無(wú)線智能家居控制系統(tǒng)研究

侯冉冉

（中國(guó)五洲工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京100053）

1 概念

智能家居控制系統(tǒng)（Smarthome Control Systems，SCS），是以智能家居系統(tǒng)為平臺(tái)，家居電器為主要控制對(duì)象，利用綜合布線、網(wǎng)絡(luò)通信、安全防范、自動(dòng)控制、音視頻等技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施進(jìn)行高效集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日常事務(wù)的控制管理系統(tǒng)，改善家居智能、安全、高效、便利、舒適，并實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)保、節(jié)能、健康的綠色居住需求。智能家居控制系統(tǒng)是智能家居核心，是智能家居控制功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

2 構(gòu)成

智能家居控制系統(tǒng)主要由智能家居（中央）控制管理、家居布線、家庭網(wǎng)絡(luò)、家庭安防、家居照明控制、背景音樂(lè)、家庭影院與多媒體、家庭環(huán)境監(jiān)控等八大系統(tǒng)構(gòu)成。其中，前四項(xiàng)是必備系統(tǒng)，后四項(xiàng)為可選系統(tǒng)。

3 主要功能

智能家居控制系統(tǒng)主要具有家庭通信、家庭設(shè)備自動(dòng)監(jiān)控、家庭安全防范三個(gè)功能。

（1）家庭通信功能包括電話通信、計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、有線電視網(wǎng)等。

（2）家庭設(shè)備自動(dòng)監(jiān)控功能包括實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器（空調(diào)機(jī)、熱水器、電視機(jī)等）的監(jiān)控，背景音樂(lè)、家庭影院與多媒體的控制，照明設(shè)備和電動(dòng)窗簾的監(jiān)控，家庭環(huán)境監(jiān)控（如 PM2.5、溫度、濕度的監(jiān)控），熱能表、燃?xì)獗怼⑺砑半姸缺淼臄?shù)據(jù)采集、計(jì)量和傳送等。

（3）家庭安全防范功能包括火災(zāi)報(bào)警、可燃?xì)怏w泄漏報(bào)警、防盜報(bào)警、緊急報(bào)警及求救、訪客對(duì)講、視頻安防監(jiān)控、智能門鎖控制等。

4 通信技術(shù)

智能家居控制系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將各種家電設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、集中監(jiān)控和管理等功能。強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能是智能家居系統(tǒng)中不可或缺的部分。目前智能家居控制系統(tǒng)采用主流的通信技術(shù)有現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、電力載波技術(shù)以及無(wú)線技術(shù)三大類。

4.1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

采用總線式結(jié)構(gòu)，主要由電源供應(yīng)器、雙絞線和功能模塊三個(gè)基本部分組成。現(xiàn)場(chǎng)總線是以雙絞線為基礎(chǔ)的家居控制總線，主要有CEBUS總線、LonWorks總線、ApBus總線、RS-485總線、EIB電氣安裝總線等。

4.2 電力載波技術(shù)

是指利用現(xiàn)有電力線，通過(guò)載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。其代表X-10就是一種國(guó)際通用的智能家居電力載波協(xié)議。

4.3 無(wú)線技術(shù)

是以無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為主要連接方式的智能家居控制系統(tǒng)，通常稱為無(wú)線智能家居控制系統(tǒng)。無(wú)線技術(shù)通常根據(jù)所采用的無(wú)線通信協(xié)議來(lái)進(jìn)行分類，如藍(lán)牙、WiFi、ZigBee、Z-Wave等。 無(wú)線控制系統(tǒng)需要滿足低功耗、穩(wěn)定、易于擴(kuò)展及并網(wǎng)等要求。

4.4 有線技術(shù)與無(wú)線技術(shù)的比較

有線智能家居系統(tǒng)具有成本低廉、系統(tǒng)研發(fā)成本低、周期短、市場(chǎng)見(jiàn)效快的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際使用中數(shù)據(jù)傳輸可靠性強(qiáng)、傳輸速率高、不受環(huán)境限制、抗干擾性強(qiáng)。缺點(diǎn)是需要專業(yè)人員施工維護(hù)、施工周期長(zhǎng)、系統(tǒng)靈活性差、擴(kuò)展能力較低?，F(xiàn)階段的有線智能家居控制系統(tǒng)施工布線較為繁瑣，適用于新建或重新裝修的房屋，終端位置固定、不易變更、費(fèi)用較高。而無(wú)線智能家居控制系統(tǒng)更注重簡(jiǎn)易性和維護(hù)的方便性，可以快速檢測(cè)出問(wèn)題所在并及時(shí)修復(fù)。該系統(tǒng)在控制核心與被控制設(shè)備之間完全采用無(wú)線連接，不需要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)從最簡(jiǎn)單單一燈具的開(kāi)關(guān)控制，到復(fù)雜的全家照明、電動(dòng)窗簾、空調(diào)機(jī)、智能門鎖、電器設(shè)備的全面智能控制，且安裝簡(jiǎn)易，無(wú)需復(fù)雜的布線，可自動(dòng)組網(wǎng)，設(shè)備拓展能力強(qiáng)、設(shè)備功耗較低，符合“低碳生活”的綠色家居概念。

5 無(wú)線通信協(xié)議

無(wú)線通信協(xié)議的作用是通過(guò)協(xié)議技術(shù)完成設(shè)備與設(shè)備之間的控制、聯(lián)動(dòng)以及信號(hào)的收發(fā)。

當(dāng)前智能家居的無(wú)線通信協(xié)議種類繁多，主要有藍(lán) 牙、WiFi、Halow、ZigBee、Z-Wave、LoRa 和Thread等。

5.1 藍(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)

藍(lán)牙是一種基于2.4GHz ISM頻段的短距離通信技術(shù)，是由藍(lán)牙SIG（Special Interest Group）聯(lián)合制定的近距離無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（1）優(yōu)點(diǎn)：可以傳輸大數(shù)據(jù)，為生活帶來(lái)許多便捷之處；功耗較低；任一藍(lán)牙設(shè)備都可得到一個(gè)唯一的48bit的地址碼，安全性較高；通信模塊體積小，設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低。

（2）缺點(diǎn)：傳輸距離較近，一般＜10m；藍(lán)牙堆棧（stack）很容易崩潰，藍(lán)牙控制設(shè)備數(shù)量比較少，同時(shí)滿節(jié)點(diǎn)工作穩(wěn)定性不高，抗干擾能力不強(qiáng)；傳輸速度較慢，適合用于點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)連接，不適用于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)控制。

（3）應(yīng)用情況：當(dāng)前，基于藍(lán)牙通信協(xié)議智能家居系統(tǒng)具有成本低、組網(wǎng)方便的優(yōu)點(diǎn)，藍(lán)牙協(xié)議廣泛應(yīng)用在智能門鎖、智能手機(jī)、智能手環(huán)、無(wú)線音響、智能空調(diào)等智能家電設(shè)備中。

5.2 WiFi無(wú)線通信技術(shù)

WiFi全稱Wireless Fidelity，是目前最為流行的無(wú)線通信技術(shù)，是一個(gè)創(chuàng)建于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)。常見(jiàn)的IEEE 802.11n使用2.4GHz頻段和5GHz頻段。

（1）優(yōu)點(diǎn)：IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)的核心是MIMO（multiple-input multiple-output，多入多出）技術(shù)和OFDM技術(shù)，傳輸速度300Mbps，最高可達(dá)600Mbps，可向下兼容802.11b、802.11g。在覆蓋距離方面，802.11n采用智能天線技術(shù)，采用多組獨(dú)立天線組成陣列，動(dòng)態(tài)調(diào)整波束，以確保用戶接收到穩(wěn)定信號(hào)；其傳輸速度高，有效距離長(zhǎng)，可與已有的各種802.11 DSSS設(shè)備兼容；通信模塊成本低、施工方便、方便連接各種設(shè)備、實(shí)用性好。

（2）缺點(diǎn)：功耗大，無(wú)法使用電池供電；WiFi系統(tǒng)需要接入無(wú)線AP，即無(wú)線接入點(diǎn)，若AP故障，則通過(guò)該點(diǎn)接入的設(shè)備將失去聯(lián)絡(luò)；WiFi的穿墻能力和衍射能力較弱，且易受周圍無(wú)線設(shè)備環(huán)境特別是同頻的干擾和屏蔽。

（3）應(yīng)用情況：由于WiFi具有價(jià)格便宜、協(xié)議簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，很多廠家用WiFi協(xié)議來(lái)做智能家居。WiFi適合無(wú)線傳輸大數(shù)據(jù)，因其他無(wú)線協(xié)議無(wú)法進(jìn)行攝像機(jī)數(shù)據(jù)的傳輸，所以智能電子門鈴和攝像機(jī)均采用WiFi或是有線連接的方式。

5.3 Halow無(wú)線通信技術(shù)

Halow（802.11ah）是 WiFi聯(lián)盟正式發(fā)布的802.11ah WiFi標(biāo)準(zhǔn)，是一種0.9GHz頻段的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案，特別適用于物聯(lián)網(wǎng)。能為用戶提供一種架構(gòu)簡(jiǎn)單、遠(yuǎn)距離、低功耗、大容量、低成本的系統(tǒng)方案。

（1）優(yōu)點(diǎn)：采用900MHz頻段，遠(yuǎn)低于當(dāng)前WiFi的2.4GHz和5GHz頻段，功耗明顯減小，大大延長(zhǎng)了傳感器的待機(jī)時(shí)間，與此同時(shí)，覆蓋范圍更大，信號(hào)更強(qiáng)，且不容易被干擾；HaLow拓展了WiFi的使用場(chǎng)景，適合小尺寸、電池供電的設(shè)備，非常適合智能家居、智慧城市的獨(dú)特需求；這一技術(shù)的功耗很低，穿墻能力相比WiFi明顯增強(qiáng)。

（2）缺點(diǎn)：不適于快速傳輸數(shù)據(jù)，也不適合網(wǎng)頁(yè)瀏覽等，更適合用高頻率微量數(shù)據(jù)傳輸；由于HaLow運(yùn)行在未授權(quán)的頻段上，所以會(huì)存在一些干擾問(wèn)題。

（3）應(yīng)用情況：HaLow協(xié)議是新興的無(wú)線協(xié)議，正在被越來(lái)越多的智能家居系統(tǒng)所采用。

5.4 ZigBee無(wú)線通信技術(shù)

ZigBee是由HomeRF聯(lián)盟開(kāi)發(fā)的一種無(wú)線專有協(xié)議，具有許多不同的“配置文件”，是目前智能家居產(chǎn)品常用的協(xié)議之一。ZigBee是一種近距離、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)。適合在距離短且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸。

（1）優(yōu)點(diǎn)：功耗低，在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號(hào)干電池可使用六個(gè)月到兩年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩，這也是ZigBee的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；成本低，ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低、協(xié)議簡(jiǎn)單，所以大大降低了成本，且免收專利費(fèi)；網(wǎng)絡(luò)容量大，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備；時(shí)延短，通常時(shí)延為15～30ms；提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法；使用頻段為2.4GHz、868MHz（歐洲）及 915MHz（美國(guó)），均為免執(zhí)照頻段；有效覆蓋范圍為10～75m，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。

（2）缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸速率低，只有 10kB／s到250kB／s，適用于低傳輸應(yīng)用；在國(guó)內(nèi)選用2.4GHz頻段通訊，所以ZigBee協(xié)議的穿墻能力和衍射能力較弱。

（3）應(yīng)用情況：廣泛應(yīng)用于智能家居、商業(yè)，能源和遠(yuǎn)程控制市場(chǎng)，是目前常用的協(xié)議之一。

5.5 Z-Wave無(wú)線通信技術(shù)

Z-Wave是一種專門用于智能家居自動(dòng)化的無(wú)線RF通信技術(shù)，主要工作頻段有兩個(gè)，一個(gè)是868.42MHz（歐洲），另一個(gè)則是 908.42MHz（美國(guó)）。Z-Wave由行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的成員聯(lián)盟Z-Wave聯(lián)盟提供支持。

（1）優(yōu)點(diǎn)：采用輕量級(jí)協(xié)議和簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)有助于保持更低功耗，其單芯片解決方案可以為電池驅(qū)動(dòng)設(shè)備（如溫度調(diào)節(jié)器和傳感器）提供先進(jìn)的省電模式；傳輸距離較遠(yuǎn)，連接穩(wěn)定；支持自組網(wǎng)能力，在安全性和系統(tǒng)穩(wěn)定性上較強(qiáng)；設(shè)備模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、接受靈敏度高；協(xié)議簡(jiǎn)單、開(kāi)發(fā)快；在一個(gè)家庭中能夠?qū)崿F(xiàn)233個(gè)節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)間的通訊路由，滿足家庭控制要求。

（2）缺點(diǎn)：傳輸速率較低，只有 40kbps，不適合于帶寬密集型應(yīng)用，例如音頻／視頻傳輸；未采用任何加密的設(shè)計(jì)，安全性較差；采用單信道傳輸數(shù)據(jù)，自我修復(fù)能力和抗干擾能力略低于ZigBee協(xié)議。

（3）應(yīng)用情況：Z-Wave協(xié)議作為無(wú)線智能家居系統(tǒng)協(xié)議，在市場(chǎng)中較為多見(jiàn)。

5.6 LoRa無(wú)線通信技術(shù)

LoRa技術(shù)是低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network）通信技術(shù)中的一種，是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案。能為用戶提供一種架構(gòu)簡(jiǎn)單、遠(yuǎn)距離、低功耗、大容量（多節(jié)點(diǎn)）、低成本的系統(tǒng)方案。

（1）優(yōu)點(diǎn)：傳輸距離遠(yuǎn)；功耗極低，一節(jié)五號(hào)電池理論上可供終端設(shè)備工作10年以上；可在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行，包括 433、868、915MHz等；組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)多。

（2）缺點(diǎn)：對(duì)于國(guó)內(nèi)三大電信運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，已在在很多城市完成NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署，使用LoRa技術(shù)大規(guī)模組網(wǎng)的可能性不大。

（3）應(yīng)用情況：根據(jù)LoRa技術(shù)的特點(diǎn)，非常適用于要求具備功耗低、距離遠(yuǎn)、容量大以及可定位跟蹤等特點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如智能家居、智能抄表、智能停車、寵物跟蹤、智慧社區(qū)等應(yīng)用和領(lǐng)域。

5.7 Thread無(wú)線通信技術(shù)

Thread 由三星、Nest、ARM、Big Ass Fans、飛思卡爾和Silicon Labs公司聯(lián)合推出的一種基于IP的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，主要是為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供安全、無(wú)縫通信。最初設(shè)計(jì)Thread是為了針對(duì)智能家居和樓宇自動(dòng)化應(yīng)用，如電器管理、溫度控制、能源使用、照明、安全等，現(xiàn)其范圍已擴(kuò)展至更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用當(dāng)中。

（1）Thread的優(yōu)點(diǎn)：Thread是一種基于 IPv6、低功耗網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，摒棄了網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性，只有兩種不同的節(jié)點(diǎn)類型（Router Eligible節(jié)點(diǎn)和End Device節(jié)點(diǎn)）；Thread使用了6LoWPAN技術(shù)，并基于 IEEE 802.15.4網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，因此Thread IP可尋址，其不僅能為低成本、電池供電的設(shè)備之間提供有效通信，也支持云和AES加密；Thread可支持超過(guò)250個(gè)設(shè)備同時(shí)聯(lián)網(wǎng)，能夠覆蓋到家中所有的燈具、開(kāi)關(guān)、傳感器和智能設(shè)備；超低能耗，設(shè)備可以運(yùn)行數(shù)年；由于 Thread建立在ZigBee基礎(chǔ)之上，原有的ZigBee設(shè)備只需更新固件即可兼容Thread。

（2）缺點(diǎn)：目前Thread技術(shù)還未大規(guī)模投入市場(chǎng)，產(chǎn)品不多見(jiàn)。

（3）應(yīng)用情況：Thread技術(shù)作為新興協(xié)議，主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)和智能家居，市場(chǎng)前景十分廣闊。

6 5G對(duì)智能家居的改變

我國(guó)已經(jīng)迎來(lái)第一波5G浪潮，支持5G技術(shù)的智能設(shè)備將會(huì)投放市場(chǎng)。對(duì)智能家居來(lái)說(shuō)，5G技術(shù)的落地意義重大。

5G是指第五代無(wú)線通信技術(shù)，傳輸速率將達(dá)到10GB／s，網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間將降低到1ms以下。根據(jù)工信部的規(guī)劃，我國(guó)5G系統(tǒng)在3 000～5 000MHz頻段（中頻段）內(nèi)的頻率使用。規(guī)劃明確了 3 300～3 400MHz（原則上限室內(nèi)使用）、3 400～3 600MHz和4 800～5 000MHz頻段作為5G系統(tǒng)的工作頻段。其中電信和聯(lián)通采用 3 500MHz，移動(dòng)采用2 600MHz和 4 900MHz。

5G技術(shù)一旦普及，智能攝像機(jī)、智能門禁、智能監(jiān)控、智能門鎖等設(shè)備將可以配置更高像素的傳感器和相應(yīng)的視頻直播功能，其低功耗技術(shù)對(duì)智能家居設(shè)備來(lái)說(shuō)也是必不可少的，將可以支持更多的連接設(shè)備數(shù)，這將使得智能家居場(chǎng)景中的總設(shè)備數(shù)的上限提升。

基于5G廣覆蓋、低功耗、大連接、低時(shí)延等特點(diǎn)，智能設(shè)備之間的物理空間進(jìn)一步被“壓縮”。5G通信的高效與穩(wěn)定，為物聯(lián)網(wǎng)、智能家居打開(kāi)了一扇新的大門。

當(dāng)前的智能家居控制系統(tǒng)基本上是通過(guò)多個(gè)傳感器把各個(gè)獨(dú)立的信息進(jìn)行匯總連接，往往速率較慢。市場(chǎng)上的每個(gè)廠家只專注于自己的產(chǎn)品，品牌之間不能互聯(lián)。國(guó)內(nèi)和國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)制訂統(tǒng)一的5G標(biāo)準(zhǔn)，極有可能打破設(shè)備商各自為戰(zhàn)、市場(chǎng)孤島化的混亂局面，從而結(jié)束各個(gè)品牌之間不兼容的尷尬局面。

7 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線智能家居作為新時(shí)代的產(chǎn)業(yè)，正在被越來(lái)越多的人們所接受。無(wú)線通信技術(shù)和人工智能技術(shù)的進(jìn)步，極大地拓展了智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。隨著人們對(duì)生活品質(zhì)要求的提高，智能家居控制系統(tǒng)必將作為生活中不可缺少的一部分，為生活增添更多的光彩。