智能家居大潮下的无线通信协议综述

付蔚+张继柱+王炳鹏+杨鑫宇+罗淳

摘 要：随着电子科技的发展，通信技术也在不断发展，智能家居也逐渐走进了我们每一个人的生活。智能家居的通信无线协议也在不断地发展，蓝牙、WiFi、ZigBee、Z-wave和NB-Iot不断出现在我们眼前。文章首先依次介绍了各个通信协议的技术关键点，然后在通过比较通信协议的覆盖范围，稳定连接的节点数，数据的传输速率，功耗的各个方面来选出比较有潜力的通信协议。

关键词：智能家居；WiFi；NB-Iot；ZigBee；Z-wave

中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）32-0173-02

Abstract： With the development of electronic technology， communication technology is also developing， and the smart home is gradually entering the life of each and every one of us. Smart home wireless protocols are also constantly evolving， with bluetooth， WiFi， ZigBee， Z-wave and NB-Iot popping up in front of us. This article first introduces the communication protocol technical keypoints in turn， and then by comparing the communication protocol of coverage， and the number of nodes in the stable connection and data transmission rate， all aspects of the power to choose a potential communication protocols.

Keywords： Smart home； WiFi； NB-Iot； ZigBee； Z-wave

引言

隨着物联网技术的日新月异，无线物联网技术也才出现了非常多，其中无线通信协议主要的可以分为一下两个大类：其一，是近距离通信，如我们生活中常见的如WiFi，蓝牙，ZigBee等；其二，是远距离低功耗通信协议，这里又可以分为两类，一类是工作在授权频谱的通信协议，主要工作在移动蜂窝网络2G，3G，4G中，如NB-Iot。还有一部分是工作在非授权频谱的通信协议，如LoRa，主要运行在全球免费频段，现在主要有433，868，915MHz。这些通信协议都有自己的一些特点和优势，在应用的过程中，需要根据具体的场景特点来选择具体的通信方式，其中需要考虑的一些主要标准有待机功耗、工作功耗、覆盖范围、传输速率、最大设备连接数这些都会是影响我们选择的重要因素。同时，还有需要考虑的就是生态系统大环境、市场的潮流、用户的使用习惯等因素。

1 国内外智能家居通信技术的发展现状

随着智能家居通信技术的不断发展，智能家居的产品也越来越丰富。应用到家庭里出现了智能家居，现在主要的产品有智能门锁、智能灯、智能插座、智能空调等等，完全连接到一个智能网关上，实现联网功能。智能家居已经在许许多多的方面影响我们的生活。鉴于此，许多物联网企业也涉足其中，国内外有不少公司已经开始布局这个方面，如IBM、谷歌、Intel、华为、小米、京东微联等公司。在硬件软件等方面都在做着相应的研究和开发。

2 常用通信协议的简介

目前来说，市面上比较流行的通信协议有以下几个：蓝牙、WiFi、ZigBee、Z-wave、NB-Iot等。接下来就简单介绍一下通信协议有关的内容。

2.1 蓝牙

蓝牙在我们的日常生活中还是比较常见的，蓝牙音箱、蓝牙鼠标、蓝牙等等比比皆是。但是不得不提的是该技术刚开始是在1994年由电信业的剧透爱立信公司创制，用来替代RS232通信协议，先后经历了1.0，2.0，3.0的迭代更新，现在已经发展到了4.0。IEEE将蓝牙技术列为IEEE 802.15.1，它是工作在频段2400-2483.5MHz的，传输的距离只有10米。它的通讯速率为1Mbps，发射功率为2.5mW，通常可以连接的节点数为10个。

2.2 WiFi

WiFi是生活中更常见的一种应用，现在随着移动互联网的发展，人类越来越依赖于数据流量，WiFi作为一个免费的流量应用方式，涉及到了生活中的很多地方。WiFi的发展起源于1997年，它工作的频率也是2.4G，使用的通信协议标准是IEEE 802.11。不过WiFi的覆盖范围显然要远一些，WiFi可以覆盖50～300米，这是一个很远的距离，理论上足以覆盖到家庭的每一个角落。WiFi通常可以稳定接入的节点数为10个左右，数据的通讯的速率为1M-600M。

2.3 ZigBee

ZigBee是一种基于仿生学原理发展起来的通信协议，参考了蜜蜂通过飞翔和发出相应的嗡嗡的声音来告诉同伴相应的信息。它使用了IEEE 802.15.4通信协议标准。它能够在室内穿墙传输20米左右，同时具有良好的自组网能力，在国内使用了2.4G频段通信。ZigBee在实际应用中可以连接的节点数为200到300个，基本上可以满足家庭的使用。并且它的功耗比较低，电池供电基本上可以用到两年时间。美中不足的是ZigBee的传输数据的速度只有50-250Kb，相对其他协议来说速率有点低。

2.4 Z-wave

Z-wave是始于2005年发展起来的一项通信协议，它工作在908.42MHz（美国）和868.42MHz（欧洲）的频率。它使用了数字的调试方式，典型的发射功率为1mW。Z-wave可以传输5到100米，并且便于实现动态路由自组织网。它可以连接的节点数可以达到232个，基本上与ZigBee连接的个数大致相当。低功耗是它的另外一个优点，可以使用电池供电。其中仍然存在的问题是数据传输速率比较慢，理论上可以实现9.6Kbps的传输速率。endprint

2.5 NB-Iot

NB-Iot是始于华为推出的窄带技术NB M2M，这是一种基于蜂窝的窄带物联网通信协议。NB-Iot属于物联网领域新兴的技术，可以直接部署在移动通信网络里边，包过2G，3G和4G，这样可以降低运营成本。与此同时NB-Iot组网可以连接的节点数甚至可以达到100K到200K，功耗也可以做到非常低，电池的寿命可以支撑十年。它的数据传输速率基本上可以达到200Kbps。

3 各种技术的比较分析

对于无线通信技术来说，有很多需要考虑的指标。不同无线通信协议所覆盖的范围是不一样的，每种技术上传下载的速率也是千差万别。所以接下来要从通信协议的覆盖范围，稳定连接的节点数，数据的传输速率，功耗层面来依次比较各个通信协议的优劣，进而选出比较有潜力的通信协议。

从覆盖范围上来说，在智能家居上使用，WiFi是绝对可以满足要求的，NB-Iot使用的移动蜂窝网络就像我们使用手机的数据流量一样也是没有任何问题。ZigBee和Z-wave的距离适中，基本上可以满足不太大的家庭使用，否则就要使用中继站点。蓝牙的10米，总是感觉距离有点太短。

从连接的节点来说，NB-Iot可以连接的点数远远超出了家庭所需。ZigBee和Z-wave都可以连接两百多个节点，可以满足单个家庭的使用。WiFi可以稳定连接的节点数有限，可能不太够家庭使用。蓝牙连接的节点数更少，完全不适合。

从数据传输速率上来说，智能家居的单个产品上传的数据量都不是很大，除了少数有视频和图片上传的节点。WiFi的传输速度最快，基本上可以传输所有的数据。蓝牙的传输速率也基本可以实现简单数据和图片的传输。ZigBee，Z-wave和NB-Iot的数据传输速率不是特别高，适合简单数据的传输。从传输速率来看WiFi基本上可以说是完胜。

从功耗角度上来说，ZigBee，Z-wave和NB-Iot都是低功耗的通信协议，电池可以支持使用的时长是一到两年往上。蓝牙和WiFi的电池支撑时间都比较短不太适合做智能家居无线节点。

从组网方式上来说，我们基本上可以很快排除掉蓝牙技术，蓝牙通过微微网组网，也就是点对点来组网，不适合智能家居的组网。WiFi，ZigBee，Z-wave和NB-Iot都可以实现多可网络设备联网的功能，因此从组网方式上来说这四种都适合与智能家居的组网。

综上所述，对于智能家居来说，更大的可能是采用混合组网。在智能家居的设备里边一些网络流量需求不是特别大的，完全可以采用ZigBee和Z-wave连接到互联网当中，不如说智能开关、智能门锁等等。对于一些网络流量需求大的可以考虑采用WiFi和NB-Iot通信协议，比如说智能摄像头等等。

参考文献：

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