以ZigBee技术实现智能家居远景

    ZigBee为目前市场上相当受到重视的无线通讯技术之一,而这项技术的特点及优势也便于实现智能家居中的各项应用,本文特别从其技术面为您细细分析,让您了解ZigBee技术如何实现智能家居的远景!

    智能家居的概念至今已十余年,但目前在全球依旧无法普及的原因主要在于:解决方案价格昂贵、缺乏相关产品设备、基础设施布建困难,与无明确共通标准遵循,以上几点原因,大约可涵盖智能家居至今无法成功的八成因素。传统的智能家居大约可分为几个应用领域:个人电脑、家庭影音娱乐、自动化控制、家庭安全、语音应用、网路通讯等。想像在一个未来的世界,你是一个独居在外的单身贵族,在公司下班之前你拨了通电话,连线至家中的家庭网路伺服器,透过家庭网路伺服器下命令给连结在家庭网路中的各式设备,利用语音讯息传达各种命令指挥每一种设备。于是,在你回到家后,家里的电灯已经点亮,冷气、微波炉、烤箱等家用电器也已经依照指令正确运作,这就是数位网路家庭运作模式的写照。

智慧化居住空间的领域
    未来智慧化居住空间的发展策略方向,最终目的是让在此环境居住的人们,享有安全、健康、便利及舒适的生活品质,并配合资讯电子与通讯产业技术与平台开发使得普及运算概念于智慧化居住空间或环境中实现。科技生活化的概念,其范畴包括智慧家庭、智慧建筑、智慧社区与智慧都市。在应用上短期将以安全监控、能源管理、健康照护为优先。简单来说,智慧化居住空间可简单分为三个领域:家庭与社区空间、办公室与大楼空间及公众环境空间。家庭与社区空间包含一般住宅,公寓、集合式大楼、独栋住宅等;办公室与大楼空间包含办公室、办公大楼等;公众环境空间包含博物馆、展览馆、购物中心、医院、政府机关等。建筑物导入电子、电机、资讯、通讯及自动化等相关产业技术,建构主动感知及满足使用者需求之生活空间,以创造安全、健康、便利、舒适、节能与永续的生活环境,这就是目前一般普遍对于智慧化居住空间的解释。

无线感测技术(WSN)的优势
    目前有部分智能家居应用技术除了使用WLAN或是PLC来当作资料与控制讯号传输的桥梁。一般WLAN的使用问题包括涵盖范围限制、电磁波都是众人关心的议题;而PLC最大的问题在于台湾地区老旧建筑过多,电力线的品质不易掌握,因此在传输品质与传输率无法获得保证,因此目前在台湾地区使用PLC控制方式的家庭应用并不算成功﹔加上消费者一向有装潢的习惯,因此除非在装潢之初就将未来会安装的设备全部考量,一旦装潢完成后要再加装任何设备几乎是不可能的。因为不管电源线或讯号线皆会影响原有装潢的美观,所以唯一的解决之道只有使用短距离无线传输网路技术或无线感测网路才能获得解决。而ZigBee为目前市场上最受到重视的通讯技术之一,至于其它较热门之短距离无线通讯技术之比较,其中性质最相近、且较常被并列而提的为ZigBee、主动式RFID技术与蓝牙(Bluetooth)三种技术,这三种技术皆适合拿来进行无线感测网路的开发与应用。

ZigBee技术介绍
    ZigBee一般翻译为群蜂技术,ZigBee一词源自于蜜蜂(Bee),系因蜜蜂看似随意在跳着字形舞,但实际上却是将有花和蜂蜜所在地的讯息正确的传达给其他蜜蜂。而ZigBee也具备相似的通讯能力,可以将讯息透过ZigBee网路传递给其他ZigBee装置。ZigBee包含了两种不同单位所制定的通讯规格,一个是由ZigBee Alliance所主导的标准,定义了网路层、安全层、应用层以及各种应用产品的Profile;另外一个则是由IEEE所制定的IEEE 802.15.4标准,定义了实体层以及媒体存取层。

    ZigBee的应用市场依据ZigBee Alliance所公布的应用市场范围界定,以目前的市场趋势来看,ZigBee在工业控制、建筑自动化两方面大有斩获,不论台湾、大陆甚至于国外皆有部分案例发生;目前亦开始有厂商使用ZigBee来当作远距医疗居家端的传输媒介,甚至于消费性电子亦开始有使用ZigBee来制作通用遥控器的趋势,以目前的发展状况来说,ZigBee已经渐渐上了轨道并趋势稳定。

    以安全的课题来看,ZigBee在标准中定义了以128bits AES作为其加∕解密的演算法,以基本安全考量而言,ZigBee已经提供了最安全的传输环境。针对无线传输方面的优势,ZigBee可以取代目前传统的控制传输方式,如传统保全感测器大多以有线方式建置,感测器本身必须连接电源线与讯号线,而ZigBee本身具备无线传输、低成本、低耗电特性,因此可以完全取代电源线与讯号线,这也是厂商愿意投入ZigBee应用市场的原因之一。

    基于IEEE 802.15.4的规格,ZigBee Alliance定义网路层(NWK)、应用层(APS)与安全层(Security)规格。NWK最重要的工作,在于负责网路机制的建立与管理,并具有自我组态路由路径(Self Configure),以及自我修复路由路径(Self Healing)的功能。在NWK中,ZigBee定义了三种角色,第一个是网路协调者(WPAN Coordinator),负责网路的建立(WPAN Formation),以及网路位置(Network Address)的分配;第二个是路由器(Router),主要负责找寻、建立以及修复资料封包路由路径(Routing Path),并负责转送资料封包,同时也具有网路位置的分配的能力;最后一个是末端装置(End Device),只能选择加入别人已经形成的网路(WPAN),可以收送资料,但不能帮忙转送封包(Routing)。

其他无线感测技术的介绍

    主动式RFID技术(Active Radio Frequency Identification)是一种以电池作为电力的来源,使辨识标签能主动发射无线电波,并透过主动式读取器读取标签内资讯,依据不同资讯进行不同应用。由于感应距离较长,比被动式RFID可靠度高,但是价格较为昂贵,且有电力上的考量,因此在实用上并没有被动式RFID好。主动式RFID主要使用的频率是433MHz及2.45GHz,而其读取器的读取距离最远可达到100公尺以上,可依据不同的条件,如考量便于人员携带、物品附着等因素,针对体积大小、材质与外形设计皆有不同考量,因此目前在市面上有许多不同的外形设计可供选择。蓝牙则是一种小范围的无线通讯网路,由Intel、Nokia、Ericsson、IBM及Toshiba国际大厂组成了SIG小组,并由Ericsson主导,共同发起蓝牙技术。在网路拓朴上,蓝牙设备可以组成「点对点」和「点对多点」的无线连接,其工作频段为2.45GHz,可提供电子元件在小范围网路中,以无线的方式相互连结传输,每个元件最多一次可同时连接另外七个元件。目前在家庭中的应用大多为蓝牙的天下,不过由于蓝牙价格还是偏高,加上电力消耗问题一直无法获得解决,因此目前已经有许多厂商改以ZigBee取代蓝牙装置的趋势出现。

ZigBee的实际安全应用
    在无线感测网路应用中,发展最快也最容易被民众接受的是安全应用。依据经济部技术处「智慧化居住空间科技整合应用计画」调查分析,一般家庭对于智慧化设施与应用面的需求依序分别为:安全、健康、舒适便利,最后才是娱乐、环保与节能。其中的安全包含人身安全以及财物安全,民众目前普遍以住宅的社区管理、保全系统或监视系统来防范窃盗。

    安全监控为众多需求中最重要也是最切身相关的一个问题。由于目前治安逐渐恶化,如何运用资通讯技术来协助安全管理成为一个重要议题。安全监控范围相当广,从人员进出控制、设备管理、环境监测、门禁管理等都包含在这个领域中。目前一般保全公司主要工作为协助住户、商店、大楼等进行安全管理,并防止歹徒的入侵,或是透过数种感测器,如烟雾侦测器、门窗磁簧开关、窗户破碎侦测装置等设备,来达到安全监控的目的。在安全应用中,除了传统的监控系统与监测设备外,目前询问度最高的应用即为定位应用服务(Location Based Service, LBS)。

    为一个运用ZigBee网路技术发展的定位系统架构图,透过身上配戴的ZigBee识别徽章,可运用定位系统掌握行踪,对于需要高安全性的场所,如高科技工厂、医院等皆适用,再搭配其他如摄影机、麦克风等设备,更可达到完整的安全监控系统运作等级。定位服务不仅可用于人员定位上,另外也可以针对高单价物品进行应用,如一些可携带的贵重仪器、古董等,透过物品定位系统可以到防窃、搜寻的功能;针对目前容易发生的老人、小孩、宠物迷失的状况,亦可设定一个虚拟围墙,一旦目标物件离开事先划定的区域,即可立刻发出警讯,并透过通讯系统通知相关人等与单位处理。定位应用服务除了传统的GPS定位外,在室内定位部分一直没有一个好的方式来使用。而运用ZigBee网路技术的定位方式在这一两年来经过博物馆、社区、医院与晶圆厂等地的实地验证后,已证实是可行的方案之一。

    由于配戴于人员身上的定位装置可被取下,因此容易造成安全上的管理漏洞与盲点,若是使用在安全要求度高的场所则会有风险。所以理想的安全定位系统还必需再搭配其他的设备,如摄影机、麦克风等装置一同使用。简单来讲,当人员配戴定位装置时,由于定位系统会侦测到此区域的人员是谁,所以这时摄影机拍摄到的结果不会有任何问题;反之,若摄影机拍摄到人影,而定位系统没有侦测到任何定位讯息,则可推断此人应为入侵者,并立即做出警告反应。另一方面,若一个定位装置在同一地点停留过久,亦有可能是被取下丢弃,也可以用不正常的状况来判断。经由多种感测装置交叉判断,可以达到最佳安全保证的应用。
结语目前无线感测网路技术在全球皆为一个刚起步的境界,以ZigBee来说,拥有晶片研发厂商、模组生产厂商与ZigBee Stack开发厂商,就整体产业环境来讲,目前正是进入此领域市场的大好机会,相信一定可以在不久的将来开花结果。

短距离无线通信技术的发展及应用

    短距离无线通信技术的范围很广,在一般意义上,只要通信收发双方通过无线电波传输信息,并且传输距离限制在较短的范围内,通常是几十米以内,就可以称为短距离无线通信。

短距离无线通信技术的特征
    低成本、低功耗和对等通信,是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势。

    首先,低成本是短距离无线通信的客观要求,因为各种通信终端的产销量都很大,要提供终端间的直通能力,没有足够低的成本是很难推广的。

    其次,低功耗是相对其它无线通信技术而言的一个特点,这与其通信距离短这个先天特点密切相关,由于传播距离近,遇到障碍物的几率也小,发射功率普遍都很低,通常在1毫瓦量级。

    最后,对等通信是短距离无线通信的重要特征,有别于基于网络基础设施的无线通信技术。终端之间对等通信,无须网络设备进行中转,因此空中接口设计和高层协议都相对比较简单,无线资源的管理通常采用竞争的方式如载波侦听。

主流的短距离无线通信技术
    目前几种主流的短距离无线通信技术包括:高速WPAN技术;UWB高速无线通信技术,包括MB-OFDM、DS-UWB;WirelessUSB技术,WirelessUSB是一个全新无线传输标准,可提供简单、可靠的低成本无线解决方案,帮助用户实现无线功能。此外,还有低速WPAN技术和IEEE802.15.4\Zigbee,Zigbee是一种低速短距离无线通信技术。它的出发点是希望发展一种拓展性强、易建的低成本无线网络,强调低耗电、双向传输和感应功能等特色。ZigbeePHY和MAC层由IEEE802.15.4标准定义。IEEE802.15.4a是作为IEEE802.15.4的一个补充,其物理层的标准可能采用低速UWB技术。蓝牙底层PHY层和MAC层协议的标准版本为IEEE802.15.1,大多数标准的制订工作还是由蓝牙小组SIG负责。RFID是一种非接触的自动识别技术,其基本原理是利用射频信号和空间耦合电感或电磁耦合传输特性实现对被识别物体的自动识别。RFID技术的发展得益于多项技术的综合发展,包括芯片技术、天线技术、无线技术、电磁传播技术、数据交换与编码技术等。一套典型的RFID系统由电子标签、读写器和信息处理系统组成。电子标签与读写器配合完成对被识别对象的信息采集功能;信息处理系统则根据需求承担相应的信息控制和处理工作。

短距离无线通信的应用发展情况
    高速WPAN,目前主要应用于连接下一代便携式消费电器和通信设备。它支持各种高速率的多媒体应用、高质量声像配送、多兆字节音乐和图像文档传送等。

    低速WPAN,主要用于家庭、工厂与仓库的自动化控制,安全监视、保健监视、环境监视,军事行动、消防队员操作指挥,货单自动更新、库存实时跟踪以及游戏和互动式玩具等方面的低速应用。

    根据工作频率的不同,RFID系统大体分为中低频段和高频段两类,典型的工作频率为135kHz以下、13.56MHz、433MHz、860MHz~960MHz、2.45GHz和5.8GHz等。不同频率RFID系统的工作距离不同,应用的领域也有差异。低频段的RFID技术主要应用于动物识别、工厂数据自动采集系统等领域;13.56MHz的RFID技术已相对成熟,并且大部分以IC卡的形式广泛应用于智能交通、门禁、防伪等多个领域,工作距离小于1m.较高频段的433MHzRFID技术则被美国国防部用于物流托盘追踪管理;而在RFID技术中,当前研究和推广的重点是高频段的860MHz~960MHz的远距离电子标签,有效工作距离达到3~6m,适用于对物流、供应链的环节进行管理;2.45GHz和5.8GHzRFID技术以有源电子标签的形式应用在集装箱管理、公路收费等领域。

如何理解嵌入式无线技术未来?

    嵌入式系统,embedded system,是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成,用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。本文将阐述如何理解嵌入式无线技术未来?

    ZigBEE ANT、ZWave、INSTEON、Wavenis和WirelessHART共同分享了无线嵌入式控制市场,但是他们之间并没有真正的赢家。本文试图从各个角度来阐释这种现象背后的种种原因。

    ZigBee规范在刚刚过去的2007年12月推出了第三版本。自从2004年以来,ZigBee在经历了漫长的过程之后,变得更加成熟、定义更加规范,也更有针对性。具有里程碑意义的第三版本不但为我们反映了ZigBee标准目前的情况,同时也反映了整个无线嵌入式控制(WiEC)技术的进展情况。

    在过去的几年中,无线嵌入式控制(WiEC)技术的推动者们已经无数次的向设计工程师们描述了其美好愿景,但是有一个问题,我们仍然不得不问:我们真的理解嵌入式无线技术吗?

    首先,应该给出无线嵌入式控制(WiEC)技术的合理定义。在收发器层,无线嵌入式控制技术通常指的范围在是10米到50米之间的低功率无线电波,数据速率在4Mbps以下,运行在任何工业、科学和医疗(ISM)频段。

    无线嵌入式控制(WiEC)技术利用网络协议来控制无线节点之间的通信。网络的拓扑结构通常有两台机器之间(M2M)进行通信的简单的点对点拓扑,无线传感器网络(WSN)的星型拓扑,以及mesh拓扑。在所有这些拓扑结构中,节点之间都可以进行通信。

    任何沉浸在嵌入式技术多年的设计工程师都会对无线嵌入式控制技术的推动者们所描述的美好愿景历历在目。

    这些愿景会不断发生变化,但是,无一例外的,推动者们都使用了以下一些关键词来对无线嵌入式控制技术进行描述:低功率、低成本、高可靠性、高安全性、易于设计和易于使用。

    伴随着技术上的美好愿景随之而来的是对投资回报率的大胆展望生产商在短短数年内就可以卖掉上亿件产品,消费者逐渐意识到无线嵌入式控制技术所带来的效率的提高和成本的降低,整个世界被被这些小型低功率收发器所覆盖,它们将所有东西都连接在了一起。

炒作背后的真相 

    然而,不幸的是,在炒作多年之后,仍然没有一种单一的无线技术能够同时满足上述那些美好的愿景。在实际的工程中,我们看到的往往是折衷方案。

    怎么可能会有一种技术能够适合同时控制家里的电灯和控制工厂的安全阀呢?而一些无线嵌入式控制技术的推动者们的确向我们描述过这种美好的愿景。

    然而,在幻灯片陈述完这些美好的愿景之后开始的实际硬件操作时,却出现了许多意想不到的情况。或许是推动者们夸大其词了,或许是芯片和协议栈厂商太逊色了。或许,工程师们根本就不应该相信一种技术就可以解决所有问题这种鬼话。

    有几个原因可以解释为什么这些愿景会失败(尽管有一些确实实现了)。首先就是,有一些指定的性能目标从根本上就与其它一些相对立,这为工程上带来了不可逾越的挑战。比如,低成本与高可靠性。

    工程上实现低成本需要一整套方法来减少花费。首先,必须减小硅片的大小,这就需要在收发器架构(比如开环与闭环调制,后者能提供更高的可靠性,但是需要极大的增加尺寸的大小)上进行折衷。

    接下来,网络协议栈的大小需要裁减,以最小化运行RF收发器的处理器所需的代码空间的数量。而减小网络协议栈就意味着一些智能化功能(如完整的点到点路由和网络自愈合能力)将不复存在。需要这些功能吗?那你必须在硅片上花费更大的代价。

M2M技术,前景无限

    在互联网普及、通信技术发达的今天,越来越的机器设备都开始具备通信功能,一个被称之为“机器对机器”(Machine to Machine,缩写为M2M)的物联网正在逐步形成。目前,地球上已存在数以百亿计的各类设备,当人与人之间的通讯网络市场趋于饱和之时,被视为最为关键未来科技之一的物联网无疑将会成为下一个极具潜力的市场。很多市场分析公司都对M2M前景作出乐观的评估,根据Harbor Research Inc.提供的相关数据显示:“如今全球有1.1亿部M2M设备在使用,并在一个‘设备互联网’中互相通信。”

    另外Berg Insight预测,到2011年世界范围的M2M总收入将达到2900亿美元,位居全球市场收入超过500亿美元行业业务的榜首。咨询机构Alexander Resources也指出:“M2M市场的容量将从2004年的240亿增长到2010年的4700亿(含RFID)美元”。M2M技术的应用几乎涵盖了各行各业,其中也包括AV行业,通过“让机器开口说话”,使机器设备不再是信息孤岛,从而实现对设备和资产有效的监控与管理,通过优化成本配置、改善服务推动社会向更加高效、安全、节能、环保的方向发展。

关于M2M
    早在2002年,Opto 22和诺基亚便开始推动M2M的解决方案,他们将其定义为“以以太网和无线网为基础,实现网络通讯中各实体间信息交流”。对于M2M应用来说,通信技术是其实现的基础和桥梁,通过多种有线或无线通信技术,如FieldBuses、RF Mesh/Zigbee/Insteon、GPRS、CDMA、WiFi、TCP/IP、蓝牙等等,连接各种末端设备或子系统,采用M2M Middleware/Web Services/SOA等标准化数据表达技术,将终端设备或子系统汇总到一个统一的管理系统,实现远程监视、自动报警、控制、诊断和维护,进而实现对设备的全局化管理和服务。目前,M2M产业链各个环节均发展迅猛。M2M的连接对象末端设备正不断增加,这些设备的数量将远远超过人和计算机的数量;实现M2M连接的通讯技术日趋成熟,Internet正向IPv6过渡,移动通信网络向3G甚至4G过渡,无线连接的选择正越来越多;此外,M2M的硬件和软件平台亦得到丰富与完善。
    基于全球M2M市场的增长势头,运营商、硬件/软件和服务提供商都积极投入,期望从中分得一杯羹。Vodafone、Orange、AT&T等欧美通信巨头均对M2M业务雄心勃勃,在中国,中国移动、中国联通、中国电信等移动营运商是M2M的主要推动者,另外在欧美除了传统的移动运营商外,还出现了专门针对M2M市场的M2M移动运营商,如:Aeris和Jasper Wireless。在硬件制造方面,M2M硬件是使机器具有通信或联网能力的部件,可以进行信息的提取,从各种机器/设备那里获取数据,并传送到通信网络硬件厂商,目前推出的无线M2M硬件产品可以满足不同环境、不同应用的移动信息处理,例如诺基亚和Sony Ericsson公司已经推出了体积很小的无线通信装置,可以镶嵌在从汽车到家庭的任何一个物品里,成为物体的“监视控制中心”。在软件管理平台方面,M2M管理软件是对末端设备和资产进行管理、控制的关键,M2M软件可包含:M2M中间件(Middleware)和(嵌入式)M2M Edgeware(也可以统称软件通讯网关),实时数据库,M2M集成平台或框架(Framework),通用的基础M2M应用构件库,以及行业化的应用套件等。通用M2M应用功能包括:远程监测、自动报警、控制、诊断和维护、系统联动、数据挖掘、报表与决策支持、节能分析、资产跟踪与维护等。随着整个M2M产业的发展,M2M的成本已经相应降低。

M2M在AV行业的应用
    应用M2M技术,能够让AV设备实现更高效的控制和管理,使AV系统集成更加智能化和整体化。在智能家居和智能建筑方面,M2M技术可以使家居或建筑内的设备如同一部机器般协同工作。
    Sony专业系统的M2M解决方案使用业内标准的信息技术,提供远程监控、数据备份、错误纠正等功能,其中Display Control System(DCS),可以通过一个单个的中央控制台集中控制显示器和A/V设备,使用一键式按钮,选择控制所有显示器、群组或单个的电视机。对于体育场馆来说,Sony的显示器控制系统在节省AV安装时间、控制成本方面扮演着重要的角色,同时它也是企业和校园大量显示器、监控器和信号输出设备管理的理想之选。
    Lantronix作为一家设备远程控制解决方案供应商,早在2004年就为科视提供了M2M解决方案,科视与Lantronix合作,创建了ChristieNET?产品线,它结合了Lantronix SecureBox?安全设备服务器和科视特有的固件,通过AV与IT 的融合,客户可以安全的方式,让AV设备联网,实现远程访问和监控。凭借这一方案科视在2005年获得了M2M Magazine颁发的Value Chain Award奖项。三菱电机日前也选择了Lantronix Xport嵌入式网络连接模块,进一步加强对大量投影机的远程管理和监控能力,三菱已经在其高端投影机使用了Xport提供的网络功能,他们认为这一解决方案的好处同样可以添加到低成本的、大量的投影机产品线中。Xport能够使基于串行的设备,通过局域网/广域网或者因特网进行通信。使用Xport的三菱用户不论何时何地都可通过互联网访问、监控和控制设备。
    在三菱的案例中,定制化的软件应用程序ProjectorView控制系统,可轻松显示每台投影机的状态。利用Xport内置的网络浏览器,远程用户可以通过他们的PC浏览器访问ProjectorView显示器,对每台投影机的性能进行主动、实时监控,监控内容包括灯泡、内部温度、灯泡已经运行了多长时间、上一次维护和安装时间等。此外,ProjectorView允许维护人员在互联网上远程操作每台投影机的基本功能。系统可以轻松诊断每台投影机的状态,一旦有问题发现,e-mail通知会被直接发送到每个客服人员那里,就问题进行警告,诸如投影机过热、灯泡寿命到期或命令错误。Xport允许每个客服人员大大降低定点访问的次数,削减了维护和修理成本,并能提供更为全面的客户服务。此外,Lantronix设备还可用于数字告示,以及高端的家庭AV系统控制。
    智能家居是M2M技术非常典型的应用,当所有的设备都具有了通信能力之后,智能家居的组建就会变得更加容易。美国AT&T结合它在固定电话网、移动电话网、有线电视网、互联网等网络基础设施上的优势,与杰尔系统的TrueONE解决方案相结合,为用户提供电信级的手机或PC上的视频监控应用,以及IPTV、VoIP等大数据量应用。日本的NTTdocomo推出i-mode运营模式,可以直接通过手机或PDA远程控制家中的智能家电,在远程监控上采用了“M2M远程控制”的理念,实现人和机器、机器和机器之间的远程控制。
    NTT推出了可通过因特网或FOMA手机控制的HC-1000监视摄像头,该设备采用300万像素CMOS感光器,以太网接口,支持802.11a/b/g,可拍摄QVGA画质的视频;内建“主动防御”系统,可发出刺耳的警报声吓跑盗贼,甚至还有麦克风/扬声器双向通信系统,方便用户与盗贼谈判。而通过生物认证研发的自动门识别系统,可以带来更高的安全性,人们站在安装于入口处的摄像机前,如果确认来人为公寓居民,大门就会打开,非常方便。有了M2M技术,除了人机控制外,家庭设备间也可通过交流实现更多的自动化,例如音响可以自动从电脑上下载歌曲、电影,冰箱可以在厨房的告示牌上显示食物清单以及购买清单等。另外,M2M技术应用于自动抄表系统,通过联动智能电网和住户能源分析系统,可以实现更高的能源效益。

M2M根扎智能家居无线技术

    无线网络技术和无线控制技术的飞速发展,加速了“有线世界”向“无线空间”的快速发展。M2M技术的先进理念即将引来新一轮“有线世界”的“无线革命”。

    M2M提供了设备实时数据在系统之间、远程设备之间、或与个人之间建立无线连接的简单手段,综合了数据采集、远程监控、电信、信息技术,能够使业务流程自动化;集成公司IT系统和非IT设备的实时状态,创造增值服务。这一平台可在安全监测、自动读取停车表、机械服务和维修业务、自动售货机、公共交通系统、车队管理、工业流程自动化、电动机械、城市信息化等环境中应用,提供广泛的应用和解决方案。M2M技术已经得到了HP、CA、Intel、IBM、AT&T、EriCSSon、Nokia、Opto22和OMRON等大牌厂商的支持。

    M2M技术与使用传统地面电话线或无线数传电台的远程监视系统工作原理相似,并很可能取代后者。分析人士表示,由于M2M系统不需要为连接遥远地区的设备架设数百英里的电话线路,并解决无线数传电台的距离和频段问题,因此更适用,也更方便。

    在M2M中,GSM/GPRS/UMTS是一种主要的远距离联接技术,近距离联接技术主要有802.11b/g、蓝牙、Zigbee、RFID和UWB。

1.无线局域网(WLAN)
    IEEE802.11无线局域网国际标准发布于1997年6月,这是一个开放的标准。利用802.11b和802.11a等无线网络标准,完全可以使您在各种复杂的环境下(像拥挤的办公室、校园、大厦、餐馆甚至整个街区),都可实现无缝无中断连接。通过采用无线局域网(WLAN)在整个社区或家居室内分享宽带互联网连接,可避免使用线缆、路由器和其他设备所带来的麻烦,客户只需将接入点插入宽带调制解调器,将无线网络卡装入他们的网络和台式机中,就可以享受无线宽带互联网接入所带来的优势。

2.蓝牙
    在M2M中,蓝牙技术作为一种短距离的无线连接技术,有着广阔的应用前景。新的蓝牙标准2.0版拟支持高达10Mb/s以上速率(4、8及12Mbit/s~20Mbit/s),估计在2004年以后推出,这是适应未来愈来愈多宽带多媒体业务需求的必然演进趋势。由于蓝牙技术可以方便地嵌入单一的CMOS芯片中,因此,特别适用于小型的移动通信设备,使设备通过无线建立通信,避免了连接电缆的不便。

    蓝牙技术工作在全球通用的2.4GHzISM频段。从理论上讲,以2.4GHzISM频段运行的技术能使用距30m以内的设备互相连接,但实际上很难达到。现阶段,蓝牙的发射范围可达10m,可以同时实现8台设备的相互联通。当检测到距离小于10m时,接收设备可动态地调节功能;当业务量减小或停止时,蓝牙设备即可进入低功耗工作模式。

    蓝牙技术应用在智能家居中,具有高可靠性、低复杂度、低功耗、低成本的优点,但仍然有一些问题需要解决,如相邻设备之间为防止信息误传和被截取,要求用户提前设置对应频段;蓝牙芯片的价格较高;蓝牙模块较难生产等。但人们相信,随着蓝牙网络家电产品和网络设备的出现,家居智能化的进一步普及,这些问题将逐渐被解决,而蓝牙无线智能家居系统也将给未来的家庭生活带来巨大的革命。

3.ZigBee
    为了满足低功耗、低成本的无线网络要求,IEEE标准委员会在2000年12月正式批准并成立了802.15.4工作组,任务就是开发一个低数据率的WPAN(LR-WPAN)标准。它具有复杂度低、成本极少、功耗很小的特点,能在低成本设备(固定、便携或可移动的)之间进行低数据率的传输。基于这一标准的无线网络可使用无需许可的858MHz、902MHz~928MHz和2.4GHz无线频段,可分别达到20Kbps、40Kbps与250Kbps的最大数据传输速率。

    802.15.4无线发射/接收机及网络被Motorola、Philips、Eaton、Invensys和Honeywell这些国际通信与工业控制界巨头们极力推崇。它满足国际标准组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模式。它包括物理层、介质访问层、网络层和高层。下图是对这些层的描述。

    ZigBee有以下优点:
1)省电:两节五号电池可以工作6个月到2年左右的时间,免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。
2)网络容量大:最多可以容纳255个设备。
3)成本低:与其他技术比较具有价格便宜的特点,且ZigBee协议免收专利费。
4)时延短:通常时延都在15ms~30ms之间。
5)安全:提供了鉴权功能,同时可以灵活确定其安全属性。

    IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC层的协议,其余协议主要参照和采用现有的标准,网络层以上协议由ZigBee联盟制定。

    实现ZigBee的要求很简单,只要8位处理器和32kB的ROM即可,但需要较多的RAM用于存储所有节点的设备信息、关联表和密码等。ZigBee提供了低速率、低成本、长寿命的设备解决方案,且它工作在无需申请频段,能够覆盖设备非常多,通信范围较大。作为广为人知的IEEE802家族的一员,ZigBee将会取得非常良好的市场效应。

4.GPRS/GSM1XRTT/CDMA
    GPRS(GeneralPacketRadioService)即通用分组无线业务,是在现有的GSM系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务。GPRS与GSM系统最根本的区别是,GSM是一种电路交换系统,而GPRS是一种分组交换系统。GPRS特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输,也适用于偶尔的大数据量传输。可以将GPRS理解为GSM的一个更高层次。