浅析无线通信技术在智能家居领域的应用

 　　摘 要：自马可尼在1899年发明无线电通信以来，无线通信技术已经历了百年的发展历程。进入二十一世纪，随着互联网的蓬勃发展和物联网的逐渐兴起，无线通信技术仍旧在生产、生活中发挥着不可替代的作用。本文梳理了电子信息技术的发展历程，并着重介绍了蓝牙、ZigBee和Wi-Fi三种无线通信协议的工作原理、主要优缺点等内容，并分析了以上三种通信协议在智能家居领域的应用价值。

　　关键词：无线通信技术;蓝牙;ZigBee;Wi-Fi;智能家居

　　中图分类号：TN92;TU855

　　文献标识码：A

　　文章编号：1671-2064(2019)14-0043-02 0

　　《信息通信技术》坚持为社会主义服务的方向，坚持以马克思列宁主义、毛泽东思想和邓小平理论为指导，贯彻“百花齐放、百家争鸣”和“古为今用、洋为中用”的方针，坚持实事求是、理论与实际相结合的严谨学风，传播先进的科学文化知识，弘扬民族优秀科学文化，促进国际科学文化交流，探索防灾科技教育、教学及管理诸方面的规律，活跃教学与科研的学术风气，为教学与科研服务。

　　引言

　　Amazon推出了一款基于Alexa功能的声控微波炉。通过Wi-Fi连接，微波炉可以对用户的语音指令做出回应。Alexa是亚马逊旗下的智能语音助手，这款语音控制微波炉具有一个“Ask Alexa”按钮，相当于苹果手机的“Home”键盘，是调用语音助手的快捷键。用户只需按下“Ask Alexa”按钮，并对微波炉说出指令，微波炉就可以自动执行该指令，如“用800W功率加热三分钟”。在此基础上，Amazon的工程师还在微波炉内置了大量的智能问答，涉及烹饪领域的基本解决方案，用户可向微波炉描述食物种类和想达到的烹饪效果，微波炉可以自动选择加热或烹饪方案。 除了Wi-Fi，还有哪些无线通信技术在智能家居领域扮演重要角色?如何理解蓝牙、Wi-Fi等无线通信技术的工作原理?而电子信息技术的发展，将对智能家居会产生怎样的影响?针对以上问题，本文将一一阐述。

　　1 电子信息技术发展历程

　　摩擦起电、伏打发明电池、富兰克林风筝实验、欧姆定理实验、麦克斯韦电磁理论、赫兹实验……随着历代科学家的探索，人们深化了对“电”的了解，到了近代，科学家们发现了电子，为各类电子技术发明奠定了基础。本文梳理了通信技术和电子技术的发展历程，由此可以总结出电子信息的发展脉络。通信技术和电子技术的发展时间线如表1所示。 通过以上的时间线，我们可以总结出：通信的发展经历着由有线到无线、由模拟信号到数字信号、由电报到网络、由人工到自动化、由点对点模式到通信网络的过程。而在未来，“虚拟现实”、“大数据”等新技术的发展，又将给通讯方式和通信内容带来极大变革[1]。

　　2 无线通信技术概述

　　2.1 蓝牙

　　蓝牙(Bluetooth)技术包含了底层传输协议和高层传输协议。底层传输协议主要由基带、射频和链路管理协议组成;高层传输协议则由逻辑链路控制、适配层协议和主机控制器接口等部分组成。其主要技术原理为：蓝牙设备之间的位置由传输层负责确认，并将终端设备之间的物理链路和逻辑链路建立起来，其传输方式主要为ACL逻辑传输，使得传输效率和可靠性得到保证。蓝牙作为一种无线通信协议，最初被设计为串行端口。蓝牙协议由蓝牙技术联盟维护和更新，自1999年发布蓝牙1.0以来，已经有五个版本的蓝牙协议面世，蓝牙5.0的理论传输距离达到了300米，传输速度也较上一代提高了一倍，其抗干扰性和安全性也得到提升，使得蓝牙协议在物联网领域的应用成为可能。作为一种短距离数据交换协议，蓝牙传输多用在无线耳机、音箱等音频设备和电脑、手机等电子设备之间的连接，成本低、功耗小是其主要優势。但是蓝牙的安全性依旧不容忽视，如何避免网络黑客通过蓝牙协议控制用户设备、盗取隐私数据，成为了蓝牙技术发展的新挑战[2]。

　　2.2 ZigBee ZigBee是一种低功耗协议，专为短距离、低速率传输而设计(一般在250 kbps以下)，通常用于传感器之间的通信。ZigBee协议在2.4 GHz频段运行，在室内的通信范围约为30米，在室外开阔地带通信范围更大。ZigBee协议最大的特点是低功耗，普通的干电池就可以一个节点数个月的工作。除此之外，低成本、低延时和高安全性也是其优势，但同时也存在不能与互联网IP通联等不足。ZigBee网络结构主要包括星型结构、网络结构和树形拓扑结构，其中各节点分为协调器(Coordinator)、汇聚节点(Router)和终端节点(End Device)三类，一个ZigBee网络中只设置一个协调器，以及若干的汇聚节点和终端节点。图1是三节点的结构示意图。 ZigBee协议由ZigBee联盟研发和更新，包含了德州仪器、飞思卡尔等半导体供应商和西门子、飞利浦、三星电子等电子设备厂商，自2001年成立以来，ZigBee联盟已经推出了四个版本的协议[3]。

　　2.3 Wi-Fi Wi-Fi出现的时间较短，但其应用在各种无线通信协议中最为广泛。Wi-Fi传输与接入技术旨在将电子设备连接到无线局域网中，常常需要输入网络安全密钥，也就是我们俗称的“Wi-Fi密码”，但一些公共场所的无线网络是开放式的。Wi-Fi技术应用广泛，源于其传输效率高、传输速度快等优点，但其传输质量及网络安全性仍有待提高，这也是Wi-Fi技术未来发展的重点方向。为了增强Wi-Fi网络的安全性，可以采取关闭SSID (Service Set Identifier)广播，关闭WPS (Wi-Fi Protected Setup)功能、设置登录密码等举措。

　　Wi-Fi与宽带等有线网络技术不同，无需铺设线缆，只需要通过路由器设置一个Wi-Fi热点，然后在Wi-Fi热点的覆盖范围内，就可以将电子设备接入到无线网络中，降低了安装的成本、节省了铺设网线的空间。Wi-Fi网络的覆盖面积较大，通常室内在50m范围内都可有较好的网络信号，而室外能达到100～200m左右，用户可以在Wi-Fi覆盖内自由使用电子设备，其中建筑墙体可能影响网络信号的传输[4]。

　　3 无线通信技术在智能家居领域的应用

　　3.1 蓝牙在智能家居的应用

　　蓝牙技术在智能家居中的应用，是在智能家电等主设备中的集成控制器中安装蓝牙通信模块，待这些设备开启后，可自动与同样安装了蓝牙模块的控制设备进行配对。配对成功后，控制设备就可以对主设备传输控制信号，进行操控与管理。智能音箱就是典型的智能家居“入口”，即控制设备，用户可以通过语音下达命令，经蓝牙音箱的对语音指令的拾音、识别后，再经内置于音箱中的微处理器分析指令含义并通过蓝牙将指令信号传输给电视、空调、冰箱等主设备，进而达到语音控制智能家居系统的效果;而在用户无命令时，蓝牙模块则处于休眠状态，以降低功耗。蓝牙技术应用在智能家居领域，不仅能给人们的生活带来便利，还能连接报警装置，保障日常生活的安全。 我国蓝牙技术的推广，起步虽晚但发展迅速，随着搭载蓝牙模块的电子、电器设备数量剧增，生活中使用蓝牙的场景越来越多。在未来，相信蓝牙技术定会在智能家居的通信领域承担起愈发重要的角色。

　　3.2 ZigBee在智能家居的应用

　　在智能家居系统中，ZigBee通信协议主要用于无线监控、红外线防入侵装置、开关控制等功耗较低、传输距离较近的场景。ZigBee的传输距离与传输速率介于蓝牙与Wi-Fi之间，但是其传输功耗却低于这两种通信协议。可自组网络也是ZigBee的一大优势，其网络节点最大可达到65000个以上。而在运营过程中，ZigBee网络可达到断电但依然将数据进行存储的效果，同时能在工作状态下随时随地与网络节点的其他设备进行数据交流。 现阶段，ZigBee要应用到实际生活、尤其是智能家居领域，还有很多需要改进的地方。节能虽然是ZigBee协议的一大优势，但开发者仍需在ZigBee节能模式的基础上编写相应的低耗电节能算法，并进行整个ZigBee网络层级的调试，无形中增大了工作量。因此，加速推出更智能、更高效的ZigBee协议，在物联网时代很有必要。

　　3.3 Wi-Fi在智能家居的应用

　　Wi-Fi无线通信在智能家居领域通常用于监控系统，通过Wi-Fi连接用户的电子设备和智能电器，可以连接防盗探测器、有毒气体探测器、视频监控器等，通过对有害气体浓度、室内温度等指标的检测，来实施调控家庭通风系统、家庭安保系统。Wi-Fi相比于蓝牙和ZigBee的优势在于，其传输距离和单位时间传输的数据量更大，因此，视频监测系统往往采用Wi-Fi通信。在未来，降低Wi-Fi传输的丢包率，提升语音控制系统的准确率，设计出人性化交互的移动端APP，可以更好地满足用户使用Wi-Fi远程控制家居系统、了解家庭安全状态的需求。

　　4 结语

　　本文梳理了电子信息技术近二百年的发展历程，可以看出：通信技术的进步往往是基于电子技术的进步，而蓝牙、ZigBee和Wi-Fi均是近二十年来发展起来的无线通信技术。三者的共同点在于，都是2.4GHz的无线电波。ZigBee的传输距离最短、功耗最低，Wi-Fi的传输距离最长、功耗最大，而蓝牙介于二者之间。蓝牙的安全性较高、ZigBee次之，Wi-Fi安全性最低。蓝牙在智能家居的应用较为广范，主要负责智能音箱等交互设备和智能电器的无线连接;由于其低功耗、低传输距离和自组网络等特点，ZigBee技术主要用于红外安全监测和开关控制;而Wi-Fi作为最常用的无线通信技术，在智能家居领域具有较高的适用性，但安全性较低，是影响其发展的主要因素。

　　参考文献

　　[1] 张博宇，殷宏斐.电子信息技术发展趋势综述[J].中国新通信，2017，19(15)：31-32.

　　[2] 钱志鸿，刘丹.蓝牙技术数据传输综述[J].通信学报，2012，33(04)：143-151.

　　[2] 蒲泓全，賈军营，张小娇，孙建伟.ZigBee网络技术研究综述[J].计算机系统应用， 2013，22(09)：6-11.

　　[4] 张化明.WIFI传输与接入技术的发展研[J].通讯世界，2018，25(12)：38-39. undefined

《浅析无线通信技术在智能家居领域的应用》

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