智能家居中不同無線通信技術(shù)的運(yùn)用
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關(guān)鍵詞：無線通信技術(shù)；智能家居；藍(lán)牙技術(shù)；Wi-Fi技術(shù)；Z-wave技術(shù)；ZigBee技術(shù)
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種智能家居設(shè)備也越來越多地進(jìn)入到人們的生活。除了滿足人們基本的居家需求外，通過無線技術(shù)將各自原本獨(dú)立的家居設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)化的集成，能夠提升人們居住的舒適度和便捷度，提升人們的生活質(zhì)量。在無線通訊技術(shù)的支持下，人們能夠隨心所欲的控制家居環(huán)境。Wi-Fi技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、Z-wave技術(shù)、ZigBee技術(shù)等無線通信技術(shù)的有效應(yīng)用，能夠使家居控制更加智能化、自動(dòng)化、人性化，使智能家居實(shí)現(xiàn)新的發(fā)展。
1智能家居的基本情況介紹
所謂的智能家居就是將人們居住的住宅，通過安全防范技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、音頻視頻技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行綜合，使家居生活成為一個(gè)統(tǒng)一有效的系統(tǒng)，提升家居生活的舒適性、安全性、便捷性。智能建筑最早出現(xiàn)于美國(guó)，后來逐漸得到普及。智能家居的發(fā)展離不開網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，在無線技術(shù)的支持下，能夠有效地節(jié)省智能家居建設(shè)的成本，縮短智能家居的設(shè)計(jì)周期。智能家居最早出現(xiàn)和發(fā)展于發(fā)達(dá)國(guó)家，并且技術(shù)也比較成熟，后來隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及開放范圍的不斷擴(kuò)大，智能家居在我國(guó)也有了飛速的發(fā)展。智能家居主要具有控制功能、遙控功能、集中控制功能等基礎(chǔ)功能。
2.1無線通信技術(shù)
所謂的無線通訊技術(shù)，是利用電磁波信號(hào)在任意空間中實(shí)現(xiàn)傳播和信息交換的一種通信方式。目前主流的移動(dòng)通信技術(shù)主要包括Wi-Fi技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、Z-wave技術(shù)、ZigBee技術(shù)等，這些無線通訊技術(shù)在使用的頻率調(diào)制的方式、最大作用距離、應(yīng)用領(lǐng)域等方面各不相同，一般而言數(shù)據(jù)率越高，那么作用距離就越短。下面將介紹幾種主要的無線通訊技術(shù)。如表1所示。
2.2Wi-Fi技術(shù)
2.2.1技術(shù)原理及特點(diǎn)Wi-Fi技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于它的傳播速度快、有效距離長(zhǎng)。在開放性領(lǐng)域，Wi-Fi技術(shù)的通訊距離可以長(zhǎng)達(dá)305米，在封閉區(qū)域內(nèi)通訊技術(shù)也可達(dá)100米左右，Wi-Fi技術(shù)與有線以太網(wǎng)絡(luò)的有效整合，能夠降低組網(wǎng)的成本[1]。Wi-Fi技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，也被廣泛應(yīng)用于我們的日常生活中。在智能家居領(lǐng)域Wi-Fi技術(shù)是十分常見的，基于Wi-Fi技術(shù)的智能家居組合能夠提升用戶的便捷性。
2.2.2Wi-Fi技術(shù)的優(yōu)劣條件Wi-Fi技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：不需要布線。突破了布線的限制，非常能夠滿足移動(dòng)辦公的需要，并且Wi-Fi技術(shù)十分的安全健康，不會(huì)對(duì)人體造成輻射或其他傷害。組建方式簡(jiǎn)單也是Wi-Fi技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)，僅僅需要無線網(wǎng)卡以及一臺(tái)AP就能夠?qū)崿F(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的架設(shè)。與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)相比，Wi-Fi技術(shù)的架設(shè)費(fèi)用和程序復(fù)雜度都是比較低的。在對(duì)于寬帶的使用方面，Wi-Fi技術(shù)更具明顯優(yōu)勢(shì)，當(dāng)有線寬帶網(wǎng)絡(luò)連接到戶后，僅需在電腦中安裝一塊無線網(wǎng)卡，就無需增加多余的端口，能夠以共享的形式實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)[2]。但是Wi-Fi技術(shù)并不是完美的，其最大的缺陷就在于穩(wěn)定性弱、安全性低，并且Wi-Fi技術(shù)在使用的過程中也擁有相對(duì)較高的功耗，而且，目前Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際規(guī)模有限，在應(yīng)用中16個(gè)設(shè)備是規(guī)模的極限，但是在智能家居系統(tǒng)中所需連接的設(shè)備往往要遠(yuǎn)超過16個(gè)，因此這就使得Wi-Fi技術(shù)在智能家居應(yīng)用中的生長(zhǎng)空間受到一定的限制。
2.3藍(lán)牙技術(shù)
2.3.1技術(shù)原理及特點(diǎn)藍(lán)牙技術(shù)能夠通過無線，將移動(dòng)通訊設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)有效的連接，能夠進(jìn)一步拓展形成巨大的無線通訊網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)無線傳播。藍(lán)牙技術(shù)的主要特點(diǎn)包括：（1）適用范圍廣。藍(lán)牙工作的ISM頻段為2.4GHz，而這個(gè)頻段是全球許多國(guó)家的允許范圍，這個(gè)頻段范圍內(nèi)無需向有關(guān)部門進(jìn)行許可證的申請(qǐng)，因此十分的便捷。（2）藍(lán)牙通訊技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)語音和數(shù)據(jù)的同步傳播。藍(lán)牙采用的是電路交換和分組交換技術(shù)，支持異步數(shù)據(jù)信道和異步數(shù)據(jù)同時(shí)傳播的信道。（3）在藍(lán)牙設(shè)備中能夠建立起臨時(shí)性的對(duì)等連接。藍(lán)牙設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中能夠扮演主設(shè)備和其他設(shè)備的角色。所謂的主設(shè)備，就是指在組建網(wǎng)絡(luò)時(shí)主動(dòng)發(fā)起連接請(qǐng)求的設(shè)備，而當(dāng)多個(gè)藍(lán)牙設(shè)備連接成一個(gè)體系時(shí)，只能有一個(gè)主設(shè)備，其他的都屬于從設(shè)備，藍(lán)牙技術(shù)能夠很好的實(shí)現(xiàn)主設(shè)備與從設(shè)備之間的對(duì)等連接。（4）藍(lán)牙技術(shù)的抗干擾能力比較強(qiáng)，藍(lán)牙采用跳屏方式來進(jìn)行頻譜的拓展。并且采用SIG接口，具有開放性。藍(lán)牙設(shè)備本身體積很小，方便集成[3]。
2.3.2藍(lán)牙技術(shù)的優(yōu)劣條件藍(lán)牙技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于作為一種快速跳頻的短包技術(shù)和分布式的網(wǎng)絡(luò)，能夠有效的實(shí)現(xiàn)一對(duì)多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。在應(yīng)用的過程中，藍(lán)牙技術(shù)主要體現(xiàn)在對(duì)家中情況的監(jiān)控，一方面是對(duì)家庭環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)家居中陽光、溫度等生活環(huán)境的調(diào)節(jié)。另一方面，則是對(duì)能源使用狀況進(jìn)行監(jiān)控，在智能家居的環(huán)境下，用戶的水，電暖氣，煤氣等，這些都是重要的有關(guān)居住安全的部分。通過藍(lán)牙技術(shù)，能夠有效的將家庭的能源開關(guān)進(jìn)行監(jiān)控檢查，消除安全隱患，提升家居生活的安全度。并且藍(lán)牙技術(shù)能夠提供自動(dòng)計(jì)費(fèi)服務(wù)，也就是通過藍(lán)牙無線技術(shù)，對(duì)家庭的用電、用水、用氣等設(shè)備的流量進(jìn)行監(jiān)控，能夠有效的幫助用戶進(jìn)行成本控制，減少成本消耗。但是就藍(lán)牙技術(shù)的缺點(diǎn)而言，傳輸距離過短是藍(lán)牙技術(shù)最主要的缺點(diǎn)，也正是由于這一原因，對(duì)于規(guī)模龐大的家庭網(wǎng)絡(luò)而言，藍(lán)牙技術(shù)并不適用，因此藍(lán)牙技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用有相當(dāng)大的局限性。
2.4Z-wave技術(shù)
Z-wave是一種新型的低成本、低功率、高可靠度的短距離無線通訊技術(shù)。在室內(nèi)的有效覆蓋范圍大約是30米，在室外則可以超過100米。Z-wave技術(shù)適用于窄帶寬的場(chǎng)景下，Z-wave技術(shù)的傳輸頻率比較低，比較適用于短距離、小數(shù)據(jù)的雙向傳輸。Z-wave技術(shù)的特點(diǎn)是運(yùn)輸速率低、能耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大，另外Z-wave技術(shù)的安全可靠性是其主要的應(yīng)用特點(diǎn)，也正是由于Z-wave技術(shù)的這些特點(diǎn)，決定了Z-wave技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用于住宅照明、商業(yè)控制等方面。在Z-wave技術(shù)的最初形成和設(shè)計(jì)時(shí)，所定位的就是智能家居無線控制領(lǐng)域。對(duì)于Z-wave技術(shù)而言，每一個(gè)Z-wave網(wǎng)絡(luò)都擁有自己獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)地址，在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，包括控制節(jié)點(diǎn)在內(nèi)，可以最多容納232個(gè)有效節(jié)點(diǎn)。在Z-wave網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)都由主控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行負(fù)責(zé)。Z-wave技術(shù)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，性能可靠，在未來的發(fā)展過程中，將不僅局限于智能家居，在其他領(lǐng)域的自動(dòng)化方面，Z-wave無線網(wǎng)絡(luò)也將具有廣闊的發(fā)展前景。正如上文分析的那樣，Z-wave技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)就在于價(jià)格方面，Z-wave技術(shù)能夠以相當(dāng)?shù)偷某杀?，建設(shè)出一個(gè)比較完善的局域網(wǎng)絡(luò)，并且在通信范圍之內(nèi)。將Z-wave網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都能夠有效控制。當(dāng)用戶家中的智能家居建設(shè)完成后，通過無線通信技術(shù)能夠有效的對(duì)家中的電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和管理。但是Z-wave技術(shù)的缺點(diǎn)在于在Z-wave無線網(wǎng)絡(luò)中，無限節(jié)點(diǎn)有限。雖然在理論上能夠最多容納263個(gè)有效節(jié)點(diǎn)，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中往往只有150個(gè)左右。并且，因?yàn)閆-wave無線網(wǎng)絡(luò)是一種樹網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一旦出現(xiàn)分支的損壞，該分支底部的其他設(shè)備可能就無法與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行有效通訊，并且Z-wave無線通信技術(shù)沒有相應(yīng)的加密流程，在安全性上有待進(jìn)一步發(fā)展。
2.5ZigBee技術(shù)
ZigBee技術(shù)和Z-wave技術(shù)都具有能耗低、成本低、操作簡(jiǎn)單、近距離的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。在應(yīng)用ZigBee技術(shù)于智能家居的過程中，需要制定一定的架構(gòu)設(shè)計(jì)。在內(nèi)部網(wǎng)的建設(shè)方面。智能家居本身對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸量的要求比較低，但是對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩杂直容^高，因?yàn)橐坏┰跀?shù)據(jù)傳輸過程中信息傳遞失誤，就可能對(duì)家居設(shè)備造成錯(cuò)誤的指令，進(jìn)而導(dǎo)致家居設(shè)備的損壞。因此，要十分注重?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，而利用ZigBee技術(shù)，通過在內(nèi)部網(wǎng)中設(shè)置相應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)，能夠有效的建立健全相應(yīng)的家居網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)于信息的收集和傳遞，進(jìn)而進(jìn)一步檢測(cè)家庭內(nèi)部的溫度以及家居設(shè)備的狀態(tài)。在智能家居中使用ZigBee技術(shù)的過程中，對(duì)于智能家居的控制系統(tǒng)有著較高的要求。首先對(duì)于設(shè)備的傳輸數(shù)據(jù)有要求，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不能太大，這是由于ZigBee技術(shù)自身傳輸速率比較低，在傳輸速率上一般是10kbps到250kbps之間，這就使得ZigBee技術(shù)的應(yīng)用范圍比較有限，只能適用于對(duì)于速率要求不高的低數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)合。同時(shí)也正是由于ZigBee技術(shù)自身數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾实?，因此在協(xié)議方面并不復(fù)雜，而且可以進(jìn)行基于自身實(shí)際需求的靈活刪減，這就使得生產(chǎn)成本進(jìn)一步降低。其次，采用ZigBee技術(shù)的控制系統(tǒng)中，要求設(shè)備的體積比較小，并且不能或不便設(shè)置電源模塊，如果要進(jìn)行頻繁的更換電池，就會(huì)帶來一些不便性，而智能家居產(chǎn)品最重要的特點(diǎn)就在于方便操作、生命周期長(zhǎng)。另外，ZigBee技術(shù)適用于通信范圍廣、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備多，但是數(shù)據(jù)量不大的系統(tǒng)。ZigBee技術(shù)的使用能夠有效的對(duì)系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)或控制。一般在智能家居體系的結(jié)構(gòu)中，主要分為安防功能、通信功能、家電調(diào)控功能以及系統(tǒng)自主網(wǎng)功能，這些功能的實(shí)現(xiàn)往往需要三大主要模塊，第一模塊是GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊。主要實(shí)現(xiàn)的是智能家居系統(tǒng)和用戶之間的遠(yuǎn)程交互數(shù)據(jù)，用戶能夠在遠(yuǎn)程進(jìn)行控制管理，并且及時(shí)的響應(yīng)警報(bào)和監(jiān)管動(dòng)作。第二模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)模塊。這一模塊的作用是將室內(nèi)各個(gè)智能設(shè)施的狀態(tài)信息進(jìn)行收集。而第三模塊就是通信模塊。采用ZigBee通信模塊將傳感器收集到的信息上傳到家庭網(wǎng)關(guān)，然后進(jìn)一步將遠(yuǎn)端客戶的指令下發(fā)到傳感器分節(jié)點(diǎn)，再實(shí)現(xiàn)對(duì)于家居設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。ZigBee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于它是一種短距離雙向的無線通訊技術(shù)，具有容量高，成本低，損耗率低的優(yōu)勢(shì)，并且更重要的是它具有自恢復(fù)和自組織網(wǎng)絡(luò)的功能。這種獨(dú)特的自恢復(fù)功能使得ZigBee技術(shù)具有較高的安全性，因此，ZigBee技術(shù)是智能家居無線通信技術(shù)中最為常見的一種技術(shù)。出于安全性的考慮，ZigBee技術(shù)使用的是比銀行卡加密系統(tǒng)還要嚴(yán)格12倍的A1S加密系統(tǒng)。并且在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中采用的是蜂窩結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠使每一個(gè)設(shè)備都能通過多種方式與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，從而有效確保了整體網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。而且每個(gè)裝置內(nèi)部還設(shè)置有無線信號(hào)中繼功能，這種中繼功能能夠?qū)o線通訊的信息傳達(dá)到1千米遠(yuǎn)的距離。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)方面，理論上ZigBee技術(shù)擁有65,300個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的容量，能夠充分滿足家庭網(wǎng)絡(luò)的覆蓋需求，同時(shí)雙向通信的ZigBee技術(shù)，不僅能夠?qū)⒂脩舻闹噶畎l(fā)送到家居設(shè)備中，而且在發(fā)送的同時(shí)，也能夠?qū)⒃撛O(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)有效的反饋。ZigBee技術(shù)還具有重要的低功率的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)全電池供電，這就使得智能家居的便捷性和持續(xù)性大大提升。但是ZigBee技術(shù)雖然擁有如此多的優(yōu)勢(shì)，其最大的缺點(diǎn)就在于它的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的門檻很高，需要的開發(fā)技術(shù)也比較先進(jìn)，開發(fā)難度大，只有擁有豐厚實(shí)力的企業(yè)才能進(jìn)行有效的開發(fā)研究。
3小結(jié)
無線通訊技術(shù)作為智能家居發(fā)展的重點(diǎn)和關(guān)鍵領(lǐng)域，在未來的發(fā)展過程中，需要投入更多的技術(shù)進(jìn)行研究、改善，使智能家居更好的進(jìn)入人們的生活，使科技成為改善人們生活的重要推動(dòng)力，使更多的人享受到科技的紅利。
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作者：耿啟龍 單位：青島賽維電子信息服務(wù)股份有限公司淄博分公司
