行業(yè)當(dāng)中，目前可以算是應(yīng)用最為廣泛的一種技術(shù)手段。消費(fèi)電子總線技術(shù)是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）于1984年4月開始組織開發(fā)出的家居網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，于1992年正式推出，并定義為IS-60/EIA-600標(biāo)準(zhǔn)。參與研究開發(fā)（CEBus）的公司多達(dá)幾百家，像IBM、Bell、Panasonic、Sony等都是它的會(huì)員。CEBus是一個(gè)較完整的開放系統(tǒng)，并要求控制信號在所有的介質(zhì)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(xiàn)的“瓶頸”問題。但由于CE Bus接口技術(shù)比較復(fù)雜，價(jià)錢非常昂貴，因此CEBus在中國的應(yīng)用也不多見。
2.2.2 無線通訊技術(shù)
家庭網(wǎng)絡(luò)無線通訊方式主要集中于紅外線、無線射頻、ZigBee三種技術(shù)的應(yīng)用。
(1)紅外線
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，紅外遙控己廣泛應(yīng)用于家用電器、安全保衛(wèi)、工業(yè)控制以及人們?nèi)粘Ｉ畹确椒矫婷�。紅外遙控調(diào)制簡單，易于編碼，可實(shí)現(xiàn)多路控制，成熟的紅外線遙控技術(shù)與微處理器結(jié)合，擴(kuò)大了紅外技術(shù)的應(yīng)用范圍。紅外遙控的主要問題是紅外線無法穿透墻壁，應(yīng)用受到空間的限制，因此只適合作為家庭網(wǎng)絡(luò)的輔助通訊媒體。
(2)無線射頻
無線射頻技術(shù)的成熟性在很多應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)得到了驗(yàn)證。與其它方式的家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比，無線系統(tǒng)的費(fèi)用較為昂貴，一方面，是因?yàn)橐袑ｉT的較大功率的收發(fā)器；另一方面，是要用數(shù)字信號處理芯片過濾來自其它設(shè)備的干擾。當(dāng)前無線局域網(wǎng)有多種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因不同廠家產(chǎn)品不能互操作而給其市場拓展帶來限制。三個(gè)最有潛力的無線技術(shù)是:IEEE802.11 協(xié)議、共享無線接入?yún)f(xié)議(SWAP)和藍(lán)牙技術(shù)。
(3)ZigBee
ZigBee技術(shù)，它是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，符合IEEE802.15.4協(xié)議，是IEEE工作組專門為家庭短距離通訊制定的新標(biāo)準(zhǔn)。
ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：(1)省電：兩節(jié)五號電池可使用長達(dá)六個(gè)月到兩年左右的時(shí)間;(2)可靠;采用了碰撞避免機(jī)制;(3)成本低;(4)安全：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AES-128，各種應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)完全符合家庭網(wǎng)絡(luò)通訊的需要，因此選擇ZigBee技術(shù)構(gòu)建智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
2.3 智能建筑家居系統(tǒng)的 Internet 技術(shù)
我國接入網(wǎng)的建設(shè)始于90年代中期,到目前為止,網(wǎng)上運(yùn)行的接入網(wǎng)設(shè)備絕大部分是窄帶接入系統(tǒng)。近幾年,Internet 以驚人的速度迅猛發(fā)展,隨著其服務(wù)內(nèi)容的增多,用戶對數(shù)據(jù)傳送速率的需求也日益增加。目前,智能家居接入Internet的方式主要有以下幾種:局域網(wǎng)專線接人、ADSL接入、CableModem接入等。
1.1 智能建筑家居系統(tǒng)的產(chǎn)生背景
智能住宅是近幾年產(chǎn)生并迅速崛起的一種新型住宅，而家居的智能化是其最重要最基本的內(nèi)容，它是建筑藝術(shù)、生活理念與信息技術(shù)、電子技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)的完善綜合。
家居的智能化為住戶提供了一種更加安全、舒適、方便、快捷和開放的智能化、信息化的生活空間。它不僅已經(jīng)成為一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)的綜合標(biāo)志之一，而且也是人類社會(huì)住宅發(fā)展的必然趨勢。
1.2 智能家居系統(tǒng)的功能
智能家居一般是指將家庭中各種與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器和家庭保安裝置，通過家庭總線技術(shù)連接到一個(gè)智能家庭控制器上，并把其中的一些設(shè)備和裝置通過家庭網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)其現(xiàn)場和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)視、控制、家庭事務(wù)性管理，并保持這些家庭設(shè)施與住戶及環(huán)境的和諧與協(xié)調(diào)。
智能家居系統(tǒng)一般具有如下功能：
⑴ 家庭聯(lián)網(wǎng)功能：通過智能家居控制器的 HUB 功能，可接入電腦組建家庭局域網(wǎng)，并可同時(shí)使用一個(gè)賬號上寬帶網(wǎng)，節(jié)省費(fèi)用。支持家庭網(wǎng)絡(luò)綜合布線，避免今后增加電腦卻沒布線的煩惱，特別適合遠(yuǎn)程購物、遠(yuǎn)程教學(xué)及遠(yuǎn)程醫(yī)療、家庭辦公、娛樂和未來信息家電上網(wǎng)的需求；
(2)防盜報(bào)警功能：通過接入各種紅外探頭、門磁開關(guān)，并可根據(jù)需要隨時(shí)布防撤防，相當(dāng)于安裝了電子�；\、電子窗和電子防盜門，可以快速探知并警告闖入的不法分子，保衛(wèi)人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全；
(3)防災(zāi)報(bào)警功能：通過接入煙霧探頭、瓦斯探頭和水浸探頭，全天候 24 小時(shí)監(jiān)控可能發(fā)生的火災(zāi)、煤氣泄漏和溢水漏水，并可在發(fā)生報(bào)警時(shí)聯(lián)動(dòng)關(guān)閉氣閥、水閥，為家庭構(gòu)建堅(jiān)實(shí)的安全屏障；
(4)遠(yuǎn)程控制功能：利用電話或手機(jī)可在辦公室或其他地點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制家庭電器開關(guān)及布撤防等，如下班前利用電話打開家里的空調(diào)，回到家后便可享受溫暖如春的環(huán)境；
二、智能建筑家居系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)及其發(fā)展
2.1 智能建筑家居系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
智能家居系統(tǒng)由家庭網(wǎng)關(guān)、家庭局域網(wǎng)、家庭設(shè)備等部分組成。相互的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖所示。
圖1-1
由圖1-1可以發(fā)現(xiàn)，家庭網(wǎng)絡(luò)是智能家居系統(tǒng)的聯(lián)系樞紐。沒有家庭網(wǎng)絡(luò)，其他部分就處于孤立的的狀態(tài)，系統(tǒng)的功能大都無法實(shí)現(xiàn)，所以家庭局域網(wǎng)的設(shè)計(jì)是構(gòu)建智能家庭系統(tǒng)的前提和基礎(chǔ)。組網(wǎng)的參照 OSI(Open System Interconnection)的網(wǎng)絡(luò)模式，可以簡單地把欲實(shí)現(xiàn)上述功能的家庭網(wǎng)絡(luò)分為如下四層模式。相應(yīng)的家庭網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)可以分為兩種情況:1、2 層的協(xié)議規(guī)范可以叫做底層協(xié)議規(guī)范，中間件層（3 層)協(xié)議規(guī)范和 IV 層（4 層)規(guī)范可以稱作高層協(xié)議規(guī)范。
2.2 智能建筑家居系統(tǒng)的通訊媒體技術(shù)
家庭網(wǎng)絡(luò)的通訊主要是以物理媒體層的實(shí)際電磁信號為主要傳輸載體，所以物理媒體層傳輸介質(zhì)是整個(gè)家居網(wǎng)絡(luò)的物質(zhì)基礎(chǔ)。因而家庭網(wǎng)絡(luò)的通訊媒體的選用是很重要的。目前，家庭網(wǎng)絡(luò)的通訊媒體主要有以太網(wǎng)(雙絞線)、電話線、電力線、紅外線、電纜和光纖等幾種，但當(dāng)前主要以雙絞線、電話線和電力線為主，家庭無線網(wǎng)絡(luò)將以其靈活方便和可移動(dòng)計(jì)算的特點(diǎn)而成為未來發(fā)展的方向。
2.2.1 有線通訊技術(shù)
有線通訊方式主要利用家庭中的電力載波、總線技術(shù)等方式進(jìn)行通訊。
(1) 電力載波
x10是一種國際通用的智能家居電力載波協(xié)議（即一種通訊“語言”），用這種“語言”的兼容產(chǎn)品可以通過電力線相互“說話”，無需重新布線，被控制的電器可多達(dá)256路。低廉的價(jià)格、上千種的產(chǎn)品以及簡單的設(shè)置方式可以使您迅速進(jìn)入智能家居時(shí)代。
X-10是以50Hz或（60Hz）為載波，再以120KHz的脈沖為調(diào)變波（Modulating Wave），發(fā)展出來的數(shù)位控制技術(shù)，并制定出一套控制規(guī)格，是以電力線為連接介質(zhì)對電子設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的通訊協(xié)議。在許多國家已廣泛的應(yīng)用于家庭安全監(jiān)控、家用電器控制、室內(nèi)照明控制、背景音樂控制和住宅儀表數(shù)字讀取等方面。該系統(tǒng)的特點(diǎn)有：安裝施工簡便，系統(tǒng)調(diào)試比較簡單；可用于舊房子改造工程，新房子裝修工程；系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、安全；使用方便，操作簡單；具有系統(tǒng)擴(kuò)展功能；產(chǎn)品價(jià)位比較底。
(2) 總線技術(shù)
總線技術(shù)在智能家居行業(yè)當(dāng)中，目前可以算是應(yīng)用最為廣泛的一種技術(shù)手段。消費(fèi)電子總線技術(shù)是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）于1984年4月開始組織開發(fā)出的家居網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，于1992年正式推出，并定義為IS-60/EIA-600標(biāo)準(zhǔn)。參與研究開發(fā)（CEBus）的公司多達(dá)幾百家，像IBM、Bell、Panasonic、Sony等都是它的會(huì)員。CEBus是一個(gè)較完整的開放系統(tǒng)，并要求控制信號在所有的介質(zhì)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(xiàn)的“瓶頸”問題。但由于CE Bus接口技術(shù)比較復(fù)雜，價(jià)錢非常昂貴，因此CEBus在中國的應(yīng)用也不多見。
2.2.2 無線通訊技術(shù)
家庭網(wǎng)絡(luò)無線通訊方式主要集中于紅外線、無線射頻、ZigBee三種技術(shù)的應(yīng)用。
(1)紅外線
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，紅外遙控己廣泛應(yīng)用于家用電器、安全保衛(wèi)、工業(yè)控制以及人們?nèi)粘Ｉ畹确椒矫婷�。紅外遙控調(diào)制簡單，易于編碼，可實(shí)現(xiàn)多路控制，成熟的紅外線遙控技術(shù)與微處理器結(jié)合，擴(kuò)大了紅外技術(shù)的應(yīng)用范圍。紅外遙控的主要問題是紅外線無法穿透墻壁，應(yīng)用受到空間的限制，因此只適合作為家庭網(wǎng)絡(luò)的輔助通訊媒體。
(2)無線射頻
無線射頻技術(shù)的成熟性在很多應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)得到了驗(yàn)證。與其它方式的家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比，無線系統(tǒng)的費(fèi)用較為昂貴，一方面，是因?yàn)橐袑ｉT的較大功率的收發(fā)器；另一方面，是要用數(shù)字信號處理芯片過濾來自其它設(shè)備的干擾。當(dāng)前無線局域網(wǎng)有多種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因不同廠家產(chǎn)品不能互操作而給其市場拓展帶來限制。三個(gè)最有潛力的無線技術(shù)是:IEEE802.11 協(xié)議、共享無線接入?yún)f(xié)議(SWAP)和藍(lán)牙技術(shù)。
(3)ZigBee
ZigBee技術(shù)，它是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，符合IEEE802.15.4協(xié)議，是IEEE工作組專門為家庭短距離通訊制定的新標(biāo)準(zhǔn)。
ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：(1)省電：兩節(jié)五號電池可使用長達(dá)六個(gè)月到兩年左右的時(shí)間;(2)可靠;采用了碰撞避免機(jī)制;(3)成本低;(4)安全：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AES-128，各種應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)完全符合家庭網(wǎng)絡(luò)通訊的需要，因此選擇ZigBee技術(shù)構(gòu)建智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
2.3 智能建筑家居系統(tǒng)的 Internet 技術(shù)
我國接入網(wǎng)的建設(shè)始于90年代中期,到目前為止,網(wǎng)上運(yùn)行的接入網(wǎng)設(shè)備絕大部分是窄帶接入系統(tǒng)。近幾年,Internet 以驚人的速度迅猛發(fā)展,隨著其服務(wù)內(nèi)容的增多,用戶對數(shù)據(jù)傳送速率的需求也日益增加。目前,智能家居接入Internet的方式主要有以下幾種:局域網(wǎng)專線接人、ADSL接入、CableModem接入等。
