智能家居大潮下的無線通信協(xié)議綜述

付蔚+張繼柱+王炳鵬+楊鑫宇+羅淳

摘 要：隨著電子科技的發(fā)展，通信技術(shù)也在不斷發(fā)展，智能家居也逐漸走進了我們每一個人的生活。智能家居的通信無線協(xié)議也在不斷地發(fā)展，藍牙、WiFi、ZigBee、Z-wave和NB-Iot不斷出現(xiàn)在我們眼前。文章首先依次介紹了各個通信協(xié)議的技術(shù)關(guān)鍵點，然后在通過比較通信協(xié)議的覆蓋范圍，穩(wěn)定連接的節(jié)點數(shù)，數(shù)據(jù)的傳輸速率，功耗的各個方面來選出比較有潛力的通信協(xié)議。

關(guān)鍵詞：智能家居；WiFi；NB-Iot；ZigBee；Z-wave

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）32-0173-02

Abstract： With the development of electronic technology， communication technology is also developing， and the smart home is gradually entering the life of each and every one of us. Smart home wireless protocols are also constantly evolving， with bluetooth， WiFi， ZigBee， Z-wave and NB-Iot popping up in front of us. This article first introduces the communication protocol technical keypoints in turn， and then by comparing the communication protocol of coverage， and the number of nodes in the stable connection and data transmission rate， all aspects of the power to choose a potential communication protocols.

Keywords： Smart home； WiFi； NB-Iot； ZigBee； Z-wave

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日新月異，無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也才出現(xiàn)了非常多，其中無線通信協(xié)議主要的可以分為一下兩個大類：其一，是近距離通信，如我們生活中常見的如WiFi，藍牙，ZigBee等；其二，是遠距離低功耗通信協(xié)議，這里又可以分為兩類，一類是工作在授權(quán)頻譜的通信協(xié)議，主要工作在移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)2G，3G，4G中，如NB-Iot。還有一部分是工作在非授權(quán)頻譜的通信協(xié)議，如LoRa，主要運行在全球免費頻段，現(xiàn)在主要有433，868，915MHz。這些通信協(xié)議都有自己的一些特點和優(yōu)勢，在應(yīng)用的過程中，需要根據(jù)具體的場景特點來選擇具體的通信方式，其中需要考慮的一些主要標準有待機功耗、工作功耗、覆蓋范圍、傳輸速率、最大設(shè)備連接數(shù)這些都會是影響我們選擇的重要因素。同時，還有需要考慮的就是生態(tài)系統(tǒng)大環(huán)境、市場的潮流、用戶的使用習慣等因素。

1 國內(nèi)外智能家居通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著智能家居通信技術(shù)的不斷發(fā)展，智能家居的產(chǎn)品也越來越豐富。應(yīng)用到家庭里出現(xiàn)了智能家居，現(xiàn)在主要的產(chǎn)品有智能門鎖、智能燈、智能插座、智能空調(diào)等等，完全連接到一個智能網(wǎng)關(guān)上，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。智能家居已經(jīng)在許許多多的方面影響我們的生活。鑒于此，許多物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)也涉足其中，國內(nèi)外有不少公司已經(jīng)開始布局這個方面，如IBM、谷歌、Intel、華為、小米、京東微聯(lián)等公司。在硬件軟件等方面都在做著相應(yīng)的研究和開發(fā)。

2 常用通信協(xié)議的簡介

目前來說，市面上比較流行的通信協(xié)議有以下幾個：藍牙、WiFi、ZigBee、Z-wave、NB-Iot等。接下來就簡單介紹一下通信協(xié)議有關(guān)的內(nèi)容。

2.1 藍牙

藍牙在我們的日常生活中還是比較常見的，藍牙音箱、藍牙鼠標、藍牙等等比比皆是。但是不得不提的是該技術(shù)剛開始是在1994年由電信業(yè)的劇透愛立信公司創(chuàng)制，用來替代RS232通信協(xié)議，先后經(jīng)歷了1.0，2.0，3.0的迭代更新，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到了4.0。IEEE將藍牙技術(shù)列為IEEE 802.15.1，它是工作在頻段2400-2483.5MHz的，傳輸?shù)木嚯x只有10米。它的通訊速率為1Mbps，發(fā)射功率為2.5mW，通常可以連接的節(jié)點數(shù)為10個。

2.2 WiFi

WiFi是生活中更常見的一種應(yīng)用，現(xiàn)在隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人類越來越依賴于數(shù)據(jù)流量，WiFi作為一個免費的流量應(yīng)用方式，涉及到了生活中的很多地方。WiFi的發(fā)展起源于1997年，它工作的頻率也是2.4G，使用的通信協(xié)議標準是IEEE 802.11。不過WiFi的覆蓋范圍顯然要遠一些，WiFi可以覆蓋50～300米，這是一個很遠的距離，理論上足以覆蓋到家庭的每一個角落。WiFi通常可以穩(wěn)定接入的節(jié)點數(shù)為10個左右，數(shù)據(jù)的通訊的速率為1M-600M。

2.3 ZigBee

ZigBee是一種基于仿生學原理發(fā)展起來的通信協(xié)議，參考了蜜蜂通過飛翔和發(fā)出相應(yīng)的嗡嗡的聲音來告訴同伴相應(yīng)的信息。它使用了IEEE 802.15.4通信協(xié)議標準。它能夠在室內(nèi)穿墻傳輸20米左右，同時具有良好的自組網(wǎng)能力，在國內(nèi)使用了2.4G頻段通信。ZigBee在實際應(yīng)用中可以連接的節(jié)點數(shù)為200到300個，基本上可以滿足家庭的使用。并且它的功耗比較低，電池供電基本上可以用到兩年時間。美中不足的是ZigBee的傳輸數(shù)據(jù)的速度只有50-250Kb，相對其他協(xié)議來說速率有點低。

2.4 Z-wave

Z-wave是始于2005年發(fā)展起來的一項通信協(xié)議，它工作在908.42MHz（美國）和868.42MHz（歐洲）的頻率。它使用了數(shù)字的調(diào)試方式，典型的發(fā)射功率為1mW。Z-wave可以傳輸5到100米，并且便于實現(xiàn)動態(tài)路由自組織網(wǎng)。它可以連接的節(jié)點數(shù)可以達到232個，基本上與ZigBee連接的個數(shù)大致相當。低功耗是它的另外一個優(yōu)點，可以使用電池供電。其中仍然存在的問題是數(shù)據(jù)傳輸速率比較慢，理論上可以實現(xiàn)9.6Kbps的傳輸速率。endprint

2.5 NB-Iot

NB-Iot是始于華為推出的窄帶技術(shù)NB M2M，這是一種基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議。NB-Iot屬于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域新興的技術(shù)，可以直接部署在移動通信網(wǎng)絡(luò)里邊，包過2G，3G和4G，這樣可以降低運營成本。與此同時NB-Iot組網(wǎng)可以連接的節(jié)點數(shù)甚至可以達到100K到200K，功耗也可以做到非常低，電池的壽命可以支撐十年。它的數(shù)據(jù)傳輸速率基本上可以達到200Kbps。

3 各種技術(shù)的比較分析

對于無線通信技術(shù)來說，有很多需要考慮的指標。不同無線通信協(xié)議所覆蓋的范圍是不一樣的，每種技術(shù)上傳下載的速率也是千差萬別。所以接下來要從通信協(xié)議的覆蓋范圍，穩(wěn)定連接的節(jié)點數(shù)，數(shù)據(jù)的傳輸速率，功耗層面來依次比較各個通信協(xié)議的優(yōu)劣，進而選出比較有潛力的通信協(xié)議。

從覆蓋范圍上來說，在智能家居上使用，WiFi是絕對可以滿足要求的，NB-Iot使用的移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)就像我們使用手機的數(shù)據(jù)流量一樣也是沒有任何問題。ZigBee和Z-wave的距離適中，基本上可以滿足不太大的家庭使用，否則就要使用中繼站點。藍牙的10米，總是感覺距離有點太短。

從連接的節(jié)點來說，NB-Iot可以連接的點數(shù)遠遠超出了家庭所需。ZigBee和Z-wave都可以連接兩百多個節(jié)點，可以滿足單個家庭的使用。WiFi可以穩(wěn)定連接的節(jié)點數(shù)有限，可能不太夠家庭使用。藍牙連接的節(jié)點數(shù)更少，完全不適合。

從數(shù)據(jù)傳輸速率上來說，智能家居的單個產(chǎn)品上傳的數(shù)據(jù)量都不是很大，除了少數(shù)有視頻和圖片上傳的節(jié)點。WiFi的傳輸速度最快，基本上可以傳輸所有的數(shù)據(jù)。藍牙的傳輸速率也基本可以實現(xiàn)簡單數(shù)據(jù)和圖片的傳輸。ZigBee，Z-wave和NB-Iot的數(shù)據(jù)傳輸速率不是特別高，適合簡單數(shù)據(jù)的傳輸。從傳輸速率來看WiFi基本上可以說是完勝。

從功耗角度上來說，ZigBee，Z-wave和NB-Iot都是低功耗的通信協(xié)議，電池可以支持使用的時長是一到兩年往上。藍牙和WiFi的電池支撐時間都比較短不太適合做智能家居無線節(jié)點。

從組網(wǎng)方式上來說，我們基本上可以很快排除掉藍牙技術(shù)，藍牙通過微微網(wǎng)組網(wǎng)，也就是點對點來組網(wǎng)，不適合智能家居的組網(wǎng)。WiFi，ZigBee，Z-wave和NB-Iot都可以實現(xiàn)多可網(wǎng)絡(luò)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的功能，因此從組網(wǎng)方式上來說這四種都適合與智能家居的組網(wǎng)。

綜上所述，對于智能家居來說，更大的可能是采用混合組網(wǎng)。在智能家居的設(shè)備里邊一些網(wǎng)絡(luò)流量需求不是特別大的，完全可以采用ZigBee和Z-wave連接到互聯(lián)網(wǎng)當中，不如說智能開關(guān)、智能門鎖等等。對于一些網(wǎng)絡(luò)流量需求大的可以考慮采用WiFi和NB-Iot通信協(xié)議，比如說智能攝像頭等等。

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