智能家居中的无线组网技术

2022-09-11

一、序

智能家居已经逐步成为各个家庭提升生活品质的选择, 有着较大的市场规模和发展空间。智能家居本质是物联网的应用, 它通过网络连接了家庭中的各类设备, 包括照明、空调、视听、安防、窗帘, 甚至洗衣机、电冰箱等家电, 其主要的技术包括传感器、网络传输、智能网关等, 其中网络技术是智能家居的关键。目前, 用于组网的传输技术分为有线和无线两类, 随着科技不断地进步, 特别是无线技术和低功耗技术的发展, 有线技术逐步淘汰, 无线技术因为其方便美观, 不破坏原有的房屋装修, 成为智能家居的首选。

二、常用无线技术的介绍

在智能家居中常用的无线技术有红外、WI-FI、蓝牙、Zigbee、射频五种, 我们就这五种常用的无线技术做一下分析:

(一) 红外

红外是使用较早并且较广泛的技术, 它采用波长为0.76um~1.5um的近红外光为光源, 经过调制后来传送信号。因为其低廉的成本, 故大部分家电都采用了红外遥控的方式作为控制方式, 这也为实现家电智能化升级提供了方便。它的特点是:控制距离短, 一般为10米以内;点对点直线控制, 控制范围内不能有障碍物;易受红外光源的干扰, 如日光灯等;成本低廉, 几乎是这五种无线技术中成本最低廉的了。红外技术在智能家居中的主要应用场景就是用于家电的控制, 利用几乎所有家电都支持红外控制的特性, 无需对家电进行改造, 就使其能够通过红外控制器对其进行控制。早期出现的红外万能遥控器, 就是一种相对“智能”的解决方案, 通过记忆和存储不同品牌及型号的家电的红外遥控信号来实现一个遥控器对所有红外遥控家电的控制, 解决了在家里放置好几个遥控器的烦恼。但这只是初级应用, 还算不上智能。智能家居中常用的是智能红外遥控器, 或者叫红外控制器, 它其实就是一个升级版的红外万能遥控器。它通过红外发光二级管阵列, 来向所有方向发出红外控制信号, 以解决控制方向的问题。可以固定安装在房间内, 来控制房间里所有带红外遥控功能的家电。每个房间中安装一个红外控制器, 就可以控制家中所有的红外设备了。除了最基本的遥控功能外, 一般的智能红外遥控器内置了单片机, 并能够联网, 这样其就具备了“智能”的特点, 提供了更丰富的功能, 如定时开关机, 场景模式控制, 联动控制, 手机控制等等。红外控制器的缺点也是非常明显的, 就是它是单向传输, 严格来讲只是单纯的控制, 并未形成网络。

(二) Wi-Fi

Wi-Fi可以说是家庭中最常见的网络了, 它良好的普及率为基于Wi-Fi的智能家居产品提供了市场基础。Wi-Fi是一个无线局域网标准, 使用2.4G或5G频段, 它基于IEEE802.11标准, 有着众多的版本。其特点是:抗干扰能力强;控制距离中等, 空旷地带可达数百米;普及度高, 几乎家家都有Wi-Fi路由器;兼容性好, 速度高, 通过Wi-Fi模块, 几乎可以控制所有类型的设备, 传输音视频等信息。

基于以上特点, 市面上大部分的智能家居产品都有基于Wi-Fi的版本, 小到插座, 大到电冰箱, 都通过Wi-Fi跟家庭网络连接起来, 在此基础上, 利用互联网上海量的资源, 提供了丰富的功能。除了基本的控制功能外, 互联网的连接让基于Wi-Fi的设备有了更多的可能, 如, 智能音箱可以播放互联网上的多媒体资源, 智能摄像头可以上传图片或音视频信息到家庭监控中心等。并且, 不同于红外遥控, 接入了互联网的设备真正实现了“物联网”, 通过手机等终端, 你可以直接与智能设备交互, 给电饭煲下发菜谱或者让智能门锁开门等。

基于Wi-Fi的智能家居产品, 其安全性也是备受关注的问题, 家庭无线网络的安全性非常之差, 已经饱受诟病, 蹭网等问题层出不穷。从互联网接入方面来讲, 仅仅是蹭网并不能给用户带来太大的损失, 但从智能家居的角度来考虑, 无线网络被入侵后如果被别有用心的人利用, 其后果是非常严重的。这就给智能家居厂商提出了课题, 如何利用好Wi-Fi这把双刃剑, 给用户带来巨大便利的同时, 做好安全工作, 避免个人隐私的泄露和被攻击控制的风险。

(三) 蓝牙

蓝牙技术最初由爱立信公司于1994年发明, 由蓝牙技术联盟SIG管理, 它同样使用2.4G频段, 所以与Wi-Fi有着相同的传输距离以及传输特性。其特点是:相对Wi-Fi来说, 体积非常小、功耗极低;采用了扩频技术, 抗干扰能力强;支持的厂商多, 成本低;支持的设备广泛, 应用众多, 特别是在可穿戴设备上。我们所众知的就是手机的蓝牙功能, 用来连接蓝牙耳机, 或传输文件。它能够让终端主动地发布、获取和处理信息, 实现点对点的网络连接。在智能家居和智能可穿戴设备中, 蓝牙扮演着一个持续的、低功耗的信息和语音连接的角色。它一般用于便携的、无法连接电源而只能使用小容量电池的设备, 或者需要语音传输的设备, 像智能手环、传感器、蓝牙耳机、蓝牙音箱等, 市场上也出现过使用蓝牙遥控器来控制的设备, 但使用不多。除了智能家居外, 其在车载应用上也非常广泛, 如车载电话、音响等。这让个人多媒体应用可以个性化地应用在不同的场景中, 你的手机在家中可以连接到家里的智能音响, 出门时可以连接蓝牙耳机或车上的蓝牙音响, 而音乐内容都是手机你喜爱的个性化内容, 或者是通过这些设备接听来电而不用拿出手机。蓝牙技术的缺点也很明显:受限于功耗, 一般传输距离有限;与Wi-Fi相比, 传输速率较低;不同设备间的兼容性较差。这就使其无法广泛应用于数据传输或远距离的场景。

(四) Zigbee

Zigbee是一种为物联网而生的技术, 其最大的特点是自组网, 它可以通过寻找通信对象, 确定彼此间的连接关系, 自己组成网状的通讯网络, 并且能够随着设备的移动自己对网络结构进行刷新, 重新组网。这让其能够在变化的、无固定位置的设备间快速连接成网络, 并且能够在其中部分节点损坏后仍然保持网络的通畅。Zigbee的特点除了自组网外还有:功耗低, 无专利费, 网络容量大, 时延低等, 但成本相对来说较高。另外, 它的传输速率非常低, 在250kb以下, 所以不适用于大量数据传输的场景。在智能家居中, Zigbee技术常用于各类开关和传感器, 如智能插座、智能开关, 温湿度传感器、门磁传感器等。与Wi-Fi相比, 其优势在于不依赖与无线路由器的通讯, 即使在停电或故障导致路由器关机的时候, 由电池供电的Zigbee设备仍然能够正常工作。其自组网优势也使其能够不依赖Wi-Fi网络的情况下, 构成智能家居的控制网络, 并且可以随时增加扩展设备而不用做复杂的设置。

(五) 射频

射频是一个非常广的概念, 具有远距离传输能力的高频电磁波都称为射频, 那严格来讲, Wi-Fi、蓝牙等其使用的无线技术也是射频, 而这里的射频我们特指使用315MHz和433MHz这两个免申请的频率的射频控制技术。它的特点是:结构简单, 成本低;抗干扰能力差, 安全性差;天线体积相对较大;控制距离远, 长达几km甚至十几km。射频技术曾广泛应用在遥控领域, 像自动车库门, 遥控插座, 遥控灯等等。在智能家居应用中, 因为其低廉的成本优势, 一些厂商也将其应用在对窗帘、插座、灯具的控制中。但其安全性差, 很容易被攻击和破译, 并且这个频道非常拥挤, 环境干扰特别大, 所以其可靠性一般, 在智能家居中的应用效果差强人意, 在高端的智能家居应用中已经很少见到它的身影。

三、常用无线技术的选择及组网

这五种无线技术占据了当前智能家居无线组网技术的大部分江山, 在这几种技术的选择上, 要根据他们的特点来进行。一般来讲, 对于有红外遥控功能的控制, 首选红外技术;对于需要直接连接互联网的设备, Wi-Fi是最好的选择;如果是智能可穿戴设备, 或者车载音响设备, 那蓝牙是不二之选;对于家庭内部的插座、门磁、温湿度计、报警器等组网, Zigbee或射频技术是最好的选择。在一个住宅中, 形成一个以智能家居控制器为核心, 以红外/Zigbee/射频控制器为扩展, 以智能设备为终端的网络。智能家居控制器是一个智能设备, 它负责所有家庭设备的连网和控制, 它通过Wi-Fi连接路由器, 并且接入互联网, 提供数据上传、远程控制功能;每个房间放置红外/射频控制器, 它通过Wi-Fi与路由器连接, 受智能家居控制器的控制, 同时具有红外、射频功能, 用来控制红外遥控的家电 (如空调、电视、音响等) , 以及射频控制的插座、开关等;而Zigbee设备, 如插座、门磁、窗磁、灯具等, 与Zigbee控制器相互连接成网络, Zigbee控制器再通过Wi-Fi与路由器连接, 受智能家居控制器的控制。控制器之间通过Wi-Fi连接, 终端与控制器之间通过Zigbee、红外、射频来通信和控制。这就形成了一个典型的智能家居网络。