智能家居大潮下的無線通信協議綜述

付蔚+張繼柱+王炳鵬+楊鑫宇+羅淳

摘 要：隨著電子科技的發展，通信技術也在不斷發展，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議也在不斷地發展，藍牙、WiFi、ZigBee、Z-wave和NB-Iot不斷出現在我們眼前。文章首先依次介紹了各個通信協議的技術關鍵點，然后在通過比較通信協議的覆蓋范圍，穩定連接的節點數，數據的傳輸速率，功耗的各個方面來選出比較有潛力的通信協議。

關鍵詞：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

隨著物聯網技術的日新月異，無線物聯網技術也才出現了非常多，其中無線通信協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議，這里又可以分為兩類，一類是工作在授權頻譜的通信協議，主要工作在移動蜂窩網絡2G，3G，4G中，如NB-Iot。還有一部分是工作在非授權頻譜的通信協議，如LoRa，主要運行在全球免費頻段，現在主要有433，868，915MHz。這些通信協議都有自己的一些特點和優勢，在應用的過程中，需要根據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、最大設備連接數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系統大環境、市場的潮流、用戶的使用習慣等因素。

1 國內外智能家居通信技術的發展現狀

隨著智能家居通信技術的不斷發展，智能家居的產品也越來越豐富。應用到家庭里出現了智能家居，現在主要的產品有智能門鎖、智能燈、智能插座、智能空調等等，完全連接到一個智能網關上，實現聯網功能。智能家居已經在許許多多的方面影響我們的生活。鑒于此，許多物聯網企業也涉足其中，國內外有不少公司已經開始布局這個方面，如IBM、谷歌、Intel、華為、小米、京東微聯等公司。在硬件軟件等方面都在做著相應的研究和開發。

2 常用通信協議的簡介

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

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剛開始是在1994年由電信業的劇透愛立信公司創制，用來替代RS232通信協議，先后經歷了1.0，2.0，3.0的迭代更新，現在已經發展到了4.0。IEEE將藍牙技術列為IEEE 802.15.1，它是工作在頻段2400-2483.5MHz的，傳輸的距離只有10米。它的通訊速率為1Mbps，發射功率為2.5mW，通常可以連接的節點數為10個。

2.2 WiFi

WiFi是生活中更常見的一種應用，現在隨著移動互聯網的發展，人類越來越依賴于數據流量，WiFi作為一個免費的流量應用方式，涉及到了生活中的很多地方。WiFi的發展起源于1997年，它工作的頻率也是2.4G，使用的通信協議標準是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通常可以穩定接入的節點數為10個左右，數據的通訊的速率為1M-600M。

2.3 ZigBee

ZigBee是一種基于仿生學原理發展起來的通信協議，參考了蜜蜂通過飛翔和發出相應的嗡嗡的聲音來告訴同伴相應的信息。它使用了IEEE 802.15.4通信協議標準。它能夠在室內穿墻傳輸20米左右，同時具有良好的自組網能力，在國內使用了2.4G頻段通信。ZigBee在實際應用中可以連接的節點數為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的傳輸數據的速度只有50-250Kb，相對其他協議來說速率有點低。

2.4 Z-wave

Z-wave是始于2005年發展起來的一項通信協議，它工作在908.42MHz（美國）和868.42MHz（歐洲）的頻率。它使用了數字的調試方式，典型的發射功率為1mW。Z-wave可以傳輸5到100米，并且便于實現動態路由自組織網。它可以連接的節點數可以達到232個，基本上與ZigBee連接的個數大致相當。低功耗是它的另外一個優點，可以使用電池供電。其中仍然存在的問題是數據傳輸速率比較慢，理論上可以實現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NB M2M，這是一種基于蜂窩的窄帶物聯網通信協議。NB-Iot屬于物聯網領域新興的技術，可以直接部署在移動通信網絡里邊，包過2G，3G和4G，這樣可以降低運營成本。與此同時NB-Iot組網可以連接的節點數甚至可以達到100K到200K，功耗也可以做到非常低，電池的壽命可以支撐十年。它的數據傳輸速率基本上可以達到200Kbps。

3 各種技術的比較分析

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

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使用的移動蜂窩網絡就像我們使用手機的數據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。

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

從數據傳輸速率上來說，智能家居的單個產品上傳的數據量都不是很大，除了少數有視頻和圖片上傳的節點。WiFi的傳輸速度最快，基本上可以傳輸所有的數據。藍牙的傳輸速率也基本可以實現簡單數據和圖片的傳輸。ZigBee，Z-wave和NB-Iot的數據傳輸速率不是特別高，適合簡單數據的傳輸。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點。

從組網方式上來說，我們基本上可以很快排除掉藍牙技術，藍牙通過微微網組網，也就是點對點來組網，不適合智能家居的組網。WiFi，ZigBee，Z-wave和NB-Iot都可以實現多可網絡設備聯網的功能，因此從組網方式上來說這四種都適合與智能家居的組網。

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

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