智能家居系统工程技术 课件 单元 2-智能家居系统工程常用协议

单元2智能家居系统常用协议智能家居工程实用技术

智能家居系统不仅通信协议多种多样，而且更新换代速度快，本单元重点介绍智能家居系统工程常用的总线协议和无线协议，安排了安装基本技能实训等内容。智能家居系统常用协议2.1智能化系统常用通信协议2.2RS-485总线2.2.1RS-485总线协议的提出2.2.2RS-485总线协议常用器件2.2.3RS-485总线协议简介2.2.4RS-485总线协议在智能家居中的应用2.3CAN总线2.3.1CAN总线协议的提出2.3.2CAN总线协议的常用器件2.3.3CAN总线协议的简介2.3.4CAN总线协议在智能家居中的应用2.4LonWorks总线2.4.1LonWorks总线技术的提出2.4.2LonWorks总线技术常用器件2.4.3LonWorks总线技术的简介2.4.4LonWorks总线技术在智能家居中的应用

智能家居系统常用协议2.5射频识别（RFID）技术2.5.1射频识别技术的提出2.5.2射频识别技术的简介2.5.3射频识别技术在智能家居行业中的应用2.6蓝牙2.6.1蓝牙的提出2.6.2蓝牙的简介2.6.3蓝牙在智能家居行业中的应用2.7Wi-Fi2.7.1Wi-Fi的提出2.7.2Wi-Fi的简介2.7.3Wi-Fi在智能家居行业中的应用智能家居系统常用协议2.8ZigBee协议2.8.1ZigBee协议的提出2.8.2ZigBee协议的简介2.8.3ZigBee协议在智能家居行业中的应用2.9Z-Wave协议2.9.1Z-Wave协议的提出2.9.2Z-Wave协议的简介2.9.3Z-Wave协议在智能家居行业中的应用2.10应用案例西元智能家居技术原理实训装置2.1智能化系统常用通信协议

通信协议又称通信规程，是指通信双方对数据传送控制的一种约定。约定中包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守，它也叫做链路控制规程。不同的通信协议都有其存在的必要性，每一种协议都有它所主要依赖的操作系统和工作环境，在一个网络上运行的很好的通信协议，在另一个看起来很类似的网络上可能完全不合适。要实现网络间的正常通信就必须选择合适的通信协议，否则就会造成网络的接入速度太慢以及网络不稳定。智能化的发展主要由通信协议的更新换代推动，智能家居属于智能化系统的一个主要部分，根据协议的传输方式、传输速率、传输距离等特性条件，各个协议都有特定的应用范围和应用场景。

常见的总线协议包括：RS-485总线、CAN总线、LonWorks总线、KNX总线和PLC总线等常见的无线协议包括：RF、Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、Z-Wave等

2.2RS-485总线2.2.1RS-485总线协议的提出

随着分布式控制系统的发展，远距离数字通信的需求日益明显，已有的RS-232由于其通信距离短、传输速率低等缺点已不再适用。因此，美国电子工业协会（EIA）基于RS-232的不足提出了RS-422总线协议，RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输的规范，为了拓宽应用范围，EIA又在RS-422总线标准的基础上提出RS-485标准，RS-485标准采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，具有支持多节点、远距离接收、高灵敏度等优点。2.2.2RS-485总线协议常用器件RS-485总线协议常见的器件包括图2-1所示的光电隔离集线器，图2-2所示的信号放大中继器，图2-3所示的防雷型转换器，图2-4所示的串口服务器，图2-5所示的接口转换器，图2-6所示的数据采集器，图2-7所示的协议转换器。

图2-1光电隔离集线器图2-2信号放大中继器图2-3防雷型转换器图2-4串口服务器图2-5接口转换器图2-6数据采集器图2-7协议转换器2.2.3RS-485总线协议简介1.RS-232/422/485总线协议认知根据RS-232、RS-422、RS-485总线协议的特性，我们以通信方式的差异来全面认知和了解这些总线协议。表2-3为RS-232、RS-422、RS-485总线协议的区别。表2-3RS-232、RS-422、RS-485总线协议的区别

总线协议标准RS-232RS-422RS-485工作方式单端差分差分节点数1发1收1发10收1发32收最大传输电缆长度15米（50英尺）1200米(4000英尺)1200米(4000英尺)最大输出速率20Kbps10Mbps10Mbps最大驱动输出电压+/-25V-0.25～+6V-7V～+12V发送器输出信号电平（负载最小值）+/-5V～+/-15V±2.0V±1.5V发送器输出信号电平（空载最大值）+/-25V±6V±6V发送器负载阻抗（Ω）3K～7K10054接收器输入电压范围±15V-10V～+10V-7V～+12V接收器输入门限±3V±200mV±200mV接收器输入电阻（Ω）3K～7K4K（最小）≥12K发送器共模电压--3V～+3V-1V～+3V接收器共模电压--7V～+7V-7V～+12V2.RS-485总线协议的工作原理在RS-485总线协议中规定，数据信号采用差分传输方式，也称其为平衡传输，在RS-485器件中，有一个“使能”控制信号。“使能”信号用于控制发送器与传输线的切断与连接，当“使能”端起作用时，发送器处于高阻态，称作“第三态”，它是有别于逻辑1与逻辑0的第三种状态。如图2-8RS-485发送器工作原理图所示。对于接收器，也作出与发送器相对应的规定，收、发端通过平衡双绞线将A-A与B-B对应连接。当接收端A-B之间的电平大于+200mV时，输出为正逻辑电平，小于-200mV时，输出为负逻辑电平。在接受器的接收平衡线上，电平范围通常在200mV至6V之间。如图2-9接收器工作原理图所示。

图1-2RS-485发送器工作原理图图1-2接收器工作原理图3RS-485总线协议的基本特性解析RS-485总线协议基本内容，可以得出RS-485总线协议特性如下。

1）半双工工作方式RS-485总线采用半双工工作方式，支持多点数据通信。如图2-10所示。

2）多种拓扑结构RS-485总线网络拓扑一般采用终端匹配的直线型拓扑结构，即采用一条总线将各个节点串接起来，如图2-11所示。在工业应用中，常用到的网络拓扑结构还有星型和树型，如图2-12和2-13所示。不支持环形网络。

3）经济的通信平台4）抗干扰能力强5）收发器灵敏度很高6）支持节点更多7）传输距离长图1-2半双工工作方式图1-2直线型拓扑结构图图1-2星型拓扑结构图图1-2树型拓扑结构图2.2.4RS-485总线协议在智能家居中的应用1.RS-485总线型智能家居应用图1-2RS-485总线型智能家居应用拓扑图2.2.4RS-485总线协议在智能家居中的应用2.空调集成对接3.新风系统对接4.电动窗帘的对接5.摄像机对接

图1-2模拟摄像机直接连接到硬盘录像机RS-485接口图1-2通过RS-485转232转换器连接模拟摄像机与工控主机2.3CAN总线2.3.1CAN总线协议的提出

控制器局域网CAN（ControllerAreaNetwork）属于现场总线的范畴，是一种支持分布式控制系统的串行通信网络，是由德国BOSCH公司在20世纪80年代专门为汽车行业开发的一种串行通信总线。随着CAN总线在各个行业和领域的广泛应用，对其通信格式标准化也提出了更严格的要求。1991年CAN总线技术规范（Version2.0）制定并发布，该技术规范共包括A和B两个部分，其中2.0A给出了CAN报文标准格式，而2.0B则给出了标准的和扩展的两种格式。

2.3.2CAN总线协议的常用器件CAN总线协议常见的器件包括图2-17所示的CAN总线分析仪，图2-18所示的CAN总线服务器，图2-19所示的CAN总线网关等。

图1-2CAN总线分析仪图1-2CAN总线服务器图1-2CAN总线网关2.3.3CAN总线协议的简介1.CAN总线协议的认知CAN总线的物理层是将控制单元连接至总线的驱动电路，控制单元的总数受限于总线上的电气负荷。物理层定义了物理数据在总线上各节点间的传输过程，主要是连接介质、线路电气特性、数据的编码/解码、位定时和同步的实施标准。

1）CAN总线的物理层在CAN总线中，物理层从结构上可分为三层，分别是物理信号层、物理介质附件层和介质从属接口层。

2）CAN总线的节点

CAN总线网络上的节点不分主从，任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，通信方式灵活，利用这一特点可方便地构成多机备份系统。

3）CAN总线的数据链路层

CAN总线核心内容是数据链路层。

2.CAN总线协议的工作原理CAN总线使用串行数据传输方式，在40m的双绞线上可以以1Mb/s的速率运行，也可以使用光缆连接，而且支持多个控制器。当一个站要向其它站发送数据时，该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片，并处于准备状态，当该芯片收到总线分配时，转为发送报文状态，CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其它站处于接收状态，每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。

3.CAN总线协议的基本特性

1）抗电磁干扰能力强成本低、实时性强、传输距离较远、具有较强的抗电磁干扰的能力。

2）抗噪能力强采用双线串行通信方式，检错能力强，具有可靠的错误处理和检错机制，可在高噪声干扰环境中工作。

3）多主机控制网络具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN控制器挂到CAN总线上，形成多主机局部网络。

4）筛选报文可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文。

5）自动重发发送的信息遭到破坏后，可自动重发。

6）自动退出节点在错误严重的情况下，可自动退出总线。

7）安全可靠报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。2.3.4CAN总线协议在智能家居行业中的应用

CAN总线是一种应用较为广泛的现场总线，常用于生产过程控制和交通工具仪表互连等，近年来，随着智能家居行业的兴起，CAN总线也被应用于智能家居和小区管理系统。

图1-2智能家居系统中的双总线模式结构图

在现代家庭中，往往需要一个智能家居中心控制系统作为整个系统的枢纽，来完成智能家居系统中设备的控制。如图1-2所示，整个系统中有两条分离的CAN总线，一条是家庭内部总线，另一条由家庭内部连接到户外。这样的双总线设计模式，保证了家庭内部环境较少受到外界环境的影响，也保证了家庭隐私安全，同时隔离用户和抄表系统，避免用户篡改数据。2.4LonWorks总线技术2.4.1LonWorks总线技术的提出

LON（LocalOperatingNetworks）总线是由美国推出的局部操作网络，主要服务于集散式监控系统。LonWorks现场总线技术是美国Echelon公司在20世纪90年代推出的，其神经元芯片同时具备通信和控制功能，它可以解决在控制网络的设计、构成、安装和维护中出现的问题。目前采用LonWorks现场总线技术的产品广泛应用在工业、楼宇、家庭、能源等自动化领域，LON总线也是当前最为流行的现场总线之一。

2.4.2LonWorks总线技术常用器件

CAN总线是一种应用较为广泛的现场总线，常用于生产过程控制和交通工具仪表互连等，近年来，随着智能家居行业的兴起，CAN总线也被应用于智能家居和小区管理系统。LonWorks现场总线技术常见的器件包括图2-21所示的网络控制器，图2-22所示的网关，图2-23所示的房间温控器，图2-24所示的DDC控制器等。

图1-2网络控制器图1-2网关图1-2房间温控器图1-2DDC控制器2.4.3LonWorks总线技术的简介1.LonWorks总线技术的认知LonWorks技术的现场总线控制系统由LonWorks节点、路由器、LonWorks协议、LonWorksInternet连接设备、LonWorks收发器等组成。

1）节点以神经元芯片为核心的现场总线控制节点，常见的应用包括CPU、I/O处理单元、通信处理器、存储器和电源等。

2）路由器在LonWorks技术中，冲击器、桥接器等统称为路由器，它是LonWorks技术的一个重要的组成部分，它使得LonWorks网络突破了传统现场总线在通信介质、通信距离、通信速率方面的限制，用于控制网络业务量，并且，它可用来连接不同通信介质的LonWorks网络。

3）连接设备Lon为LonWorks的连接设备，用于LonWorks和互联网或者其他IP网络的无缝连接。

4）协议LonWorks协议被称为LonTalk协议和ANSI/EIA709.1控制网络标准，该协议直接面向对象，提供通信服务。

5）收发器收发器为LonWorks设备与网络提供物理通信接口，适用于不同的通信介质和网络拓扑。

2.LonWorks总线技术的工作原理在一个LonWorks控制网络中，智能控制设备（节点）使用同一协议与网络中的其它节点通信，每个节点都可对协议进行监控。一个LonWorks控制网络可以多个的节点，例如传感器（温度、压力等）、执行器（开关、调节阀、变频驱动等）、操作接口（显示、人机界面等）、控制器（新风机组等）。LonWorks分布式控制技术，舍弃传统的中央处理器，具有更高的系统可靠性，并且降低了系统成本，支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质和多种拓扑结构，被誉为通用控制网络。

3.LonWorks总线技术的基本特性

1）开放性网络协议开放，采用LonWorks技术的不同厂家的产品可在同一网络中协同工作。

2）通信媒介LonWorks技术是一个完整的控制网络，它包括从物理层到应用层以及网络操作系统的全部内容，可使用任何媒介进行通信，并且在同一网络中可存在多种通信媒介。

3）互操作性LonWorks技术所使用的LonTalk协议遵循ISO/OSI模型，任何制造商的产品之间都可以实现互操作。

4）网络结构多样网络结构可以是主从式、对等式或服务式，网络拓扑结构可以是星型、总线型、环型和自由型。

5）网络结构完整LonWorks技术支持域、子网、节点等完整的网络结构，其网络长度可达2700米，一个LonWorks网络的一个域最多支持32385个节点，每个子网有64个节点。

6）耐共模干扰能力强LonWorks技术有较强的耐共模干扰的能力，可工作在较为复杂的环境中。

7）可靠性高LonWorks技术为对等式通信网络，各节点地位均等，无主从节点之分，可靠性高，

8）实用性强LonWorks技术网络安装、组网和维护比较容易，有助于提高工作效率，较为实用。2.4.4LonWorks总线技术在智能家居行业中的应用基于LonWorks技术的智能家居系统，可完成电表、煤气表、冷热水表等数据的采集和传输，可通过红外、气体探测器等进行安防报警，可实现对家电、照明等设备的控制，可对室内温度、湿度、空气质量进行监测。图2-25所示为LonWorks总线技术在智能家居行业中的应用系统结构图。

图2-25LonWorks总线技术在智能家居行业中的应用系统结构图2.5射频识别（RFID）技术2.5.1射频识别技术的提出1.射频识别技术产生的背景RFID（RadioFrequencyIdentification）技术作为构建“物联网”的关键技术近年来受到越来越多的关注。

RFID技术最早起源于英国，在第二次世界大战中，用于辨别敌我飞机身份，20世纪60年代开始应用于商业领域。

RFID技术是一种自动识别技术，美国国防部规定2005年1月1日以后，所有军需物资都要使用RFID标签，美国食品与药品管理局（FDA）建议制药商从2006年起利用RFID跟踪药品，打击造假药品，沃尔玛等零售业对于RFID技术的应用等一系列应用推动了RFID的发展速度。RFID技术要大规模应用，一方面是要降低RFID标签价格，另一方面要看应用RFID之后能否带来增值服务。欧盟统计办公室的统计数据表明，2010年，欧盟有3%的公司应用RFID技术，应用分布主要在身份证件、门禁控制、供应链、库存跟踪、汽车收费、防盗、生产控制、资产管理等方面。2.射频识别技术的发展进程

1940-1950年：雷达的改进和应用催生了射频识别技术，1948年奠定了射频识别技术的理论基础。

1950-1960年：早期射频识别技术的探索，主要处于实验室实验研究阶段。

1960-1970年：射频识别技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。

1970-1980年：射频识别技术与产品研发处于一个大发展时期，各种射频识别技术加速发展，出现了一些最早的射频识别应用。

1980-1990年：射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各种规模化的应用开始出现。

1990-2000年：射频识别产品得到广泛采用，射频识别产品逐渐成为人们生活中的一部分。

2000年后：射频识别技术标准化问题日趋为人们所重视，与此同时，射频识别产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，应用规模不断扩大。

3.RFID技术和应用在我国快速发展2006年6月，由国家科技部、信息产业部等多个部委共同编写的《中国射频识别（RFID）技术政策白皮书》公布。这份白皮书，给出了中国标准制定的大致时间表：在培育期（2006～2008），按照国家RFID标准体系框架，制定相应的技术标准与应用标准，在成长期（2007～2012），基本形成中国RFID标准体系。

图2-26射频识别2.5.2射频识别技术的简介1.射频识别技术的概述射频识别（RFID）技术是一种无线通信技术，又称无线射频识别，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。从概念上来讲，RFID类似于条码扫描，对于条码技术而言，它是将已编码的条形码附着于目标物，并使用专用的扫描读写器利用光信号将信息由条形码传送到扫描读写器。而RFID则使用专用的RFID读写器及专门的可附着于目标物的RFID标签，利用频率信号将信息由RFID标签传送至RFID读写器。从结构上讲，RFID是一种简单的无线系统，系统由一个阅读器（平台）和多个应答器组成，该系统用于控制、检测和跟踪物体。传统意义上定义应答器是能够传输信息、回复信息的电子模块，近些年，由于射频技术快速发展，赋予应答器新的说法和含义：智能标签或标签。2.射频识别的组成部分

典型的RFID系统主要由阅读器、电子标签、中间件和应用系统组成。如图2-27所示。

图2-27RFID系统组成1）阅读器

阅读器（Reader）又称读写器，主要负责与电子标签的双向通信，同时接收来自主机系统的控制指令。阅读器的频率决定了RFID系统工作的频段，其功率决定了射频识别的有效距离。阅读器根据使用的结构和技术的不同可以是读或读/写装置，它是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由射频接口、逻辑控制单元和天线三部分组成。如图2-28所示。

图2-28阅读器2）电子标签

电子标签（ElectronicTag）也称为智能标签（SmartTag），是由IC芯片和无线通信天线组成的微型标签，其内置的射频天线用于和阅读器进行通信。电子标签是RFID系统内真正的数据载体，系统工作时，阅读器发出查询信号，标签在收到查询信号后，将其一部分整流分为直流电源供电子标签内的电路工作，一部分能量信号被电子标签内保存的数据信息调制后反射回阅读器。电子标签通常由天线、电压调节器、调制器、解调器、逻辑控制单元、存储单元组成。如图2-29所示。

图2-28电子标签3）中间件

中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助中间件在不同的技术之间共享资源。中间件位于客户机、服务器的操作系统上，管理计算机资源和网络通信。如图2-30所示。

图2-28中间件4）应用系统

从电子标签到阅读器之间的通信及能量感应方式来看，应用系统一般可分为电感耦合（InductiveCoupling）系统和电磁反向散射耦合（BackscatterCoupling）系统。电感耦合通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律，该方式一般适用于中、低频工作的近距离RFID系统。电磁反向散射耦合基于雷达模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带目标信息，依据的是电磁波空间传播规律，该方式一般适用于高频、微波工作的远距离RFID系统。3.射频识别技术的工作原理RFID技术的基本工作原理为：标签进入磁场后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（有源标签或主动标签），阅读器读取信息并解码，然后传送至中央信息系统对相关数据进行处理。RFID系统的阅读器通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和存储数据的读写操作。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等功能。4.射频识别技术的基本特性

1）非接触识别2）适用性3）性能特点（1）快速扫描（2）体积小、形状多样（3）强抗污染能力和耐久性（4）可重复使用（5）穿透性通信（6）数据的记忆容量大（7）安全性

5.射频识别技术的其他参数

1）射频识别的分类RFID按照能源的供给方式分为无源RFID，有源RFID，以及半有源RFID。

（1）无源RFID产品无源RFID产品发展最早，也是发展最成熟，应用最广的产品。比如，公交卡、食堂餐卡、银行卡、宾馆门禁卡、二代身份证等，这个在我们的日常生活中随处可见，属于近距离接触式识别类。

（2）有源RFID产品有源RFID产品，是最近几年慢慢发展起来的，其远距离自动识别的特性，决定了其巨大的应用空间和市场潜质，如智能监狱，智能医院，智能停车场，智能交通，智慧城市，智慧地球及物联网等领域都属于远距离自动识别类。

（3）半有源RFID产品半有源RFID技术，也可以叫做低频激活触发技术，利用低频近距离精确定位，微波远距离识别和上传数据，弥补单一的有源RFID和无源RFID无法实现相关功能的缺陷。5.射频识别技术的其他参数

2）射频识别的工作频率

RFID按应用频率的不同分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）和微波（MW），相对应的代表性频率分别为：低频135KHz以下、高频13.56MHz、超高频860M～960MHz、微波2.4G和5.8G。（1）低频

RFID技术首先在低频得到广泛的应用和推广。该频率主要是通过电感耦合的方式进行工作，也就是在读写器线圈和感应器线圈间存在着变压器耦合作用，通过读写器交变场作用在感应器天线中感应的电压被整流，可作供电电压使用。图2-31所示为RFID低频特性，图2-32所示为RFID低频应用领域。

图2-32RFID低频应用领域图2-31RFID低频特性（2）高频

在该频率的感应器不再需要线圈进行绕制，可以通过腐蚀或者印刷的方式制作天线。感应器一般通过负载调制的方式进行工作，也就是通过感应器上的负载电阻的通断促使读写器天线上的电压发生变化，实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制，如果通过数据控制负载电压的通断，那么这些数据就能够从感应器传输到读写器。图2-33所示为RFID高频特性，图2-34所示为RFID高频应用领域。

图2-34RFID高频应用领域图2-33RFID高频特性（3）超高频

超高频系统通过电场来传输能量，电场的能量下降的不是很快，但是读取的区域不好进行定义，该频段读取距离比较远，无源可达10m左右，主要是通过电容耦合的方式进行实现。图2-35所示为RFID超高频特性，图2-36所示为RFID超高频应用领域。

图2-32RFID低频应用领域图2-31RFID低频特性2.5.3射频识别技术在智能家居行业中的应用

无线网络技术在没有布线的情况下也可以搭建家庭局域网。而无线射频技术就是通过高频的无线频率（315或433MHz）点对点传输，实现灯光、窗帘、家电等的遥控功能，这类技术对于已经装修好了的用户非常适用，无须预先布线，不会破坏原有家居的美观。使用基于无线射频技术的产品，就可以将家里所有的电器串成一个网络，我们这里称它为智能家居无线网络，在这个网络中，我们可以随意遥控，让每个冷冰冰的电器都听命于我们。图2-37所示为射频识别技术应用框图。

2.5.3射频识别技术在智能家居行业中的应用

图2-37射频识别技术应用框图2.6蓝牙2.6.1蓝牙的提出蓝牙是一种短距离无线通信的技术标准，它最初的目的在于取代掌上电脑、移动电话等设备上的有线电缆。在制定蓝牙标准之初，就建立了统一全球的目标：工作频段为全球统一开放的2.4GHz频段。蓝牙技术可实现固定设备和移动设备与楼宇个人域网之间的短距离数据交换。它最初由电信巨头爱立信公司于1994年创制，当时是作为RS-232数据线的替代方案。蓝牙可连接多个设备，解决了数据不能同步的问题。蓝牙由蓝牙技术联盟（BluetoothSpecialInterestGroup，简称SIG）管理。蓝牙技术联盟在全球拥有超过25000家成员公司，它们分布在电信、计算机、网络和消费电子等多重领域。蓝牙技术联盟负责监督蓝牙规范的开发，管理认证项目，并维护商标权益，制造商的设备必须符合蓝牙技术联盟的标准才能以"蓝牙设备"的名义进入市场，蓝牙技术拥有一套专利网络，可发放给符合标准的设备。

2.6.2蓝牙的简介1.蓝牙的概述简单地说，蓝牙是一种短程宽带无线电技术，是实现语音和数据无线传输的全球开放性标准。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。

2.蓝牙的工作原理

蓝牙使用跳频技术，将传输的数据分割成数据包，通过指定的蓝牙频道分别传输数据包，每个频道的频宽为1MHz。

蓝牙是基于数据包，有主从架构的协议。一个主设备至多可和同一微型网络中的七个从设备通信，当然并不是所有设备都能够达到这一最大量，设备之间可通过协议转换角色，从设备也可转换为主设备，所有设备共享主设备的时钟，分组交换基于主设备定义的312.5µs为周期运行的基础时钟，两个时钟周期构成一个625µs的时间间隙，两个时间间隙就构成了一个1250µs的缝隙对。

蓝牙核心规格是提供两个或以上的微微网连接以形成分布式网络，让特定的设备在这些微微网中同时自动地分别扮演主和从的角色。

数据传输可随时在主设备和其他设备之间进行（应用极少的广播模式除外），主设备可选择要访问的从设备。典型的情况是：它可以在设备之间以轮替的方式快速转换，因为是主设备来选择要访问的从设备，理论上从设备就要在接收槽内待命，主设备可以与七个从设备相连接，但是从设备却很难与一个以上的主设备相连。3.蓝牙的基本特性1）全球范围适用2）可同时传输语音和数据3）可建立临时性对等连接。4）具有很好的抗干扰能力。5）蓝牙模块体积小，便于集成6）低功耗7）开放的接口标准。8）低成本4.蓝牙版本的更迭

1.1版本蓝牙1.1版本发布于2002年。

1.2版本2003年，蓝牙1.2版本问世。

2.0+EDR版本2.0+EDR版本发布于2004年。

2.1+EDR版本蓝牙核心规范2.1+EDR是蓝牙技术联盟于2007年7月26日推出的。

3.0+HS版本蓝牙核心规格3.0+HS版本是蓝牙技术联盟2009年4月21日推出的。

4.0版本蓝牙技术联盟于2010年6月30日正式推出蓝牙核心规格4.0。

4.1版本蓝牙技术联盟于2013年12月正式宣布采用蓝牙核心规格4.1版本。

4.2版本2014年12月4日，蓝牙4.2标准颁布。

5.0版本美国时间2016年6月16日在伦敦正式发布。5.1版本蓝牙技术联盟于2019年1月21日正式发布了蓝牙核心版本5.1。2.6.3蓝牙在智能家居行业中的应用

蓝牙必须必须依据自身优势，依据其自身功能开发出相应的产品，融入生活，才能长足发展。从目前的产品来看，蓝牙在智能家居行业中主要应用在以下几个方面。

1.智能安防领域的应用安防系统又可分为入侵报警系统、视频监控系统、门禁系统三个部分，以蓝牙控制防盗报警能够实现实时探测，满足用户的远程监控需求，降低误报率。智能家居的视频监控系统包括了三个主要部分——监控中心、主机控制和数据处理。门禁系统主要囊括了自动识别和安全管理两大主要功能，通过对通道通行对象的检测，实现出入口的安全控制，集实时监控与后期检查于一体，对人员出入情况进行识别记录，并可利用蓝牙技术，通过手机客户端的密码控制门禁。图2-39所示为蓝牙烟雾探测器，图2-40所示为蓝牙摄像机，图2-41所示为蓝牙电子锁。

图2-39蓝牙烟雾探测器图2-40蓝牙摄像机图2-41蓝牙电子锁2.智能家电领域的应用智能家居中的家电系统一般由智能穿戴、灯光控制、影音娱乐、智能开关、智能家电五个部分组成。智能穿戴装置指智能手表、智能手机等独立的可穿戴电子产品。蓝牙灯光控制系统以手机、PDA等作为控制端，实现灯光的开关控制、颜色控制、亮度控制，并配合定时功能，控制灯光动作。影音娱乐系统以无线蓝牙影音立体墙为基础构想，将电视、Internet网络、无线蓝牙、立体音响设备等集于一体，实现影音娱乐的无线连接。

智能开关接收器接收通过蓝牙发射的指令而实现的灯光控制。智能家电包括了冰箱、洗衣机、,电视机等在内的大小家电，通过蓝牙无线通信技术与主站连接，通过internet网络，获取家电使用情况信息。

图2-45蓝牙音箱图2-46蓝牙冰箱图2-47蓝牙机顶盒图2-44蓝牙智能开关图2-43手机蓝牙图2-42蓝牙手环2.7Wi-Fi2.7.1Wi-Fi的提出

无线网络技术由澳洲政府的研究机构CSIRO在90年代发明并于1996年在美国成功申请了无线网技术专利。在1999年IEEE官方定义802.11标准的时候，IEEE选择并认定了CSIRO发明的无线网技术是世界上最好的无线网技术，因此CSIRO的无线网技术标准，就成为了2010年Wi-Fi的核心技术标准。IEEE曾请求澳洲政府放弃其无线网络专利，让世界免费使用Wi-Fi技术，但遭到拒绝，澳洲政府随后在美国通过官司胜诉或庭外和解，收取了世界上几乎所有电器电信公司（包括苹果，英特尔，联想等）的专利使用费。无线网络被澳洲媒体誉为澳洲有史以来最重要的科技发明，其发明人JohnO'Sullivan被澳洲媒体称为“Wi-Fi之父”并获得了澳洲的国家最高科学奖和全世界的众多赞誉，其中包括欧洲专利局（EuropeanPatentOffice，EPO）颁发的EuropeanInventorAward2012，即2012年欧洲发明者大奖。

2.7.2Wi-Fi简介1.Wi-Fi的概述Wi-Fi是一种允许电子设备连接到一个无线局域网（WLAN）的技术，通常使用2.4GUHF或5GSHFISM射频频段。连接到无线局域网通常是有密码保护的，但也可是开放的，这样就允许任何在WLAN范围内的设备可以连接上。Wi-Fi是一个无线网络通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟所持有，目的是改善基于IEEE802.11标准的无线网路产品之间的互通性。

2.Wi-Fi的工作原理Wi-Fi可以简单的理解为无线上网，几乎所有智能手机、平板电脑和笔记本电脑都支持Wi-Fi上网，是当今使用最广的一种无线网络传输技术。Wi-Fi的工作原理实际上就是把有线网络信号转换成无线信号，通过无线路由器进行信号转发，并通过笔记本电脑、手机、平板等设备进行信号接收的一个过程。Wi-Fi通过无线电波来连网。常见的就是一个无线路由器，在这个无线路由器的电波覆盖的有效范围都可以采用Wi-Fi连接方式进行联网，如果无线路由器连接了一条ADSL线路或者别的上网线路，则又被称为热点。

3.Wi-Fi的基本特性无线技术时代，Wi-Fi毫无疑问成为无线技术的代言者。下面，我们分别从带宽、信号、功耗、安全等方面全方位剖析Wi-Fi的独到之处。

1）更宽的带宽802.11n标准将数据速率提高了一个等级，可以适应不同的功能和设备

2）更强的射频信号802.11n标准的无线芯片具备更多的性能特性，无线客户端和无线访问点利用这些芯片可以使射频(RF)信号更具弹性，稳定和可靠。

3）Wi-Fi功耗降低802.11n标准在功耗和管理方面进行了重大创新，不仅能够延长Wi-Fi智能手机的电池寿命，还可以嵌入到其它设备中。

4）改进的安全性802.11w标准，它保护无线链路，使无线链路更好地工作。

4.Wi-Fi的网络协议网络成员和结构站点是Wi-Fi网络最基本的组成部分。基本服务单元(BasicServiceSet，BSS)是网络最基本的服务单元。最简单的服务单元可以只由两个站点组成，站点可以动态地联结到基本服务单元中。分配系统(DistributionSystem，DS)用于连接不同的基本服务单元。分配系统使用的媒介在逻辑上和基本服务单元使用的媒介是分开的。接入点(AccessPoint，AP)既有普通站点的身份，又有接入到分配系统的功能。扩展服务单元(ExtendedServiceSet，ESS)由分配系统和基本服务单元组合而成，这种组合是逻辑上的组合，并非物理上的组合。关口(Portal)也是一个逻辑成分，用于将无线局域网和有线局域网或其它网络联系起来，这里边用到了3种媒介，站点使用的无线的媒介，分配系统使用的媒介，以及和无线局域网集成一起的其它局域网使用的媒介。物理上它们可能互相重叠。

2.7.3Wi-Fi在智能家居行业的应用Wi-Fi是由AP(AccessPoint)和无线网卡组成的无线网络，AP一般称为网络桥接器或接入点，是传统的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集线器，而无线网卡则是负责接收由AP所发射信号的客户端设备。相比较传统智能家居系统采用的有线布网方式，Wi-Fi技术的应用则减少布线麻烦，具有更好的可扩展性、移动性，因此采用无线智能控制模式是智能家居发展的必然选择。

1.数字可视对讲当Wi-Fi智能网关作为对讲系统中移动的终端设备时，可以方便的在客厅，卧室以及家里任何一个地方进行对讲控制。

2.入侵报警入侵报警系统接入无线Wi-Fi后，一旦警情发生，报警信息就会及时上传至管理中心，同时也可以通过短信、电话等方式通知业主。

3.信息发布通过小区管理软件，物业管理者可以编辑如文字、图片、视频、天气等各种信息，实时的将信息发送至业主家中的Wi-Fi智能网关上，业主可以通过Wi-Fi智能网关提示来浏览中心服务器上的各类信息。

4.小区商城管理在小区管理软件上建立虚拟超市，小区业主通过Wi-Fi智能网关就可以浏览各类商品信息。

5.远程监控用户使用电脑网络远程登陆家庭Wi-Fi网关，实现对家庭环境的实时监控。总之，通过Wi-Fi技术的运用，已成功的将智能家居的各种设备和楼宇对讲衔接起来，提供比传统智能家居更舒适、安全、便捷的智能家居生活空间，优化了人们的生活方式，从而给用户带来了全新、舒适的家居生活。

2.8ZigBee协议2.8.1ZigBee协议的提出

1.ZigBee协议提出的背景随着技术的发展，已有的无线通信协议已经不能更完整的适用于工业、家庭自动化控制和工业遥测遥控等领域，并且，对于工业现场来说，无线数据传输必需是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰，因此，经过人们长期努力，ZigBee协议正式问世了。

2.ZigBee协议的发展历程2001年8月，ZigBeeAlliance成立。2004年，ZigBeeV1.0诞生。它是ZigBee的第一个规范，但由于推出仓促，存在一些错误。2006年，推出ZigBee2006，相较于以往版本，新版本系统比较完善。2007年底，ZigBeePRO推出。2009年3月，ZigBeeRF4CE推出，具备更强的灵活性和远程控制能力。2009年开始，ZigBee采用了IETF的IPv6和6Lowpan标准作为新一代智能电网SmartEnergy（SEP2.0）的标准，致力于形成全球统一的易于与互联网集成的网络，实现端到端的网络通信。随着美国及全球智能电网的大规模建设和应用，物联网感知层技术标准将逐渐由ZigBee技术向IPv6和6Lowpan标准过渡。

2.8.2ZigBee协议简介

1.ZigBee协议的概述ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。协议中规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本，主要用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通信技术。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE802.15.4标准的规定。

2.8.2ZigBee协议简介

2.ZigBee协议的工作原理简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。ZigBee是一个由可多到65535个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的通信距离可以从标准的75m无限扩展。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点无线连接。

2.8.2ZigBee协议简介

3.ZigBee协议的基本特性ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，也可以继续增加。1）低功耗2）低成本3）短时延4）大容量5）高可靠性6）安全性高2.8.2ZigBee协议简介

4.ZigBee协议的技术瓶颈1）通信稳定性有待提高目前国内ZigBee技术主要采用ISM频段中的2.5G频率，其衍射能力弱，穿墙能力弱，家居环境中，即使是一扇门，一扇窗，一堵非承重墙，也会让信号大打折扣。当然，有些厂家会使用射频功放，对2.5G信号进行放大，但是这样会造成额外的辐射污染，同时也和ZigBee低功耗，节能的初衷背道而驰。

2）自组网功能亟需优化ZigBee技术的主要特点是自组网能力强，自恢复能力强，因此，对于井下定位、停车场车位定位、室外温湿度采集、污染采集等应用非常具有吸引力。然而，对于智能家居的应用场景中，开关、插座、窗帘等位置一旦固定，自组网的优点也就不复存在，并且自组网所耗费的时间和资源处于一种居高不下的状态。

2.8.3ZigBee协议在智能家居行业中的应用

ZigBee智能家居是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，数据在网关和子节点之间进行传送。图2-51所示为ZigBee协议在智能家居行业中的应用系统原理图。图2-51ZigBee协议在智能家居行业中的应用系统图2.9Z-Wave协议2.9.1Z-Wave协议的提出

Z-Wave是由丹麦公司Zensys所主导的无线组网规格，随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加，相对于现有的各种无线通信技术，Z-Wave技术将是最低功耗和最低成本的技术，有力地推动着低速率无线个人区域网的发展。

2.9.2Z-Wave协议简介

1.Z-Wave协议的概述

Z-Wave是一种新兴的专门为远程控制应用设计的低功耗无线通信技术，工作频带为908.42MHz(美国)/868.42MHz(欧洲)，数据传输速率为9.6kbps，信号的有效覆盖范围在室内是30m，室外可超过100m，适合于窄宽带应用场合。

2.Z-Wave协议的工作原理

Z-Wave采用了动态路由技术，每个节点内部都存有一个路由表，该路由表由控制节点写入，存储信息为该节点入网时，周边存在的其他节点的节点地址，这样每个节点都知道周围有哪些节点，而控制节点存储了所有节点的路由信息。当控制节点与受控节点的距离超出最大控制距离时，控制节点会调用最后一次正确控制该节点的路径发送命令，如该路径失败，则从第一个节点开始重新检索新的路径。

Z-Wave可将任何独立的设备转换为智能网络设备，从而实现控制和无线监测。

3.Z-Wave协议的基本特性1）抗干扰性强采用Z-Wave技术，工作频率是868.42HZ，这个频段有别于蓝牙、路由器、无线鼠标等无线设备的频道，基本不会受到干扰，更适合在家庭使用。

2）兼容性强Z-Wave技术具备强大的兼容性，生产Z-Wave芯片都需要通过Z-Wave联盟，可以兼容所有Z-Wave技术的产品。

3）低功耗、低辐射Z-Wave技术的低功耗，低辐射，更适合使用在智能家居上面。Z-Wave技术在最初设计时，就定位于智能家居无线控制领域。

4）安全系数高由于Z-Wave系统是高标准智能系统，安全系数高，难破解，市面上很多高档小区别墅都采用Z-Wave系统。

5）低成本Z-Wave技术专门针对窄带应用并采用创新的软件解决方案取代成本高的硬件，因此只需花费其它类似技术的一小部份成本就可以组建高质量的无线网络。2.9.3Z-Wave协议在智能家居行业中的应用Z-Wave是一种结构简单，成本低廉，性能可靠的无线通信技术，通过Z-Wave技术构建的无线网络，不仅可以通过本网络设备实现对家电的遥控，甚至可以通过Internet网络对Z-Wave网络中的设备进行控制。Z-Wave技术设计用于住宅、照明商业控制以及状态读取应用，例如抄表、照明及家电控制、HVAC、接入控制、防盗及火灾检测等。Z-Wave技术在最初设计时，就定位于智能家居无线控制领域，采用小数据格式传输，40kb/s的传输速率足以应对，早期甚至使用9.6kb/s的速率传输，与同类的其他无线技术相比，拥有相对较低的传输频率，相对较远的传输距离和一定的价格优势。

Z-Wave在智能家居中常见的一些应用场景如下：

1.远程家庭控制与管理通过增加Z-Wave至家庭电子产品，如照明、环境监测以及安防系统，就可以对家用电器进行远程监测和控制。Z-Wave设备还可以通过网关连接到互联网上，从而可以实现云端控制。图2-53所示为Z-Wave人体红外探测器，图2-54所示为Z-Wave插座，图2-55所示为Z-Wave网关。

图2-53Z-Wave红外探测器图2-54Z-Wave插座图2-55Z-Wave网关

2.能源节省Z-Wave功能的温度调节器通过日光传感器，自动提高或减低温度。基于设备组控制可确保不必要的功