智能家居無線通信技術(shù)研究

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摘要：隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，對生活舒適性的要求也在不斷提升，在通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)越來越成熟的背景下，智能家居的發(fā)展已經(jīng)成為必然。作為智能家居中的技術(shù)引領(lǐng)者，無線通信技術(shù)借助無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行家居操控，憑借自身特點(diǎn)促進(jìn)了智能家居產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：無線通信；智能家居；應(yīng)用

0引言

當(dāng)今時(shí)代是物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，人們跟家居設(shè)備的互動(dòng)將會(huì)越來越準(zhǔn)確便捷，智能家居的一個(gè)巨大飛躍發(fā)展就是從有線網(wǎng)絡(luò)到無線通信。在智能家居中，無線通信技術(shù)的應(yīng)用不僅在第一個(gè)環(huán)節(jié)改變了家庭應(yīng)用的方式，在安裝過程中避免了開墻孔，很大的程度上簡化了產(chǎn)品設(shè)備的調(diào)度方式。智能家居系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性直接受到無線通信技術(shù)優(yōu)劣的影響。就目前來說，在智能家居的無線通信技術(shù)運(yùn)用中WiFi、Z-Wave、藍(lán)牙(Bluetooth)、ZigBee、無線射頻等五種技術(shù)比較常見。下面把這5種技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)和用途進(jìn)行介紹。

1理論概述

1.1無線通信技術(shù)無線通信(Wirelesscommunication)是指利用電磁波信號可以在任意空間中傳播并且進(jìn)行信息交換的一種通信方式。GSM、Infrared(IR)、CDMA2000、Bluetooth、UMTS/3GPPw/HSDPA、RFID、ISM、ZigBee、WiMAXWi-Fi和UWB等是目前主流的無線通信技術(shù)。各種各樣的無線通信技術(shù)的適用頻段、調(diào)制方式、最大作用距離、數(shù)據(jù)率和應(yīng)用領(lǐng)域。數(shù)據(jù)率越高,作用距離就越短是以上幾種無線通信技術(shù)的作用距離與數(shù)據(jù)率最明顯的關(guān)系。1.2智能家居智能家居(homeautomation,smarthome)是指以住宅為平臺，利用安全防范技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、綜合布線技術(shù)、音視頻技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的家庭日程事務(wù)與住宅設(shè)施的管理系統(tǒng)，提升家居舒適性、藝術(shù)性、安全性、便利性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保智能、節(jié)能的居住環(huán)境。

2主流無線通信技術(shù)在智能家居中應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1WiFi技術(shù)

優(yōu)點(diǎn)：WiFi技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在我們的日常生活中，它有著較高的傳輸速率，可以在射頻技術(shù)指導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)個(gè)人電腦或者手機(jī)等終端設(shè)備無線方式的有效連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的高效傳輸?；赪iFi技術(shù)的智能家居產(chǎn)品是很常見的，其優(yōu)勢在于傳輸速率快，且產(chǎn)品成本低，在生活使用中最為流行。而且，對于用戶來說，最方便的智能家居組合就是基于WiFi技術(shù)，它可以直接購買設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。WiFi是一種以太網(wǎng)無線擴(kuò)展，成本較低；它有著更高的傳輸速度，可以達(dá)到54Mbps；傳輸速度很快，甚至可以達(dá)到11Mbps。缺點(diǎn)：無線穩(wěn)定性弱、安全性非常低是WiFi技術(shù)最大的問題；其次，相對較高的功耗也是被廣為詬病的缺點(diǎn)；最后，就目前的技術(shù)來看，16個(gè)設(shè)備已經(jīng)是WiFi網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際規(guī)模的極限，組網(wǎng)能力不高，而實(shí)際智能家居系統(tǒng)中的設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于16個(gè)，顯然生長空間受到了一定的限制。

2.2Z-wave技術(shù)

優(yōu)點(diǎn)：最初的時(shí)候，應(yīng)用于智能家居的無線控制就是Z-wave無線通信技術(shù)的技術(shù)設(shè)計(jì)初衷。與其他智能家庭無線通信技術(shù)相比，Z-wave無線通信技術(shù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小，傳輸頻率低，保持在865.22-956MHz之間，所以無論是價(jià)格還是傳輸距離都有很大的優(yōu)勢。由控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分配的獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)地址存在于任意一個(gè)Z-wave網(wǎng)絡(luò)中，通信距離范圍之內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都可以被控制。設(shè)備完成后進(jìn)入網(wǎng)內(nèi)，用戶可以使用全功能遙控器，在全觸摸屏控制下使用輔助開關(guān)狀態(tài)，對家中所有連接的智能家居進(jìn)入網(wǎng)電控制。Z-wave無線通信技術(shù)可以利用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)對家庭中的電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)更有效的監(jiān)控和管理。缺點(diǎn)：Z-wave無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無線節(jié)點(diǎn)不多，理論值為256，實(shí)際值可能只有150左右，樹網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，一旦被頂壞的分支，所有的底部的設(shè)備可能就無法與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。此外，Z-wave無線通信技術(shù)無加密技術(shù)，安全性很低。

2.3藍(lán)牙技術(shù)

優(yōu)點(diǎn)：藍(lán)牙通信技術(shù)作為一種典型的快速跳頻短包技術(shù)和分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以輕松實(shí)現(xiàn)一對多，點(diǎn)對點(diǎn)的通信連接，在一個(gè)2.4GH帶的環(huán)境中工作，常規(guī)建立數(shù)據(jù)傳輸率為1Mhps?，F(xiàn)在在智能家居中藍(lán)牙技術(shù)的作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，通過藍(lán)牙技術(shù)監(jiān)控用戶家中的各種情況，這一監(jiān)測涉及兩部分，一是監(jiān)測家庭環(huán)境，利用遠(yuǎn)程對用戶家庭實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)陽光，濕度和溫度等，建立舒適的生活環(huán)境。二是監(jiān)測能源，在這種情況下，具體的能源是指用戶的水電，暖氣、煤氣等，監(jiān)測家庭能源開關(guān)，消除安全隱患；另一方面，藍(lán)牙技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)費(fèi)服務(wù)。藍(lán)牙無線通信技術(shù)對用戶家庭電表、水表和煤氣表等充電設(shè)備的流量進(jìn)行精度監(jiān)控，并計(jì)算出成本消耗。缺點(diǎn)：由于傳輸距離太短，所以組建龐大的家庭網(wǎng)絡(luò)對于藍(lán)牙技術(shù)來說并不適用，在智能家居的應(yīng)用中有很明顯的限制。

2.4ZigBee技術(shù)

優(yōu)點(diǎn)：ZigBee技術(shù)在智能家居無線通信技術(shù)中是最常見的，它的性質(zhì)是一個(gè)短距離的雙向無線通信技術(shù)，具有高容量和低投資、低損耗等明顯的優(yōu)點(diǎn)，并具有自恢復(fù)和自組織網(wǎng)絡(luò)的功能。由于獨(dú)特的技術(shù)設(shè)計(jì)，ZigBee技術(shù)擁有較高的安全性：使用了比銀行卡加密系統(tǒng)嚴(yán)格12倍的AES（高級）加密系統(tǒng)，；其次，采用蜂窩結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)設(shè)備可以通過多個(gè)方向與網(wǎng)關(guān)通信，保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；每個(gè)裝置還具有無線信號中繼功能，可以中繼傳輸?shù)綗o線通信信息到1000米遠(yuǎn)的距離。此外，65300的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量理論，可以滿足家庭網(wǎng)絡(luò)覆蓋的需求，甚至只需要一個(gè)主機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)智能大廈、智能小區(qū)等的普遍覆蓋；最后，ZigBee具備雙向通信能力，不僅可以發(fā)送命令到設(shè)備，該設(shè)備還可以把正在進(jìn)行的狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)反饋回來。此外，ZigBee采用低功耗設(shè)計(jì)，可以使用全電池供電，理論上來說，電池的電量足夠使用2年以上。缺點(diǎn)：ZigBee技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用門檻較高，開發(fā)難度大，沒有技術(shù)實(shí)力的企業(yè)無法涉足，國外的智能家居系統(tǒng)都是在運(yùn)用這個(gè)技術(shù)，目前國內(nèi)只有海爾、小米、紫光物聯(lián)、深圳聰明屋等少數(shù)企業(yè)把此技術(shù)運(yùn)用到了智能家居。

2.5無線射頻技術(shù)

優(yōu)點(diǎn)：無線射頻技術(shù)是一種自動(dòng)識別技術(shù)，基本系統(tǒng)主要包含衛(wèi)星天線、電子標(biāo)簽、閱讀器三大部分。電子標(biāo)簽上有可以被唯一識別的電子編碼。閱讀器通過無線射頻的照射獲取電子標(biāo)簽的電子編碼，并進(jìn)行識別。衛(wèi)星天線就是收發(fā)無線射頻的媒介，負(fù)責(zé)電子標(biāo)簽與閱讀器之間的“交流”。無線射頻技術(shù)是一種近距離的無線通信技術(shù)，具有低成本、低數(shù)據(jù)速率、低功耗、低復(fù)雜度的特點(diǎn)。這種技術(shù)應(yīng)用于智能家居的的優(yōu)點(diǎn)是，利用點(diǎn)對點(diǎn)的射頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對家電和燈光的控制，使一部分家居產(chǎn)品無需重新布線，設(shè)置安裝都很便捷，主要應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)對特定電器或燈光的控制，成本較低。缺點(diǎn)：無線射頻技術(shù)的遙控距離一旦超過一定范圍，無線信號就會(huì)因?yàn)橥l信號的干擾而變?nèi)酢Ｔ谥悄芗揖拥膽?yīng)用中，無線射頻技術(shù)的極限距離是30米（室內(nèi)），如果超過了這個(gè)距離，無線信號會(huì)減弱，同時(shí)易受同頻干擾，是無線射頻技術(shù)最明顯的缺點(diǎn)。另外，無線射頻技術(shù)裝置的家居系統(tǒng)功能比較弱，控制方式比較單一，受環(huán)境制約明顯，只適用于新裝修戶和已裝修戶。

3結(jié)語

在通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，萬物互聯(lián)是必然趨勢，在未來，人與人、人與物、物與物都會(huì)無處不在的互聯(lián)，任何人、任何物、任何時(shí)間、任何地點(diǎn)永遠(yuǎn)在線，隨時(shí)互動(dòng)。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的智能家居系統(tǒng)必須具備互聯(lián)互通，單純的遠(yuǎn)程控制一下燈光和電器已經(jīng)不能稱為實(shí)質(zhì)意義上的智能家居了，那樣只能叫做遙控。智能產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展的今天，在智能家居中如何更有效地發(fā)揮無線通信的優(yōu)勢是智能家居研究的重點(diǎn)。

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作者：鄭世華 單位：福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院