姜 偉，張 珣

（國家無線電監(jiān)測中心哈爾濱監(jiān)測站，黑龍江 哈爾濱 150010）

智能家庭系統(tǒng)是指以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、無線電通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將與家居生活有關(guān)的設(shè)施集成[6]，利用各種感知技術(shù)接收探測信號(hào)，通過數(shù)據(jù)收集、智能分析后予以判斷，并發(fā)出指令使家中電器、安防、照明等設(shè)備裝置做出相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)住宅環(huán)境、用戶需求與家電設(shè)施相協(xié)調(diào)，從而創(chuàng)造出舒適、安全、便捷、高效、節(jié)能的家居生活環(huán)境。

1 智能家庭的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國的智能家庭產(chǎn)業(yè)還處在初級(jí)發(fā)展階段，智能開關(guān)、智能插座以及智能電器正在不斷與人工智能技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展空間巨大[3]。智能家庭良好的市場前景使得該產(chǎn)業(yè)中不僅包含傳統(tǒng)家用電器企業(yè)，另有很多新興互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品企業(yè)紛紛加入，國內(nèi)外市場均涌現(xiàn)出許多智能家庭品牌。例如國內(nèi)的小米、華為；國外的蘋果、飛利浦等。據(jù)預(yù)測，未來兩年（2021—2023年）中國智能家居市場規(guī)模將以每年30%～40%的速度增長，到2023年中國智能家居的市場規(guī)模有望突破5 000億元[5]。

圖1 智能家庭系統(tǒng)常見設(shè)備

現(xiàn)如今，雖有較多用戶選擇先行體驗(yàn)并購買了市面上的智能家庭系統(tǒng)和設(shè)施，但整體反饋的問題仍較多，特別是設(shè)備操作的智能性和命令執(zhí)行的準(zhǔn)確性仍有待提高。

在技術(shù)方面，智能家庭產(chǎn)業(yè)不僅涉及云計(jì)算和人工智能技術(shù)，無線電通信技術(shù)以及5G時(shí)代的加速到來，都在影響并促進(jìn)著智能家庭產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展[1]。無線電通信技術(shù)作為多臺(tái)智能設(shè)備連接和收發(fā)命令的隱形橋梁，對設(shè)備之間的響應(yīng)速度有著至關(guān)重要的作用，同時(shí)間接影響著用戶體驗(yàn)[2]。目前市場上的智能家庭設(shè)備均采用多種通信協(xié)議相互嵌套的連接方式實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制，其穩(wěn)定性較好，但信號(hào)延遲相對較高，且易受到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和供電情況的影響。這些情況均有待改進(jìn)和提高。

2 智能家庭設(shè)備中的關(guān)鍵無線電通信技術(shù)

2.1 Wi-Fi通信技術(shù)

Wi-Fi又被稱為“行動(dòng)熱點(diǎn)”，是目前最常見、最普遍且廣泛應(yīng)用在家庭、辦公室、商場等環(huán)境的無線電通信技術(shù)。目前的智能產(chǎn)品、手機(jī)以及其他移動(dòng)設(shè)備大多依靠Wi-Fi技術(shù)來實(shí)現(xiàn)信息傳輸和交換，智能家庭系統(tǒng)也不例外。

Wi-Fi通信技術(shù)是一個(gè)創(chuàng)建于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)技術(shù)，其工作頻率為2.4 GHz，調(diào)制方式為MIMO-OFDM/DSSS/CCK，數(shù)據(jù)傳輸速率能夠達(dá)到11 Mbps及以上，并支持14個(gè)通信信道以及自組網(wǎng)、橋接和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)拓?fù)洌瑐鬏斁嚯x可達(dá)100～300 m。因此，將Wi-Fi通信技術(shù)應(yīng)用在智能家庭系統(tǒng)中較為合適。在一個(gè)智能家庭環(huán)境中，Wi-Fi通信技術(shù)主要用來將體積相對較大或具有“中央控制”功能并且可直接接入互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備進(jìn)行連接，比如語音助手或智能AI音箱與云端服務(wù)器的連接；智能電視與互聯(lián)網(wǎng)的連接；智能網(wǎng)關(guān)（其他小型智能設(shè)備、開關(guān)的集中控制器）云端服務(wù)器的連接等。通過Wi-Fi技術(shù)將用戶發(fā)出的語音指令傳輸至云端服務(wù)器進(jìn)行識(shí)別和轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的指令再通過Wi-Fi回傳至想要操作的設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對這類設(shè)備的操作和設(shè)置。

Wi-Fi通信技術(shù)雖目前已被廣泛應(yīng)用，但其技術(shù)安全性較差的問題仍然存在。Wi-Fi的數(shù)據(jù)包在傳輸過程中極易被特殊手段攔截，雖然可以通過加密手段采取相應(yīng)保護(hù)措施，但仍然有被“黑客”等不法分子利用的概率，在使用過程中仍要注意安全問題；此外，Wi-Fi還易受到其他信號(hào)或設(shè)施的干擾，導(dǎo)致信號(hào)不穩(wěn)定、指令不能夠及時(shí)傳輸?shù)默F(xiàn)象，這些在未來智能家庭系統(tǒng)的發(fā)展過程中仍需加以考慮。

2.2 ZigBee通信技術(shù)

ZigBee這個(gè)名字來源于蜜蜂蜂群的特點(diǎn)和交流方式，是一種新生的短距離無線數(shù)傳技術(shù)，其功能與藍(lán)牙相似，但ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米到幾百米、幾千米，并且支持無限擴(kuò)展。具有價(jià)格低廉、網(wǎng)絡(luò)容量大、組網(wǎng)方式靈活、數(shù)據(jù)安全、功耗較低（節(jié)能）等優(yōu)點(diǎn)[4]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多能夠容納在同一系統(tǒng)或區(qū)域中包括一個(gè)主設(shè)備在內(nèi)的一共254個(gè)子設(shè)備，十分適用于智能家庭里小型智能設(shè)備之間的互聯(lián)[7]。

智能網(wǎng)關(guān)作為小型智能設(shè)備和開關(guān)的集中控制器，就是通過ZigBee通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對局域網(wǎng)內(nèi)各傳感器、智能開關(guān)以及主機(jī)等設(shè)備的信息采集、信息輸入、信息輸出、聯(lián)動(dòng)控制等功能的。因此當(dāng)一些小型智能設(shè)備（如電動(dòng)窗簾、智能開關(guān)等）接通電源后，其基本設(shè)置、組網(wǎng)以及后期的遠(yuǎn)程操作均靠ZigBee與智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。通常是用戶從移動(dòng)端App或智能語音助手發(fā)布命令，命令先通過Wi-Fi通信技術(shù)上傳至云端，云端服務(wù)器解析后再通過Wi-Fi將命令回傳至要操作的設(shè)備所綁定的智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)再通過ZigBee將指令發(fā)送給相關(guān)設(shè)備或?qū)υO(shè)備信息進(jìn)行采集，以此實(shí)現(xiàn)智能控制。

2.3 藍(lán)牙通信技術(shù)

2.3.1 傳統(tǒng)藍(lán)牙通信技術(shù)

藍(lán)牙作為一種小范圍無線連接技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于日常生活中，比較常見的是通過藍(lán)牙進(jìn)行音樂播放和傳輸文件。藍(lán)牙通信技術(shù)能在設(shè)備間實(shí)現(xiàn)方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗的數(shù)據(jù)通信和語音通信，因此成為實(shí)現(xiàn)無線個(gè)域網(wǎng)通信的主流技術(shù)之一。

藍(lán)牙工作在全球通用的2.4 GHz ISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段，使用IEEE 802.15協(xié)議，其功耗介于ZigBee和Wi-Fi之間，傳輸距離約為2～30 m，組網(wǎng)配對十分簡單，因此經(jīng)常被應(yīng)用于智能家居設(shè)備的近距離查找、輔助組網(wǎng)、輔助配置等用途[8]。

2.3.2 藍(lán)牙Mesh通信技術(shù)

英文單詞Mesh的本義為網(wǎng)狀物、網(wǎng)狀網(wǎng)，傳統(tǒng)的藍(lán)牙傳輸技術(shù)只能一對一近距離單獨(dú)傳輸信息，而藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)則是基于藍(lán)牙技術(shù)而發(fā)展成的多對多的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在這種拓?fù)渲校捎诤芏喙?jié)點(diǎn)可以中繼收到的消息，所以各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信距離會(huì)較單點(diǎn)之間的通信距離相對遠(yuǎn)一些，網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備節(jié)點(diǎn)都可以與其他設(shè)備節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自由通信，因此也被應(yīng)用于智能家庭設(shè)備之間的控制。

以米家智能家居為例，藍(lán)牙Mesh目前多用于智能燈具以及智能溫濕度計(jì)等設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)的連接。由于使用此技術(shù)的設(shè)備較小、數(shù)量不多，且彼此間能夠互相組網(wǎng)、互相傳輸數(shù)據(jù)，部分具有Wi-Fi連接模塊的智能設(shè)備（如智能浴霸、部分型號(hào)的小愛觸屏音箱）直接集成了藍(lán)牙Mesh智能網(wǎng)關(guān)功能，用戶無須單獨(dú)購買集中控制器。在使用過程中也是用戶通過手機(jī)客戶端或智能音箱下達(dá)指令，指令在云端轉(zhuǎn)換后通過Wi-Fi傳送至指定設(shè)備連接的藍(lán)牙Mesh網(wǎng)關(guān)（如智能浴霸、部分型號(hào)的小愛觸屏音箱），藍(lán)牙Mesh網(wǎng)關(guān)再傳送指令至指定設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對其的控制和數(shù)據(jù)獲取。

圖2 智能家庭系統(tǒng)“聯(lián)動(dòng)”關(guān)系示意

3 結(jié)束語

隨著智能家庭產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，研究人員也在不斷探索能夠應(yīng)用于智能電器聯(lián)動(dòng)控制的無線電通信技術(shù)，設(shè)備之間連接、聯(lián)動(dòng)和指令傳輸?shù)姆€(wěn)定性依然在不斷完善，與智能家庭有關(guān)的規(guī)定、標(biāo)準(zhǔn)也在持續(xù)地創(chuàng)新和優(yōu)化當(dāng)中。目前市場中的智能家庭產(chǎn)品仍主要依靠無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）通信技術(shù)、ZigBee通信技術(shù)以及藍(lán)牙通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和信息傳輸，傳輸質(zhì)量仍有待提高。

總體來說，目前的智能家庭系統(tǒng)仍處于初級(jí)階段，具有較大發(fā)展上升空間，未來的智能家庭系統(tǒng)將向著高穩(wěn)定性、高安全性、高智能性的方向發(fā)展和進(jìn)步，這也要求技術(shù)人員需進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)有的通信技術(shù)和最新的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來加強(qiáng)智能化設(shè)計(jì)，以帶給用戶更好的智能體驗(yàn)。