纪全胜专栏:智能家居常用协议与主流制造商

icon 2018-01-08 15:02:49
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摘要:人民美好生活的需要离不开智能家居这个抓手。这几年,智能化装饰、智装、智能家居等已然成为产业升级,服务转型的主战场和热焦点。不管是抗拒还是犹豫,智装+的脚步已经扑面而来,是时候系统解读智能家居发展中的那人,那物,那事的时候了。

  新浪家居特约专栏《智能家居产业观察专栏》

  作者简介:纪全胜智装研究院院长、智装黄埔培训教育校长、智装黄埔同学会总会长、智装“+”战略第一人,奇笛网创始人、新零售时代智装场景革命践行人、智能家居市场调研奠基人、微智能思想首创人、知名的嵌入式、通讯、自动化和网络运营服务专家。

  主要研究方向:智能家居一线市场调研与智能家居从业深度教育培训

   

  笔者备注:本系列专辑文章是以中国智装研究院长期的智能家居制造商、集成服务商等调研数据为基础,结合智装黄埔教育机构的多期顶级智能家居培训实践综合编撰而成的,力图用通俗述的语言阐述智能家居的关键历程、核心技术、从业瓶颈和发展趋势。由于角度和能力的原因,文章仅仅代表智装研究院的观点,不足和偏颇的地方在所难免,欢迎广大业主、设计师、从业者、爱好者等关心和关注智能家居的朋友们来邮件或者微信交流和争鸣。为了更好地阐述某些章节内容,文章不可避免出现第三方的产品名称、组织名称、甚至企业名称等,相关的知识产权和商标权益归对应的机构、企业和个人。也借鉴和参考了相关资料,这里不一一列出,对这些同志的工作表示感谢。本系列专辑文章的知识产权归笔者所有,特此授权新浪家居全文全网播发。任何其他机构和个人未经笔者书面授权,无权转发、节选、翻印或刊发,违者必究。

  智能家居的落地需要产业链广大业者,包括消费者共同参与,一同梳理才能更充分地发展。其中,哪些产品值得放心使用?哪些服务商值得信赖?哪些场景契合当下和未来5年的业主生活需求?具备哪些执业能力的人员能够胜任?等等问题长期困扰业主和设计师,甚至从业的智能家居集成服务商,乃至智能家居产品制造商。

  上篇文章,我们梳理了智能家居的起源、现状与趋势,已经涉猎了当前智能家居产业应用发展、就业存在的新时代机遇和若干困扰。今天,我们就开始梳理一下当前智能家居应用中一些常用协议和对应的若干主流产品制造商。考虑到读者情况,本篇文章已经注意措辞,但是仍然无法避免出现若干专业技术词汇,对相关技术的阐述也不做更深入探讨,只期望给广大智能家居从业者、爱好者、消费者、乃至设计师朋友粗览并掌握一定的基础知识。如有措辞和定位不合适的地方,也欢迎加笔者微信单独交流。

  文中提到的企业只代表他们在智能家居发展历程中的阶段贡献,并不意味已经或永远成为消费者值得信赖的选择,也不意味其他未提及的产品企业的产品和服务存在什么问题。设计师、爱好者、消费者需要根据自身的业务模式、企业定位和生活需求合理的搭配、冷静的选择,仅供参考。

  

图1 智能家居的选择性障碍图1 智能家居的选择性障碍

  纵观前文阐述的智能家居发展历史,无论是产品制造端,还是集成服务端可谓群雄逐鹿,百家争鸣,百家齐放,有的只是局部和暂时的领先。在新时代大潮下,尤其是豪宅别墅之外的海量平层公寓智能化市场的逐步兴起时刻,智能家居从业者、爱好者、消费者、设计师、地产商、装饰企业等都需要具备一定的应用常识,才好才能更好的匹配自身的职业发展和生活需求。

  简单讲,智能家居的常用应用技术协议按照起源和行业特点来讲可划分为三大派系:自动控制派、传感网络派、IT应用派。其中自动控制派主要是有线总线阵营。需要注意的是实际应用中为了满足生活场景的个性需求和未来的功能升级需要,可能会出现几个协议派别产品混合应用的情况。各自的协议简单归属见下图:

  

图2 智能家居常见协议划分图2 智能家居常见协议划分

  笔者说明:

  1、上图常见协议都会对应若干产品制造企业,需要注意或者强调的是大部分协议阵营的产品制造企业出于自身企业发展、商业利益和知识产权保护等诸多方面考虑,都会推出符合自身企业对智能家居应用理解的优化私有协议,这导致一个现象就是同属一个阵营的不同产品制造商彼此并不能简单的对接。

  当然,这些制造企业会有选择地推出“对接适配器”等类似名称的产品,对接实际应用中其他品牌产品,这是当前实现不同品牌产品对接互联的一种方式。从某种角度也反应出当前没有任何一家智能家居产品制造企业能提供实际场景智能化需要的所有产品。这就对一线集成服务企业的工作提出了更高的要求,也是先进先成的集成服务企业能力和竞争优势的体现。

  2、上图并没有列出目前远程控制/异地操控的手机APP互动需要的云端协议和云端对接协议。一些产品制造企业出于自身企业产品定位和安全应用考虑,并不支持或不提倡远程遥控。提供手机APP远程操控的企业基本都是私有协议。当然,最近几年,也出现若干实现云端不同品牌产品对接为目的的第三方云端协议团队(包括但不限定于京东微联、阿里小智、QQ互联、机智云、云智易等),这是实现不同品牌产品对接的第二种方式。出于篇幅原因,这里就不做深入分析和挖掘分析了。

  3、基本上讲,自动控制派由于需要在家庭装饰期间挖孔、埋线,基本都是走前装销售渠道。至于传感网络派是否绝对不需要挖孔、埋线,是和对应产品企业的产品能力和实际场景功能需求有关,大部分还是前装和后装渠道并重。当然,IT应用派主要是后装渠道,电销和用户DIY成为其重要特点。

  为了更好的阐述问题,本篇文章依据常用协议的派系,根据实际应用情况,有选择地介绍每个派系中实际应用较多的协议特点、特征产品和系统特色。(更详细的技术细节,有兴趣的朋友可以参考智装黄埔教育教材,或市面相关的专题读物)

  1. 自动控制派常用协议与对应主流制造商

  Ø  RS-485总线
RS-485是一种非常常见的总线,也是目前别墅大宅智能家居领域应用较多的一种总线方式,当然若干企业在基于标准RS-485总线基础上做出了若干优化和个性改进算法,也可能对外名称有所变化,但是基本也可归算到这个派别。这其中智能家居市场的制造商包括但不限定于美国快思聪(crestron)、安玛思(AMX)、Control4、赛万特(Savant)、美国路创(Lutron)、凯图电子(eastcato)、河东(HDL)、亮维(Lewin)、小华科技(xiaohua)、海尔(haier)、智轩(Thinkhome)、中凌电子(Join-Link)等。

  RS-485总线采用平衡发送和差分接受,因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度,能检测低至200mV的电压,故传输信号能在千米以外得到恢复。

  

图3 RS-485总线拓扑图图3 RS-485总线拓扑图

  市场上一般RS-485采用半双工工作方式,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。RS-485用于多点互连时非常方便,可以省掉许多信号线。

  
◆系统特色:
从智能发展的轨迹看,最早的产品一般采用的RS-485的技术,这是一种串行的通讯标准,因为只是规定的物理层的电气连接规范,每家公司自行定义产品的通讯协议,所以RS-485的产品很多,但相互都不能直接通讯。RS-485一般需要一个主接点,通讯的方式采用轮询方式,模块之间采用“手拉手”的接线方式,因此存在着通讯速率不高(一般9.6Kbps),模块的数量有限等问题。

  Ø  EIB/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(European Installation Bus,欧洲安装总线)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。这其中智能家居市场的制造商包括但不限定于德国永诺(June)、施耐德(schneider)、西门子(Simens)、广州视声(GVS)、河东(HDL)等。

  

图4 EIB/KNX应用系统结构图图4 EIB/KNX应用系统结构图

  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。

  每一条区域总线、主干线或总线,都需要一个变压器来供电,每一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,而制动器则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就执行相应的功能。

  
◆系统特色:
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。KNX组织设立有专门的兼容性认证机构,确保世界各地的不同品牌KNX产品的兼容和互通,并且KNX技术于2007年被批准为中国标准GB/Z20965。

  Ø  LonWorks

  LonWorks总线由美国埃施朗公司(Echelon)开发推出,并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。Lon(Local Operation Network)为局部操作网络,具有现场总线技术的一切特点,在楼宇控制和工业自动化领域得到广泛的应用,成为自动控制网的通用标准之一。这其中智能家居市场的制造商包括但不限定于星网锐捷(Star-net)、尼科(NICO)等。

  LonWorks技术核心为神经元(Neuron)芯片、收发器和LonTalk通讯协议。神经元芯片为超大规模集成电路,其内部包括三个处理单元,分别控制通讯和应用程序的执行。神经元芯片可以直接或通过收发器组成控制网络。

  

图5 LonWorks 神经元节点机构框图图5 LonWorks 神经元节点机构框图

  ◆系统特色:
LonWorks总线技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron神经元的芯片中,在智能家居领域,最大特点就是不像别的总线系统,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的时候就能协同工作,并不需要另外一个大脑来控制。所以其安全性和稳定性较其他总线具备优势,同时导致其实时性、处理大数据的能力有些欠缺;此外,由于LonWorks依赖于Echelon公司的Neuron芯片,所以它的完全开放性、甚至成本优化余地也存在一些质疑。

  Ø  CAN

  CAN总线期初是德国博世(BOSCH)公司于1983年为现在汽车应用领先的一种多主机局部网,属于现场总线(FieldBus)范畴,其高性能、高可靠性、实时性等优点现在已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。这其中智能家居市场的制造商包括但不限定于华清智芯(SmartChip)、清华同方(TONGFANG)、合广测控(HEGUANG)、瑞迅科技(erunsun)等。

  

图6 CAN 总线智能家居图6 CAN 总线智能家居

  CAN总线采用多主机工作方式,总线上任意节点可在任意时刻向其他节点发送数据;每个节点具备不同的优先级,可满足实时性要求;传输方式支持点对对,对对多点,点多全局广播三种方式。

  ◆系统特色:
CAN总线协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能,通讯最远距离达到6Km,数据传输速率最高到1MB/s,节点数目可达110个。某些先进的优化算法更能保证更卓越的特性、极高的可靠性。同时,更高速的通信速度也能支持更好的用户场景实用体验。

  Ø  C-BUS总线

  C-BUS总线由澳大利亚奇胜(clipsal)公司开发,目前成为施耐德子公司。C-BUS是一种以非屏蔽双绞线作为总线载体,遵守标准的CSMA/CD通讯协议,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。这其中智能家居市场的制造商包括但不限定于施耐德(schneider)、西门子(simens)、ABB等。

  

图7 C-Bus 智能化照明管理系统接线示意图7 C-Bus 智能化照明管理系统接线示意

  C-BUS控制系统的核心是主控制器和总线连接器,主控制器存贮控制程序、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。C-BUS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。

  
◆系统特色:
C-BUS是十分灵活的柔性控制系统,所有输入和输出元件自带微处理器且通过总线互联,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。每一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。

  Ø  SCS-BUS

  SCS-BUS(Smart Home Control System)是意大利BTICINO公司独创的自主的双总线系统,性能稳定、反映速度高,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。目前已经成为罗格朗企业一员。这其中智能家居市场的制造商主要是罗格朗(legrand)。

  

图8 SCS-Bus 智能化系统接线示意图8 SCS-Bus 智能化系统接线示意

  SCS-BUS通讯协议遵循OSI开放式系统互联参考模型模型,提供了OSI模型所定义的全部七层服务。传输控制协议层是CSMA/CD(载波侦听/碰撞避免),可以调试四种不同的信号:电力供应、数据、音频和视频。

  
◆系统特色:
SCS-BUS通讯协议支持通讯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2000米;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。

  Ø  ModBus

  ModBus是由现在施耐德电气公司旗下品牌Modicon在1979年发明的,是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。目前施耐德公司已将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,Modbus已经成为中国国家标准GB/T19582-2008。Modbus目前在中国智能家居领域主要在户式中央空调、照明控制等若干子系统中得到应用。

  

图9 ModBus 智能化系统接线示意图9 ModBus 智能化系统接线示意

  
ModBus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间或经由网络,例如以太网和其它设备之间可以通信,它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。

  ◆系统特色:
标准、开放,用户可以免费且放心地使用Modbus协议,不需要交纳许可证费,也不会侵犯知识产权。Modbus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传送,如双绞线、光纤、无线等。Modbus的帧格式简单、紧凑、通俗易懂。用户使用容易,厂商开发简单。

  2. 传感网络派常用协议与对应主流制造商

  Ø  ZigBee
ZigBee译为“紫蜂”,是IEEE 802.15工作组提出,由ZigBee联盟制定的一种近距离、低功耗、低数据速率、低复杂度、低成本的双向无线接入技术。这其中智能家居市场的制造商包括但不限定于Control4,新和创(neuwill)、紫光物联(uiot)、欧瑞博(orvibo)、中天智汉、南京物联(wulian)、小米(mi)、德诺迈斯(DynaMax)、安德森(andeon)等。

  

图10 ZigBee典型应用拓扑图图10 ZigBee典型应用拓扑图

  ZigBee规范定义了三种类型的设备:ZigBee协调器是启动和配置网络的一种设备,一个ZigBee网络只允许有一个协调器;ZigBee路由器是一种支持关联的设备,能够将消息转发到其它设备;ZigBee终端设备可以执行它的相关功能,并使用ZigBee网络到达其它需要与其通信的设备。

  ◆系统特色:
ZigBee工作在2.4GHz频段,采用AES加密(高级加密系统)和蜂巢结构组网,每个设备均能通过多个方向与网关通信,网络稳定性高;其网络容量理论节点为65536个,并且具备双向通讯的能力,不仅能发送命令到设备,同时设备也会把执行状态反馈回来;此外,Zigbee采用了极低功耗设计,可以全电池供电工作。

  ZigBee阵营不同品牌产品之间无法互通的问题一直存在,当然,2016年5月,ZigBee联盟推出的ZigBee 3.0迈出了互通互联的重要一步,进一步的产品迭代和应用值得关注。

  Ø  Z-Wave
Z-wave是一种针对智能家居定义的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。Z-wave工作频段为926.30MHz~868.42MHz,基于不同国家地区的无线电通讯管理要求选取对应的频带。Z-wave 500系列产品传输距离基本认证要求为室内45m以上(小于5dBm发射功率条件下),室外大于170m(小于5dBm发射功率条件下),节点数量为0-234节点(实际使用)。目前已经应用在北美超过90%的运营商,欧洲超过60%运营商及集成商,包括AT&T,Orange,Telefonica,Verizon,ADT,SK,LG U+等。其中智能家居市场较知名的制造商和集成商包括但不限定于法比奥(fibaro)、Nortek、华为(huawei)、多灵电子(Dorlink)、汉科电子(hank)、华歌(dvaco)等。

  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可将任何独立的设备转换为智能网络设备,从而可以实现控制和无线监测。 

  

图11 Z-Wave典型应用拓扑图图11 Z-Wave典型应用拓扑图

  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,从早期9.6kb/s提升到100kb/s的传输速率足以应对。拥有同功率下相对较低的功率消耗、相对较远的传输距离和目前全球最高的加密级别(Security Level 2)。

  
◆系统特色:
Z-Wave通过成熟的产品认证体系及应用协议规范,能构建出最强的智能家居生态系统,目前已经有超过1700种设备完成Z-wave认证。其工作频段受国家法定许可,受同频干扰更少,网络安全性更高。Z-Wave智能控制产品具有完善的应答机制,支持自组网,功耗极低,结构简洁,运行十分稳定。同时,Z-Wave支持设备联动,通过传感器采集数据实现智能联动控制,不依赖于人工的干预。

  3. IT应用派常用协议与对应主流制造商

  IT应用派更加靠近消费者,尤其是在智能手机普及的时代,Wi-Fi,BlueTooth(蓝牙),3G/4G等知识和应用基本都日趋普及了。当然,作为消费者也需要知道这些协议并不仅仅可以用在手机和电脑上网冲浪。在互联网机顶盒、智能硬件、微智能系统等家庭生活应用中同样具备良好应用前景。Bluetooth 5.0的更远距离,更快速度特点也将催生更多的蓝牙微智能套装的面世和实用。这其中智能家居市场的制造商包括但不限定于小米(mi)、博联(broadlink)、海尔(haier)、控客科技(小K)等。

  ZigBee,Bluetooth, Wi-Fi目前都处于2.4GHz工作频段(其中Wi-Fi的升级版支持5G频段工作),甚至家用微波炉,无绳电话等也采用了2.4Ghz频段,这也成为智能家居营销中常遇到的困扰和回避不了的话题。同样的频段,但是不同的调制方式,不同的通讯协议,甚至不同的功率,可调整的信道等,应该在共同工作的时段,能相对有效规避一些干扰。

  

图12 常见的2.4GHz频段工作的设备和协议图12 常见的2.4GHz频段工作的设备和协议

  另外,RF(433MHZ,315MHZ)其实很久以前就已经在无线工业控制,甚至日常生活无线遥控器等方面得到应用。目前在家庭烟感、气感、门磁、遥红外被动等方面具有较多的应用。低频段的RF绕射能力强,穿越距离远肯定是个优点,当然在编码通讯、组网场景联动等方面也存在一些应用难点。国内也涌现了以云起智能(Lifesmart)为代表的RF通讯智能家居产品企业。

  EnOcean(易能森)也有必要介绍一下。该无线通信标准是世界唯一使用能量采集技术的无线国际标准,核心超低功耗无线模块生产和技术服务由德国易能森有限公司承担。工作频段涵盖868M/315M/902Mhz。其核心亮点就是能将生活空间的机械能、光能、温度差等的能量收集并转化,用来供给EnOcean无线通信模块,实现无数据线、无电源线、无电池的通讯系统。目前不少门铃、开关面板在突出自己的无需电池即可工作就是这个道理。

  在万众创新,全民创业的时代,越来越多的智能创业者,优先选择从WiFi、蓝牙协议入手,配合APP与云端服务,实现特定功能或者特定需求的套装产品的功能操控。这其中,玖典科技、多灵电子、樱花、王力等为代表的智能门锁、芯创睿胜(linkon)为代表的智能温控器、移康智能(eques)为代表的智能猫眼、美国Cambium和星网锐捷(star-net)、武汉思创易控为代表的全宅Wi-Fi覆盖、美国Sonos和重庆音乐一号科技(Domigo)为代表的Wi-Fi高保真音箱、广东凉霸为代表的智能晾衣架、厦门施米德为代表的智能门窗等产品在智能家居的应用比重越来越大。

  

图13 当下智能家居若干热点微智能产品图13 当下智能家居若干热点微智能产品

  自此,我们简单浏览了当下智能家居应用领域中常见的若干阵营协议和相关的产品制造企业。可以这样讲,每一个派系的协议都具备一定的优势,也同样存在一点的缺陷,不能简单定论彼此的好坏,这是目前的智能家居行业目前常出现的一个错误。

  业主实际系统的稳定和需求往往需要同一个阵营的不同厂家产品,甚至不同阵营的产品融合起来才能达到和满足。这个适合的系统稳定性和操控性的保证,与提供一线服务的集成服务商的能力有很大关系。

  我们了解了智能家居的起源、现状、趋势和当下主流应用协议和对应产品商只是开始。从下一篇起,我们尝试从智能家居产品制造商和集成服务商两个视角来阐述当前中国智能家居实际应用中到底有哪些子系统,又具备哪些契合人民美好生活需要的功能。

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