文│ 福建省冠林科技有限公司 張展林

無(wú)線技術(shù)在家庭自動(dòng)化的應(yīng)用分析

文│ 福建省冠林科技有限公司 張展林

家居智能化發(fā)展至今，多種通信技術(shù)的應(yīng)用層出不窮，無(wú)線通信技術(shù)以其自由、便捷的安裝和使用優(yōu)點(diǎn)，在家庭自動(dòng)化的通信方式中已占有越來(lái)越重要的份額。目前，市面上的無(wú)線通信方式和協(xié)議比較多，不利于各廠家設(shè)備相互之間通信。本文主要對(duì)國(guó)內(nèi)目前家庭自動(dòng)化所采用的主流通信技術(shù)和協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析探討。

家庭自動(dòng)化 智能家居 無(wú)線技術(shù) ZigBee Z-Wave Wi-Fi 藍(lán)牙

1 引言

隨著社會(huì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在普通民用家庭中，各種各樣的家用電器已具有一些可實(shí)現(xiàn)的智能控制功能，它們可以幫助人們實(shí)現(xiàn)家務(wù)勞動(dòng)和家務(wù)管理的自動(dòng)化，大大提高人們的物質(zhì)、文化生活水平。

但在目前實(shí)際應(yīng)用中，每個(gè)家庭的電器、燈具之間還是相對(duì)獨(dú)立使用的，尚不能進(jìn)行相互的聯(lián)動(dòng)控制，需要人為手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)一些智能的控制與管理，若想實(shí)現(xiàn)真正家庭內(nèi)的電器、燈具等智能化控制與管理，就必須有統(tǒng)一的管理平臺(tái)來(lái)對(duì)家庭里所有的電器等進(jìn)行相互統(tǒng)一的控制與管理，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的家庭自動(dòng)化。

2 實(shí)現(xiàn)家庭自動(dòng)化的控制方式

隨著技術(shù)的發(fā)展，各種面向家庭自動(dòng)化通信方式紛紛涌現(xiàn)，通常我們把這些技術(shù)按控制的方式分為兩類：一類為有線通信方式，比如目前較為主流的電力載波技術(shù)、KNX/EIB總線通信技術(shù)、C-BUS以及DALI、DMX512、Lonwork等；另一類為無(wú)線通信技術(shù)，如433MHz、ZigBee、Z-Wave、藍(lán)牙、Wi-Fi、紅外通信等技術(shù)。

從實(shí)際應(yīng)用中來(lái)看，有線技術(shù)與無(wú)線技術(shù)應(yīng)用各有特點(diǎn)。有線技術(shù)更適用于前端市場(chǎng)，其抗干擾度高，通信技術(shù)更有保障；而無(wú)線技術(shù)恰恰相反，通常適合應(yīng)用于后裝市場(chǎng)，相對(duì)于有線的通信更符合人們對(duì)家庭自動(dòng)化的要求。無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用若能與有線技術(shù)配合使用，更能顯示出其優(yōu)勢(shì)。基于目前家庭自動(dòng)化控制功能的需求以及對(duì)后續(xù)家庭自動(dòng)化控制和管理的實(shí)際要求來(lái)分析，無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用將快速融入到家庭自動(dòng)化的各控制系統(tǒng)中，而且其后續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)將更加迅速。本文將對(duì)一些主流無(wú)線技術(shù)的特點(diǎn)及在家庭自動(dòng)化的實(shí)際中應(yīng)用做一些分析探討。

3 主流無(wú)線技術(shù)的分析

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通信頻段的資源越來(lái)越少。適用無(wú)線通信技術(shù)目前常見(jiàn)有433MHz(中國(guó))、ZigBee、Z-Wave（歐洲和美國(guó)）、藍(lán)牙、Wi-Fi及紅外通信。

433MHz技術(shù)：433MHz頻率相對(duì)于2.4GHz來(lái)說(shuō)，它的信號(hào)穿透能力較強(qiáng)，傳輸距離更遠(yuǎn)。但是，由于其頻率特點(diǎn)決定了它的傳輸速度不高，而且沒(méi)有相應(yīng)的通用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議支持，所以只能進(jìn)行透明傳輸數(shù)據(jù)，保密性較差，容易被人破解。同時(shí)433MHz采用FSK調(diào)制方式，抗干擾能力差，容易受到同頻信號(hào)干擾。其工作頻率范圍較窄（5kHz～25kHz），如果設(shè)備的晶振因長(zhǎng)期使用而產(chǎn)生誤差，都會(huì)引起工作頻點(diǎn)漂移，從而造成系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至完全不能通信。

ZigBee技術(shù)：ZigBee通訊協(xié)議最大的優(yōu)點(diǎn)在于它的低功耗，支持信號(hào)路由，自組網(wǎng)特性以及可快速建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接；ZigBee聯(lián)盟在2013年新增加對(duì)IPV6協(xié)議支持，使得ZigBee模塊終端不用任何手動(dòng)配置就可以輕松發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，并獲得唯一的IPv6地址。這使ZigBee模塊無(wú)需使用中間網(wǎng)關(guān)便能夠加入互聯(lián)網(wǎng)連接，方便用戶遠(yuǎn)程對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理。

目前，ZigBee已在某些特定領(lǐng)域取得一定成果，但在面向普通家庭消費(fèi)方面卻沒(méi)有得到較大的發(fā)展；雖然ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)發(fā)布了針對(duì)家庭自動(dòng)化的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，但是由于ZigBee聯(lián)盟并沒(méi)有強(qiáng)制要求產(chǎn)品通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，反而因?yàn)閆igBee協(xié)議的開(kāi)放性，使得每個(gè)廠家都可以采用它的底層協(xié)議來(lái)開(kāi)發(fā)出自己的通信協(xié)議，造成市面上多數(shù)廠家的ZigBee產(chǎn)品不能相互兼容和通信。

Z-Wave技術(shù)：Z-Wave是由丹麥公司Zensys發(fā)布的一種無(wú)線組網(wǎng)規(guī)格，Z-Wave是基于射頻、低成本、低功耗、高可靠、短距離的無(wú)線通信技術(shù)。工作頻帶為915MHz（美國(guó)）和868MHz，采用FSK（BFSK/GFSK）調(diào)制方式，數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6kbps，主要針對(duì)家庭自動(dòng)化領(lǐng)域。由于Z-Wave要求所有采用它的芯片方案的產(chǎn)品都必須通過(guò)它的認(rèn)證，因此廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品是可以相互兼容的，并在歐美普通消費(fèi)市場(chǎng)上取得不錯(cuò)的占有率；普通消費(fèi)者可以在超市和AMAZON網(wǎng)站上購(gòu)買到帶有Z-Wave認(rèn)證的產(chǎn)品。然而它只支持868MHz和915MHz兩種頻率，目前這兩個(gè)頻率不屬于國(guó)家明確規(guī)定的免執(zhí)照頻段，特別是915MHz頻率剛好處于GSM頻段內(nèi)（GSM900MHz頻段為890MHz～915MHz）。

藍(lán)牙技術(shù)：采用2.4G頻率的藍(lán)牙。在新一代的藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之后，原先功耗大的缺點(diǎn)也在新版標(biāo)準(zhǔn)里得到修正，新的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)兼容低功耗和高速傳輸數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，以便在不同的使用情況下都可以得到滿足。此外藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)還修改了聯(lián)機(jī)的延遲問(wèn)題，新的標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)機(jī)建立僅需3ms即可完成。新的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)在具有低功耗和低延時(shí)性能后已符合家庭自動(dòng)化通信的基本要求；而且新的藍(lán)牙技術(shù)得到了多家公司認(rèn)可（如蘋(píng)果、微軟、谷歌等）。

Wi-Fi技術(shù) ：Wi-Fi采用 802.11.54b 標(biāo)準(zhǔn)，主要是用于大數(shù)據(jù)快速傳速及各個(gè)移動(dòng)設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)接。Wi-Fi的特點(diǎn)就是傳輸速率快，適用于大批量的數(shù)據(jù)傳輸。但是和ZigBee及新的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)相比較，它的最大缺點(diǎn)就在于它的功耗比較大，而且重新加入網(wǎng)絡(luò)需要3s以上的時(shí)間 ，因此，Wi-Fi要求所有的設(shè)備必須處于喚醒狀態(tài)，這樣就需要增加功耗。但是采用Wi-Fi作為通信方式最大的優(yōu)勢(shì)在于它可以通過(guò)無(wú)線路由器直接連接到互聯(lián)網(wǎng)中，而ZigBee、藍(lán)牙等其他通訊協(xié)議需要中間轉(zhuǎn)換設(shè)備才能連入互聯(lián)網(wǎng)。目前多個(gè)廠家正在解決Wi-Fi芯片存在的功耗大的問(wèn)題，不久前，高通新發(fā)布的幾款低功耗Wi-Fi芯片，具有耗電量小于 1mW 的睡眠模式，且由暫停狀態(tài)到喚醒的速度比同類其他產(chǎn)品快4倍。相信不久以后會(huì)有更節(jié)能的Wi-Fi技術(shù)出現(xiàn)。

紅外通信：紅外通訊協(xié)議是基于紅外線的傳輸技術(shù)。其最大優(yōu)點(diǎn)是不受無(wú)線電干擾、傳輸速度快、方案成熟。目前電視、空調(diào)的遙控技術(shù)都是采用紅外通信技術(shù)。但紅外通信的距離短、角度小，需要對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)才能使用，若遇障礙物將使通信中斷，而且在戶外容易受到強(qiáng)烈的太陽(yáng)光干擾，不適合在戶外使用。因此，紅外通訊協(xié)議不符合家庭自動(dòng)化大面積通信的要求。

4 無(wú)線技術(shù)在家庭自動(dòng)化中實(shí)際應(yīng)用

目前，家庭自動(dòng)化的控制和管理主要體現(xiàn)在智能照明、智能安防監(jiān)控、智能家用電器、智能醫(yī)療等與人們生活密切相關(guān)的領(lǐng)域。對(duì)于上述常用的幾種無(wú)線技術(shù)，如何選擇合適的無(wú)線技術(shù)以應(yīng)對(duì)在家庭中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制與管理功能的需求，接下來(lái)筆者將逐一進(jìn)行分析。

（1）針對(duì)智能照明的應(yīng)用：傳統(tǒng)照明控制方式均采用一對(duì)一通過(guò)開(kāi)關(guān)操作方式來(lái)實(shí)際控制，目前，這還是主流的控制方式，但對(duì)于一些照明點(diǎn)數(shù)多，而且控制功能復(fù)雜的照明需求，站在用戶的角度，希望更先進(jìn)的照明控制方式能補(bǔ)充或替代傳統(tǒng)的控制方式，不僅可以簡(jiǎn)化一對(duì)一繁多的控制點(diǎn)，同時(shí)可以新增出更加智能控制的方式，如場(chǎng)景控制、組控群控、遠(yuǎn)程遙控、定時(shí)預(yù)約等，這些控制方式可以快速改變燈光情景，自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光亮度等。要想實(shí)現(xiàn)這些功能，我們需要把這些燈具、傳感器、各種控制終端（手機(jī)、平板電腦等）之間互相通信，另外還需要各設(shè)備之間相互獨(dú)立，當(dāng)任意一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)還可以正常工作。基于這些基本需求，ZigBee和Z-Wave兩種可以自組網(wǎng)和支持網(wǎng)型連接結(jié)構(gòu)的方案將有效解決這些問(wèn)題。我們從目前市面上的無(wú)線智能照明系統(tǒng)設(shè)備也可以得到驗(yàn)證。

（2）針對(duì)智能安防監(jiān)控的應(yīng)用：近些年安防監(jiān)控技術(shù)快速發(fā)展及價(jià)格的下降，使得家庭安防監(jiān)控的理念也得到多數(shù)消費(fèi)者認(rèn)可，目前各種無(wú)線安防的傳感器主要是采用433MHz和2.4G ZigBee兩種方案標(biāo)準(zhǔn)，并且可與智能照明系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。如煤氣傳感器，當(dāng)檢測(cè)到煤氣泄漏時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警提示并自動(dòng)關(guān)閉煤氣。在視頻監(jiān)控方面需要大的數(shù)據(jù)量傳輸，因此無(wú)線監(jiān)控?cái)z像頭采用Wi-Fi傳輸方式，監(jiān)控畫(huà)面可通過(guò)Wi-Fi傳送到互聯(lián)網(wǎng)上，用戶在辦公室就可以看到家里的狀態(tài)，但目前還沒(méi)有采用低功耗的Wi-Fi芯片方案，因其存在功耗較高的缺點(diǎn)。

（3）針對(duì)智能家電方面的應(yīng)用：近年來(lái)，國(guó)內(nèi)幾個(gè)大的家電廠家陸續(xù)推出各種智能熱水器、空調(diào)、冰箱、冼衣機(jī)、電視等智能家電。智能家電不僅可以實(shí)現(xiàn)本地智能控制功能，通過(guò)WAP、WEP還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制管理功能，比如家里的熱水器，用戶即可以在本地進(jìn)行智能控制，也可以在網(wǎng)上觀察家里熱水器的溫度，并決定是否打開(kāi)熱水器預(yù)熱等。實(shí)現(xiàn)這些智能控制與管理功能，智能家電的廠家采用無(wú)線Wi-Fi、紅外通信等設(shè)備讓消費(fèi)者可以隨時(shí)隨地與家里的電器保持“溝通”。

（4）針對(duì)家庭醫(yī)療等其他應(yīng)用：目前，無(wú)線技術(shù)在家庭自動(dòng)化中，除了應(yīng)用于智能照明、智能安防監(jiān)控、智能家電等領(lǐng)域外，在國(guó)外，無(wú)線技術(shù)還廣泛的應(yīng)用于家庭醫(yī)療中，從而出現(xiàn)了各種無(wú)線測(cè)量設(shè)備，比如可穿戴的智能設(shè)備，通過(guò)使用藍(lán)牙技術(shù)與各個(gè)家庭的管理終端設(shè)備或手機(jī)傳輸進(jìn)行通信，即時(shí)發(fā)送用戶的健康檢查信息，醫(yī)生可以通過(guò)手機(jī)或特定的Web服務(wù)站。

5 結(jié)束語(yǔ)

從上述幾種無(wú)線技術(shù)的分析中，我們不難看出眾多無(wú)線技術(shù)各有優(yōu)劣，相互之間尚不能完全兼容，而多個(gè)通訊協(xié)議要想互相通信，就需要采用各自的協(xié)議轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣將增加家庭自動(dòng)化系統(tǒng)的成本和不穩(wěn)定性。而站在整個(gè)家庭自動(dòng)化控制和管理的角度來(lái)看，終端設(shè)備的廠家都盼望一種標(biāo)準(zhǔn)可以實(shí)現(xiàn)所有的要求，因此各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織都在提高現(xiàn)有的技術(shù)方案以便搶占市場(chǎng)先機(jī)。當(dāng)然，從目前來(lái)看Wi-Fi和藍(lán)牙在各自領(lǐng)域都占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)上主流的芯片廠家也已推出Wi-Fi與藍(lán)牙二合一的芯片方案。同樣，隨著家庭自動(dòng)化應(yīng)用功能的提升，不同無(wú)線技術(shù)之間的相互整合方案將會(huì)層出不窮，而隨之對(duì)應(yīng)的芯片方案將會(huì)整合更多的無(wú)線技術(shù)，而這些整合的方案將有效地推動(dòng)無(wú)線技術(shù)更加快速進(jìn)入家庭自動(dòng)化的市場(chǎng)，促進(jìn)家庭自動(dòng)化的發(fā)展。