淺析無線通信技術在智能家居領域的應用

李一婧

摘 要：自馬可尼在1899年發明無線電通信以來，無線通信技術已經歷了百年的發展歷程。進入二十一世紀，隨著互聯網的蓬勃發展和物聯網的逐漸興起，無線通信技術仍舊在生產、生活中發揮著不可替代的作用。本文梳理了電子信息技術的發展歷程，并著重介紹了藍牙、ZigBee和Wi-Fi三種無線通信協議的工作原理、主要優缺點等內容，并分析了以上三種通信協議在智能家居領域的應用價值。

關鍵詞：無線通信技術;藍牙;ZigBee;Wi-Fi;智能家居

中圖分類號：TN92;TU855 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）14-0043-02

0 引言

Amazon推出了一款基于Alexa功能的聲控微波爐。通過Wi-Fi連接，微波爐可以對用戶的語音指令做出回應。Alexa是亞馬遜旗下的智能語音助手，這款語音控制微波爐具有一個“Ask Alexa”按鈕，相當于蘋果手機的“Home”鍵盤，是調用語音助手的快捷鍵。用戶只需按下“Ask Alexa”按鈕，并對微波爐說出指令，微波爐就可以自動執行該指令，如“用800W功率加熱三分鐘”。在此基礎上，Amazon的工程師還在微波爐內置了大量的智能問答，涉及烹飪領域的基本解決方案，用戶可向微波爐描述食物種類和想達到的烹飪效果，微波爐可以自動選擇加熱或烹飪方案。

除了Wi-Fi，還有哪些無線通信技術在智能家居領域扮演重要角色？如何理解藍牙、Wi-Fi等無線通信技術的工作原理？而電子信息技術的發展，將對智能家居會產生怎樣的影響？針對以上問題，本文將一一闡述。

1 電子信息技術發展歷程

摩擦起電、伏打發明電池、富蘭克林風箏實驗、歐姆定理實驗、麥克斯韋電磁理論、赫茲實驗……隨著歷代科學家的探索，人們深化了對“電”的了解，到了近代，科學家們發現了電子，為各類電子技術發明奠定了基礎。本文梳理了通信技術和電子技術的發展歷程，由此可以總結出電子信息的發展脈絡。通信技術和電子技術的發展時間線如表1所示。

通過以上的時間線，我們可以總結出：通信的發展經歷著由有線到無線、由模擬信號到數字信號、由電報到網絡、由人工到自動化、由點對點模式到通信網絡的過程。而在未來，“虛擬現實”、“大數據”等新技術的發展，又將給通訊方式和通信內容帶來極大變革[1]。

2 無線通信技術概述

2.1 藍牙

藍牙（Bluetooth）技術包含了底層傳輸協議和高層傳輸協議。底層傳輸協議主要由基帶、射頻和鏈路管理協議組成;高層傳輸協議則由邏輯鏈路控制、適配層協議和主機控制器接口等部分組成。其主要技術原理為：藍牙設備之間的位置由傳輸層負責確認，并將終端設備之間的物理鏈路和邏輯鏈路建立起來，其傳輸方式主要為ACL邏輯傳輸，使得傳輸效率和可靠性得到保證。藍牙作為一種無線通信協議，最初被設計為串行端口。藍牙協議由藍牙技術聯盟維護和更新，自1999年發布藍牙1.0以來，已經有五個版本的藍牙協議面世，藍牙5.0的理論傳輸距離達到了300米，傳輸速度也較上一代提高了一倍，其抗干擾性和安全性也得到提升，使得藍牙協議在物聯網領域的應用成為可能。作為一種短距離數據交換協議，藍牙傳輸多用在無線耳機、音箱等音頻設備和電腦、手機等電子設備之間的連接，成本低、功耗小是其主要優勢。但是藍牙的安全性依舊不容忽視，如何避免網絡黑客通過藍牙協議控制用戶設備、盜取隱私數據，成為了藍牙技術發展的新挑戰[2]。

2.2 ZigBee

ZigBee是一種低功耗協議，專為短距離、低速率傳輸而設計（一般在250 kbps以下），通常用于傳感器之間的通信。ZigBee協議在2.4 GHz頻段運行，在室內的通信范圍約為30米，在室外開闊地帶通信范圍更大。ZigBee協議最大的特點是低功耗，普通的干電池就可以一個節點數個月的工作。除此之外，低成本、低延時和高安全性也是其優勢，但同時也存在不能與互聯網IP通聯等不足。ZigBee網絡結構主要包括星型結構、網絡結構和樹形拓撲結構，其中各節點分為協調器（Coordinator）、匯聚節點（Router）和終端節點（End Device）三類，一個ZigBee網絡中只設置一個協調器，以及若干的匯聚節點和終端節點。圖1是三節點的結構示意圖。

ZigBee協議由ZigBee聯盟研發和更新，包含了德州儀器、飛思卡爾等半導體供應商和西門子、飛利浦、三星電子等電子設備廠商，自2001年成立以來，ZigBee聯盟已經推出了四個版本的協議[3]。

2.3 Wi-Fi

Wi-Fi出現的時間較短，但其應用在各種無線通信協議中最為廣泛。Wi-Fi傳輸與接入技術旨在將電子設備連接到無線局域網中，常常需要輸入網絡安全密鑰，也就是我們俗稱的“Wi-Fi密碼”，但一些公共場所的無線網絡是開放式的。Wi-Fi技術應用廣泛，源于其傳輸效率高、傳輸速度快等優點，但其傳輸質量及網絡安全性仍有待提高，這也是Wi-Fi技術未來發展的重點方向。為了增強Wi-Fi網絡的安全性，可以采取關閉SSID （Service Set Identifier）廣播，關閉WPS （Wi-Fi Protected Setup）功能、設置登錄密碼等舉措。

Wi-Fi與寬帶等有線網絡技術不同，無需鋪設線纜，只需要通過路由器設置一個Wi-Fi熱點，然后在Wi-Fi熱點的覆蓋范圍內，就可以將電子設備接入到無線網絡中，降低了安裝的成本、節省了鋪設網線的空間。Wi-Fi網絡的覆蓋面積較大，通常室內在50m范圍內都可有較好的網絡信號，而室外能達到100～200m左右，用戶可以在Wi-Fi覆蓋內自由使用電子設備，其中建筑墻體可能影響網絡信號的傳輸[4]。

3 無線通信技術在智能家居領域的應用

3.1 藍牙在智能家居的應用

藍牙技術在智能家居中的應用，是在智能家電等主設備中的集成控制器中安裝藍牙通信模塊，待這些設備開啟后，可自動與同樣安裝了藍牙模塊的控制設備進行配對。配對成功后，控制設備就可以對主設備傳輸控制信號，進行操控與管理。智能音箱就是典型的智能家居“入口”，即控制設備，用戶可以通過語音下達命令，經藍牙音箱的對語音指令的拾音、識別后，再經內置于音箱中的微處理器分析指令含義并通過藍牙將指令信號傳輸給電視、空調、冰箱等主設備，進而達到語音控制智能家居系統的效果;而在用戶無命令時，藍牙模塊則處于休眠狀態，以降低功耗。藍牙技術應用在智能家居領域，不僅能給人們的生活帶來便利，還能連接報警裝置，保障日常生活的安全。

我國藍牙技術的推廣，起步雖晚但發展迅速，隨著搭載藍牙模塊的電子、電器設備數量劇增，生活中使用藍牙的場景越來越多。在未來，相信藍牙技術定會在智能家居的通信領域承擔起愈發重要的角色。

3.2 ZigBee在智能家居的應用

在智能家居系統中，ZigBee通信協議主要用于無線監控、紅外線防入侵裝置、開關控制等功耗較低、傳輸距離較近的場景。ZigBee的傳輸距離與傳輸速率介于藍牙與Wi-Fi之間，但是其傳輸功耗卻低于這兩種通信協議。可自組網絡也是ZigBee的一大優勢，其網絡節點最大可達到65000個以上。而在運營過程中，ZigBee網絡可達到斷電但依然將數據進行存儲的效果，同時能在工作狀態下隨時隨地與網絡節點的其他設備進行數據交流。

現階段，ZigBee要應用到實際生活、尤其是智能家居領域，還有很多需要改進的地方。節能雖然是ZigBee協議的一大優勢，但開發者仍需在ZigBee節能模式的基礎上編寫相應的低耗電節能算法，并進行整個ZigBee網絡層級的調試，無形中增大了工作量。因此，加速推出更智能、更高效的ZigBee協議，在物聯網時代很有必要。

3.3 Wi-Fi在智能家居的應用

Wi-Fi無線通信在智能家居領域通常用于監控系統，通過Wi-Fi連接用戶的電子設備和智能電器，可以連接防盜探測器、有毒氣體探測器、視頻監控器等，通過對有害氣體濃度、室內溫度等指標的檢測，來實施調控家庭通風系統、家庭安保系統。Wi-Fi相比于藍牙和ZigBee的優勢在于，其傳輸距離和單位時間傳輸的數據量更大，因此，視頻監測系統往往采用Wi-Fi通信。在未來，降低Wi-Fi傳輸的丟包率，提升語音控制系統的準確率，設計出人性化交互的移動端APP，可以更好地滿足用戶使用Wi-Fi遠程控制家居系統、了解家庭安全狀態的需求。

4 結語

本文梳理了電子信息技術近二百年的發展歷程，可以看出：通信技術的進步往往是基于電子技術的進步，而藍牙、ZigBee和Wi-Fi均是近二十年來發展起來的無線通信技術。三者的共同點在于，都是2.4GHz的無線電波。ZigBee的傳輸距離最短、功耗最低，Wi-Fi的傳輸距離最長、功耗最大，而藍牙介于二者之間。藍牙的安全性較高、ZigBee次之，Wi-Fi安全性最低。藍牙在智能家居的應用較為廣范，主要負責智能音箱等交互設備和智能電器的無線連接;由于其低功耗、低傳輸距離和自組網絡等特點，ZigBee技術主要用于紅外安全監測和開關控制;而Wi-Fi作為最常用的無線通信技術，在智能家居領域具有較高的適用性，但安全性較低，是影響其發展的主要因素。

參考文獻

[1] 張博宇，殷宏斐.電子信息技術發展趨勢綜述[J].中國新通信，2017，19（15）：31-32.

[2] 錢志鴻，劉丹.藍牙技術數據傳輸綜述[J].通信學報，2012，33（04）：143-151.

[2] 蒲泓全，賈軍營，張小嬌，孫建偉.ZigBee網絡技術研究綜述[J].計算機系統應用， 2013，22（09）：6-11.

[4] 張化明.WIFI傳輸與接入技術的發展研[J].通訊世界，2018，25（12）：38-39.