5G通信模組驅(qū)動(dòng)的智能家居設(shè)備互聯(lián)效能優(yōu)化研究

【關(guān)鍵詞】5G；物聯(lián)網(wǎng)；通信模組；智能家居；設(shè)備互聯(lián)

引言

在現(xiàn)代城市建設(shè)中，智能家居通過實(shí)時(shí)感知家庭環(huán)境與精準(zhǔn)管控設(shè)備，顯著提升了用戶的居家生活品質(zhì)。當(dāng)前主流的設(shè)備互聯(lián)技術(shù)主要包括WiFi、藍(lán)牙和ZigBee三大類，這三類技術(shù)各具特色。其中，WiFi適合高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮^高，藍(lán)牙以低功耗見長卻受限于傳輸距離，ZigBee則在組網(wǎng)能力上表現(xiàn)突出。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代技術(shù)的突破性發(fā)展，智能家居行業(yè)迎來重要變革，其中5G技術(shù)憑借高速率、超低時(shí)延、海量連接三大核心優(yōu)勢成為推動(dòng)智能家居行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的核心動(dòng)力。從實(shí)際發(fā)展角度來看，5G技術(shù)不僅解決了傳統(tǒng)互聯(lián)方案的傳輸瓶頸，還依據(jù)云端協(xié)同計(jì)算實(shí)現(xiàn)了跨設(shè)備智能聯(lián)動(dòng)，為構(gòu)建真正萬物互聯(lián)的智慧家庭奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

一、5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信模組的概念及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（一）5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)

蜂窩互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)基于第三代合作伙伴計(jì)劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）全球標(biāo)準(zhǔn)快速發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)，現(xiàn)已得到了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商等多方面的合作支持，能夠提供全球覆蓋范圍，實(shí)踐應(yīng)用高度可靠，性能較強(qiáng)，安全性高。隨著5G技術(shù)的進(jìn)一步融合，各行各業(yè)都開始探索蜂窩物聯(lián)網(wǎng)如何從根本上改變自身的運(yùn)營方式，5G技術(shù)的優(yōu)勢在于支持大量物聯(lián)設(shè)備，滿足各種速度、帶寬以及服務(wù)質(zhì)量要求[1]。

（二）關(guān)鍵技術(shù)

蜂窩通信模組的核心關(guān)鍵技術(shù)依賴于基帶芯片平臺(tái)，目前5G基帶芯片平臺(tái)廠家包括了高通、紫光展銳等。有關(guān)5G通信模組的研發(fā)工作，是一項(xiàng)技術(shù)難度相對較高的開發(fā)過程，其中包含電子元器件千余個(gè)，關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在以下方面。

第一，模組軟硬件標(biāo)準(zhǔn)化。其主要用來解決不同通信制式和芯片平臺(tái)之間的相互兼容性問題，可以聯(lián)合運(yùn)營商推進(jìn)行業(yè)的硬件封裝標(biāo)準(zhǔn)化，統(tǒng)一對外接口，縮小硬件尺寸，確保不同類型的蜂窩模組相互兼容，降低模組供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)[2]。

第二，算力集成。浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算能力持續(xù)提供行業(yè)客戶智能化發(fā)展所需的基礎(chǔ)依據(jù)，可以在蜂窩模組中集成強(qiáng)大的傳輸速率和運(yùn)算能力，方便模組應(yīng)用進(jìn)一步延展。一般來講，模組集成算力主要體現(xiàn)在自然語言處理、視覺建模、智能交互、傳感器的數(shù)據(jù)感知等多方面。

第三，低功耗與低延時(shí)。在技術(shù)開發(fā)中，可以運(yùn)用連接態(tài)不連續(xù)接收（Connected Discontinuous Reception，CDRX）在連接狀態(tài)下進(jìn)行不連續(xù)的數(shù)據(jù)接收，讓用戶設(shè)備（User Equipment，UE）周期性進(jìn)入睡眠狀態(tài)，以此實(shí)現(xiàn)功能消耗。運(yùn)用平均功率跟蹤（Average Power Tracking，APT）和包絡(luò)跟蹤（Envelope Tracking，ET）實(shí)現(xiàn)模組射頻功率的自動(dòng)跟蹤，科學(xué)調(diào)節(jié)模組發(fā)射的射頻功率，以此實(shí)現(xiàn)功能消耗下降[3]。

二、5G通信技術(shù)與智能家居系統(tǒng)間的關(guān)系及其功能模塊

（一）關(guān)系分析

智能家居系統(tǒng)作為一種利用物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備互聯(lián)互通的綜合性解決方案，聯(lián)合研究5G通信技術(shù)和智能家居系統(tǒng)，不僅能夠顯著提升用戶的使用體驗(yàn)，還可以解決現(xiàn)有智能家居設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸慢、系統(tǒng)穩(wěn)定性較差等問題。相比傳統(tǒng)的4G網(wǎng)絡(luò)，5G通信技術(shù)具有低功耗和高可靠性的特征，這為新時(shí)期智能家居行業(yè)發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。具體而言，5G的低功耗特性在一定程度上延長了智能設(shè)備的工作時(shí)間，減少了用戶的日常維護(hù)成本，其高可靠性保障了家庭網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性。

（二）功能模塊

現(xiàn)階段，智能家居系統(tǒng)的主要功能模塊分為以下內(nèi)容。

第一，智能控制。這一模塊屬于智能家居系統(tǒng)的中樞部分，主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)管理家居環(huán)境中的所有智能設(shè)備，可以依據(jù)5G通信技術(shù)保障設(shè)備間實(shí)時(shí)傳輸信息并積極響應(yīng)，用戶可以利用終端遠(yuǎn)程操控家居設(shè)備，根據(jù)環(huán)境參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

第二，安防監(jiān)控。這一模塊屬于智能家居系統(tǒng)運(yùn)行的重要保障，可以借助5G通信技術(shù)迅速傳遞警報(bào)信息，及時(shí)報(bào)警和應(yīng)急響應(yīng)。

第三，環(huán)境調(diào)節(jié)。這一模塊主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)智能家居系統(tǒng)的節(jié)能性和舒適度，能夠運(yùn)用5G通信技術(shù)調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，創(chuàng)造安全舒適的生活環(huán)境。

第四，娛樂服務(wù)。這一模塊能夠提升家居生活品質(zhì)，可以借助5G通信技術(shù)有機(jī)結(jié)合在線購物、社交媒體等服務(wù)功能，真正實(shí)現(xiàn)一站式家居生活服務(wù)體驗(yàn)[4]。

三、基于5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信模組的智能家居設(shè)備互聯(lián)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案研究

（一）平臺(tái)架構(gòu)

運(yùn)用5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信模組構(gòu)建互聯(lián)互通的智能家居設(shè)備平臺(tái)，其涵蓋設(shè)備連接、數(shù)據(jù)交互、控制邏輯處理以及服務(wù)整合等核心功能，同時(shí)架構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)所需功能模塊分層處理，以此確保各層級之間職責(zé)清晰，數(shù)據(jù)通信安全有效。

為滿足智能家居設(shè)備互聯(lián)互通，平臺(tái)主要包含以下內(nèi)容。

第一，設(shè)備層。該層次是平臺(tái)架構(gòu)的基礎(chǔ)，包含智能家居系統(tǒng)運(yùn)行所需的所有設(shè)備，如環(huán)境感知設(shè)備、安全防護(hù)監(jiān)控設(shè)備、智能照明設(shè)備等。這些設(shè)備在有效接入平臺(tái)后，能夠?qū)崟r(shí)上傳工作狀態(tài)。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，為滿足各類設(shè)備的兼容性和可擴(kuò)展性要求，優(yōu)先采用標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議，如藍(lán)牙、WiFi、ZigBee等，以此確保不同類別和型號的設(shè)備能夠順利接入平臺(tái)。

第二，網(wǎng)絡(luò)層。該層次主要負(fù)責(zé)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸與有效通信。為了保障設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性，切實(shí)提高通信服務(wù)的效率和質(zhì)量，可以利用成熟的通信協(xié)議和傳輸技術(shù)，如受限應(yīng)用協(xié)議（Constrained Application Protocol，CoAP）、消息隊(duì)列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議，同時(shí)合理引入加密技術(shù)，如傳輸層安全性（Transport Layer Security，TLS）協(xié)議等，這樣既能確保數(shù)據(jù)高效傳輸，又能對各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理[5]。

第三，服務(wù)層。該層次是平臺(tái)架構(gòu)的核心，能夠提供數(shù)據(jù)處理、控制邏輯執(zhí)行、服務(wù)接口等重要功能。在設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)模塊服務(wù)的可定制性和可擴(kuò)展性，為用戶提供豐富的應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interfaces，API）和軟件開發(fā)工具包（Software Development Kit，SDK），以此方便第三方開發(fā)者進(jìn)行二次開發(fā)和技術(shù)集成。除此之外，服務(wù)層可以根據(jù)數(shù)據(jù)處理能力收集分析設(shè)備層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并利用控制邏輯生成相應(yīng)的控制指令，從而幫助用戶熟練操作各類設(shè)備。

第四，應(yīng)用層。該層次是平臺(tái)架構(gòu)的用戶界面，能夠向系統(tǒng)用戶提供直觀的操作界面和服務(wù)功能。在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)用戶體驗(yàn)需求和界面友好性特征，支持多種終端設(shè)備運(yùn)行，使用戶根據(jù)自身需求定制個(gè)性化服務(wù)功能。

第五，數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)層。該層次是平臺(tái)架構(gòu)的重要環(huán)節(jié)，在制定規(guī)范完善的數(shù)據(jù)安全機(jī)制后，合理運(yùn)用安全審計(jì)、訪問控制、數(shù)據(jù)加密等技術(shù)手段，可以確保用戶數(shù)據(jù)始終保持安全隱私性。

（二）數(shù)據(jù)傳輸與處理

基于5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信模組的智能家居設(shè)備互聯(lián)互通平臺(tái)，采用分布式數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)，該架構(gòu)支持多種傳輸協(xié)議，能夠確保不同設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無縫連接。從數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)角度來看，針對不同類型設(shè)備選擇適宜的通信協(xié)議。其中，智能傳感器可優(yōu)先選擇低功耗藍(lán)牙協(xié)議，原因在于傳統(tǒng)藍(lán)牙功耗為100 mA，而低功耗藍(lán)牙協(xié)議功耗僅10 mA，這有助于有效延長設(shè)備續(xù)航時(shí)間。智能攝像頭可以采用5G通信協(xié)議，滿足高速傳輸數(shù)據(jù)需求。相比WiFi的Mbps級傳輸速度，5G通信協(xié)議有顯著提升，能夠保障高清視頻等大數(shù)據(jù)量信息快速傳輸。數(shù)據(jù)分析與處理可以選擇通用的JSON數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際數(shù)據(jù)解析時(shí)間可縮短約16%，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存空間可節(jié)省約20%[6]。從數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)角度來看，應(yīng)按照不同數(shù)據(jù)類型和功能需求科學(xué)分類儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。使用Redis內(nèi)存數(shù)據(jù)庫處理實(shí)時(shí)性要求較高的數(shù)據(jù)，可方便用戶快速儲(chǔ)存和獲取；使用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫處理需要長期儲(chǔ)存的資料，能夠有效避免數(shù)據(jù)遺漏或缺失；運(yùn)用5G通信技術(shù)構(gòu)建高效安全的數(shù)據(jù)處理流程，可使實(shí)際數(shù)據(jù)處理總時(shí)長縮短，數(shù)據(jù)有效響應(yīng)率隨之提升。

（三）實(shí)驗(yàn)研究

為了測試5G通信模組驅(qū)動(dòng)下智能家居設(shè)備的互聯(lián)效果，各個(gè)功能模塊是否可以穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)的兼容性是否滿足要求，按照圖1所示的流程進(jìn)行評估。

可視化調(diào)光功能。用戶可在手機(jī)上隨意點(diǎn)擊某個(gè)房間，測試能否對該房間的燈光進(jìn)行智能控制亮暗操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該功能能夠以3D形式向用戶直觀展示室內(nèi)各個(gè)房間的燈光狀態(tài)，其不僅操作簡單、應(yīng)用智能便捷，而且開發(fā)成本較低，具有較高的性價(jià)比。

智能監(jiān)測功能。為驗(yàn)證傳感器能否成功采集數(shù)據(jù)，先收集室內(nèi)溫度傳感器、甲醛傳感器、光照強(qiáng)度傳感器所獲取的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，然后利用現(xiàn)場人工收集的數(shù)據(jù)與之對比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，智能系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場人工收集的數(shù)據(jù)基本一致，且數(shù)據(jù)曲線持續(xù)動(dòng)態(tài)變化，這就表明傳感器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和有效上傳[7]。

人工智能語音控制功能。系統(tǒng)可借助智能音箱實(shí)現(xiàn)對家居設(shè)備進(jìn)行語音控制。在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，用戶能夠利用移動(dòng)終端智能化監(jiān)控家居環(huán)境，同時(shí)根據(jù)需求將傳感器和電器接入系統(tǒng)，從而個(gè)性化定制系統(tǒng)功能。

四、發(fā)展趨勢及前景展望

（一）發(fā)展趨勢

在智能家居設(shè)備互聯(lián)場景中，5G通信模組能夠提升通信帶寬，便于信息的檢測與管理，使設(shè)備之間的感知更為精準(zhǔn)，進(jìn)而提高整個(gè)智能家居控制系統(tǒng)的智能化程度。未來以5G通信模組驅(qū)動(dòng)的智能家居設(shè)備互聯(lián)將從以下幾方面推進(jìn)。

第一，注重技術(shù)融合。人工智能技術(shù)與5G技術(shù)的融合創(chuàng)新，能進(jìn)一步提升智能家居系統(tǒng)的智能化水平。通過運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法深度分析用戶的行為習(xí)慣，可實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的設(shè)備控制和場景定制。

第二，引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)能夠增強(qiáng)數(shù)據(jù)的安全性和可信度，為智能設(shè)備之間的數(shù)據(jù)共享和交互應(yīng)用提供可靠保障，有效預(yù)防數(shù)據(jù)被篡改或泄露。

第三，擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模。未來智能家居設(shè)備的互聯(lián)互通平臺(tái)規(guī)模將不斷擴(kuò)大，所包含的設(shè)備數(shù)量會(huì)持續(xù)增加。除了常見的家用設(shè)備和安防設(shè)備外，還將接入更多生活用品和公共設(shè)施，以此形成全方位、智能化的生活環(huán)境，如環(huán)境監(jiān)測設(shè)備、智能停車系統(tǒng)、可采集用戶健康數(shù)據(jù)的設(shè)備等。

第四，強(qiáng)調(diào)個(gè)性定制。未來智能家居設(shè)備互聯(lián)平臺(tái)將更加注重滿足用戶的個(gè)性化需求，為其提供定制化的服務(wù)場景。用戶可以根據(jù)自身生活習(xí)慣自由搭配組合家居設(shè)備，創(chuàng)建獨(dú)特的智能生活場景，如在夜間為家長自動(dòng)調(diào)節(jié)柔和燈光，為孩子提供明亮清晰的學(xué)習(xí)環(huán)境等。

（二）前景展望

5G通信技術(shù)的發(fā)展為無線智能家居及系統(tǒng)互聯(lián)提供了有力的技術(shù)支持，其不僅完善了智能家居生態(tài)系統(tǒng)的功能，還在一定程度上拓展了家居系統(tǒng)的應(yīng)用邊界。從長遠(yuǎn)發(fā)展角度來看，無線智能家居系統(tǒng)的新變化主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，可以改變?nèi)藗兊纳钅Ｊ剑股钆c工作更加便捷，增強(qiáng)技術(shù)設(shè)備的實(shí)用性；其次，可以引導(dǎo)智能家居設(shè)備從功能型向智能模式轉(zhuǎn)變；最后，可以為人們提供多種場景模式，為智能化創(chuàng)造更多價(jià)值空間[8]。相比4G通信技術(shù)，5G通信技術(shù)的傳輸速率可達(dá)4G的10倍以上，這就意味著5G網(wǎng)絡(luò)能夠承載更多家居設(shè)備，有效保障系統(tǒng)與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互更加穩(wěn)定，進(jìn)而構(gòu)建高質(zhì)量的智能家居系統(tǒng)，為用戶帶來更加便捷和智能化的居住體驗(yàn)。

結(jié)語

現(xiàn)階段，智能家居行業(yè)已跨越初級發(fā)展階段，步入全面智能化的嶄新時(shí)代。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等前沿技術(shù)的廣泛普及，智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真正意義上的互聯(lián)互通。文章通過介紹5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信模組，分析了5G通信技術(shù)與智能家居系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系及功能模塊，并且深入探討了基于5G的智能家居設(shè)備互聯(lián)平臺(tái)架構(gòu)及功能服務(wù)，希望能夠?yàn)樯鐣?huì)大眾提供更多智能生活體驗(yàn)，積極推動(dòng)家居行業(yè)邁向全新發(fā)展階段。

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