無線智能家居控制系統研究

侯冉冉

（中國五洲工程設計集團有限公司，北京100053）

1 概念

智能家居控制系統（Smarthome Control Systems，SCS），是以智能家居系統為平臺，家居電器為主要控制對象，利用綜合布線、網絡通信、安全防范、自動控制、音視頻等技術將家居生活有關的設施進行高效集成，構建高效的住宅設施與家庭日常事務的控制管理系統，改善家居智能、安全、高效、便利、舒適，并實現生態環保、節能、健康的綠色居住需求。智能家居控制系統是智能家居核心，是智能家居控制功能實現的基礎。

2 構成

智能家居控制系統主要由智能家居（中央）控制管理、家居布線、家庭網絡、家庭安防、家居照明控制、背景音樂、家庭影院與多媒體、家庭環境監控等八大系統構成。其中，前四項是必備系統，后四項為可選系統。

3 主要功能

智能家居控制系統主要具有家庭通信、家庭設備自動監控、家庭安全防范三個功能。

（1）家庭通信功能包括電話通信、計算機互聯網、無線局域網、有線電視網等。

（2）家庭設備自動監控功能包括實現對家用電器（空調機、熱水器、電視機等）的監控，背景音樂、家庭影院與多媒體的控制，照明設備和電動窗簾的監控，家庭環境監控（如 PM2.5、溫度、濕度的監控），熱能表、燃氣表、水表及電度表的數據采集、計量和傳送等。

（3）家庭安全防范功能包括火災報警、可燃氣體泄漏報警、防盜報警、緊急報警及求救、訪客對講、視頻安防監控、智能門鎖控制等。

4 通信技術

智能家居控制系統通過網絡將各種家電設備進行互聯，實現數據采集、集中監控和管理等功能。強大的網絡通信功能是智能家居系統中不可或缺的部分。目前智能家居控制系統采用主流的通信技術有現場總線技術、電力載波技術以及無線技術三大類。

4.1 現場總線技術

采用總線式結構，主要由電源供應器、雙絞線和功能模塊三個基本部分組成。現場總線是以雙絞線為基礎的家居控制總線，主要有CEBUS總線、LonWorks總線、ApBus總線、RS-485總線、EIB電氣安裝總線等。

4.2 電力載波技術

是指利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。最大特點是不需要重新架設網絡，只要有電線就能進行數據傳遞。其代表X-10就是一種國際通用的智能家居電力載波協議。

4.3 無線技術

是以無線局域網絡技術為主要連接方式的智能家居控制系統，通常稱為無線智能家居控制系統。無線技術通常根據所采用的無線通信協議來進行分類，如藍牙、WiFi、ZigBee、Z-Wave等。 無線控制系統需要滿足低功耗、穩定、易于擴展及并網等要求。

4.4 有線技術與無線技術的比較

有線智能家居系統具有成本低廉、系統研發成本低、周期短、市場見效快的優點，在實際使用中數據傳輸可靠性強、傳輸速率高、不受環境限制、抗干擾性強。缺點是需要專業人員施工維護、施工周期長、系統靈活性差、擴展能力較低。現階段的有線智能家居控制系統施工布線較為繁瑣，適用于新建或重新裝修的房屋，終端位置固定、不易變更、費用較高。而無線智能家居控制系統更注重簡易性和維護的方便性，可以快速檢測出問題所在并及時修復。該系統在控制核心與被控制設備之間完全采用無線連接，不需要經過轉換，可以實現從最簡單單一燈具的開關控制，到復雜的全家照明、電動窗簾、空調機、智能門鎖、電器設備的全面智能控制，且安裝簡易，無需復雜的布線，可自動組網，設備拓展能力強、設備功耗較低，符合“低碳生活”的綠色家居概念。

5 無線通信協議

無線通信協議的作用是通過協議技術完成設備與設備之間的控制、聯動以及信號的收發。

當前智能家居的無線通信協議種類繁多，主要有藍 牙、WiFi、Halow、ZigBee、Z-Wave、LoRa 和Thread等。

5.1 藍牙無線通信技術

藍牙是一種基于2.4GHz ISM頻段的短距離通信技術，是由藍牙SIG（Special Interest Group）聯合制定的近距離無線通信技術標準。

（1）優點：可以傳輸大數據，為生活帶來許多便捷之處；功耗較低；任一藍牙設備都可得到一個唯一的48bit的地址碼，安全性較高；通信模塊體積小，設備簡單，成本低。

（2）缺點：傳輸距離較近，一般＜10m；藍牙堆棧（stack）很容易崩潰，藍牙控制設備數量比較少，同時滿節點工作穩定性不高，抗干擾能力不強；傳輸速度較慢，適合用于點到點的數據連接，不適用于復雜的網絡控制。

（3）應用情況：當前，基于藍牙通信協議智能家居系統具有成本低、組網方便的優點，藍牙協議廣泛應用在智能門鎖、智能手機、智能手環、無線音響、智能空調等智能家電設備中。

5.2 WiFi無線通信技術

WiFi全稱Wireless Fidelity，是目前最為流行的無線通信技術，是一個創建于IEEE 802.11標準的無線局域網技術。常見的IEEE 802.11n使用2.4GHz頻段和5GHz頻段。

（1）優點：IEEE 802.11n標準的核心是MIMO（multiple-input multiple-output，多入多出）技術和OFDM技術，傳輸速度300Mbps，最高可達600Mbps，可向下兼容802.11b、802.11g。在覆蓋距離方面，802.11n采用智能天線技術，采用多組獨立天線組成陣列，動態調整波束，以確保用戶接收到穩定信號；其傳輸速度高，有效距離長，可與已有的各種802.11 DSSS設備兼容；通信模塊成本低、施工方便、方便連接各種設備、實用性好。

（2）缺點：功耗大，無法使用電池供電；WiFi系統需要接入無線AP，即無線接入點，若AP故障，則通過該點接入的設備將失去聯絡；WiFi的穿墻能力和衍射能力較弱，且易受周圍無線設備環境特別是同頻的干擾和屏蔽。

（3）應用情況：由于WiFi具有價格便宜、協議簡單的優點，很多廠家用WiFi協議來做智能家居。WiFi適合無線傳輸大數據，因其他無線協議無法進行攝像機數據的傳輸，所以智能電子門鈴和攝像機均采用WiFi或是有線連接的方式。

5.3 Halow無線通信技術

Halow（802.11ah）是 WiFi聯盟正式發布的802.11ah WiFi標準，是一種0.9GHz頻段的超遠距離無線傳輸方案，特別適用于物聯網。能為用戶提供一種架構簡單、遠距離、低功耗、大容量、低成本的系統方案。

（1）優點：采用900MHz頻段，遠低于當前WiFi的2.4GHz和5GHz頻段，功耗明顯減小，大大延長了傳感器的待機時間，與此同時，覆蓋范圍更大，信號更強，且不容易被干擾；HaLow拓展了WiFi的使用場景，適合小尺寸、電池供電的設備，非常適合智能家居、智慧城市的獨特需求；這一技術的功耗很低，穿墻能力相比WiFi明顯增強。

（2）缺點：不適于快速傳輸數據，也不適合網頁瀏覽等，更適合用高頻率微量數據傳輸；由于HaLow運行在未授權的頻段上，所以會存在一些干擾問題。

（3）應用情況：HaLow協議是新興的無線協議，正在被越來越多的智能家居系統所采用。

5.4 ZigBee無線通信技術

ZigBee是由HomeRF聯盟開發的一種無線專有協議，具有許多不同的“配置文件”，是目前智能家居產品常用的協議之一。ZigBee是一種近距離、低成本的雙向無線通信技術。適合在距離短且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸，以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸。

（1）優點：功耗低，在低耗電待機模式下，兩節普通5號干電池可使用六個月到兩年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩，這也是ZigBee的獨特優勢；成本低，ZigBee數據傳輸速率低、協議簡單，所以大大降低了成本，且免收專利費；網絡容量大，每個ZigBee網絡最多可支持255個設備；時延短，通常時延為15～30ms；提供了數據完整性檢查和鑒權功能，采用AES-128加密算法；使用頻段為2.4GHz、868MHz（歐洲）及 915MHz（美國），均為免執照頻段；有效覆蓋范圍為10～75m，具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環境。

（2）缺點：數據傳輸速率低，只有 10kB／s到250kB／s，適用于低傳輸應用；在國內選用2.4GHz頻段通訊，所以ZigBee協議的穿墻能力和衍射能力較弱。

（3）應用情況：廣泛應用于智能家居、商業，能源和遠程控制市場，是目前常用的協議之一。

5.5 Z-Wave無線通信技術

Z-Wave是一種專門用于智能家居自動化的無線RF通信技術，主要工作頻段有兩個，一個是868.42MHz（歐洲），另一個則是 908.42MHz（美國）。Z-Wave由行業領導者的成員聯盟Z-Wave聯盟提供支持。

（1）優點：采用輕量級協議和簡單結構有助于保持更低功耗，其單芯片解決方案可以為電池驅動設備（如溫度調節器和傳感器）提供先進的省電模式；傳輸距離較遠，連接穩定；支持自組網能力，在安全性和系統穩定性上較強；設備模塊結構簡單、成本低、接受靈敏度高；協議簡單、開發快；在一個家庭中能夠實現233個節點及節點間的通訊路由，滿足家庭控制要求。

（2）缺點：傳輸速率較低，只有 40kbps，不適合于帶寬密集型應用，例如音頻／視頻傳輸；未采用任何加密的設計，安全性較差；采用單信道傳輸數據，自我修復能力和抗干擾能力略低于ZigBee協議。

（3）應用情況：Z-Wave協議作為無線智能家居系統協議，在市場中較為多見。

5.6 LoRa無線通信技術

LoRa技術是低功耗廣域網（Low Power Wide Area Network）通信技術中的一種，是一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。能為用戶提供一種架構簡單、遠距離、低功耗、大容量（多節點）、低成本的系統方案。

（1）優點：傳輸距離遠；功耗極低，一節五號電池理論上可供終端設備工作10年以上；可在全球免費頻段運行，包括 433、868、915MHz等；組網節點多。

（2）缺點：對于國內三大電信運營商來說，已在在很多城市完成NB-IoT網絡部署，使用LoRa技術大規模組網的可能性不大。

（3）應用情況：根據LoRa技術的特點，非常適用于要求具備功耗低、距離遠、容量大以及可定位跟蹤等特點的物聯網應用，如智能家居、智能抄表、智能停車、寵物跟蹤、智慧社區等應用和領域。

5.7 Thread無線通信技術

Thread 由三星、Nest、ARM、Big Ass Fans、飛思卡爾和Silicon Labs公司聯合推出的一種基于IP的無線網絡協議，主要是為物聯網設備提供安全、無縫通信。最初設計Thread是為了針對智能家居和樓宇自動化應用，如電器管理、溫度控制、能源使用、照明、安全等，現其范圍已擴展至更廣泛的物聯網應用當中。

（1）Thread的優點：Thread是一種基于 IPv6、低功耗網狀網絡技術，摒棄了網狀網絡標準的復雜性，只有兩種不同的節點類型（Router Eligible節點和End Device節點）；Thread使用了6LoWPAN技術，并基于 IEEE 802.15.4網狀網絡協議，因此Thread IP可尋址，其不僅能為低成本、電池供電的設備之間提供有效通信，也支持云和AES加密；Thread可支持超過250個設備同時聯網，能夠覆蓋到家中所有的燈具、開關、傳感器和智能設備；超低能耗，設備可以運行數年；由于 Thread建立在ZigBee基礎之上，原有的ZigBee設備只需更新固件即可兼容Thread。

（2）缺點：目前Thread技術還未大規模投入市場，產品不多見。

（3）應用情況：Thread技術作為新興協議，主要應用于物聯網和智能家居，市場前景十分廣闊。

6 5G對智能家居的改變

我國已經迎來第一波5G浪潮，支持5G技術的智能設備將會投放市場。對智能家居來說，5G技術的落地意義重大。

5G是指第五代無線通信技術，傳輸速率將達到10GB／s，網絡延遲時間將降低到1ms以下。根據工信部的規劃，我國5G系統在3 000～5 000MHz頻段（中頻段）內的頻率使用。規劃明確了 3 300～3 400MHz（原則上限室內使用）、3 400～3 600MHz和4 800～5 000MHz頻段作為5G系統的工作頻段。其中電信和聯通采用 3 500MHz，移動采用2 600MHz和 4 900MHz。

5G技術一旦普及，智能攝像機、智能門禁、智能監控、智能門鎖等設備將可以配置更高像素的傳感器和相應的視頻直播功能，其低功耗技術對智能家居設備來說也是必不可少的，將可以支持更多的連接設備數，這將使得智能家居場景中的總設備數的上限提升。

基于5G廣覆蓋、低功耗、大連接、低時延等特點，智能設備之間的物理空間進一步被“壓縮”。5G通信的高效與穩定，為物聯網、智能家居打開了一扇新的大門。

當前的智能家居控制系統基本上是通過多個傳感器把各個獨立的信息進行匯總連接，往往速率較慢。市場上的每個廠家只專注于自己的產品，品牌之間不能互聯。國內和國際權威機構制訂統一的5G標準，極有可能打破設備商各自為戰、市場孤島化的混亂局面，從而結束各個品牌之間不兼容的尷尬局面。

7 結束語

無線智能家居作為新時代的產業，正在被越來越多的人們所接受。無線通信技術和人工智能技術的進步，極大地拓展了智能家居系統的應用范圍。隨著人們對生活品質要求的提高，智能家居控制系統必將作為生活中不可缺少的一部分，為生活增添更多的光彩。