智能家居无线通讯网络的适用性研究

宋艳玉　彭诗朦

【摘 要】本文主要分析了现有智能家居控制系统的体系架构，通过比较Wifi，蓝牙和Zigbee三种主流无线网络通信技术的特性，逐步探讨三种无线通讯技术在智能家居中的适用性。

【关键词】智能家居；Wifi；蓝牙；Zigbee

0 引言

智能家居系统主要利用现代物联网技术，无线通讯技术，自动控制技术，以及计算机技术将家居中的各种设备无线化的连接到一起，从而实现智能安防，音视频监控，环境监测以及远程遥控等功能。在智能家居系统中，组建物联网的无线通讯技术为本文的主要研究内容。鉴于智能家居系统无线通讯网络低传输数据，低耗能，高节点容量，实时在线等特点，本文以Wifi，蓝牙，Zigbee三种无线通讯技术为探讨对象，研究适用于智能家居系统的无线通讯网络。

1 智能家居系统体系架构

本文研究的智能家居系统主要由三部分构成：由受控设备组成的无线信号采集控制发射器、负责内外连接的多功能中心控制器、远程控制终端及相应的控制接口。如图1所示。

1.1 多功能中心控制器

多功能中心控制器主要有分析数据，协调控制的功能。其主要工作方式为：

终端设备通过传感器发出数据信号，多功能控制中心利用无线信号采集控制发射器采集接收信号，并对其进行统计分析。

对远程终端系统发送的控制信号进行解析，将解析结果传达给受控终端设备。从而实现对终端设备的控制及反馈工作。

1.2 远程控制终端

远程控制终端具有发送控制指令，接收反馈信息的功能。其主要工作方式为：

远程终端通过网络，GPRS等方式向多功能中心控制器发送指令。

接收来自多功能中心控制器传达的设备终端受控反馈信息。

1.3 无线信号采集控制发射器

无线信号采集控制发射器具有无线组网，传感器，控制器的功能。其主要工作方式为：

以无线通讯技术为基础组成家庭内部物联网。而对于一些无法直接接入外部互联网的无线通讯协议，需要在多功能中心控制器中加入网关设备，采集各设备终端传感器传来的数据信号。

接收多功能中心控制器解析的控制命令，并向设备终端发送控制消息。

2 智能家居物联网设计

2.1 智能家居物联网设计的安全性需求

智能家居系统为实现其远程控制检测的主要功能，需要将家庭内部包括温度、光照、视频、音频、电器，门房等私密信息在智能家居节点中进行传递。而在网络安全岌岌可危的现代社会中，如何保护这些隐私数据不被泄露，成为智能家居物联网设计的主要任务。因此对于组建物联网的无线通讯技术有极高的安全防护能力要求。

2.2 智能家居物联网设计的网络容量需求

智能家居物联网受困于家庭内部特殊环境的限制，需要一定的网络容量来容纳大量的电器，开关，电灯等设备接入物联网成为新的网络节点。并要求每个网络节点具有及时进入，自由移动变换的能力。

2.3 智能家居物联网设计的成本需求

智能家居系统从1984年在美国的康涅狄格出现第一个实际建筑案例开始，到1994年进入我国以来，在将近20年的发展历程中一直处于缓步不前的状态，除了技术和观念等因素外，很大程度上是由于成本的居高不下。导致智能家居能够成为高收入群体的适用型产品，却在普通群众社区的发展中举步维艰。因此要求组建家庭内部物联网的无线通讯技术具有普及性，低成本的特性。

3 无线通讯网络的适用性

我们将采用数据结构中的冒泡排序的方法探讨比较出Wifi、蓝牙、Zigbee三种无线通讯网络对于智能家居的适用性。

3.1 Wifi与蓝牙的比较

3.1.1 普及程度

Wifi作为目前全球应用最为广泛的短距离无线通讯技术，也是最为普及的一种网络连接方式，其最大的优势可以说是应用广泛，普及性高。而蓝牙在四五年前，Wifi技术远没有达到现在的普及程度之前，蓝牙是手机之间文件传输的主要方式之一。由此看出以目前的普及程度以及适用范围进行比较，Wifi要优于蓝牙。

3.1.2 通讯方式

Wifi采用了一种可以实现同时一对多控制的通讯方式，一个家庭内部路由器大概可以负载16个设备。蓝牙采用的是点对点的一对一控制的通讯方式。由此比较出对于家庭内部需要同时控制多个家用电器，灯光，开关设备的特殊情景下，Wifi要比蓝牙具备更高的实用性。

3.1.3 传输距离

蓝牙是短距离传输的典型，传输范围在10到30米左右。Wifi的无线电波覆盖范围更加广泛，半径可以达到100米。由此可见对于家庭特定的空间环境，Wifi的传播范围适用性要优于蓝牙。

3.1.4 传输速率

蓝牙的传输速率为1mbps，Wifi的传输速率为11mbps。可以看出在传输大数据量的情况下，蓝牙的传输效率会显得有些拖沓。

综上，在Wifi和蓝牙的冒泡排序法比较中Wifi要优于蓝牙。

3.2 Zigbee与蓝牙的比较

3.2.1 普及程度

Zigbee之前主要运用与工业领域，相较于蓝牙而言，人们普遍比较陌生。所以在普及程度和接受性方面蓝牙要优于Zigbee。

3.2.2 通讯方式

Zigbee同Wifi相似，均采用一对多，多对多的通讯方式，在智能家居系统中实现同时控制多个灯光设备，电器设备的目标中Zigbee比蓝牙要有一定的优势。

3.2.3 传输距离

由于Zigbee多应用于工业领域，需要适应工业环境下广阔的传播范围，往往能达到1000米的传播距离。由此可见对于家庭特定的空间环境，Zigbee的传播范围适用性要优于蓝牙。

综上，虽然在普及性上蓝牙优于Zigbee，但从整体来看Zigbee更适用于智能家居系统。在Zigbee与蓝牙的冒泡排序比较法中Zigbee要优于蓝牙。

3.3 Zigbee和Wifi的比较

3.3.1 安全性

Wifi采用射频技术，通过空气发送和接受数据，使用无线电波传输数据信号，比较容易受到外界的干扰。并且数据包在传递的过程中都可以被外界检测或接收，在信息安全上存在很大的隐患，虽然数据可以经过加密后传输，但在数据包足够多的情况下，仍有被黑客破解的可能。

Zigbee在可靠性方面有很多保证措施。在物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干扰，MAC应用层（APS部分）有应答重传功能。MAC层的CSMA机制使节点发送前先监听信道，可以起到避开干扰的作用。当ZigBee网络受到外界干扰，无法正常工作时，整个网络可以动态的切换到另一个工作信道上。

由此可见，面对智能家居对隐私安全性的高需求性方面，Zigbee无线通讯技术要比Wifi技术更具有适用性。

3.3.2 网络容量

Wifi组网能力较低，扩展空间受限制。Wifi网络的实际网络容量不超过16个节点，而在普通智能家居系统中开关，电灯的数量往往就要超过16个。可见Wifi并不能满足智能家居系统中网络容量的基本要求。

Zigbee有较强的组网能力，一般可以容纳65000个设备节点，满足智能家居系统中大量网络容量的要求。

由此可见，在满足智能家居中网络容量的特殊需求上，Zigbee技术相较于Wifi技术要更加适用于智能家居的实际应用中。

3.3.3 功耗

从功耗上对Zigbee和Wifi两种通讯技术进行比较，以两节5号干电池作为标准，Wifi可持续的最长工作时间为5天左右；而Zigbee的低耗电待机模式可以使得其持续工作6个月以上。由于其低功耗的特点让得在智能家居应用中占得一席之位，例如在智能门锁等各类感应器的应用中进行技术支持。由此可见，Zigbee得天独厚的低功耗消耗特性要远远优于Zigbee技术。

3.3.4 开发成本

Wifi的技术研发门槛低，产品成本较低。以及近年来的应用广泛性，使得Wifi的普遍性较高。

以Zigbee为技术基础的产品开发难度相对较大，而漫长的开发周期，常常使得一些还处于成长中的企业望而却步。但由于Zigbee没有产品专利费用，使得Zigbee产品的成本非常低。

可见，在开发难度上Wifi要比Zigbee小的多，但在购买安装成本上来看Zigbee跟适合与智能家居系统的低成本要求。

综上，在安全性，网络容量，功耗以及开发成本的比较中，Zigbee的特殊性能均优于Wifi，可知在Wifi与Zigbee的冒泡排序法中Zigbee更占优势。

3.4 Wifi，蓝牙，Zigbee基础属性

Wifi，蓝牙，Zigbee的基础属性对比表，如表1所示。

4 结语

通过使用冒泡法对比了Wifi，蓝牙，Zigbee三种无线通讯网络的适用性后，可以得出以下结论：蓝牙一对一，短距离的通讯方式，主要服务于移动设备，并不适用于智能家居的网络要求；Wifi的普及性以及应用性最为广泛，传播距离适中，但由于使用的射频技术，信息安全性存在隐患，将对智能家居中的高信息隐秘性造成重大威胁，所以并不适用与智能家居的系统中；而Zigbee具有极高的信息安全可靠性，十分符合家庭内部安全性的需求；由于Zigbee的低功耗特性以及没有专利费的优点，使得Zigbee在购买安装中成本相对低廉。在智能家居环境中需要极大的网络容量来容纳开关，电灯，电器等设备节点的特性上，Zigbee以其可以接入65000个设备节点的超强组网能力，完胜只有16个设备容量的Wifi技术。与此同时我们也不得不关注到Zigbee技术现如今开发难度大，开发周期长等难题，但相信随着现代无线通讯技术的发展，这一问题将很快得到解决。

综上所述，可得出结论在Wifi，蓝牙，Zigbee三种无线通讯网络技术中，Zigbee要更适合于智能家居的应用。

【参考文献】

[1]张燕灵，等.基于ZigBee技术的大型设备检测装置的设计[J].航天制造技术，2011.

[2]陈雪小.农棚环境无线传感器监测网络技术研究与应用[D].厦门大学，2013.

[3]王鸿运，等.ZigBee和Wi-Fi组成无线网关的干扰及共存机制[J].工业控制计算机，2012.

[4]苟向松，等.ZigBee技术研究概述[J].无线互联科技，2011.

[5]景甚旗.基于LabVIEW的多生理信号采集与处理的研究[D].东南大学，2009.

[责任编辑：杨玉洁]