智能家居中不同無線通信技術的運用
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關鍵詞：無線通信技術；智能家居；藍牙技術；Wi-Fi技術；Z-wave技術；ZigBee技術
隨著互聯網技術、無線通訊技術的迅猛發展，各種智能家居設備也越來越多地進入到人們的生活。除了滿足人們基本的居家需求外，通過無線技術將各自原本獨立的家居設備進行系統化的集成，能夠提升人們居住的舒適度和便捷度，提升人們的生活質量。在無線通訊技術的支持下，人們能夠隨心所欲的控制家居環境。Wi-Fi技術、藍牙技術、Z-wave技術、ZigBee技術等無線通信技術的有效應用，能夠使家居控制更加智能化、自動化、人性化，使智能家居實現新的發展。
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、網絡通訊技術、音頻視頻技術、自動控制技術等多項技術進行綜合，使家居生活成為一個統一有效的系統，提升家居生活的舒適性、安全性、便捷性。智能建筑最早出現于美國，后來逐漸得到普及。智能家居的發展離不開網絡技術的成熟，在無線技術的支持下，能夠有效地節省智能家居建設的成本，縮短智能家居的設計周期。智能家居最早出現和發展于發達國家，并且技術也比較成熟，后來隨著我國經濟的不斷發展以及開放范圍的不斷擴大，智能家居在我國也有了飛速的發展。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功能。
2.1無線通信技術
所謂的無線通訊技術，是利用電磁波信號在任意空間中實現傳播和信息交換的一種通信方式。目前主流的移動通信技術主要包括Wi-Fi技術、藍牙技術、Z-wave技術、ZigBee技術等，這些無線通訊技術在使用的頻率調制的方式、最大作用距離、應用領域等方面各不相同，一般而言數據率越高，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。如表1所示。
2.2Wi-Fi技術
2.2.1技術原理及特點Wi-Fi技術的最大優勢在于它的傳播速度快、有效距離長。在開放性領域，Wi-Fi技術的通訊距離可以長達305米，在封閉區域內通訊技術也可達100米左右，Wi-Fi技術與有線以太網絡的有效整合，能夠降低組網的成本[1]。Wi-Fi技術具有廣闊的發展前景，也被廣泛應用于我們的日常生活中。在智能家居領域Wi-Fi技術是十分常見的，基于Wi-Fi技術的智能家居組合能夠提升用戶的便捷性。
2.2.2Wi-Fi技術的優劣條件Wi-Fi技術的優勢在于：不需要布線。突破了布線的限制，非常能夠滿足移動辦公的需要，并且Wi-Fi技術十分的安全健康，不會對人體造成輻射或其他傷害。組建方式簡單也是Wi-Fi技術的突出優勢，僅僅需要無線網卡以及一臺AP就能夠實現無線網絡的架設。與傳統有線網絡相比，Wi-Fi技術的架設費用和程序復雜度都是比較低的。在對于寬帶的使用方面，Wi-Fi技術更具明顯優勢，當有線寬帶網絡連接到戶后，僅需在電腦中安裝一塊無線網卡，就無需增加多余的端口，能夠以共享的形式實現上網[2]。但是Wi-Fi技術并不是完美的，其最大的缺陷就在于穩定性弱、安全性低，并且Wi-Fi技術在使用的過程中也擁有相對較高的功耗，而且，目前Wi-Fi網絡的實際規模有限，在應用中16個設備是規模的極限，但是在智能家居系統中所需連接的設備往往要遠超過16個，因此這就使得Wi-Fi技術在智能家居應用中的生長空間受到一定的限制。
2.3藍牙技術
2.3.1技術原理及特點藍牙技術能夠通過無線，將移動通訊設備之間實現有效的連接，能夠進一步拓展形成巨大的無線通訊網絡，進而實現語音和數據無線傳播。藍牙技術的主要特點包括：（1）適用范圍廣。藍牙工作的ISM頻段為2.4GHz，而這個頻段是全球許多國家的允許范圍，這個頻段范圍內無需向有關部門進行許可證的申請，因此十分的便捷。（2）藍牙通訊技術能夠實現語音和數據的同步傳播。藍牙采用的是電路交換和分組交換技術，支持異步數據信道和異步數據同時傳播的信道。（3）在藍牙設備中能夠建立起臨時性的對等連接。藍牙設備在網絡中能夠扮演主設備和其他設備的角色。所謂的主設備，就是指在組建網絡時主動發起連接請求的設備，而當多個藍牙設備連接成一個體系時，只能有一個主設備，其他的都屬于從設備，藍牙技術能夠很好的實現主設備與從設備之間的對等連接。（4）藍牙技術的抗干擾能力比較強，藍牙采用跳屏方式來進行頻譜的拓展。并且采用SIG接口，具有開放性。藍牙設備本身體積很小，方便集成[3]。
2.3.2藍牙技術的優劣條件藍牙技術的優勢在于作為一種快速跳頻的短包技術和分布式的網絡，能夠有效的實現一對多點對點的通信。在應用的過程中，藍牙技術主要體現在對家中情況的監控，一方面是對家庭環境的遠程監控，能夠實現對家居中陽光、溫度等生活環境的調節。另一方面，則是對能源使用狀況進行監控，在智能家居的環境下，用戶的水，電暖氣，煤氣等，這些都是重要的有關居住安全的部分。通過藍牙技術，能夠有效的將家庭的能源開關進行監控檢查，消除安全隱患，提升家居生活的安全度。并且藍牙技術能夠提供自動計費服務，也就是通過藍牙無線技術，對家庭的用電、用水、用氣等設備的流量進行監控，能夠有效的幫助用戶進行成本控制，減少成本消耗。但是就藍牙技術的缺點而言，傳輸距離過短是藍牙技術最主要的缺點，也正是由于這一原因，對于規模龐大的家庭網絡而言，藍牙技術并不適用，因此藍牙技術在智能家居中的應用有相當大的局限性。
2.4Z-wave技術
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。在室內的有效覆蓋范圍大約是30米，在室外則可以超過100米。Z-wave技術適用于窄帶寬的場景下，Z-wave技術的傳輸頻率比較低，比較適用于短距離、小數據的雙向傳輸。Z-wave技術的特點是運輸速率低、能耗低、成本低、網絡容量大，另外Z-wave技術的安全可靠性是其主要的應用特點，也正是由于Z-wave技術的這些特點，決定了Z-wave技術能夠廣泛應用于住宅照明、商業控制等方面。在Z-wave技術的最初形成和設計時，所定位的就是智能家居無線控制領域。對于Z-wave技術而言，每一個Z-wave網絡都擁有自己獨立的網絡地址，在每個網絡中，包括控制節點在內，可以最多容納232個有效節點。在Z-wave網絡中，所有節點都由主控制節點進行負責。Z-wave技術的結構簡單，成本低廉，性能可靠，在未來的發展過程中，將不僅局限于智能家居，在其他領域的自動化方面，Z-wave無線網絡也將具有廣闊的發展前景。正如上文分析的那樣，Z-wave技術的主要優勢就在于價格方面，Z-wave技術能夠以相當低的成本，建設出一個比較完善的局域網絡，并且在通信范圍之內。將Z-wave網絡中的所有節點都能夠有效控制。當用戶家中的智能家居建設完成后，通過無線通信技術能夠有效的對家中的電氣設備進行監控和管理。但是Z-wave技術的缺點在于在Z-wave無線網絡中，無限節點有限。雖然在理論上能夠最多容納263個有效節點，但是在實際應用過程中往往只有150個左右。并且，因為Z-wave無線網絡是一種樹網絡結構，一旦出現分支的損壞，該分支底部的其他設備可能就無法與網關進行有效通訊，并且Z-wave無線通信技術沒有相應的加密流程，在安全性上有待進一步發展。
2.5ZigBee技術
ZigBee技術和Z-wave技術都具有能耗低、成本低、操作簡單、近距離的特點和優勢。在應用ZigBee技術于智能家居的過程中，需要制定一定的架構設計。在內部網的建設方面。智能家居本身對于數據傳輸量的要求比較低，但是對于數據傳輸的安全性又比較高，因為一旦在數據傳輸過程中信息傳遞失誤，就可能對家居設備造成錯誤的指令，進而導致家居設備的損壞。因此，要十分注重數據傳輸的安全性，而利用ZigBee技術，通過在內部網中設置相應的傳感器節點，能夠有效的建立健全相應的家居網絡，實現傳感器節點對于信息的收集和傳遞，進而進一步檢測家庭內部的溫度以及家居設備的狀態。在智能家居中使用ZigBee技術的過程中，對于智能家居的控制系統有著較高的要求。首先對于設備的傳輸數據有要求，傳輸的數據量不能太大，這是由于ZigBee技術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技術的應用范圍比較有限，只能適用于對于速率要求不高的低數據傳輸場合。同時也正是由于ZigBee技術自身數據傳輸的速率低，因此在協議方面并不復雜，而且可以進行基于自身實際需求的靈活刪減，這就使得生產成本進一步降低。其次，采用ZigBee技術的控制系統中，要求設備的體積比較小，并且不能或不便設置電源模塊，如果要進行頻繁的更換電池，就會帶來一些不便性，而智能家居產品最重要的特點就在于方便操作、生命周期長。另外，ZigBee技術適用于通信范圍廣、網絡設備多，但是數據量不大的系統。ZigBee技術的使用能夠有效的對系統中的設備進行監測或控制。一般在智能家居體系的結構中，主要分為安防功能、通信功能、家電調控功能以及系統自主網功能，這些功能的實現往往需要三大主要模塊，第一模塊是GPRS網絡模塊。主要實現的是智能家居系統和用戶之間的遠程交互數據，用戶能夠在遠程進行控制管理，并且及時的響應警報和監管動作。第二模塊是傳感器節點模塊。這一模塊的作用是將室內各個智能設施的狀態信息進行收集。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關，然后進一步將遠端客戶的指令下發到傳感器分節點，再實現對于家居設備的遠程控制。ZigBee技術的優點在于它是一種短距離雙向的無線通訊技術，具有容量高，成本低，損耗率低的優勢，并且更重要的是它具有自恢復和自組織網絡的功能。這種獨特的自恢復功能使得ZigBee技術具有較高的安全性，因此，ZigBee技術是智能家居無線通信技術中最為常見的一種技術。出于安全性的考慮，ZigBee技術使用的是比銀行卡加密系統還要嚴格12倍的A1S加密系統。并且在ZigBee網絡中采用的是蜂窩結構，這種結構能夠使每一個設備都能通過多種方式與網關進行通信，從而有效確保了整體網絡的穩定性。而且每個裝置內部還設置有無線信號中繼功能，這種中繼功能能夠將無線通訊的信息傳達到1千米遠的距離。在網絡節點方面，理論上ZigBee技術擁有65,300個網絡節點的容量，能夠充分滿足家庭網絡的覆蓋需求，同時雙向通信的ZigBee技術，不僅能夠將用戶的指令發送到家居設備中，而且在發送的同時，也能夠將該設備的運行狀態和相關數據進行及時有效的反饋。ZigBee技術還具有重要的低功率的特點，能夠實現全電池供電，這就使得智能家居的便捷性和持續性大大提升。但是ZigBee技術雖然擁有如此多的優勢，其最大的缺點就在于它的技術研發和應用的門檻很高，需要的開發技術也比較先進，開發難度大，只有擁有豐厚實力的企業才能進行有效的開發研究。
3小結
無線通訊技術作為智能家居發展的重點和關鍵領域，在未來的發展過程中，需要投入更多的技術進行研究、改善，使智能家居更好的進入人們的生活，使科技成為改善人們生活的重要推動力，使更多的人享受到科技的紅利。
參考文獻
[1]張洪雷,李春華,高建.無線通信技術在智能家居中的發展與研究[J].數字技術與應用,2020,38(09):40-42.
[2]王若晗,羅心烺,徐茂盛.Z-Wave無線通信技術在智能家居中的應用探究[J].通信電源技術,2020,37(06):202-203.
[3]鄭世華.無線通信技術在智能家居中的應用[J].信息通信,2016(04):259-260.
作者：耿啟龍 單位：青島賽維電子信息服務股份有限公司淄博分公司
