威易智能家居系统将无线、电力线和双绞线三种传输途径的有机融合，实现了ARM控制、有线、无线传输等核心技术模块化。其中，无线技术采用的是ZigBee，电力线技术采用的是PLC-BUS，双绞线传输方式采用的是CAN BUS。本文首先概要介绍一下三种技术，说明三种技术是如何实现优势互补，并突出介绍智能家居核心技术模块化。
ZigBee
1. 什么是ZigBee？
ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。
短程无线网络的标准
主要用于近距离无线连接。它依据IEEE 802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。802.15.4强调的就是省电、简单、成本又低的规格。802.15.4的物理层（PHY）采用直接序列展频（DSSS， Direct Sequence Spread Spectrum ）技术，以化整为零的方式，将一个讯号分为多个讯号，再经由编码方式传送讯号避免干扰。在媒体存取控制（MAC）层方面，主要是沿用WLAN中802.11系列标准的CSMA/CA方式，以提高系统兼容性，所谓的CSMA/CA是在传输之前，会先检查信道是否有数据传输，若信道无数据传输，则开始进行数据传输动作，若有产生碰撞，则稍后重新再传。可使用的频段有3个，分别是2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段，而不同频段可使用的信道分别是16、1、10个。 ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。
ZigBee网络拓扑模型
ZigBee与其它主流无线通信技术比较
ZigBee是一组基于IEEE批准的 802.15.4无线标准研制开发的、有关组网、安全和应用软件方面的技术。 IEEE 802.15.4仅处理MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。
一个真正的ZigBee，由ZigBee Alliance所主导的标准，定义了网络层（Network Layer）、安全层（Security Layer）、应用层（Application Layer）、以及各种应用产品的资料（Profile）；而由国际电子电机工程协会（IEEE）所制订的802.15.4标准，则是定义了物理层（PHY Layer）及媒体存取层（Media Access Control Layer；MAC Layer）。
2. ZigBee的特点
·数据传输速率低：10KB/秒~250KB /秒，专注于低传输应用；
·功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6~24个月；
·成本低：ZigBee数据传输速率低、协议简单，所以大大降低了成本；
·网络容量大：网络可容纳65,000个设备；
·时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms；
·安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴别功能，采用AES-128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）,各个应用可灵活确定其安全属性；
·有效范围小：有效覆盖范围10~75米，具体依据实际发射功率大小和各种不同的应用模式而定；
·工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段。
3. ZigBee网络中的三种设备类型
●网络协调器：包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息；
●全功能设备(FFD)：可以担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD或是精简功能装置（RFD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输；
·附带由标准指定的全部 802.15.4 功能和所有特征；
·更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用；
·也能用作终端设备。
●精简功能设备(RFD)：RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。
·附带有限的功能来控制成本和复杂性；
·在网络中通常用作终端设备；
·ZigBee相对简单的实现自然节省了费用。RFD由于省掉了内存和其他电路，降低了ZigBee部件的成本，而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本。
PLC-BUS
1. PLC-BUS背景
在2002年6月9日，位于荷兰阿姆斯特丹市，致力于设计、开发和制造先进的电力载波灯光控制技术的荷兰ATS电力线通信有限公司（ATS.,CO）宣布又研发出一种高可靠、低成本的电力线通信技术——PLC-BUS电力总线技术（Power Line Communication Bus）。此项技术拥有超强的系统稳定性和可靠性，为商业住宅提供了更为经济的智能化控制解决方案。
2. PLC-BUS概述
·PLC-BUS智能家居系列产品，利用家庭中现有的电力线，传送控制灯光和家用电器的指令。
·利用电力线通讯最大的好处是无须另外布线，而且不需要主机，使得安装既简单又快速。
·利用跳频技术(4-40KHZ) ，传输距离更远，抗干扰能力更强，更稳定。
·双向通信，能够实时反馈查询。
3. PLC-BUS传输原理
PLC-BUS信号总的来说，是通过给一个电容先进行高压充电，然后在一个很精确的时间里将电容的电量释放到电力线上。这种快速的电容放电会在电力线上产生一个瞬间的能量脉冲，因而PLC-BUS接收器可以在很远的地方轻松接收PLC-BUS信号 。
每半个50Hz的正弦波周期里可以传递一个PLC-BUS脉冲信号，PLC-BUS脉冲信号总是出现在半个正弦波周期里的四个固定位置中的一个位置。每个位置可以搭载两个比特的信息，因此在50Hz的电力线上，一秒钟可以传输200比特的数据 。
4. PLC-BUS技术优势
·沿用世界上现有最广泛的有线网络：电力线。发展将更加的广泛、更加光明，达到真正即插即用。
·改进了以往的通讯方式，实现了发射端和接收端的双向互动的通讯方式，使得控制变得更直观，一目了然。
·改进电力线的指令的加载方式，发射器指令传送至接收器可靠性提高至99.95％。接收器回馈至发射器的可靠度达到99％。
·扩展了控制的地址，PLC-BUS的可控制地址得到了进一步的扩展，高达6万多个地址。
·高速的传送速度。信号从发射器至接收器只需0.1秒，控制只是转瞬之间。
·由于采用新的信号电力线加载技术，能抵御电力线上的各类吸波和杂波的干扰，因此无需阻波设备，这是PLC-BUS的最大特点之一。
·由于高的抗干扰能力，使得信号的传送远达几十公里。因此应用的范围更加的广泛，超大的别墅和宾馆甚至体育馆也不在话下。
·更优的防串户设计，只需发射器间的对码就可解决户与户间的控制干扰。
·采用主、副地址技术，实现了扩展场景功能。每个接收器除了自带的一个主地址外，另可记忆16个副地址，以实现16种场景功能。
·具有高级的调试诊断性能， 调试方式方法进一步简化，通过一个插座就可以检测到系统中每个接收器处的信号强度及干扰的强度。
·PLC-BUS与X10的产品相兼容，适用领域更加广泛。
CAN
1. CAN概述
CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初，CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。
CAN总线是德国BOSCH公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议，是交通运载工具电气系统中应用较广的总线。现在向过程工业、机械工业、机器人、数控机床、传感器等方面发展。
1993年11月，ISO正式颁布CAN为国际标准ISO11898。
支持CAN协议的公司有Intel、Motorola、Philips、Siemens、NEC、Honeywell等公司。
2. CAN总线的主要技术指标
传输速率：可达到1Mbps（40米以内）
传输距离：10千米（5kbps以下）
支持的介质：铜线，光纤
媒体访问控制方式：CSMA/冲突按优先权解决
可挂接的最大节点数：110
3. CAN总线的信号传送
信号使用差分电压传送，两条信号线被称为“CAN_H”和“CAN_L”，静态时均是2.5V左右，此时状态表示为逻辑“1”，也可以叫做“隐性”。用CAN_H比CAN_L高表示逻辑“0”，称为“显形”，此时，通常电压值为：CAN_H = 3.5V 和CAN_L = 1.5V。
Canbus采用双绞线自身校验的结构，既可以防止电磁干扰对传输信息的影响，也可以防止本身对外界的干扰。系统中采用高低电平两根数据线，控制器输出的信号同时向两根通讯线发送，高低电平互为镜像。并且每一个控制器都增加了终端电阻，已减少数据传送时的过调效应。
4. CAN总线的数据通信
·CAN属于总线式串行通信网络；
·可实现点对点、一点对多点及全网广播几种方式发送接收数据；
·为多主方式工作，通信方式灵活；
·CAN网络按节点类型分成不同的优先级；
·CAN采用非破坏性总线优先级仲裁技术；
·每帧信息都有循环冗余校验CRC及其它检错措施；
·CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭输出功能；
·CAN总线以报文为单位进行数据传递；
·每个标准报文起始部分有一个11位的标志符ID；
·数据域为0-8个字节，每个字节8位。
5. 载波侦听多路访问/冲突检测
利用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect）访问总线，可对总线上信号进行检测，只有当总线处于空闲状态时，才允许发送。利用这种方法，可以允许多个节点挂接到同一网络上。当检测到一个冲突位时，所有节点重新回到“监听”总线状态，直到该冲突时间过后，才开始发送。在总线超载的情况下，这种技术可能会造成发送信号经过许多延迟。为了避免发送时延，可利用CSMA/CD方式访问总线。
当总线上有两个节点同时进行发送时，必须通过“无损的逐位仲裁”方法来使有最高优先权的的报文优先发送。在CAN总线上发送的每一条报文都具有唯一的一个11位或29位数字的ID。CAN总线状态取决于二进制数“0”而不是“1”，所以ID号越小，则该报文拥有越高的优先权。因此一个为全“0”标志符的报文具有总线上的最高级优先权。可用另外的方法来解释：在消息冲突的位置，第一个节点发送0而另外的节点发送1，那么发送0的节点将取得总线的控制权，并且能够成功的发送出它的信息。
CAN和485的比较
6. CAN的报文格式
CAN协议定义了四种不同的帧。
·数据帧，这个帧被用于当一个节点把信息传送给系统的任何其它节点。数据帧由7个不同的位域组成，即帧起始、仲裁域、控制域、数据域、CRC域、应答域、帧结束。
·远程帧，此帧是基于数据帧格式，只要把RTR（Remote Transmit Request）位设置成远程发送请求，并且没有数据场。总线上发送此帧后，表示请求接收与该帧ID相符的数据帧。远程帧由6个不同的位场组成，即帧起始、仲裁域、控制域、CRC域、应答域、帧结束。
·错误帧，任何单元监测到错误时就发送错误帧。错误帧由两个不同的域组成。第一个域是错误标志，用做为不同站提供错误标志的叠加；第二个域是错误界定符。
·超载帧，节点需要增加时间来处理接收到的数据时便发送超载帧。超载帧包括两个位域：超载标志和超载界定符。
三者优势互补
ZigBee、PLC-BUS与CAN等三种传输方式各有其应用局限性，ZigBee穿越墙壁能力差，信号易被钢筋混凝土阻隔。PLC-BUS停电时无法使用，因此无法用于安防领域。CAN-BUS需要布线，施工相对麻烦。中讯威易建立的统一融合平台可以充分发挥三种技术的优势，在应用时就会扬长避短，实现三者的优势互补，从而实现产品的最优性价比：
比如：PLC-BUS基于电力线传输，在灯光控制领域，具有相当的优势。在安防领域等PLC-BUS不适合的领域，容易布线时，可以考虑CAN，不容易布线的地方，可以考虑ZigBee。
也就是说我们拥有了这三种技术，并且可以实现无缝融合，这样不管针对怎么样的应用环境，我们都可以拿出一个最适合的解决方案满足用户的各种特性化需求，这就是威易智能家居的核心能力。
智能家居核心技术模块化
1. ARM控制模块
主要特点如下：
MPU：at91sam9261
存储器：64MB NandFlash 64MB SDRAM 2MB DataFash
电源（Power）：标准配置参数为：DC +5V/2A；
网络（Ethernet）：一个10/100M网络，带网络变压器和指示灯；
USB Host端口：两组USB 2.0 Full-Speed Host端口，完全兼容OHCI USB 2.0 Full-Speed 规格（12Mbps），支持U盘、鼠标、键盘、摄像头、打印机、USB Hubs等设备；
USB Device 端口：一组USB 2.0 Full-Speed Device端口，完全兼容OHCI USB 2.0 Full-Speed；
音频（Audio）：提供音频输入、输出和麦克输入接口；
串口（USART）：二个三线串口，一个五线串口，USART支持RS485和ISO7816协议；
Dbgu调试口：专用调试串口 ；
液晶显示和触摸屏接口（LCD/Touch）：一个50 Pins插槽引出了LCD和touch的全部信号，显示更稳定；可驱动黑白、单色、伪彩（STN）、真彩（TFT）色LCD；最大分辨率2048X2048，支持18位或24位LCD。
2. ZigBee模块
ZigBee模块集成MCU控制与射频前端，实现了ZigBee组网与通信，与ARM控制模块之间采用串口进行通信。
3. PLC-BUS模块
PLC-BUS模块集成了电力线载波通信收发功能，可通过ARM控制模块的串口进行直接控制。
4. CAN模块
CAN模块集成了MCU控制、CAN控制器及CAN收发器等，跟ARM控制模块之间采用串口进行通信。
5. 协议互转模块
ZigBee、PLC-BUS与CAN之间经常用到协议转换，威易公司专门设计了协议转换器，该协议转换器包括三种模块，他们之间通过UART进行通信，最终通过MCU的串口实现数据的对外输出。
