物聯(lián)網(wǎng)智能家居無(wú)線技術(shù)特點(diǎn)研究

趙辰暉

摘要：近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的升溫，越來(lái)越多的人也把目光投向了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居。然而，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不一致、聯(lián)網(wǎng)安全、可選產(chǎn)品有限、成本高昂等都成了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的障礙。為此，對(duì)目前智能家居中所應(yīng)用的不同無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)做出綜合分析比較，提出了相應(yīng)的認(rèn)識(shí)和思考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；WiFi；藍(lán)牙；6LoWPAN

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.01.085

1物聯(lián)網(wǎng)

“物聯(lián)網(wǎng)”的概念來(lái)自美國(guó)麻省理工學(xué)院的師生們開發(fā)出的RFID技術(shù)（網(wǎng)絡(luò)無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)）。這種技術(shù)的產(chǎn)生，使得日常的物品進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)成為了可能。最常見的一些RFID應(yīng)用，如居民二代身份證、公交卡、門禁卡等等，這些卡內(nèi)設(shè)有RFID芯片，通過(guò)刷卡完成信息識(shí)別和交互。通過(guò)各種信息傳感設(shè)備、裝置和技術(shù)，采集聲、光、電、熱、力、生化、位置等各種人們所需的信息，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)形成一個(gè)個(gè)網(wǎng)絡(luò)，最終實(shí)現(xiàn)物體與物體、物體與人之間的連接互通（Internet Of Things）。

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)的組成被主要被分成五個(gè)層次：感知層、接入層、互聯(lián)網(wǎng)層、服務(wù)管理層和應(yīng)用層。感知層，通過(guò)RFID、各種傳感器、紅外二維碼技術(shù)完成信息收集；接入層，通過(guò)Wi-Fi、ZigBee、藍(lán)牙等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議完成信息傳輸；應(yīng)用層和服務(wù)管理層，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理、云計(jì)算、應(yīng)用集成等等設(shè)計(jì)的信息處理系統(tǒng)，分別完成在不同場(chǎng)景下的應(yīng)用。

2智能家居

智能家居就是將原本“靜止”且需要人用物理按鈕來(lái)操控的普通家居通過(guò)內(nèi)部嵌入射頻識(shí)別芯片（RFID）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、紅外線感應(yīng)器、氣體感應(yīng)器、激光掃描器等傳感設(shè)備，并且通過(guò)與之對(duì)應(yīng)的協(xié)議連接至互聯(lián)網(wǎng)，變成能“主動(dòng)”且可遠(yuǎn)程按計(jì)劃操控的智能家居。隨著近年來(lái)信息化的高速發(fā)展、通信的自由化、業(yè)務(wù)量的高速增長(zhǎng)以及人們對(duì)工作、生活環(huán)境的安全性、舒適性以及高效性要求的提高，社會(huì)對(duì)智能家居的需求大大增加。

現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)一般可以分為內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)和網(wǎng)關(guān)三個(gè)部分。其中內(nèi)網(wǎng)是負(fù)責(zé)連接各種家電和其他設(shè)備的局域網(wǎng)；外網(wǎng)一般是小區(qū)局域網(wǎng)、Internet等；而網(wǎng)關(guān)的作用是連接內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)對(duì)內(nèi)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)和控制。

一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)，首先要選擇合適的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)，智能家居系統(tǒng)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的主要要求是低功耗、使用壽命長(zhǎng)、數(shù)據(jù)傳輸可靠等要求。目前常見的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有ZigBee、WiFi、藍(lán)牙、6LoWPAN等。

3現(xiàn)階段主要無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用

3.1ZigBee

ZigBee是一個(gè)基于IEEE802.15.4的通信協(xié)議，IEEE802.15.4本身是用于處理物理層和底層MAC層的協(xié)議。IEEE802.15.4工作組正式成立于2000年12月，致力于一種提供便攜、移動(dòng)或固定設(shè)備使用的低成本、低復(fù)雜度、低速率、低功耗的無(wú)線連接技術(shù)。

IEEE802.15.4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是24GHz物理層和868/915MHz物理層，二者都是用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、擴(kuò)頻碼長(zhǎng)、調(diào)制技術(shù)和傳輸速率。2.4GHz頻段是全球統(tǒng)一的自由ISM頻段，這有助于ZigBee設(shè)備的推廣和使用；868MHz和915MHz分別是美國(guó)和歐洲的ISM頻段，這兩個(gè)頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無(wú)線通信設(shè)備的相互干擾。

Zigbee收發(fā)模塊使用了2.4GHz的直序擴(kuò)頻技術(shù)，和一般的頻移鍵控，幅移鍵控和跳頻數(shù)傳電臺(tái)相比，具有更強(qiáng)的抗干擾能力；ZigBee協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)層和對(duì)應(yīng)的API接口做了標(biāo)準(zhǔn)化的定義；ZigBee可以對(duì)數(shù)據(jù)是否完進(jìn)行檢查，并且擁有鑒別用戶身份的功能，采用通用的AES-128加密算法，算法中長(zhǎng)達(dá)128位的密碼保障了通過(guò)ZigBee傳輸?shù)男盘?hào)的機(jī)密性；通過(guò)ZigBee傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大多采用短幀的傳送方式，實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，傳輸速度也非?？?；ZigBee組網(wǎng)容易，自恢復(fù)能力強(qiáng)，再加上低成本和小型設(shè)備對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求不是很高，因此，ZigBee對(duì)智能家居中的擴(kuò)展，增加新設(shè)備非常的友好。

在擁有上述優(yōu)點(diǎn)同時(shí)，ZigBee技術(shù)也存在一些問題?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)應(yīng)用的ZigBee技術(shù)主要還是在24GHz ISM頻段的范圍內(nèi)，這個(gè)頻段的信號(hào)衍射能力弱，穿墻能力弱。在家居的環(huán)境里，即使是一扇窗，一扇門或者是一堵墻都能讓信號(hào)的強(qiáng)度衰減很多。雖然我們能夠通過(guò)射頻功放的方式，對(duì)2.4GHz頻段的信號(hào)進(jìn)行放大處理，但這樣又造成了大量且不必要的輻射污染，這種方式和ZigBee本身節(jié)能、低功耗的初衷相悖。

Z-wave同樣也是一種短距離無(wú)線傳輸?shù)募夹g(shù)，它和ZigBee一樣源自無(wú)線射頻，都屬于硬件協(xié)議和架構(gòu)上的技術(shù)。Z-Wave是由一家名為Zensys的丹麥公司主導(dǎo)的一種無(wú)線組網(wǎng)規(guī)則。Z-wave Alliance（Z-wave聯(lián)盟）雖然看起來(lái)不如ZigBee聯(lián)盟規(guī)模大，但是其中的成員（廠商）都已經(jīng)在智能家居的領(lǐng)域擁有成熟的產(chǎn)品，Z-Wave聯(lián)盟已經(jīng)獲得來(lái)自全球各個(gè)國(guó)家和地區(qū)的160多家國(guó)際知名公司的支持。在美國(guó)，Z-Wave可以使用的頻段是915MHz；而在歐洲，可以使用的頻段是868.42MHz；915MHz和868.42MHz屬于國(guó)際無(wú)線規(guī)則中的一區(qū)和二區(qū)的ISM頻段，而在我國(guó)這兩個(gè)頻段都非民用，因此很可能在中國(guó)禁止使用。

3.2藍(lán)牙

藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)始于愛立信公司的1994方案，它開始是研究在移動(dòng)電話和其它配件間進(jìn)行低功耗、低成本無(wú)線通信連接的方法。發(fā)明者希望為設(shè)備間的通訊建立一套統(tǒng)一規(guī)則，以解決用戶間移動(dòng)電子設(shè)備互不兼容的問題。每個(gè)藍(lán)牙設(shè)備可同時(shí)維護(hù)8個(gè)鏈接，可以將每個(gè)設(shè)備配置為不斷向附近的設(shè)備發(fā)送其存在的通知，以便創(chuàng)建連接。另外，可以對(duì)兩個(gè)設(shè)備之間的連接設(shè)置密碼保護(hù)，防止被其它設(shè)備接收。

藍(lán)牙的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.15.1，也工作在無(wú)需許可的ISM2.4GHz頻段，最高速度可達(dá)723.1kb/s。為了避免干擾可能使用2.4GHz的其他協(xié)議，藍(lán)牙協(xié)議將該頻段劃分成79個(gè)頻道（帶寬為1MHz），當(dāng)檢測(cè)到與其它信號(hào)沖突時(shí)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到其他頻道，每秒的頻道轉(zhuǎn)換次數(shù)可達(dá)1600次。

近年來(lái)藍(lán)牙的發(fā)展也比較迅猛，2015年年初發(fā)布的藍(lán)牙4.2，在數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸距離的提高與錯(cuò)誤率的降低上有了很大進(jìn)步。而藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟于2016年6月提出第五代藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，藍(lán)牙5的理論接收距離最遠(yuǎn)可達(dá)300米，在實(shí)際使用中的收發(fā)距離也可以達(dá)到120米，四倍于藍(lán)牙4.2技術(shù)。

3.3WiFi

WiFi（Wireless Fidelity，無(wú)線保真），從1997年無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.11發(fā)布以來(lái)，在眾多業(yè)界領(lǐng)先公司組成的WiFi聯(lián)盟的大力推動(dòng)下，發(fā)展迅猛。目前WiFi的使用范圍非常廣泛，基于WiFi技術(shù)的智能家居產(chǎn)品也最為常見，其優(yōu)勢(shì)在于傳輸速率快，且產(chǎn)品成本低。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，基于WiFi的智能家居組合最為便捷，購(gòu)買設(shè)備后可以自己進(jìn)行組網(wǎng)。

在智能家居中使用WiFi也有一些顯著的缺點(diǎn)。首先，安全性非常低是WiFi為最嚴(yán)重的問題，無(wú)線信號(hào)也不是很穩(wěn)定；其次，WiFi的功耗還是很高的，這也限制了它在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用；再次，WiFi組網(wǎng)能力低，擴(kuò)展空間受限制。

3.46LoWPAN

6LoWPan是基于IPV6的低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，即IPV6 over IEEE 802.15.4，于2004年提出。與ZigBee相比，都是基于IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，都具有低功耗，低復(fù)雜度度，安全性強(qiáng)（都采用AES128加密標(biāo)準(zhǔn)）等優(yōu)點(diǎn)。

提起物聯(lián)網(wǎng)我們可能很容易聯(lián)想到IPV6，IPV6是現(xiàn)行版本IP協(xié)議（IPV4）的下一代協(xié)議。由于網(wǎng)絡(luò)地址資源有限成為了IPV4所面臨的非常嚴(yán)峻的問題，這在很大程度上限制了互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和應(yīng)用。IPV6有128位地址，IPV6的使用，不僅能解決網(wǎng)絡(luò)地址資源數(shù)量的問題，而且也解決了多種設(shè)備連入互聯(lián)網(wǎng)的障礙。IPV6也一直被認(rèn)為是在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中最為理想的技術(shù)手段。由于IPV6龐大的協(xié)議棧和大量的數(shù)據(jù)分發(fā)包，無(wú)線傳感網(wǎng)下的節(jié)點(diǎn)設(shè)備無(wú)法直接移植IPV6。6LoWPAN的誕生，就是發(fā)明了一種將IP報(bào)頭壓縮到只傳送必要內(nèi)容的小數(shù)據(jù)包的方法。

一直以來(lái)，大家普遍認(rèn)為將IP協(xié)議引入無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)是很不現(xiàn)實(shí)的。所以，到目前為止，前面提到的一些專用協(xié)議一直為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用。IP協(xié)議對(duì)帶寬和內(nèi)存都有著比較高的要求，為了適應(yīng)微控制器及低功率無(wú)線連接而降低它的運(yùn)行環(huán)境也是一件相當(dāng)困難的事情。

IETF 6LoWPAN草案標(biāo)準(zhǔn)，基于IEEE 802.15.4實(shí)現(xiàn)了通過(guò)IPV6的通信，它的發(fā)布有望改變前面的困境。低功率運(yùn)行的6LoWPAN，讓它非常適合應(yīng)用在手持機(jī)和各種儀器中，再加上它內(nèi)置支持AES-128加密的方式，為強(qiáng)健的安全性和鑒權(quán)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。6LoWPAN所取得的突破是得到一種非常高效、緊湊的IP實(shí)現(xiàn)，消除了以前形成各種專有協(xié)議和專門協(xié)議的因素。其龐大的地址空間是最大的亮點(diǎn)，基本可以不考慮接入設(shè)備的上限。而另外一個(gè)亮點(diǎn)，就是當(dāng)IPV6中的節(jié)點(diǎn)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)自動(dòng)讀取設(shè)備的MAC地址根據(jù)相關(guān)規(guī)則配置好設(shè)備的IPV6地址（從效果上類似局域網(wǎng)中的DHCP協(xié)議）。

4結(jié)語(yǔ)

我們國(guó)家一直很重視物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，但較之西方發(fā)達(dá)國(guó)家，我們的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還是有長(zhǎng)的路要走的。

各國(guó)廠商為了在物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)上搶占更多的先機(jī)，紛紛推出自己研發(fā)和采納的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee、Z-wave、WiFi、藍(lán)牙等，它們有各自的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有各自的不足。而從IPV6演化而來(lái)的6LoWPAN的橫空出世，開源的理念和與下一代IP協(xié)議的對(duì)接，使標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一成為了可能，也讓滯后發(fā)展的我們看到了希望。

每種技術(shù)都有它的優(yōu)勢(shì)，ZigBee的低功耗與安全、WiFi的便捷開發(fā)、藍(lán)牙的高速傳遞速率、6LoWPAN的良好發(fā)展趨勢(shì)。所以從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度考慮，各種不同的技術(shù)在競(jìng)爭(zhēng)中尋求合作，而非互設(shè)競(jìng)爭(zhēng)壁壘，才是物聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)方式，才會(huì)帶來(lái)物聯(lián)網(wǎng)世界真正的繁榮。

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