无线通信技术在智能家居中的应用研究

2023-01-06刘金雯

数字通信世界 2022年7期

刘金雯

（鹤壁汽车工程学院机电工程系，河南鹤壁 458030）

随着互联网技术、无线通信技术的不断进步，智能家居系统也实现了长足发展，各式各样智能家居设备越来越广泛地进入到人们的居家生活中。除去可满足人们基本的居家需求之外，通过对无线通信技术的应用，使得原本相互独立的家居设备实现了全面集成，由此很大程度上改善了人们的居住环境，让人们不再局限于对居住位置、住宅面积等的要求，还拓展至对居住环境中自动化、智能化等方面的要求[1]。比如，在无线通信技术支持下，人们可实现对家中电器设备、排插开关等终端设备的便捷控制，还可借助智能传感器、摄像头等设备对家居环境中环境数据进行实时监控，以此有效满足人们不断增长的居住需求。与此同时，智能家居系统的安全性、稳定性在很大程度上受到无线通信技术应用优劣势的影响。基于此，本文围绕Wi-Fi技术、蓝牙技术、Z-Wave技术、ZigBee技术等常见无线通信技术，对它们在智能家居中的应用进行研究分析。

1 无线通信技术及智能家居概述

1.1 无线通信技术

无线通信是依托电波信号可在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。在移动中实现的无线通信，也可称为移动通信，人们将两者合称作无线移动通信。简而言之，无线通信即为仅借助电磁波而不通过线缆进行的通信方式。和有线通信相比，无线通信存在较为突出的安全问题，但其优势同样十分显著，主要包括应用便捷、便于扩展等。现阶段，较为常见的无线通信技术主要包括有Wi-Fi技术、蓝牙技术、Z-Wave技术、ZigBee技术等，这些无线通信技术在适用频段、最大作用距离、调制方式、应用领域等方面不尽相同[2]。通常来说，无线通信技术作用距离与其数据率呈负相关关系，也就是数据率越高，则作用距离便越短。

1.2 智能家居

智能家居是以人们居住的住宅为对象，引入安全防范技术、自动控制技术、综合布线技术、网络通信技术等技术，以实现对与家居生活相关设施设备的全面集成，进而构建起一个高效的、统一的家庭日常事务及住宅设施设备的管理系统，让家居环境变得更舒适、安全、便捷，同时变得更智能、环保。智能家居最早诞生于美国，之后在越来越多国家、地区得到推广。

2 智能家居的发展现状

目前，我国智能家居仍处在初级发展阶段，尽管智能家居用户数量逐年增多，但智能家居总体应用水平仍相对偏低。现阶段，智能家居的发展仍面临诸多问题，包括技术标准不统一、产品功能不完善、不同厂商相互间设备无法互联互通等。与此同时，现有智能家居产品的价格相对偏高，所以不少消费者仍保持观望态度，现阶段家居智能化通常要投入约数十万元，而随着智能家居产业的不断发展成熟，今后智能家居造价成本将不断降低，功能也会变得更为完善。

就如今的智能家居产品形态而言，智能家居已不断由过去的单品智能化发展成单品与单品相互间的联动，并且不断向系统智能化方向发展。对各类数据信息进行全面系统的智能感知、接收，然后开展自动化处理，使人们生活在全智能、全自动的家居环境中，是智能家居行业的一大发展方向，并且陆续还会颁布一系列统一标准，以此可实现不同产品之间的数据传输共享，进一步实现不同设备之间的互联互通[3]。届时基本无须人们进行人为操作，比如，红外传感器可感知到人的存在，同时温度传感器感知到温度偏高，则会自动开启冷气，待室内的人都离开之后，空调等设备又会自动关机。就如今智能家居控制器形态而言，现阶段智能家居产品仍以手机控制为主，一些智能家居产品则实现了不同控制手段的有效结合，包括语音控制、触控、手势控制等，而不管是手机控制还是各种控制方式相结合，都脱离不了人为操作的因素，这显然与智能家居的发展追求相违背。在此背景下，近年来感应式控制技术不断发展完善，并不断向更大应用场景方向发展，感应式控制也进一步推动了智能家居的理想化发展。在该种控制形态下，智能家居系统会以主动参与控制取代以往的被动人为控制，以此让智能家居变得更为智能，让用户在几乎感觉不到它的存在的情况下，系统便可经由一系列传感器采集周围环境的相关信息，继而做出相应决策，并完成一系列操作。就智能家居技术层面而言，如今智能家居的推广与无线技术及传感器的发展应用，与人工智能、物联网等技术的发展应用之间的关系越来越紧密。

3 不同无线通信技术在智能家居中的实践应用

3.1 Wi-Fi技术在智能家居中的实践应用

Wi-Fi作为一种以太网无线扩展，成本低，组建简单，可实现较高的传输速率。如今，Wi-Fi技术已在人们的生产生活中得到广泛普及，其传播速度快、有效距离长，可基于射频技术支持实现手机、计算机等终端设备无线方式的有效连接，完成数据信息的高效传输。但Wi-Fi技术也存在不少缺点，比如，无线稳定性不好、安全性偏低，同时，Wi-Fi技术在实际应用中还会产生较高的功耗；并且，现阶段Wi-Fi网络实际规模相对有限，16个设备已是Wi-Fi网络的最大应用规模，而在智能家居系统中需要连接的设施设备显然不止16个，因而Wi-Fi技术在智能家居中的应用存在一定的局限性[4]。现阶段，Wi-Fi技术在智能家居中的应用，主要表现于下述几大方面。

（1）网络可视对讲。在Wi-Fi智能网关支持下，人们在家中各个地方均可经由终端屏幕了解来访者的影像并自动存储，以及与来访者进行语音通话，控制开锁。

（2）家电智能控制。在Wi-Fi技术支持下，可实现对空调、照明、网络家电等家用设备的互联互通，进一步进行远程控制。

（3）远程监控。人们不在家时，通过家庭网关可实现对室内环境的远程监控。比如，在室内燃气、温度等达到异常状况时，系统会通知用户并自动开启窗户通风散气，保障室内安全。

3.2 蓝牙技术

蓝牙技术作为一项由英特尔、IBM、诺基亚等公司，共同研发的典型的分布式网络机构及快速跳频短包技术，可便捷实现点对点、一对多的通信连接，通常在2.4 GHz频段运行，常规构建数据传输速率为1 Mbps。蓝牙技术除具备低功耗、低成本、可靠性、兼容性等应用优势之外，也存在一些不足之处，即为因为传输距离偏短，因而建立规模庞大的家庭网络对于蓝牙技术而言难度较大，所以蓝牙技术在智能家居中的应用存在明显的局限性。现阶段，蓝牙技术在智能家居中的应用主要表现于下述两大方面。

（1）监测家居情况。应用蓝牙技术监测家居情况，主要涉及两个部分。

①对家居环境的监测。依托远程监测的用户家庭室内情况，进而实现对室内温湿度、阳光的的自动调节，进一步营造舒适的家居环境。

②监测能源。此处的能源主要包括水电能源、燃气能源、暖气能源等，通过对这些能源开关的实时监测，以保障室内安全。

（2）自动计费服务。蓝牙技术可对人们家中的水表、电表、燃气表等充电设备流量开展有效监控，并合计对应的成本消耗，为人们提供极大便利。

3.3 ZigBee技术

ZigBee技术作为一项复杂度低、成本低、数据率低、功耗低，有着优良网络拓扑结构及高可靠性的短距离无线通信技术，是现阶段智能家居行业应用最为广泛的无线通信技术。同时，利用ZigBee技术的无线网络具有较强的自组织能力，依托动态路由的方式，结合网状拓扑结构，可实现高效安全的数据信息传输。但ZigBee技术研发及应用门槛偏高，开发存在不小的难度，对于该项技术的研发应用对企业的综合实力提出了较高的要求。

如今，国外的智能家居系统已实现了对ZigBee技术的广泛应用，而我国仅有海尔、小米、深圳聪明屋等小部分企业将ZigBee技术应用于智能家居领域[5]。采用ZigBee技术的智能家居系统，通过对ZigBee传感器节点的有效调节，节点之间经由相互自动寻找，可快速构建相互联通的网络，如此一来，用户可便捷地通过手机或计算机等终端设备以实现对智能家居系统中一系列传感器的远程控制，还可通过向传感器网络下达指令，以实现对相关传感器节点的管理控制。目前，ZigBee技术主要应用于智能家居的照明控制、安防预警、温度检测等方面。将ZigBee协调器与路由器相结合，建立ZigBee网关，用户可自由地将各ZigBee终端模块安装在不同家电设备上，诸如灯具、门禁、空调、电视等家具电器设备。

用户还可选取粘贴式开关盒的ZigBee开关，其可供用户自由粘贴在任何适宜的部位，安装简单、操作便捷。同时，还可选取ZigBee集成遥控器，对各种ZigBee灯具、门窗、空调等设备开展统一遥控，弥补以往家居设备遥控器繁多、容易丢失等不足。

依托ZigBee技术室外环境监测系统，还可将外部环境的光照、温湿度等信息实时采集并传输至装置于照明、门窗系统中的ZigBee终端，进一步实现人性化的灯光强弱调节、门窗自动开关等功能，为人们营造舒适的家居环境。

3.4 Z-Wave技术

Z-Wave技术同样作为一项短距离无线通信息技术，在主观、照明系统控制、状态读取等领域得到广泛推广。其应用优势主要在于成本低、功能低、网络适用性强等。相较于前文所述的三种无线通信技术，Z-Wave技术传输数据量偏小，传输频率相对偏低，保持在868.42～908.42 MHz范围，因而不管是价格还是传输距离都有着较为突出的优势。最初Z-Wave技术的研发旨在服务智能家居领域，该技术40 kbps的传输速率可有效用于传输控制命令，可支持低速率传输应用。同时，Z-Wave技术选用轻量级协议、单模块方案及压缩帧格式，实现了智能家居控制系统的低功耗特性。除此之外，相较于蓝牙技术、ZigBee网络系统，Z-Wave网络系统复杂度偏小，因为其协议简单，所以需求的存储空间也偏低，仅仅只是ZigBee的1/4，显著降低了应用成本，因此，Z-Wave技术也是当前短距离无线通信技术中成本最低的技术。对于Z-Wave技术的不足之处而言，其无线网络节点的无线节点相对有限，理论值为256个，实际值则约为150个；Z-Wave无线网络作为一种树网络结构，倘若出现分支损坏情况，这一分支底部的设备均可能断开与网关的通信[6]。除此之外，Z-Wave技术缺乏必要的加密流程，因而在安全性方面相对欠缺。现阶段，Z-Wave技术在智能家居中的应用，主要表现于下述几方面：

（1）采用Z-Wave技术的智能家居系统可经由网络设备或者互联网对Z-Wave中的设备开展控制，包括照明控制、空调控制、门禁系统控制等。

（2）采用Z-Wave网络系统可实时传输指令，实现家庭安全报警功能。

（3）Z-Wave技术的智能家具系统可实现控制多个设备完成统一任务的功能，由此让其适用于家居音视频设备，可实现家居娱乐的多元化、智能化。