智能家居中不同無線通信技術的運用
前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了智能家居中不同無線通信技術的運用范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。
關鍵詞：無線通信技術；智能家居；藍牙技術；Wi-Fi技術；Z-wave技術；ZigBee技術
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術、無線通訊技術的迅猛發(fā)展，各種智能家居設備也越來越多地進入到人們的生活。除了滿足人們基本的居家需求外，通過無線技術將各自原本獨立的家居設備進行系統(tǒng)化的集成，能夠提升人們居住的舒適度和便捷度，提升人們的生活質(zhì)量。在無線通訊技術的支持下，人們能夠隨心所欲的控制家居環(huán)境。Wi-Fi技術、藍牙技術、Z-wave技術、ZigBee技術等無線通信技術的有效應用，能夠使家居控制更加智能化、自動化、人性化，使智能家居實現(xiàn)新的發(fā)展。
1智能家居的基本情況介紹
所謂的智能家居就是將人們居住的住宅，通過安全防范技術、網(wǎng)絡通訊技術、音頻視頻技術、自動控制技術等多項技術進行綜合，使家居生活成為一個統(tǒng)一有效的系統(tǒng)，提升家居生活的舒適性、安全性、便捷性。智能建筑最早出現(xiàn)于美國，后來逐漸得到普及。智能家居的發(fā)展離不開網(wǎng)絡技術的成熟，在無線技術的支持下，能夠有效地節(jié)省智能家居建設的成本，縮短智能家居的設計周期。智能家居最早出現(xiàn)和發(fā)展于發(fā)達國家，并且技術也比較成熟，后來隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及開放范圍的不斷擴大，智能家居在我國也有了飛速的發(fā)展。智能家居主要具有控制功能、遙控功能、集中控制功能等基礎功能。
2.1無線通信技術
所謂的無線通訊技術，是利用電磁波信號在任意空間中實現(xiàn)傳播和信息交換的一種通信方式。目前主流的移動通信技術主要包括Wi-Fi技術、藍牙技術、Z-wave技術、ZigBee技術等，這些無線通訊技術在使用的頻率調(diào)制的方式、最大作用距離、應用領域等方面各不相同，一般而言數(shù)據(jù)率越高，那么作用距離就越短。下面將介紹幾種主要的無線通訊技術。如表1所示。
2.2Wi-Fi技術
2.2.1技術原理及特點Wi-Fi技術的最大優(yōu)勢在于它的傳播速度快、有效距離長。在開放性領域，Wi-Fi技術的通訊距離可以長達305米，在封閉區(qū)域內(nèi)通訊技術也可達100米左右，Wi-Fi技術與有線以太網(wǎng)絡的有效整合，能夠降低組網(wǎng)的成本[1]。Wi-Fi技術具有廣闊的發(fā)展前景，也被廣泛應用于我們的日常生活中。在智能家居領域Wi-Fi技術是十分常見的，基于Wi-Fi技術的智能家居組合能夠提升用戶的便捷性。
2.2.2Wi-Fi技術的優(yōu)劣條件Wi-Fi技術的優(yōu)勢在于：不需要布線。突破了布線的限制，非常能夠滿足移動辦公的需要，并且Wi-Fi技術十分的安全健康，不會對人體造成輻射或其他傷害。組建方式簡單也是Wi-Fi技術的突出優(yōu)勢，僅僅需要無線網(wǎng)卡以及一臺AP就能夠?qū)崿F(xiàn)無線網(wǎng)絡的架設。與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡相比，Wi-Fi技術的架設費用和程序復雜度都是比較低的。在對于寬帶的使用方面，Wi-Fi技術更具明顯優(yōu)勢，當有線寬帶網(wǎng)絡連接到戶后，僅需在電腦中安裝一塊無線網(wǎng)卡，就無需增加多余的端口，能夠以共享的形式實現(xiàn)上網(wǎng)[2]。但是Wi-Fi技術并不是完美的，其最大的缺陷就在于穩(wěn)定性弱、安全性低，并且Wi-Fi技術在使用的過程中也擁有相對較高的功耗，而且，目前Wi-Fi網(wǎng)絡的實際規(guī)模有限，在應用中16個設備是規(guī)模的極限，但是在智能家居系統(tǒng)中所需連接的設備往往要遠超過16個，因此這就使得Wi-Fi技術在智能家居應用中的生長空間受到一定的限制。
2.3藍牙技術
2.3.1技術原理及特點藍牙技術能夠通過無線，將移動通訊設備之間實現(xiàn)有效的連接，能夠進一步拓展形成巨大的無線通訊網(wǎng)絡，進而實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)無線傳播。藍牙技術的主要特點包括：（1）適用范圍廣。藍牙工作的ISM頻段為2.4GHz，而這個頻段是全球許多國家的允許范圍，這個頻段范圍內(nèi)無需向有關部門進行許可證的申請，因此十分的便捷。（2）藍牙通訊技術能夠?qū)崿F(xiàn)語音和數(shù)據(jù)的同步傳播。藍牙采用的是電路交換和分組交換技術，支持異步數(shù)據(jù)信道和異步數(shù)據(jù)同時傳播的信道。（3）在藍牙設備中能夠建立起臨時性的對等連接。藍牙設備在網(wǎng)絡中能夠扮演主設備和其他設備的角色。所謂的主設備，就是指在組建網(wǎng)絡時主動發(fā)起連接請求的設備，而當多個藍牙設備連接成一個體系時，只能有一個主設備，其他的都屬于從設備，藍牙技術能夠很好的實現(xiàn)主設備與從設備之間的對等連接。（4）藍牙技術的抗干擾能力比較強，藍牙采用跳屏方式來進行頻譜的拓展。并且采用SIG接口，具有開放性。藍牙設備本身體積很小，方便集成[3]。
2.3.2藍牙技術的優(yōu)劣條件藍牙技術的優(yōu)勢在于作為一種快速跳頻的短包技術和分布式的網(wǎng)絡，能夠有效的實現(xiàn)一對多點對點的通信。在應用的過程中，藍牙技術主要體現(xiàn)在對家中情況的監(jiān)控，一方面是對家庭環(huán)境的遠程監(jiān)控，能夠?qū)崿F(xiàn)對家居中陽光、溫度等生活環(huán)境的調(diào)節(jié)。另一方面，則是對能源使用狀況進行監(jiān)控，在智能家居的環(huán)境下，用戶的水，電暖氣，煤氣等，這些都是重要的有關居住安全的部分。通過藍牙技術，能夠有效的將家庭的能源開關進行監(jiān)控檢查，消除安全隱患，提升家居生活的安全度。并且藍牙技術能夠提供自動計費服務，也就是通過藍牙無線技術，對家庭的用電、用水、用氣等設備的流量進行監(jiān)控，能夠有效的幫助用戶進行成本控制，減少成本消耗。但是就藍牙技術的缺點而言，傳輸距離過短是藍牙技術最主要的缺點，也正是由于這一原因，對于規(guī)模龐大的家庭網(wǎng)絡而言，藍牙技術并不適用，因此藍牙技術在智能家居中的應用有相當大的局限性。
2.4Z-wave技術
Z-wave是一種新型的低成本、低功率、高可靠度的短距離無線通訊技術。在室內(nèi)的有效覆蓋范圍大約是30米，在室外則可以超過100米。Z-wave技術適用于窄帶寬的場景下，Z-wave技術的傳輸頻率比較低，比較適用于短距離、小數(shù)據(jù)的雙向傳輸。Z-wave技術的特點是運輸速率低、能耗低、成本低、網(wǎng)絡容量大，另外Z-wave技術的安全可靠性是其主要的應用特點，也正是由于Z-wave技術的這些特點，決定了Z-wave技術能夠廣泛應用于住宅照明、商業(yè)控制等方面。在Z-wave技術的最初形成和設計時，所定位的就是智能家居無線控制領域。對于Z-wave技術而言，每一個Z-wave網(wǎng)絡都擁有自己獨立的網(wǎng)絡地址，在每個網(wǎng)絡中，包括控制節(jié)點在內(nèi)，可以最多容納232個有效節(jié)點。在Z-wave網(wǎng)絡中，所有節(jié)點都由主控制節(jié)點進行負責。Z-wave技術的結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，性能可靠，在未來的發(fā)展過程中，將不僅局限于智能家居，在其他領域的自動化方面，Z-wave無線網(wǎng)絡也將具有廣闊的發(fā)展前景。正如上文分析的那樣，Z-wave技術的主要優(yōu)勢就在于價格方面，Z-wave技術能夠以相當?shù)偷某杀?，建設出一個比較完善的局域網(wǎng)絡，并且在通信范圍之內(nèi)。將Z-wave網(wǎng)絡中的所有節(jié)點都能夠有效控制。當用戶家中的智能家居建設完成后，通過無線通信技術能夠有效的對家中的電氣設備進行監(jiān)控和管理。但是Z-wave技術的缺點在于在Z-wave無線網(wǎng)絡中，無限節(jié)點有限。雖然在理論上能夠最多容納263個有效節(jié)點，但是在實際應用過程中往往只有150個左右。并且，因為Z-wave無線網(wǎng)絡是一種樹網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，一旦出現(xiàn)分支的損壞，該分支底部的其他設備可能就無法與網(wǎng)關進行有效通訊，并且Z-wave無線通信技術沒有相應的加密流程，在安全性上有待進一步發(fā)展。
2.5ZigBee技術
ZigBee技術和Z-wave技術都具有能耗低、成本低、操作簡單、近距離的特點和優(yōu)勢。在應用ZigBee技術于智能家居的過程中，需要制定一定的架構(gòu)設計。在內(nèi)部網(wǎng)的建設方面。智能家居本身對于數(shù)據(jù)傳輸量的要求比較低，但是對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩杂直容^高，因為一旦在數(shù)據(jù)傳輸過程中信息傳遞失誤，就可能對家居設備造成錯誤的指令，進而導致家居設備的損壞。因此，要十分注重數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕肸igBee技術，通過在內(nèi)部網(wǎng)中設置相應的傳感器節(jié)點，能夠有效的建立健全相應的家居網(wǎng)絡，實現(xiàn)傳感器節(jié)點對于信息的收集和傳遞，進而進一步檢測家庭內(nèi)部的溫度以及家居設備的狀態(tài)。在智能家居中使用ZigBee技術的過程中，對于智能家居的控制系統(tǒng)有著較高的要求。首先對于設備的傳輸數(shù)據(jù)有要求，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不能太大，這是由于ZigBee技術自身傳輸速率比較低，在傳輸速率上一般是10kbps到250kbps之間，這就使得ZigBee技術的應用范圍比較有限，只能適用于對于速率要求不高的低數(shù)據(jù)傳輸場合。同時也正是由于ZigBee技術自身數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾实停虼嗽趨f(xié)議方面并不復雜，而且可以進行基于自身實際需求的靈活刪減，這就使得生產(chǎn)成本進一步降低。其次，采用ZigBee技術的控制系統(tǒng)中，要求設備的體積比較小，并且不能或不便設置電源模塊，如果要進行頻繁的更換電池，就會帶來一些不便性，而智能家居產(chǎn)品最重要的特點就在于方便操作、生命周期長。另外，ZigBee技術適用于通信范圍廣、網(wǎng)絡設備多，但是數(shù)據(jù)量不大的系統(tǒng)。ZigBee技術的使用能夠有效的對系統(tǒng)中的設備進行監(jiān)測或控制。一般在智能家居體系的結(jié)構(gòu)中，主要分為安防功能、通信功能、家電調(diào)控功能以及系統(tǒng)自主網(wǎng)功能，這些功能的實現(xiàn)往往需要三大主要模塊，第一模塊是GPRS網(wǎng)絡模塊。主要實現(xiàn)的是智能家居系統(tǒng)和用戶之間的遠程交互數(shù)據(jù)，用戶能夠在遠程進行控制管理，并且及時的響應警報和監(jiān)管動作。第二模塊是傳感器節(jié)點模塊。這一模塊的作用是將室內(nèi)各個智能設施的狀態(tài)信息進行收集。而第三模塊就是通信模塊。采用ZigBee通信模塊將傳感器收集到的信息上傳到家庭網(wǎng)關，然后進一步將遠端客戶的指令下發(fā)到傳感器分節(jié)點，再實現(xiàn)對于家居設備的遠程控制。ZigBee技術的優(yōu)點在于它是一種短距離雙向的無線通訊技術，具有容量高，成本低，損耗率低的優(yōu)勢，并且更重要的是它具有自恢復和自組織網(wǎng)絡的功能。這種獨特的自恢復功能使得ZigBee技術具有較高的安全性，因此，ZigBee技術是智能家居無線通信技術中最為常見的一種技術。出于安全性的考慮，ZigBee技術使用的是比銀行卡加密系統(tǒng)還要嚴格12倍的A1S加密系統(tǒng)。并且在ZigBee網(wǎng)絡中采用的是蜂窩結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠使每一個設備都能通過多種方式與網(wǎng)關進行通信，從而有效確保了整體網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。而且每個裝置內(nèi)部還設置有無線信號中繼功能，這種中繼功能能夠?qū)o線通訊的信息傳達到1千米遠的距離。在網(wǎng)絡節(jié)點方面，理論上ZigBee技術擁有65,300個網(wǎng)絡節(jié)點的容量，能夠充分滿足家庭網(wǎng)絡的覆蓋需求，同時雙向通信的ZigBee技術，不僅能夠?qū)⒂脩舻闹噶畎l(fā)送到家居設備中，而且在發(fā)送的同時，也能夠?qū)⒃撛O備的運行狀態(tài)和相關數(shù)據(jù)進行及時有效的反饋。ZigBee技術還具有重要的低功率的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)全電池供電，這就使得智能家居的便捷性和持續(xù)性大大提升。但是ZigBee技術雖然擁有如此多的優(yōu)勢，其最大的缺點就在于它的技術研發(fā)和應用的門檻很高，需要的開發(fā)技術也比較先進，開發(fā)難度大，只有擁有豐厚實力的企業(yè)才能進行有效的開發(fā)研究。
3小結(jié)
無線通訊技術作為智能家居發(fā)展的重點和關鍵領域，在未來的發(fā)展過程中，需要投入更多的技術進行研究、改善，使智能家居更好的進入人們的生活，使科技成為改善人們生活的重要推動力，使更多的人享受到科技的紅利。
參考文獻
[1]張洪雷,李春華,高建.無線通信技術在智能家居中的發(fā)展與研究[J].數(shù)字技術與應用,2020,38(09):40-42.
[2]王若晗,羅心烺,徐茂盛.Z-Wave無線通信技術在智能家居中的應用探究[J].通信電源技術,2020,37(06):202-203.
[3]鄭世華.無線通信技術在智能家居中的應用[J].信息通信,2016(04):259-260.
作者：耿啟龍 單位：青島賽維電子信息服務股份有限公司淄博分公司
