淺析無線通信技術(shù)在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用

李一婧

摘 要：自馬可尼在1899年發(fā)明無線電通信以來，無線通信技術(shù)已經(jīng)歷了百年的發(fā)展歷程。進入二十一世紀(jì)，隨著互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)的逐漸興起，無線通信技術(shù)仍舊在生產(chǎn)、生活中發(fā)揮著不可替代的作用。本文梳理了電子信息技術(shù)的發(fā)展歷程，并著重介紹了藍牙、ZigBee和Wi-Fi三種無線通信協(xié)議的工作原理、主要優(yōu)缺點等內(nèi)容，并分析了以上三種通信協(xié)議在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：無線通信技術(shù);藍牙;ZigBee;Wi-Fi;智能家居

中圖分類號：TN92;TU855 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）14-0043-02

0 引言

Amazon推出了一款基于Alexa功能的聲控微波爐。通過Wi-Fi連接，微波爐可以對用戶的語音指令做出回應(yīng)。Alexa是亞馬遜旗下的智能語音助手，這款語音控制微波爐具有一個“Ask Alexa”按鈕，相當(dāng)于蘋果手機的“Home”鍵盤，是調(diào)用語音助手的快捷鍵。用戶只需按下“Ask Alexa”按鈕，并對微波爐說出指令，微波爐就可以自動執(zhí)行該指令，如“用800W功率加熱三分鐘”。在此基礎(chǔ)上，Amazon的工程師還在微波爐內(nèi)置了大量的智能問答，涉及烹飪領(lǐng)域的基本解決方案，用戶可向微波爐描述食物種類和想達到的烹飪效果，微波爐可以自動選擇加熱或烹飪方案。

除了Wi-Fi，還有哪些無線通信技術(shù)在智能家居領(lǐng)域扮演重要角色？如何理解藍牙、Wi-Fi等無線通信技術(shù)的工作原理？而電子信息技術(shù)的發(fā)展，將對智能家居會產(chǎn)生怎樣的影響？針對以上問題，本文將一一闡述。

1 電子信息技術(shù)發(fā)展歷程

摩擦起電、伏打發(fā)明電池、富蘭克林風(fēng)箏實驗、歐姆定理實驗、麥克斯韋電磁理論、赫茲實驗……隨著歷代科學(xué)家的探索，人們深化了對“電”的了解，到了近代，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了電子，為各類電子技術(shù)發(fā)明奠定了基礎(chǔ)。本文梳理了通信技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展歷程，由此可以總結(jié)出電子信息的發(fā)展脈絡(luò)。通信技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展時間線如表1所示。

通過以上的時間線，我們可以總結(jié)出：通信的發(fā)展經(jīng)歷著由有線到無線、由模擬信號到數(shù)字信號、由電報到網(wǎng)絡(luò)、由人工到自動化、由點對點模式到通信網(wǎng)絡(luò)的過程。而在未來，“虛擬現(xiàn)實”、“大數(shù)據(jù)”等新技術(shù)的發(fā)展，又將給通訊方式和通信內(nèi)容帶來極大變革[1]。

2 無線通信技術(shù)概述

2.1 藍牙

藍牙（Bluetooth）技術(shù)包含了底層傳輸協(xié)議和高層傳輸協(xié)議。底層傳輸協(xié)議主要由基帶、射頻和鏈路管理協(xié)議組成;高層傳輸協(xié)議則由邏輯鏈路控制、適配層協(xié)議和主機控制器接口等部分組成。其主要技術(shù)原理為：藍牙設(shè)備之間的位置由傳輸層負責(zé)確認(rèn)，并將終端設(shè)備之間的物理鏈路和邏輯鏈路建立起來，其傳輸方式主要為ACL邏輯傳輸，使得傳輸效率和可靠性得到保證。藍牙作為一種無線通信協(xié)議，最初被設(shè)計為串行端口。藍牙協(xié)議由藍牙技術(shù)聯(lián)盟維護和更新，自1999年發(fā)布藍牙1.0以來，已經(jīng)有五個版本的藍牙協(xié)議面世，藍牙5.0的理論傳輸距離達到了300米，傳輸速度也較上一代提高了一倍，其抗干擾性和安全性也得到提升，使得藍牙協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。作為一種短距離數(shù)據(jù)交換協(xié)議，藍牙傳輸多用在無線耳機、音箱等音頻設(shè)備和電腦、手機等電子設(shè)備之間的連接，成本低、功耗小是其主要優(yōu)勢。但是藍牙的安全性依舊不容忽視，如何避免網(wǎng)絡(luò)黑客通過藍牙協(xié)議控制用戶設(shè)備、盜取隱私數(shù)據(jù)，成為了藍牙技術(shù)發(fā)展的新挑戰(zhàn)[2]。

2.2 ZigBee

ZigBee是一種低功耗協(xié)議，專為短距離、低速率傳輸而設(shè)計（一般在250 kbps以下），通常用于傳感器之間的通信。ZigBee協(xié)議在2.4 GHz頻段運行，在室內(nèi)的通信范圍約為30米，在室外開闊地帶通信范圍更大。ZigBee協(xié)議最大的特點是低功耗，普通的干電池就可以一個節(jié)點數(shù)個月的工作。除此之外，低成本、低延時和高安全性也是其優(yōu)勢，但同時也存在不能與互聯(lián)網(wǎng)IP通聯(lián)等不足。ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和樹形拓撲結(jié)構(gòu)，其中各節(jié)點分為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、匯聚節(jié)點（Router）和終端節(jié)點（End Device）三類，一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只設(shè)置一個協(xié)調(diào)器，以及若干的匯聚節(jié)點和終端節(jié)點。圖1是三節(jié)點的結(jié)構(gòu)示意圖。

ZigBee協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟研發(fā)和更新，包含了德州儀器、飛思卡爾等半導(dǎo)體供應(yīng)商和西門子、飛利浦、三星電子等電子設(shè)備廠商，自2001年成立以來，ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)推出了四個版本的協(xié)議[3]。

2.3 Wi-Fi

Wi-Fi出現(xiàn)的時間較短，但其應(yīng)用在各種無線通信協(xié)議中最為廣泛。Wi-Fi傳輸與接入技術(shù)旨在將電子設(shè)備連接到無線局域網(wǎng)中，常常需要輸入網(wǎng)絡(luò)安全密鑰，也就是我們俗稱的“Wi-Fi密碼”，但一些公共場所的無線網(wǎng)絡(luò)是開放式的。Wi-Fi技術(shù)應(yīng)用廣泛，源于其傳輸效率高、傳輸速度快等優(yōu)點，但其傳輸質(zhì)量及網(wǎng)絡(luò)安全性仍有待提高，這也是Wi-Fi技術(shù)未來發(fā)展的重點方向。為了增強Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的安全性，可以采取關(guān)閉SSID （Service Set Identifier）廣播，關(guān)閉WPS （Wi-Fi Protected Setup）功能、設(shè)置登錄密碼等舉措。

Wi-Fi與寬帶等有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不同，無需鋪設(shè)線纜，只需要通過路由器設(shè)置一個Wi-Fi熱點，然后在Wi-Fi熱點的覆蓋范圍內(nèi)，就可以將電子設(shè)備接入到無線網(wǎng)絡(luò)中，降低了安裝的成本、節(jié)省了鋪設(shè)網(wǎng)線的空間。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積較大，通常室內(nèi)在50m范圍內(nèi)都可有較好的網(wǎng)絡(luò)信號，而室外能達到100～200m左右，用戶可以在Wi-Fi覆蓋內(nèi)自由使用電子設(shè)備，其中建筑墻體可能影響網(wǎng)絡(luò)信號的傳輸[4]。

3 無線通信技術(shù)在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 藍牙在智能家居的應(yīng)用

藍牙技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用，是在智能家電等主設(shè)備中的集成控制器中安裝藍牙通信模塊，待這些設(shè)備開啟后，可自動與同樣安裝了藍牙模塊的控制設(shè)備進行配對。配對成功后，控制設(shè)備就可以對主設(shè)備傳輸控制信號，進行操控與管理。智能音箱就是典型的智能家居“入口”，即控制設(shè)備，用戶可以通過語音下達命令，經(jīng)藍牙音箱的對語音指令的拾音、識別后，再經(jīng)內(nèi)置于音箱中的微處理器分析指令含義并通過藍牙將指令信號傳輸給電視、空調(diào)、冰箱等主設(shè)備，進而達到語音控制智能家居系統(tǒng)的效果;而在用戶無命令時，藍牙模塊則處于休眠狀態(tài)，以降低功耗。藍牙技術(shù)應(yīng)用在智能家居領(lǐng)域，不僅能給人們的生活帶來便利，還能連接報警裝置，保障日常生活的安全。

我國藍牙技術(shù)的推廣，起步雖晚但發(fā)展迅速，隨著搭載藍牙模塊的電子、電器設(shè)備數(shù)量劇增，生活中使用藍牙的場景越來越多。在未來，相信藍牙技術(shù)定會在智能家居的通信領(lǐng)域承擔(dān)起愈發(fā)重要的角色。

3.2 ZigBee在智能家居的應(yīng)用

在智能家居系統(tǒng)中，ZigBee通信協(xié)議主要用于無線監(jiān)控、紅外線防入侵裝置、開關(guān)控制等功耗較低、傳輸距離較近的場景。ZigBee的傳輸距離與傳輸速率介于藍牙與Wi-Fi之間，但是其傳輸功耗卻低于這兩種通信協(xié)議?？勺越M網(wǎng)絡(luò)也是ZigBee的一大優(yōu)勢，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點最大可達到65000個以上。而在運營過程中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)可達到斷電但依然將數(shù)據(jù)進行存儲的效果，同時能在工作狀態(tài)下隨時隨地與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)交流。

現(xiàn)階段，ZigBee要應(yīng)用到實際生活、尤其是智能家居領(lǐng)域，還有很多需要改進的地方。節(jié)能雖然是ZigBee協(xié)議的一大優(yōu)勢，但開發(fā)者仍需在ZigBee節(jié)能模式的基礎(chǔ)上編寫相應(yīng)的低耗電節(jié)能算法，并進行整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)層級的調(diào)試，無形中增大了工作量。因此，加速推出更智能、更高效的ZigBee協(xié)議，在物聯(lián)網(wǎng)時代很有必要。

3.3 Wi-Fi在智能家居的應(yīng)用

Wi-Fi無線通信在智能家居領(lǐng)域通常用于監(jiān)控系統(tǒng)，通過Wi-Fi連接用戶的電子設(shè)備和智能電器，可以連接防盜探測器、有毒氣體探測器、視頻監(jiān)控器等，通過對有害氣體濃度、室內(nèi)溫度等指標(biāo)的檢測，來實施調(diào)控家庭通風(fēng)系統(tǒng)、家庭安保系統(tǒng)。Wi-Fi相比于藍牙和ZigBee的優(yōu)勢在于，其傳輸距離和單位時間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量更大，因此，視頻監(jiān)測系統(tǒng)往往采用Wi-Fi通信。在未來，降低Wi-Fi傳輸?shù)膩G包率，提升語音控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確率，設(shè)計出人性化交互的移動端APP，可以更好地滿足用戶使用Wi-Fi遠程控制家居系統(tǒng)、了解家庭安全狀態(tài)的需求。

4 結(jié)語

本文梳理了電子信息技術(shù)近二百年的發(fā)展歷程，可以看出：通信技術(shù)的進步往往是基于電子技術(shù)的進步，而藍牙、ZigBee和Wi-Fi均是近二十年來發(fā)展起來的無線通信技術(shù)。三者的共同點在于，都是2.4GHz的無線電波。ZigBee的傳輸距離最短、功耗最低，Wi-Fi的傳輸距離最長、功耗最大，而藍牙介于二者之間。藍牙的安全性較高、ZigBee次之，Wi-Fi安全性最低。藍牙在智能家居的應(yīng)用較為廣范，主要負責(zé)智能音箱等交互設(shè)備和智能電器的無線連接;由于其低功耗、低傳輸距離和自組網(wǎng)絡(luò)等特點，ZigBee技術(shù)主要用于紅外安全監(jiān)測和開關(guān)控制;而Wi-Fi作為最常用的無線通信技術(shù)，在智能家居領(lǐng)域具有較高的適用性，但安全性較低，是影響其發(fā)展的主要因素。

參考文獻

[1] 張博宇，殷宏斐.電子信息技術(shù)發(fā)展趨勢綜述[J].中國新通信，2017，19（15）：31-32.

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[2] 蒲泓全，賈軍營，張小嬌，孫建偉.ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究綜述[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用， 2013，22（09）：6-11.

[4] 張化明.WIFI傳輸與接入技術(shù)的發(fā)展研[J].通訊世界，2018，25（12）：38-39.