無線技術在家庭自動化的應用分析

文│ 福建省冠林科技有限公司 張展林

無線技術在家庭自動化的應用分析

文│ 福建省冠林科技有限公司 張展林

家居智能化發展至今，多種通信技術的應用層出不窮，無線通信技術以其自由、便捷的安裝和使用優點，在家庭自動化的通信方式中已占有越來越重要的份額。目前，市面上的無線通信方式和協議比較多，不利于各廠家設備相互之間通信。本文主要對國內目前家庭自動化所采用的主流通信技術和協議的優點和缺點以及未來的發展趨勢進行分析探討。

家庭自動化 智能家居 無線技術 ZigBee Z-Wave Wi-Fi 藍牙

1 引言

隨著社會發展和科學技術的進步，在普通民用家庭中，各種各樣的家用電器已具有一些可實現的智能控制功能，它們可以幫助人們實現家務勞動和家務管理的自動化，大大提高人們的物質、文化生活水平。

但在目前實際應用中，每個家庭的電器、燈具之間還是相對獨立使用的，尚不能進行相互的聯動控制，需要人為手動操作實現一些智能的控制與管理，若想實現真正家庭內的電器、燈具等智能化控制與管理，就必須有統一的管理平臺來對家庭里所有的電器等進行相互統一的控制與管理，從而實現真正意義上的家庭自動化。

2 實現家庭自動化的控制方式

隨著技術的發展，各種面向家庭自動化通信方式紛紛涌現，通常我們把這些技術按控制的方式分為兩類：一類為有線通信方式，比如目前較為主流的電力載波技術、KNX/EIB總線通信技術、C-BUS以及DALI、DMX512、Lonwork等；另一類為無線通信技術，如433MHz、ZigBee、Z-Wave、藍牙、Wi-Fi、紅外通信等技術。

從實際應用中來看，有線技術與無線技術應用各有特點。有線技術更適用于前端市場，其抗干擾度高，通信技術更有保障；而無線技術恰恰相反，通常適合應用于后裝市場，相對于有線的通信更符合人們對家庭自動化的要求。無線技術的應用若能與有線技術配合使用，更能顯示出其優勢?；谀壳凹彝プ詣踊刂乒δ艿男枨笠约皩罄m家庭自動化控制和管理的實際要求來分析，無線技術的應用將快速融入到家庭自動化的各控制系統中，而且其后續發展的趨勢將更加迅速。本文將對一些主流無線技術的特點及在家庭自動化的實際中應用做一些分析探討。

3 主流無線技術的分析

隨著無線通信技術的發展，無線通信頻段的資源越來越少。適用無線通信技術目前常見有433MHz(中國)、ZigBee、Z-Wave（歐洲和美國）、藍牙、Wi-Fi及紅外通信。

433MHz技術：433MHz頻率相對于2.4GHz來說，它的信號穿透能力較強，傳輸距離更遠。但是，由于其頻率特點決定了它的傳輸速度不高，而且沒有相應的通用標準協議支持，所以只能進行透明傳輸數據，保密性較差，容易被人破解。同時433MHz采用FSK調制方式，抗干擾能力差，容易受到同頻信號干擾。其工作頻率范圍較窄（5kHz～25kHz），如果設備的晶振因長期使用而產生誤差，都會引起工作頻點漂移，從而造成系統不穩定甚至完全不能通信。

ZigBee技術：ZigBee通訊協議最大的優點在于它的低功耗，支持信號路由，自組網特性以及可快速建立網絡聯接；ZigBee聯盟在2013年新增加對IPV6協議支持，使得ZigBee模塊終端不用任何手動配置就可以輕松發現網絡，并獲得唯一的IPv6地址。這使ZigBee模塊無需使用中間網關便能夠加入互聯網連接，方便用戶遠程對設備進行管理。

目前，ZigBee已在某些特定領域取得一定成果，但在面向普通家庭消費方面卻沒有得到較大的發展；雖然ZigBee聯盟已經發布了針對家庭自動化的應用標準，但是由于ZigBee聯盟并沒有強制要求產品通過標準認證，反而因為ZigBee協議的開放性，使得每個廠家都可以采用它的底層協議來開發出自己的通信協議，造成市面上多數廠家的ZigBee產品不能相互兼容和通信。

Z-Wave技術：Z-Wave是由丹麥公司Zensys發布的一種無線組網規格，Z-Wave是基于射頻、低成本、低功耗、高可靠、短距離的無線通信技術。工作頻帶為915MHz（美國）和868MHz，采用FSK（BFSK/GFSK）調制方式，數據傳輸速率為9.6kbps，主要針對家庭自動化領域。由于Z-Wave要求所有采用它的芯片方案的產品都必須通過它的認證，因此廠家生產的產品是可以相互兼容的，并在歐美普通消費市場上取得不錯的占有率；普通消費者可以在超市和AMAZON網站上購買到帶有Z-Wave認證的產品。然而它只支持868MHz和915MHz兩種頻率，目前這兩個頻率不屬于國家明確規定的免執照頻段，特別是915MHz頻率剛好處于GSM頻段內（GSM900MHz頻段為890MHz～915MHz）。

藍牙技術：采用2.4G頻率的藍牙。在新一代的藍牙4.0標準發布之后，原先功耗大的缺點也在新版標準里得到修正，新的藍牙標準同時兼容低功耗和高速傳輸數據的特點，以便在不同的使用情況下都可以得到滿足。此外藍牙4.0標準還修改了聯機的延遲問題，新的標準聯機建立僅需3ms即可完成。新的藍牙標準在具有低功耗和低延時性能后已符合家庭自動化通信的基本要求；而且新的藍牙技術得到了多家公司認可（如蘋果、微軟、谷歌等）。

Wi-Fi技術 ：Wi-Fi采用 802.11.54b 標準，主要是用于大數據快速傳速及各個移動設備與互聯網的聯接。Wi-Fi的特點就是傳輸速率快，適用于大批量的數據傳輸。但是和ZigBee及新的藍牙標準相比較，它的最大缺點就在于它的功耗比較大，而且重新加入網絡需要3s以上的時間 ，因此，Wi-Fi要求所有的設備必須處于喚醒狀態，這樣就需要增加功耗。但是采用Wi-Fi作為通信方式最大的優勢在于它可以通過無線路由器直接連接到互聯網中，而ZigBee、藍牙等其他通訊協議需要中間轉換設備才能連入互聯網。目前多個廠家正在解決Wi-Fi芯片存在的功耗大的問題，不久前，高通新發布的幾款低功耗Wi-Fi芯片，具有耗電量小于 1mW 的睡眠模式，且由暫停狀態到喚醒的速度比同類其他產品快4倍。相信不久以后會有更節能的Wi-Fi技術出現。

紅外通信：紅外通訊協議是基于紅外線的傳輸技術。其最大優點是不受無線電干擾、傳輸速度快、方案成熟。目前電視、空調的遙控技術都是采用紅外通信技術。但紅外通信的距離短、角度小，需要對準目標才能使用，若遇障礙物將使通信中斷，而且在戶外容易受到強烈的太陽光干擾，不適合在戶外使用。因此，紅外通訊協議不符合家庭自動化大面積通信的要求。

4 無線技術在家庭自動化中實際應用

目前，家庭自動化的控制和管理主要體現在智能照明、智能安防監控、智能家用電器、智能醫療等與人們生活密切相關的領域。對于上述常用的幾種無線技術，如何選擇合適的無線技術以應對在家庭中實現自動化控制與管理功能的需求，接下來筆者將逐一進行分析。

（1）針對智能照明的應用：傳統照明控制方式均采用一對一通過開關操作方式來實際控制，目前，這還是主流的控制方式，但對于一些照明點數多，而且控制功能復雜的照明需求，站在用戶的角度，希望更先進的照明控制方式能補充或替代傳統的控制方式，不僅可以簡化一對一繁多的控制點，同時可以新增出更加智能控制的方式，如場景控制、組控群控、遠程遙控、定時預約等，這些控制方式可以快速改變燈光情景，自動調節燈光亮度等。要想實現這些功能，我們需要把這些燈具、傳感器、各種控制終端（手機、平板電腦等）之間互相通信，另外還需要各設備之間相互獨立，當任意一個設備出現故障時，整個系統還可以正常工作?；谶@些基本需求，ZigBee和Z-Wave兩種可以自組網和支持網型連接結構的方案將有效解決這些問題。我們從目前市面上的無線智能照明系統設備也可以得到驗證。

（2）針對智能安防監控的應用：近些年安防監控技術快速發展及價格的下降，使得家庭安防監控的理念也得到多數消費者認可，目前各種無線安防的傳感器主要是采用433MHz和2.4G ZigBee兩種方案標準，并且可與智能照明系統網絡進行聯動。如煤氣傳感器，當檢測到煤氣泄漏時，會發出報警提示并自動關閉煤氣。在視頻監控方面需要大的數據量傳輸，因此無線監控攝像頭采用Wi-Fi傳輸方式，監控畫面可通過Wi-Fi傳送到互聯網上，用戶在辦公室就可以看到家里的狀態，但目前還沒有采用低功耗的Wi-Fi芯片方案，因其存在功耗較高的缺點。

（3）針對智能家電方面的應用：近年來，國內幾個大的家電廠家陸續推出各種智能熱水器、空調、冰箱、冼衣機、電視等智能家電。智能家電不僅可以實現本地智能控制功能，通過WAP、WEP還可以實現遠程控制管理功能，比如家里的熱水器，用戶即可以在本地進行智能控制，也可以在網上觀察家里熱水器的溫度，并決定是否打開熱水器預熱等。實現這些智能控制與管理功能，智能家電的廠家采用無線Wi-Fi、紅外通信等設備讓消費者可以隨時隨地與家里的電器保持“溝通”。

（4）針對家庭醫療等其他應用：目前，無線技術在家庭自動化中，除了應用于智能照明、智能安防監控、智能家電等領域外，在國外，無線技術還廣泛的應用于家庭醫療中，從而出現了各種無線測量設備，比如可穿戴的智能設備，通過使用藍牙技術與各個家庭的管理終端設備或手機傳輸進行通信，即時發送用戶的健康檢查信息，醫生可以通過手機或特定的Web服務站。

5 結束語

從上述幾種無線技術的分析中，我們不難看出眾多無線技術各有優劣，相互之間尚不能完全兼容，而多個通訊協議要想互相通信，就需要采用各自的協議轉換器進行轉換，這樣將增加家庭自動化系統的成本和不穩定性。而站在整個家庭自動化控制和管理的角度來看，終端設備的廠家都盼望一種標準可以實現所有的要求，因此各個標準組織都在提高現有的技術方案以便搶占市場先機。當然，從目前來看Wi-Fi和藍牙在各自領域都占有絕對的優勢，市場上主流的芯片廠家也已推出Wi-Fi與藍牙二合一的芯片方案。同樣，隨著家庭自動化應用功能的提升，不同無線技術之間的相互整合方案將會層出不窮，而隨之對應的芯片方案將會整合更多的無線技術，而這些整合的方案將有效地推動無線技術更加快速進入家庭自動化的市場，促進家庭自動化的發展。