無線通信技術在智能家居中的應用研究

劉金雯

（鶴壁汽車工程學院機電工程系，河南 鶴壁 458030）

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術、無線通信技術的不斷進步，智能家居系統(tǒng)也實現(xiàn)了長足發(fā)展，各式各樣智能家居設備越來越廣泛地進入到人們的居家生活中。除去可滿足人們基本的居家需求之外，通過對無線通信技術的應用，使得原本相互獨立的家居設備實現(xiàn)了全面集成，由此很大程度上改善了人們的居住環(huán)境，讓人們不再局限于對居住位置、住宅面積等的要求，還拓展至對居住環(huán)境中自動化、智能化等方面的要求[1]。比如，在無線通信技術支持下，人們可實現(xiàn)對家中電器設備、排插開關等終端設備的便捷控制，還可借助智能傳感器、攝像頭等設備對家居環(huán)境中環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，以此有效滿足人們不斷增長的居住需求。與此同時，智能家居系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性在很大程度上受到無線通信技術應用優(yōu)劣勢的影響?；诖耍疚膰@Wi-Fi技術、藍牙技術、Z-Wave技術、ZigBee技術等常見無線通信技術，對它們在智能家居中的應用進行研究分析。

1 無線通信技術及智能家居概述

1.1 無線通信技術

無線通信是依托電波信號可在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式。在移動中實現(xiàn)的無線通信，也可稱為移動通信，人們將兩者合稱作無線移動通信。簡而言之，無線通信即為僅借助電磁波而不通過線纜進行的通信方式。和有線通信相比，無線通信存在較為突出的安全問題，但其優(yōu)勢同樣十分顯著，主要包括應用便捷、便于擴展等?，F(xiàn)階段，較為常見的無線通信技術主要包括有Wi-Fi技術、藍牙技術、Z-Wave技術、ZigBee技術等，這些無線通信技術在適用頻段、最大作用距離、調(diào)制方式、應用領域等方面不盡相同[2]。通常來說，無線通信技術作用距離與其數(shù)據(jù)率呈負相關關系，也就是數(shù)據(jù)率越高，則作用距離便越短。

1.2 智能家居

智能家居是以人們居住的住宅為對象，引入安全防范技術、自動控制技術、綜合布線技術、網(wǎng)絡通信技術等技術，以實現(xiàn)對與家居生活相關設施設備的全面集成，進而構(gòu)建起一個高效的、統(tǒng)一的家庭日常事務及住宅設施設備的管理系統(tǒng)，讓家居環(huán)境變得更舒適、安全、便捷，同時變得更智能、環(huán)保。智能家居最早誕生于美國，之后在越來越多國家、地區(qū)得到推廣。

2 智能家居的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國智能家居仍處在初級發(fā)展階段，盡管智能家居用戶數(shù)量逐年增多，但智能家居總體應用水平仍相對偏低?，F(xiàn)階段，智能家居的發(fā)展仍面臨諸多問題，包括技術標準不統(tǒng)一、產(chǎn)品功能不完善、不同廠商相互間設備無法互聯(lián)互通等。與此同時，現(xiàn)有智能家居產(chǎn)品的價格相對偏高，所以不少消費者仍保持觀望態(tài)度，現(xiàn)階段家居智能化通常要投入約數(shù)十萬元，而隨著智能家居產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展成熟，今后智能家居造價成本將不斷降低，功能也會變得更為完善。

就如今的智能家居產(chǎn)品形態(tài)而言，智能家居已不斷由過去的單品智能化發(fā)展成單品與單品相互間的聯(lián)動，并且不斷向系統(tǒng)智能化方向發(fā)展。對各類數(shù)據(jù)信息進行全面系統(tǒng)的智能感知、接收，然后開展自動化處理，使人們生活在全智能、全自動的家居環(huán)境中，是智能家居行業(yè)的一大發(fā)展方向，并且陸續(xù)還會頒布一系列統(tǒng)一標準，以此可實現(xiàn)不同產(chǎn)品之間的數(shù)據(jù)傳輸共享，進一步實現(xiàn)不同設備之間的互聯(lián)互通[3]。屆時基本無須人們進行人為操作，比如，紅外傳感器可感知到人的存在，同時溫度傳感器感知到溫度偏高，則會自動開啟冷氣，待室內(nèi)的人都離開之后，空調(diào)等設備又會自動關機。就如今智能家居控制器形態(tài)而言，現(xiàn)階段智能家居產(chǎn)品仍以手機控制為主，一些智能家居產(chǎn)品則實現(xiàn)了不同控制手段的有效結(jié)合，包括語音控制、觸控、手勢控制等，而不管是手機控制還是各種控制方式相結(jié)合，都脫離不了人為操作的因素，這顯然與智能家居的發(fā)展追求相違背。在此背景下，近年來感應式控制技術不斷發(fā)展完善，并不斷向更大應用場景方向發(fā)展，感應式控制也進一步推動了智能家居的理想化發(fā)展。在該種控制形態(tài)下，智能家居系統(tǒng)會以主動參與控制取代以往的被動人為控制，以此讓智能家居變得更為智能，讓用戶在幾乎感覺不到它的存在的情況下，系統(tǒng)便可經(jīng)由一系列傳感器采集周圍環(huán)境的相關信息，繼而做出相應決策，并完成一系列操作。就智能家居技術層面而言，如今智能家居的推廣與無線技術及傳感器的發(fā)展應用，與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術的發(fā)展應用之間的關系越來越緊密。

3 不同無線通信技術在智能家居中的實踐應用

3.1 Wi-Fi技術在智能家居中的實踐應用

Wi-Fi作為一種以太網(wǎng)無線擴展，成本低，組建簡單，可實現(xiàn)較高的傳輸速率。如今，Wi-Fi技術已在人們的生產(chǎn)生活中得到廣泛普及，其傳播速度快、有效距離長，可基于射頻技術支持實現(xiàn)手機、計算機等終端設備無線方式的有效連接，完成數(shù)據(jù)信息的高效傳輸。但Wi-Fi技術也存在不少缺點，比如，無線穩(wěn)定性不好、安全性偏低，同時，Wi-Fi技術在實際應用中還會產(chǎn)生較高的功耗；并且，現(xiàn)階段Wi-Fi網(wǎng)絡實際規(guī)模相對有限，16個設備已是Wi-Fi網(wǎng)絡的最大應用規(guī)模，而在智能家居系統(tǒng)中需要連接的設施設備顯然不止16個，因而Wi-Fi技術在智能家居中的應用存在一定的局限性[4]?，F(xiàn)階段，Wi-Fi技術在智能家居中的應用，主要表現(xiàn)于下述幾大方面。

（1）網(wǎng)絡可視對講。在Wi-Fi智能網(wǎng)關支持下，人們在家中各個地方均可經(jīng)由終端屏幕了解來訪者的影像并自動存儲，以及與來訪者進行語音通話，控制開鎖。

（2）家電智能控制。在Wi-Fi技術支持下，可實現(xiàn)對空調(diào)、照明、網(wǎng)絡家電等家用設備的互聯(lián)互通，進一步進行遠程控制。

（3）遠程監(jiān)控。人們不在家時，通過家庭網(wǎng)關可實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的遠程監(jiān)控。比如，在室內(nèi)燃氣、溫度等達到異常狀況時，系統(tǒng)會通知用戶并自動開啟窗戶通風散氣，保障室內(nèi)安全。

3.2 藍牙技術

藍牙技術作為一項由英特爾、IBM、諾基亞等公司，共同研發(fā)的典型的分布式網(wǎng)絡機構(gòu)及快速跳頻短包技術，可便捷實現(xiàn)點對點、一對多的通信連接，通常在2.4 GHz頻段運行，常規(guī)構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mbps。藍牙技術除具備低功耗、低成本、可靠性、兼容性等應用優(yōu)勢之外，也存在一些不足之處，即為因為傳輸距離偏短，因而建立規(guī)模龐大的家庭網(wǎng)絡對于藍牙技術而言難度較大，所以藍牙技術在智能家居中的應用存在明顯的局限性?，F(xiàn)階段，藍牙技術在智能家居中的應用主要表現(xiàn)于下述兩大方面。

（1）監(jiān)測家居情況。應用藍牙技術監(jiān)測家居情況，主要涉及兩個部分。

①對家居環(huán)境的監(jiān)測。依托遠程監(jiān)測的用戶家庭室內(nèi)情況，進而實現(xiàn)對室內(nèi)溫濕度、陽光的的自動調(diào)節(jié)，進一步營造舒適的家居環(huán)境。

②監(jiān)測能源。此處的能源主要包括水電能源、燃氣能源、暖氣能源等，通過對這些能源開關的實時監(jiān)測，以保障室內(nèi)安全。

（2）自動計費服務。藍牙技術可對人們家中的水表、電表、燃氣表等充電設備流量開展有效監(jiān)控，并合計對應的成本消耗，為人們提供極大便利。

3.3 ZigBee技術

ZigBee技術作為一項復雜度低、成本低、數(shù)據(jù)率低、功耗低，有著優(yōu)良網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)及高可靠性的短距離無線通信技術，是現(xiàn)階段智能家居行業(yè)應用最為廣泛的無線通信技術。同時，利用ZigBee技術的無線網(wǎng)絡具有較強的自組織能力，依托動態(tài)路由的方式，結(jié)合網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)高效安全的數(shù)據(jù)信息傳輸。但ZigBee技術研發(fā)及應用門檻偏高，開發(fā)存在不小的難度，對于該項技術的研發(fā)應用對企業(yè)的綜合實力提出了較高的要求。

如今，國外的智能家居系統(tǒng)已實現(xiàn)了對ZigBee技術的廣泛應用，而我國僅有海爾、小米、深圳聰明屋等小部分企業(yè)將ZigBee技術應用于智能家居領域[5]。采用ZigBee技術的智能家居系統(tǒng)，通過對ZigBee傳感器節(jié)點的有效調(diào)節(jié)，節(jié)點之間經(jīng)由相互自動尋找，可快速構(gòu)建相互聯(lián)通的網(wǎng)絡，如此一來，用戶可便捷地通過手機或計算機等終端設備以實現(xiàn)對智能家居系統(tǒng)中一系列傳感器的遠程控制，還可通過向傳感器網(wǎng)絡下達指令，以實現(xiàn)對相關傳感器節(jié)點的管理控制。目前，ZigBee技術主要應用于智能家居的照明控制、安防預警、溫度檢測等方面。將ZigBee協(xié)調(diào)器與路由器相結(jié)合，建立ZigBee網(wǎng)關，用戶可自由地將各ZigBee終端模塊安裝在不同家電設備上，諸如燈具、門禁、空調(diào)、電視等家具電器設備。

用戶還可選取粘貼式開關盒的ZigBee開關，其可供用戶自由粘貼在任何適宜的部位，安裝簡單、操作便捷。同時，還可選取ZigBee集成遙控器，對各種ZigBee燈具、門窗、空調(diào)等設備開展統(tǒng)一遙控，彌補以往家居設備遙控器繁多、容易丟失等不足。

依托ZigBee技術室外環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，還可將外部環(huán)境的光照、溫濕度等信息實時采集并傳輸至裝置于照明、門窗系統(tǒng)中的ZigBee終端，進一步實現(xiàn)人性化的燈光強弱調(diào)節(jié)、門窗自動開關等功能，為人們營造舒適的家居環(huán)境。

3.4 Z-Wave技術

Z-Wave技術同樣作為一項短距離無線通信息技術，在主觀、照明系統(tǒng)控制、狀態(tài)讀取等領域得到廣泛推廣。其應用優(yōu)勢主要在于成本低、功能低、網(wǎng)絡適用性強等。相較于前文所述的三種無線通信技術，Z-Wave技術傳輸數(shù)據(jù)量偏小，傳輸頻率相對偏低，保持在868.42～908.42 MHz范圍，因而不管是價格還是傳輸距離都有著較為突出的優(yōu)勢。最初Z-Wave技術的研發(fā)旨在服務智能家居領域，該技術40 kbps的傳輸速率可有效用于傳輸控制命令，可支持低速率傳輸應用。同時，Z-Wave技術選用輕量級協(xié)議、單模塊方案及壓縮幀格式，實現(xiàn)了智能家居控制系統(tǒng)的低功耗特性。除此之外，相較于藍牙技術、ZigBee網(wǎng)絡系統(tǒng)，Z-Wave網(wǎng)絡系統(tǒng)復雜度偏小，因為其協(xié)議簡單，所以需求的存儲空間也偏低，僅僅只是ZigBee的1/4，顯著降低了應用成本，因此，Z-Wave技術也是當前短距離無線通信技術中成本最低的技術。對于Z-Wave技術的不足之處而言，其無線網(wǎng)絡節(jié)點的無線節(jié)點相對有限，理論值為256個，實際值則約為150個；Z-Wave無線網(wǎng)絡作為一種樹網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，倘若出現(xiàn)分支損壞情況，這一分支底部的設備均可能斷開與網(wǎng)關的通信[6]。除此之外，Z-Wave技術缺乏必要的加密流程，因而在安全性方面相對欠缺?，F(xiàn)階段，Z-Wave技術在智能家居中的應用，主要表現(xiàn)于下述幾方面：

（1）采用Z-Wave技術的智能家居系統(tǒng)可經(jīng)由網(wǎng)絡設備或者互聯(lián)網(wǎng)對Z-Wave中的設備開展控制，包括照明控制、空調(diào)控制、門禁系統(tǒng)控制等。

（2）采用Z-Wave網(wǎng)絡系統(tǒng)可實時傳輸指令，實現(xiàn)家庭安全報警功能。

（3）Z-Wave技術的智能家具系統(tǒng)可實現(xiàn)控制多個設備完成統(tǒng)一任務的功能，由此讓其適用于家居音視頻設備，可實現(xiàn)家居娛樂的多元化、智能化。

4 結(jié)束語

綜上所述，我國智能家居產(chǎn)業(yè)盡管起步較晚，但隨著我國無線通信技術的不斷發(fā)展進步，智能家居產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢。在今后發(fā)展中，應進一步加大對更多無線通信技術的研究開發(fā)力度，使智能家居更好地進入社會大眾的日常生活，使科學技術成為提高人們生活品質(zhì)的有效動力，使更多人享受到科學技術發(fā)展的紅利。■