【IBE】智能家居系统的发展趋势和应用分析

发布时间：2024-11-25 23:08

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【导读】本文回顾了智能家居系统从诞生到成熟的发展历程，介绍了此系统在通讯协议和布线形式方面的演进过程，通过总结大量工程实践经验，提出从“有线”到“无线”、从“集中”到“分布”的技术路线发展规律，为建筑智能化设计领域的专业人员提供一定参考。

智能家居系统的发展趋势和应用分析

文/朱明硕

（中车科技园发展有限公司）

引言

智能家居系统是利用综合布线、网络通信、系统总线等先进技术，将家居生活中的有关设施集成为统一管理的系统，可实现灯光控制、窗帘控制、HVAC空调控制、空气质量探测、安防联动及远程控制等多种功能，为家居生活提供了智能、便捷、灵活的使用体验。《IDC中国智能家居设备市场季度跟踪报告》显示，2021年上半年中国智能家居设备市场出货量就以达到约1亿台，预计2025年市场出货量将接近5.4亿台，全屋智能解决方案在消费市场的推广将成为市场增长的重要动力之一。

智能家居系统的分类和技术演进

1.1 智能家居系统的技术起始，KNX协议兴起

上世纪八十年代智能家居系统的概念被提出后，一直受到技术制约和造价困扰，发展非常缓慢，直到九十年代初EIB总线（欧洲安装总线）出现后，才得到了实质性发展。1999年，欧洲三大总线协议EIB、BatiBus和EHSA合并成立了欧洲安装总线协会（EIBA），并创建了KNX协议。随后，KNX成为全球范围内建筑自动化领域的重要技术标准，且是许多智能家居系统和楼宇控制系统的首选通信协议，时至今日其仍然在“有线类”的智能家居系统中占主导地位。

可以说KNX协议在智能家居系统的发展中起到了关键作用，它促进了智能家居技术的成熟和普及。这种促进主要是由以下几方面来决定的。

（１）开放性和互操作性：KNX是一个开放的通信协议，不受特定厂商或技术的束缚。这意味着不同厂商的设备和系统可以互相通信和协作，使得智能家居系统更加灵活和可扩展。

（２）多功能和综合性：KNX支持多种功能，包括照明控制、温度调节、安防系统、窗帘控制等。这使得智能家居系统可以整合多个功能，提供综合性的解决方案。

（３）可靠性和稳定性：KNX使用可靠的通信技术，如总线结构和冗余传输，确保数据传输的稳定性和可靠性，这对于智能家居系统的正常运行至关重要。

（４）适用于不同规模和类型的项目：KNX适用于各种规模的项目，从家庭智能家居到大型商业建筑，都可以采用KNX技术实现自动化控制。

（５）未来扩展性：KNX作为一个成熟的标准，不断更新和发展。随着技术的进步和市场需求的变化，KNX可以适应新的应用和功能，保持在智能家居领域的领先地位。

此外，KNX系统在智能家居系统的应用也为配电和布线提出了新的要求。由于它采用总线结构进行通信，因此需要在建筑中布置总线线缆，用KNX专用线缆将系统中所有具有通讯需求的部件进行连接；对外部设备的控制直接由配电箱或控制箱内的控制模块完成，通过面板与控制模块通讯即可。KNX智能家居系统结构示意图如图1所示。

1.2从有线走向无线，Zigbee和BLE Mesh提供新模式

从本世纪初开始，低速短距离传输的无线网上协议Zigbee逐渐成熟，并纳入到电气电子工程师学会IEEE 802.15.4 规范内，Zigbee技术可以将原本处于分散状态的无线标准简化为单一标准，实现多种智能设备的无缝互操作，有效解决不同应用层协议间的互联互通问题，成为智能家居系统向无线模式拓展的重要契机。

Zigbee是一种低功耗、短距离的无线通信技术，适用于连接智能家居设备，如智能灯具、智能插座、智能开关、传感器等。它在智能家居系统中得到广泛应用，结构示意图如图2所示，具有如下特点。

（１）设备互联：Zigbee协议允许不同类型的智能家居设备之间相互连接，这使得用户可以通过智能手机或智能助手来控制和管理各种智能设备。

（２）自组网：Zigbee设备可以通过自组网的方式建立起网络，每个设备可以充当中继器，将信号传递给其他设备，从而延长通信距离和稳定性。

（３）低功耗：Zigbee采用低功耗技术，使得智能家居设备的电池寿命更长，减少了更换电池的频率，提供了更便捷的使用体验。甚至还已出现了不需要任何电源，仅靠手指按压动能实现通讯的开关控制产品。

（４）安全性：Zigbee协议在数据传输过程中会采用加密和身份验证等措施，确保智能家居系统的数据和通信不被非法访问和篡改。

（５）扩展性：Zigbee的网络可以很容易地扩展，用户可以逐步增加智能设备，而无需担心网络的稳定性和性能。

（６）低成本：Zigbee协议的专利是免费的，这为产品省下了大量的授权费用，目前 Zigbee模块的价格已能够降至2美元以下，这使得智能家居的生产企业有更充足的资金用于开发使用功能、完善工业设计、拓展市场。

Zigbee协议应用于智能家居系统后，用无线通讯方式替代了KNX等有线通讯方式，建筑中不再需要布置总线线缆，提供了灵活的控制面板布置方式，同时降低了设备成本和施工难度。

近几年，除了Zigbee协议的无线智能家居系统，低功耗蓝牙BLE Mesh协议也已渗透至此领域。BLE Mesh（蓝牙网状网络）是一种基于蓝牙低功耗（BLE）技术的网络拓扑结构，用于智能家居系统和物联网设备的连接和通信。它通过在多个设备之间建立网状拓扑，实现设备之间的互联互通。

与Zigbee协议相比，BLE Mesh有如下独特的优势。

（１）配置简单：BLE Mesh的配置相对简单，设备可以自动加入和离开网络，无需复杂的手动配置。

（２）网络范围大：由于BLE Mesh设备可以通过多条方式互联，覆盖范围更广，适用于大型智能家居系统。

（３）移动设备支持：BLE Mesh可以与智能手机等移动设备直接通信，无需网关设备，使得控制更加便捷。

（４）市场普及：由于BLE技术在智能手机等设备中广泛应用，BLE Mesh设备也较为普及，便于用户采用。

虽然BLE Mesh也存在一些短板，如设备较多时通信可能延迟、功耗稍高等，但在可以预见的一段时间内，Zigbee和BLE Mesh两种协议仍将在无线智能家居领域展开激烈的竞争。就建筑智能化设计领域来说，这两种协议的设备在物理布置层面没有明显的差异，相同的设计图纸往往可以在两种设备中平行替代。

1.3 集成度提升，从集中走向分布

智能家居系统发展到此阶段，均采用将主要控制设备设置于配电箱或专用控制箱内的形式，可以称之为集中控制式智能家居系统，这种控制方式的智能家居系统在实施和使用中均遇到了共同的难题。从电气配电设计的角度，其照明配电线路与传统照明配电线路设计存在很大差异（图3），传统照明配电设计中，配电箱仅配出电源，灯具均由就地开关控制，而集中控制的智能家居系统需要由配电箱或专用控制箱配出各照明灯具的控制回路，这使其配电线路设计与传统照明配电设计几乎没有兼容的可能，造成从传统照明设计向智能家居系统转换的改造非常困难，存在大量的剔凿和布管布线工作，这在很长时间内成为了智能家居系统推广和普及的主要障碍。

近十余年，LED光源大量使用，使照明灯具功率得到了有效降低，同时随着电子电气设备集成度的不断提高，一种新的解决方案应运而生，这就是采用“分布式”控制的智能家居系统，结构示意图如图4所示。“分布式”控制智能家居系统的“就地控制”是指在每个房间或区域内设置本地控制单元，这些控制单元负责管理和控制该区域内的智能设备和传感器，而不是完全依赖中央控制系统。这种就地控制的方法具有以下优势。

（１）及时响应：由于每个区域都有自己的本地控制单元，智能设备可以更快地响应用户的指令，减少了延迟。

（２）降低网络负担：分布式控制减少了对中央控制系统的高负荷，降低了网络拥塞的风险，从而提高了系统的稳定性。

（３）断网情况下仍可操作：即使因为网络故障或其他原因导致中央控制系统无法访问，各个区域的本地控制单元仍然可以继续操作智能设备，确保基本的功能可用性，这大大降低了用户对系统故障维修的迫切性，减少了客诉的发生。

（４）与传统照明配电线路兼容：“分布式”控制智能家居系统的配电线路更接近于传统照明配电线路，这使普通住宅改造加装智能家居系统的难度大幅降低，并可以做到在设计阶段预留条件，后期跟进需要加装。

总之，“分布式”控制可以增强智能家居系统的可靠性、响应速度、容错性和适用性，为用户带来更好的体验。此思路在有线类智能家居系统和无线类智能家居系统均得到了实践。在应用“分布式” 控制智能家居系统时，可以采用传统配电设计方式，仅需考虑预留更深的接线底盒、安装网关或控制主机设备即可。在家庭中，满足电气安全操作规程的前提下，非专业人士也可以完成安装。

1.4 分布式控制智能家居系统在建筑智能化设计时应注意的事项

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作者简介

朱明硕，机电总监，高级工程师。

本文引用格式：

[1]朱明硕.智能家居系统的发展趋势和应用分析[J].智能建筑电气技术,2024,18(01):143-147.

本文有删减，全文刊登于《智能建筑电气技术》杂志

2024年02月刊

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