不同無線通信技術(shù)在智能家居中的運用

耿啟龍

（青島賽維電子信息服務(wù)股份有限公司淄博分公司 山東省淄博市 255000）

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種智能家居設(shè)備也越來越多地進入到人們的生活。除了滿足人們基本的居家需求外，通過無線技術(shù)將各自原本獨立的家居設(shè)備進行系統(tǒng)化的集成，能夠提升人們居住的舒適度和便捷度，提升人們的生活質(zhì)量。在無線通訊技術(shù)的支持下，人們能夠隨心所欲的控制家居環(huán)境。Wi-Fi技術(shù)、藍牙技術(shù)、Z-wave 技術(shù)、ZigBee 技術(shù)等無線通信技術(shù)的有效應(yīng)用，能夠使家居控制更加智能化、自動化、人性化，使智能家居實現(xiàn)新的發(fā)展。

1 智能家居的基本情況介紹

所謂的智能家居就是將人們居住的住宅，通過安全防范技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、音頻視頻技術(shù)、自動控制技術(shù)等多項技術(shù)進行綜合，使家居生活成為一個統(tǒng)一有效的系統(tǒng)，提升家居生活的舒適性、安全性、便捷性。智能建筑最早出現(xiàn)于美國，后來逐漸得到普及。智能家居的發(fā)展離不開網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，在無線技術(shù)的支持下，能夠有效地節(jié)省智能家居建設(shè)的成本，縮短智能家居的設(shè)計周期。智能家居最早出現(xiàn)和發(fā)展于發(fā)達國家，并且技術(shù)也比較成熟，后來隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及開放范圍的不斷擴大，智能家居在我國也有了飛速的發(fā)展。智能家居主要具有控制功能、遙控功能、集中控制功能等基礎(chǔ)功能。

2 不同無線通信技術(shù)在智能家居中的運用

2.1 無線通信技術(shù)

所謂的無線通訊技術(shù)，是利用電磁波信號在任意空間中實現(xiàn)傳播和信息交換的一種通信方式。目前主流的移動通信技術(shù)主要包括Wi-Fi 技術(shù)、藍牙技術(shù)、Z-wave 技術(shù)、ZigBee 技術(shù)等，這些無線通訊技術(shù)在使用的頻率調(diào)制的方式、最大作用距離、應(yīng)用領(lǐng)域等方面各不相同，一般而言數(shù)據(jù)率越高，那么作用距離就越短。下面將介紹幾種主要的無線通訊技術(shù)。如表1 所示。

2.2 Wi-Fi技術(shù)

2.2.1 技術(shù)原理及特點

Wi-Fi 技術(shù)的最大優(yōu)勢在于它的傳播速度快、有效距離長。在開放性領(lǐng)域，Wi-Fi 技術(shù)的通訊距離可以長達305 米，在封閉區(qū)域內(nèi)通訊技術(shù)也可達100 米左右，Wi-Fi 技術(shù)與有線以太網(wǎng)絡(luò)的有效整合，能夠降低組網(wǎng)的成本[1]。Wi-Fi 技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，也被廣泛應(yīng)用于我們的日常生活中。在智能家居領(lǐng)域Wi-Fi 技術(shù)是十分常見的，基于Wi-Fi 技術(shù)的智能家居組合能夠提升用戶的便捷性。

2.2.2 Wi-Fi 技術(shù)的優(yōu)劣條件

Wi-Fi 技術(shù)的優(yōu)勢在于：不需要布線。突破了布線的限制，非常能夠滿足移動辦公的需要，并且Wi-Fi 技術(shù)十分的安全健康，不會對人體造成輻射或其他傷害。組建方式簡單也是Wi-Fi 技術(shù)的突出優(yōu)勢，僅僅需要無線網(wǎng)卡以及一臺AP 就能夠?qū)崿F(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的架設(shè)。與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)相比，Wi-Fi 技術(shù)的架設(shè)費用和程序復(fù)雜度都是比較低的。在對于寬帶的使用方面，Wi-Fi 技術(shù)更具明顯優(yōu)勢，當(dāng)有線寬帶網(wǎng)絡(luò)連接到戶后，僅需在電腦中安裝一塊無線網(wǎng)卡，就無需增加多余的端口，能夠以共享的形式實現(xiàn)上網(wǎng)[2]。但是 Wi-Fi技術(shù)并不是完美的，其最大的缺陷就在于穩(wěn)定性弱、安全性低，并且Wi-Fi 技術(shù)在使用的過程中也擁有相對較高的功耗，而且，目前Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的實際規(guī)模有限，在應(yīng)用中16 個設(shè)備是規(guī)模的極限，但是在智能家居系統(tǒng)中所需連接的設(shè)備往往要遠超過16 個，因此這就使得 Wi-Fi 技術(shù)在智能家居應(yīng)用中的生長空間受到一定的限制。

2.3 藍牙技術(shù)

2.3.1 技術(shù)原理及特點

藍牙技術(shù)能夠通過無線，將移動通訊設(shè)備之間實現(xiàn)有效的連接，能夠進一步拓展形成巨大的無線通訊網(wǎng)絡(luò)，進而實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)無線傳播。藍牙技術(shù)的主要特點包括：

（1）適用范圍廣。藍牙工作的ISM 頻段為2.4GHz，而這個頻段是全球許多國家的允許范圍，這個頻段范圍內(nèi)無需向有關(guān)部門進行許可證的申請，因此十分的便捷。

（2）藍牙通訊技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)語音和數(shù)據(jù)的同步傳播。藍牙采用的是電路交換和分組交換技術(shù)，支持異步數(shù)據(jù)信道和異步數(shù)據(jù)同時傳播的信道。

（3）在藍牙設(shè)備中能夠建立起臨時性的對等連接。藍牙設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中能夠扮演主設(shè)備和其他設(shè)備的角色。所謂的主設(shè)備，就是指在組建網(wǎng)絡(luò)時主動發(fā)起連接請求的設(shè)備，而當(dāng)多個藍牙設(shè)備連接成一個體系時，只能有一個主設(shè)備，其他的都屬于從設(shè)備，藍牙技術(shù)能夠很好的實現(xiàn)主設(shè)備與從設(shè)備之間的對等連接。

（4）藍牙技術(shù)的抗干擾能力比較強，藍牙采用跳屏方式來進行頻譜的拓展。并且采用SIG 接口，具有開放性。藍牙設(shè)備本身體積很小，方便集成[3]。

2.3.2 藍牙技術(shù)的優(yōu)劣條件

藍牙技術(shù)的優(yōu)勢在于作為一種快速跳頻的短包技術(shù)和分布式的網(wǎng)絡(luò)，能夠有效的實現(xiàn)一對多點對點的通信。在應(yīng)用的過程中，藍牙技術(shù)主要體現(xiàn)在對家中情況的監(jiān)控，一方面是對家庭環(huán)境的遠程監(jiān)控，能夠?qū)崿F(xiàn)對家居中陽光、溫度等生活環(huán)境的調(diào)節(jié)。另一方面，則是對能源使用狀況進行監(jiān)控，在智能家居的環(huán)境下，用戶的水，電暖氣，煤氣等，這些都是重要的有關(guān)居住安全的部分。通過藍牙技術(shù)，能夠有效的將家庭的能源開關(guān)進行監(jiān)控檢查，消除安全隱患，提升家居生活的安全度。并且藍牙技術(shù)能夠提供自動計費服務(wù)，也就是通過藍牙無線技術(shù)，對家庭的用電、用水、用氣等設(shè)備的流量進行監(jiān)控，能夠有效的幫助用戶進行成本控制，減少成本消耗。但是就藍牙技術(shù)的缺點而言，傳輸距離過短是藍牙技術(shù)最主要的缺點，也正是由于這一原因，對于規(guī)模龐大的家庭網(wǎng)絡(luò)而言，藍牙技術(shù)并不適用，因此藍牙技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用有相當(dāng)大的局限性。

2.4 Z-wave技術(shù)

Z-wave 是一種新型的低成本、低功率、高可靠度的短距離無線通訊技術(shù)。在室內(nèi)的有效覆蓋范圍大約是30 米，在室外則可以超過100 米。Z-wave 技術(shù)適用于窄帶寬的場景下，Z-wave 技術(shù)的傳輸頻率比較低，比較適用于短距離、小數(shù)據(jù)的雙向傳輸。Z-wave技術(shù)的特點是運輸速率低、能耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大，另外Z-wave技術(shù)的安全可靠性是其主要的應(yīng)用特點，也正是由于Z-wave 技術(shù)的這些特點，決定了Z-wave 技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用于住宅照明、商業(yè)控制等方面。在Z-wave 技術(shù)的最初形成和設(shè)計時，所定位的就是智能家居無線控制領(lǐng)域。對于Z-wave 技術(shù)而言，每一個Z-wave 網(wǎng)絡(luò)都擁有自己獨立的網(wǎng)絡(luò)地址，在每個網(wǎng)絡(luò)中，包括控制節(jié)點在內(nèi)，可以最多容納232 個有效節(jié)點。在Z-wave 網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點都由主控制節(jié)點進行負責(zé)。Z-wave技術(shù)的結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，性能可靠，在未來的發(fā)展過程中，將不僅局限于智能家居，在其他領(lǐng)域的自動化方面，Z-wave 無線網(wǎng)絡(luò)也將具有廣闊的發(fā)展前景。

表1：幾種主要的無線通訊技術(shù)對比表

正如上文分析的那樣，Z-wave技術(shù)的主要優(yōu)勢就在于價格方面，Z-wave技術(shù)能夠以相當(dāng)?shù)偷某杀?，建設(shè)出一個比較完善的局域網(wǎng)絡(luò)，并且在通信范圍之內(nèi)。將Z-wave 網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都能夠有效控制。當(dāng)用戶家中的智能家居建設(shè)完成后，通過無線通信技術(shù)能夠有效的對家中的電氣設(shè)備進行監(jiān)控和管理。但是Z-wave 技術(shù)的缺點在于在Z-wave 無線網(wǎng)絡(luò)中，無限節(jié)點有限。雖然在理論上能夠最多容納263 個有效節(jié)點，但是在實際應(yīng)用過程中往往只有150 個左右。并且，因為Z-wave 無線網(wǎng)絡(luò)是一種樹網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一旦出現(xiàn)分支的損壞，該分支底部的其他設(shè)備可能就無法與網(wǎng)關(guān)進行有效通訊，并且Z-wave 無線通信技術(shù)沒有相應(yīng)的加密流程，在安全性上有待進一步發(fā)展。

2.5 ZigBee技術(shù)

ZigBee 技術(shù)和Z-wave 技術(shù)都具有能耗低、成本低、操作簡單、近距離的特點和優(yōu)勢。在應(yīng)用ZigBee 技術(shù)于智能家居的過程中，需要制定一定的架構(gòu)設(shè)計。在內(nèi)部網(wǎng)的建設(shè)方面。智能家居本身對于數(shù)據(jù)傳輸量的要求比較低，但是對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩杂直容^高，因為一旦在數(shù)據(jù)傳輸過程中信息傳遞失誤，就可能對家居設(shè)備造成錯誤的指令，進而導(dǎo)致家居設(shè)備的損壞。因此，要十分注重數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，而利用ZigBee 技術(shù)，通過在內(nèi)部網(wǎng)中設(shè)置相應(yīng)的傳感器節(jié)點，能夠有效的建立健全相應(yīng)的家居網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)傳感器節(jié)點對于信息的收集和傳遞，進而進一步檢測家庭內(nèi)部的溫度以及家居設(shè)備的狀態(tài)。

在智能家居中使用ZigBee 技術(shù)的過程中，對于智能家居的控制系統(tǒng)有著較高的要求。首先對于設(shè)備的傳輸數(shù)據(jù)有要求，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不能太大，這是由于ZigBee 技術(shù)自身傳輸速率比較低，在傳輸速率上一般是10kbps 到250kbps 之間，這就使得 ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用范圍比較有限，只能適用于對于速率要求不高的低數(shù)據(jù)傳輸場合。同時也正是由于ZigBee 技術(shù)自身數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾实?，因此在協(xié)議方面并不復(fù)雜，而且可以進行基于自身實際需求的靈活刪減，這就使得生產(chǎn)成本進一步降低。其次，采用ZigBee 技術(shù)的控制系統(tǒng)中，要求設(shè)備的體積比較小，并且不能或不便設(shè)置電源模塊，如果要進行頻繁的更換電池，就會帶來一些不便性，而智能家居產(chǎn)品最重要的特點就在于方便操作、生命周期長。另外，ZigBee 技術(shù)適用于通信范圍廣、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備多，但是數(shù)據(jù)量不大的系統(tǒng)。

ZigBee 技術(shù)的使用能夠有效的對系統(tǒng)中的設(shè)備進行監(jiān)測或控制。一般在智能家居體系的結(jié)構(gòu)中，主要分為安防功能、通信功能、家電調(diào)控功能以及系統(tǒng)自主網(wǎng)功能，這些功能的實現(xiàn)往往需要三大主要模塊，第一模塊是GPRS 網(wǎng)絡(luò)模塊。主要實現(xiàn)的是智能家居系統(tǒng)和用戶之間的遠程交互數(shù)據(jù)，用戶能夠在遠程進行控制管理，并且及時的響應(yīng)警報和監(jiān)管動作。第二模塊是傳感器節(jié)點模塊。這一模塊的作用是將室內(nèi)各個智能設(shè)施的狀態(tài)信息進行收集。而第三模塊就是通信模塊。采用ZigBee 通信模塊將傳感器收集到的信息上傳到家庭網(wǎng)關(guān)，然后進一步將遠端客戶發(fā)布的指令下發(fā)到傳感器分節(jié)點，再實現(xiàn)對于家居設(shè)備的遠程控制。

ZigBee 技術(shù)的優(yōu)點在于它是一種短距離雙向的無線通訊技術(shù)，具有容量高，成本低，損耗率低的優(yōu)勢，并且更重要的是它具有自恢復(fù)和自組織網(wǎng)絡(luò)的功能。這種獨特的自恢復(fù)功能使得ZigBee 技術(shù)具有較高的安全性，因此，ZigBee 技術(shù)是智能家居無線通信技術(shù)中最為常見的一種技術(shù)。出于安全性的考慮，ZigBee 技術(shù)使用的是比銀行卡加密系統(tǒng)還要嚴(yán)格12 倍的A1S 加密系統(tǒng)。并且在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中采用的是蜂窩結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠使每一個設(shè)備都能通過多種方式與網(wǎng)關(guān)進行通信，從而有效確保了整體網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。而且每個裝置內(nèi)部還設(shè)置有無線信號中繼功能，這種中繼功能能夠?qū)o線通訊的信息傳達到1 千米遠的距離。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點方面，理論上ZigBee 技術(shù)擁有65,300 個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的容量，能夠充分滿足家庭網(wǎng)絡(luò)的覆蓋需求，同時雙向通信的ZigBee 技術(shù)，不僅能夠?qū)⒂脩舻闹噶畎l(fā)送到家居設(shè)備中，而且在發(fā)送的同時，也能夠?qū)⒃撛O(shè)備的運行狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)進行及時有效的反饋。ZigBee 技術(shù)還具有重要的低功率的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)全電池供電，這就使得智能家居的便捷性和持續(xù)性大大提升。但是ZigBee 技術(shù)雖然擁有如此多的優(yōu)勢，其最大的缺點就在于它的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的門檻很高，需要的開發(fā)技術(shù)也比較先進，開發(fā)難度大，只有擁有豐厚實力的企業(yè)才能進行有效的開發(fā)研究。

3 小結(jié)

無線通訊技術(shù)作為智能家居發(fā)展的重點和關(guān)鍵領(lǐng)域，在未來的發(fā)展過程中，需要投入更多的技術(shù)進行研究、改善，使智能家居更好的進入人們的生活，使科技成為改善人們生活的重要推動力，使更多的人享受到科技的紅利。