无线技术在家庭自动化的应用分析

文│ 福建省冠林科技有限公司 张展林

无线技术在家庭自动化的应用分析

文│ 福建省冠林科技有限公司 张展林

家居智能化发展至今，多种通信技术的应用层出不穷，无线通信技术以其自由、便捷的安装和使用优点，在家庭自动化的通信方式中已占有越来越重要的份额。目前，市面上的无线通信方式和协议比较多，不利于各厂家设备相互之间通信。本文主要对国内目前家庭自动化所采用的主流通信技术和协议的优点和缺点以及未来的发展趋势进行分析探讨。

家庭自动化 智能家居 无线技术 ZigBee Z-Wave Wi-Fi 蓝牙

1 引言

随着社会发展和科学技术的进步，在普通民用家庭中，各种各样的家用电器已具有一些可实现的智能控制功能，它们可以帮助人们实现家务劳动和家务管理的自动化，大大提高人们的物质、文化生活水平。

但在目前实际应用中，每个家庭的电器、灯具之间还是相对独立使用的，尚不能进行相互的联动控制，需要人为手动操作实现一些智能的控制与管理，若想实现真正家庭内的电器、灯具等智能化控制与管理，就必须有统一的管理平台来对家庭里所有的电器等进行相互统一的控制与管理，从而实现真正意义上的家庭自动化。

2 实现家庭自动化的控制方式

随着技术的发展，各种面向家庭自动化通信方式纷纷涌现，通常我们把这些技术按控制的方式分为两类：一类为有线通信方式，比如目前较为主流的电力载波技术、KNX/EIB总线通信技术、C-BUS以及DALI、DMX512、Lonwork等；另一类为无线通信技术，如433MHz、ZigBee、Z-Wave、蓝牙、Wi-Fi、红外通信等技术。

从实际应用中来看，有线技术与无线技术应用各有特点。有线技术更适用于前端市场，其抗干扰度高，通信技术更有保障；而无线技术恰恰相反，通常适合应用于后装市场，相对于有线的通信更符合人们对家庭自动化的要求。无线技术的应用若能与有线技术配合使用，更能显示出其优势。基于目前家庭自动化控制功能的需求以及对后续家庭自动化控制和管理的实际要求来分析，无线技术的应用将快速融入到家庭自动化的各控制系统中，而且其后续发展的趋势将更加迅速。本文将对一些主流无线技术的特点及在家庭自动化的实际中应用做一些分析探讨。

3 主流无线技术的分析

随着无线通信技术的发展，无线通信频段的资源越来越少。适用无线通信技术目前常见有433MHz(中国)、ZigBee、Z-Wave（欧洲和美国）、蓝牙、Wi-Fi及红外通信。

433MHz技术：433MHz频率相对于2.4GHz来说，它的信号穿透能力较强，传输距离更远。但是，由于其频率特点决定了它的传输速度不高，而且没有相应的通用标准协议支持，所以只能进行透明传输数据，保密性较差，容易被人破解。同时433MHz采用FSK调制方式，抗干扰能力差，容易受到同频信号干扰。其工作频率范围较窄（5kHz～25kHz），如果设备的晶振因长期使用而产生误差，都会引起工作频点漂移，从而造成系统不稳定甚至完全不能通信。

ZigBee技术：ZigBee通讯协议最大的优点在于它的低功耗，支持信号路由，自组网特性以及可快速建立网络联接；ZigBee联盟在2013年新增加对IPV6协议支持，使得ZigBee模块终端不用任何手动配置就可以轻松发现网络，并获得唯一的IPv6地址。这使ZigBee模块无需使用中间网关便能够加入互联网连接，方便用户远程对设备进行管理。

目前，ZigBee已在某些特定领域取得一定成果，但在面向普通家庭消费方面却没有得到较大的发展；虽然ZigBee联盟已经发布了针对家庭自动化的应用标准，但是由于ZigBee联盟并没有强制要求产品通过标准认证，反而因为ZigBee协议的开放性，使得每个厂家都可以采用它的底层协议来开发出自己的通信协议，造成市面上多数厂家的ZigBee产品不能相互兼容和通信。

Z-Wave技术：Z-Wave是由丹麦公司Zensys发布的一种无线组网规格，Z-Wave是基于射频、低成本、低功耗、高可靠、短距离的无线通信技术。工作频带为915MHz（美国）和868MHz，采用FSK（BFSK/GFSK）调制方式，数据传输速率为9.6kbps，主要针对家庭自动化领域。由于Z-Wave要求所有采用它的芯片方案的产品都必须通过它的认证，因此厂家生产的产品是可以相互兼容的，并在欧美普通消费市场上取得不错的占有率；普通消费者可以在超市和AMAZON网站上购买到带有Z-Wave认证的产品。然而它只支持868MHz和915MHz两种频率，目前这两个频率不属于国家明确规定的免执照频段，特别是915MHz频率刚好处于GSM频段内（GSM900MHz频段为890MHz～915MHz）。

蓝牙技术：采用2.4G频率的蓝牙。在新一代的蓝牙4.0标准发布之后，原先功耗大的缺点也在新版标准里得到修正，新的蓝牙标准同时兼容低功耗和高速传输数据的特点，以便在不同的使用情况下都可以得到满足。此外蓝牙4.0标准还修改了联机的延迟问题，新的标准联机建立仅需3ms即可完成。新的蓝牙标准在具有低功耗和低延时性能后已符合家庭自动化通信的基本要求；而且新的蓝牙技术得到了多家公司认可（如苹果、微软、谷歌等）。

Wi-Fi技术 ：Wi-Fi采用 802.11.54b 标准，主要是用于大数据快速传速及各个移动设备与互联网的联接。Wi-Fi的特点就是传输速率快，适用于大批量的数据传输。但是和ZigBee及新的蓝牙标准相比较，它的最大缺点就在于它的功耗比较大，而且重新加入网络需要3s以上的时间 ，因此，Wi-Fi要求所有的设备必须处于唤醒状态，这样就需要增加功耗。但是采用Wi-Fi作为通信方式最大的优势在于它可以通过无线路由器直接连接到互联网中，而ZigBee、蓝牙等其他通讯协议需要中间转换设备才能连入互联网。目前多个厂家正在解决Wi-Fi芯片存在的功耗大的问题，不久前，高通新发布的几款低功耗Wi-Fi芯片，具有耗电量小于 1mW 的睡眠模式，且由暂停状态到唤醒的速度比同类其他产品快4倍。相信不久以后会有更节能的Wi-Fi技术出现。

红外通信：红外通讯协议是基于红外线的传输技术。其最大优点是不受无线电干扰、传输速度快、方案成熟。目前电视、空调的遥控技术都是采用红外通信技术。但红外通信的距离短、角度小，需要对准目标才能使用，若遇障碍物将使通信中断，而且在户外容易受到强烈的太阳光干扰，不适合在户外使用。因此，红外通讯协议不符合家庭自动化大面积通信的要求。

4 无线技术在家庭自动化中实际应用

目前，家庭自动化的控制和管理主要体现在智能照明、智能安防监控、智能家用电器、智能医疗等与人们生活密切相关的领域。对于上述常用的几种无线技术，如何选择合适的无线技术以应对在家庭中实现自动化控制与管理功能的需求，接下来笔者将逐一进行分析。

（1）针对智能照明的应用：传统照明控制方式均采用一对一通过开关操作方式来实际控制，目前，这还是主流的控制方式，但对于一些照明点数多，而且控制功能复杂的照明需求，站在用户的角度，希望更先进的照明控制方式能补充或替代传统的控制方式，不仅可以简化一对一繁多的控制点，同时可以新增出更加智能控制的方式，如场景控制、组控群控、远程遥控、定时预约等，这些控制方式可以快速改变灯光情景，自动调节灯光亮度等。要想实现这些功能，我们需要把这些灯具、传感器、各种控制终端（手机、平板电脑等）之间互相通信，另外还需要各设备之间相互独立，当任意一个设备出现故障时，整个系统还可以正常工作。基于这些基本需求，ZigBee和Z-Wave两种可以自组网和支持网型连接结构的方案将有效解决这些问题。我们从目前市面上的无线智能照明系统设备也可以得到验证。

（2）针对智能安防监控的应用：近些年安防监控技术快速发展及价格的下降，使得家庭安防监控的理念也得到多数消费者认可，目前各种无线安防的传感器主要是采用433MHz和2.4G ZigBee两种方案标准，并且可与智能照明系统网络进行联动。如煤气传感器，当检测到煤气泄漏时，会发出报警提示并自动关闭煤气。在视频监控方面需要大的数据量传输，因此无线监控摄像头采用Wi-Fi传输方式，监控画面可通过Wi-Fi传送到互联网上，用户在办公室就可以看到家里的状态，但目前还没有采用低功耗的Wi-Fi芯片方案，因其存在功耗较高的缺点。

（3）针对智能家电方面的应用：近年来，国内几个大的家电厂家陆续推出各种智能热水器、空调、冰箱、冼衣机、电视等智能家电。智能家电不仅可以实现本地智能控制功能，通过WAP、WEP还可以实现远程控制管理功能，比如家里的热水器，用户即可以在本地进行智能控制，也可以在网上观察家里热水器的温度，并决定是否打开热水器预热等。实现这些智能控制与管理功能，智能家电的厂家采用无线Wi-Fi、红外通信等设备让消费者可以随时随地与家里的电器保持“沟通”。

（4）针对家庭医疗等其他应用：目前，无线技术在家庭自动化中，除了应用于智能照明、智能安防监控、智能家电等领域外，在国外，无线技术还广泛的应用于家庭医疗中，从而出现了各种无线测量设备，比如可穿戴的智能设备，通过使用蓝牙技术与各个家庭的管理终端设备或手机传输进行通信，即时发送用户的健康检查信息，医生可以通过手机或特定的Web服务站。

5 结束语

从上述几种无线技术的分析中，我们不难看出众多无线技术各有优劣，相互之间尚不能完全兼容，而多个通讯协议要想互相通信，就需要采用各自的协议转换器进行转换，这样将增加家庭自动化系统的成本和不稳定性。而站在整个家庭自动化控制和管理的角度来看，终端设备的厂家都盼望一种标准可以实现所有的要求，因此各个标准组织都在提高现有的技术方案以便抢占市场先机。当然，从目前来看Wi-Fi和蓝牙在各自领域都占有绝对的优势，市场上主流的芯片厂家也已推出Wi-Fi与蓝牙二合一的芯片方案。同样，随着家庭自动化应用功能的提升，不同无线技术之间的相互整合方案将会层出不穷，而随之对应的芯片方案将会整合更多的无线技术，而这些整合的方案将有效地推动无线技术更加快速进入家庭自动化的市场，促进家庭自动化的发展。