关于无线电技术在智能家庭系统中应用的探讨

姜 伟，张 珣

（国家无线电监测中心哈尔滨监测站，黑龙江 哈尔滨 150010）

智能家庭系统是指以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、无线电通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将与家居生活有关的设施集成[6]，利用各种感知技术接收探测信号，通过数据收集、智能分析后予以判断，并发出指令使家中电器、安防、照明等设备装置做出相应动作，实现住宅环境、用户需求与家电设施相协调，从而创造出舒适、安全、便捷、高效、节能的家居生活环境。

1 智能家庭的发展现状

目前，我国的智能家庭产业还处在初级发展阶段，智能开关、智能插座以及智能电器正在不断与人工智能技术和云计算技术相结合，发展空间巨大[3]。智能家庭良好的市场前景使得该产业中不仅包含传统家用电器企业，另有很多新兴互联网产品企业纷纷加入，国内外市场均涌现出许多智能家庭品牌。例如国内的小米、华为；国外的苹果、飞利浦等。据预测，未来两年（2021—2023年）中国智能家居市场规模将以每年30%～40%的速度增长，到2023年中国智能家居的市场规模有望突破5 000亿元[5]。

图1 智能家庭系统常见设备

现如今，虽有较多用户选择先行体验并购买了市面上的智能家庭系统和设施，但整体反馈的问题仍较多，特别是设备操作的智能性和命令执行的准确性仍有待提高。

在技术方面，智能家庭产业不仅涉及云计算和人工智能技术，无线电通信技术以及5G时代的加速到来，都在影响并促进着智能家庭产业的迅速发展[1]。无线电通信技术作为多台智能设备连接和收发命令的隐形桥梁，对设备之间的响应速度有着至关重要的作用，同时间接影响着用户体验[2]。目前市场上的智能家庭设备均采用多种通信协议相互嵌套的连接方式实现对设备的控制，其稳定性较好，但信号延迟相对较高，且易受到网络环境和供电情况的影响。这些情况均有待改进和提高。

2 智能家庭设备中的关键无线电通信技术

2.1 Wi-Fi通信技术

Wi-Fi又被称为“行动热点”，是目前最常见、最普遍且广泛应用在家庭、办公室、商场等环境的无线电通信技术。目前的智能产品、手机以及其他移动设备大多依靠Wi-Fi技术来实现信息传输和交换，智能家庭系统也不例外。

Wi-Fi通信技术是一个创建于IEEE 802.11标准的无线局域网技术，其工作频率为2.4 GHz，调制方式为MIMO-OFDM/DSSS/CCK，数据传输速率能够达到11 Mbps及以上，并支持14个通信信道以及自组网、桥接和基础结构拓扑，传输距离可达100～300 m。因此，将Wi-Fi通信技术应用在智能家庭系统中较为合适。在一个智能家庭环境中，Wi-Fi通信技术主要用来将体积相对较大或具有“中央控制”功能并且可直接接入互联网的设备进行连接，比如语音助手或智能AI音箱与云端服务器的连接；智能电视与互联网的连接；智能网关（其他小型智能设备、开关的集中控制器）云端服务器的连接等。通过Wi-Fi技术将用户发出的语音指令传输至云端服务器进行识别和转化，转化后的指令再通过Wi-Fi回传至想要操作的设备，从而实现对这类设备的操作和设置。

Wi-Fi通信技术虽目前已被广泛应用，但其技术安全性较差的问题仍然存在。Wi-Fi的数据包在传输过程中极易被特殊手段拦截，虽然可以通过加密手段采取相应保护措施，但仍然有被“黑客”等不法分子利用的概率，在使用过程中仍要注意安全问题；此外，Wi-Fi还易受到其他信号或设施的干扰，导致信号不稳定、指令不能够及时传输的现象，这些在未来智能家庭系统的发展过程中仍需加以考虑。

2.2 ZigBee通信技术

ZigBee这个名字来源于蜜蜂蜂群的特点和交流方式，是一种新生的短距离无线数传技术，其功能与蓝牙相似，但ZigBee网络的通信距离可以从标准的75米到几百米、几千米，并且支持无限扩展。具有价格低廉、网络容量大、组网方式灵活、数据安全、功耗较低（节能）等优点[4]。ZigBee网络最多能够容纳在同一系统或区域中包括一个主设备在内的一共254个子设备，十分适用于智能家庭里小型智能设备之间的互联[7]。

智能网关作为小型智能设备和开关的集中控制器，就是通过ZigBee通信技术实现对局域网内各传感器、智能开关以及主机等设备的信息采集、信息输入、信息输出、联动控制等功能的。因此当一些小型智能设备（如电动窗帘、智能开关等）接通电源后，其基本设置、组网以及后期的远程操作均靠ZigBee与智能网关进行联动来实现。通常是用户从移动端App或智能语音助手发布命令，命令先通过Wi-Fi通信技术上传至云端，云端服务器解析后再通过Wi-Fi将命令回传至要操作的设备所绑定的智能网关，智能网关再通过ZigBee将指令发送给相关设备或对设备信息进行采集，以此实现智能控制。

2.3 蓝牙通信技术

2.3.1 传统蓝牙通信技术

蓝牙作为一种小范围无线连接技术，已被广泛应用于日常生活中，比较常见的是通过蓝牙进行音乐播放和传输文件。蓝牙通信技术能在设备间实现方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗的数据通信和语音通信，因此成为实现无线个域网通信的主流技术之一。

蓝牙工作在全球通用的2.4 GHz ISM（即工业、科学、医学）频段，使用IEEE 802.15协议，其功耗介于ZigBee和Wi-Fi之间，传输距离约为2～30 m，组网配对十分简单，因此经常被应用于智能家居设备的近距离查找、辅助组网、辅助配置等用途[8]。

2.3.2 蓝牙Mesh通信技术

英文单词Mesh的本义为网状物、网状网，传统的蓝牙传输技术只能一对一近距离单独传输信息，而蓝牙Mesh网络则是基于蓝牙技术而发展成的多对多的网络结构。在这种拓扑中，由于很多节点可以中继收到的消息，所以各个节点的通信距离会较单点之间的通信距离相对远一些，网络中各设备节点都可以与其他设备节点实现自由通信，因此也被应用于智能家庭设备之间的控制。

以米家智能家居为例，蓝牙Mesh目前多用于智能灯具以及智能温湿度计等设备与互联网的连接。由于使用此技术的设备较小、数量不多，且彼此间能够互相组网、互相传输数据，部分具有Wi-Fi连接模块的智能设备（如智能浴霸、部分型号的小爱触屏音箱）直接集成了蓝牙Mesh智能网关功能，用户无须单独购买集中控制器。在使用过程中也是用户通过手机客户端或智能音箱下达指令，指令在云端转换后通过Wi-Fi传送至指定设备连接的蓝牙Mesh网关（如智能浴霸、部分型号的小爱触屏音箱），蓝牙Mesh网关再传送指令至指定设备，实现对其的控制和数据获取。

图2 智能家庭系统“联动”关系示意

3 结束语

随着智能家庭产业的不断发展和进步，研究人员也在不断探索能够应用于智能电器联动控制的无线电通信技术，设备之间连接、联动和指令传输的稳定性依然在不断完善，与智能家庭有关的规定、标准也在持续地创新和优化当中。目前市场中的智能家庭产品仍主要依靠无线局域网（Wi-Fi）通信技术、ZigBee通信技术以及蓝牙通信技术来实现数据交换和信息传输，传输质量仍有待提高。

总体来说，目前的智能家庭系统仍处于初级阶段，具有较大发展上升空间，未来的智能家庭系统将向着高稳定性、高安全性、高智能性的方向发展和进步，这也要求技术人员需进一步结合现有的通信技术和最新的设计标准来加强智能化设计，以带给用户更好的智能体验。