智能家居中不同无线通信技术的运用
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关键词：无线通信技术；智能家居；蓝牙技术；Wi-Fi技术；Z-wave技术；ZigBee技术
随着互联网技术、无线通讯技术的迅猛发展，各种智能家居设备也越来越多地进入到人们的生活。除了满足人们基本的居家需求外，通过无线技术将各自原本独立的家居设备进行系统化的集成，能够提升人们居住的舒适度和便捷度，提升人们的生活质量。在无线通讯技术的支持下，人们能够随心所欲的控制家居环境。Wi-Fi技术、蓝牙技术、Z-wave技术、ZigBee技术等无线通信技术的有效应用，能够使家居控制更加智能化、自动化、人性化，使智能家居实现新的发展。
1智能家居的基本情况介绍
所谓的智能家居就是将人们居住的住宅，通过安全防范技术、网络通讯技术、音频视频技术、自动控制技术等多项技术进行综合，使家居生活成为一个统一有效的系统，提升家居生活的舒适性、安全性、便捷性。智能建筑最早出现于美国，后来逐渐得到普及。智能家居的发展离不开网络技术的成熟，在无线技术的支持下，能够有效地节省智能家居建设的成本，缩短智能家居的设计周期。智能家居最早出现和发展于发达国家，并且技术也比较成熟，后来随着我国经济的不断发展以及开放范围的不断扩大，智能家居在我国也有了飞速的发展。智能家居主要具有控制功能、遥控功能、集中控制功能等基础功能。
2.1无线通信技术
所谓的无线通讯技术，是利用电磁波信号在任意空间中实现传播和信息交换的一种通信方式。目前主流的移动通信技术主要包括Wi-Fi技术、蓝牙技术、Z-wave技术、ZigBee技术等，这些无线通讯技术在使用的频率调制的方式、最大作用距离、应用领域等方面各不相同，一般而言数据率越高，那么作用距离就越短。下面将介绍几种主要的无线通讯技术。如表1所示。
2.2Wi-Fi技术
2.2.1技术原理及特点Wi-Fi技术的最大优势在于它的传播速度快、有效距离长。在开放性领域，Wi-Fi技术的通讯距离可以长达305米，在封闭区域内通讯技术也可达100米左右，Wi-Fi技术与有线以太网络的有效整合，能够降低组网的成本[1]。Wi-Fi技术具有广阔的发展前景，也被广泛应用于我们的日常生活中。在智能家居领域Wi-Fi技术是十分常见的，基于Wi-Fi技术的智能家居组合能够提升用户的便捷性。
2.2.2Wi-Fi技术的优劣条件Wi-Fi技术的优势在于：不需要布线。突破了布线的限制，非常能够满足移动办公的需要，并且Wi-Fi技术十分的安全健康，不会对人体造成辐射或其他伤害。组建方式简单也是Wi-Fi技术的突出优势，仅仅需要无线网卡以及一台AP就能够实现无线网络的架设。与传统有线网络相比，Wi-Fi技术的架设费用和程序复杂度都是比较低的。在对于宽带的使用方面，Wi-Fi技术更具明显优势，当有线宽带网络连接到户后，仅需在电脑中安装一块无线网卡，就无需增加多余的端口，能够以共享的形式实现上网[2]。但是Wi-Fi技术并不是完美的，其最大的缺陷就在于稳定性弱、安全性低，并且Wi-Fi技术在使用的过程中也拥有相对较高的功耗，而且，目前Wi-Fi网络的实际规模有限，在应用中16个设备是规模的极限，但是在智能家居系统中所需连接的设备往往要远超过16个，因此这就使得Wi-Fi技术在智能家居应用中的生长空间受到一定的限制。
2.3蓝牙技术
2.3.1技术原理及特点蓝牙技术能够通过无线，将移动通讯设备之间实现有效的连接，能够进一步拓展形成巨大的无线通讯网络，进而实现语音和数据无线传播。蓝牙技术的主要特点包括：（1）适用范围广。蓝牙工作的ISM频段为2.4GHz，而这个频段是全球许多国家的允许范围，这个频段范围内无需向有关部门进行许可证的申请，因此十分的便捷。（2）蓝牙通讯技术能够实现语音和数据的同步传播。蓝牙采用的是电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道和异步数据同时传播的信道。（3）在蓝牙设备中能够建立起临时性的对等连接。蓝牙设备在网络中能够扮演主设备和其他设备的角色。所谓的主设备，就是指在组建网络时主动发起连接请求的设备，而当多个蓝牙设备连接成一个体系时，只能有一个主设备，其他的都属于从设备，蓝牙技术能够很好的实现主设备与从设备之间的对等连接。（4）蓝牙技术的抗干扰能力比较强，蓝牙采用跳屏方式来进行频谱的拓展。并且采用SIG接口，具有开放性。蓝牙设备本身体积很小，方便集成[3]。
2.3.2蓝牙技术的优劣条件蓝牙技术的优势在于作为一种快速跳频的短包技术和分布式的网络，能够有效的实现一对多点对点的通信。在应用的过程中，蓝牙技术主要体现在对家中情况的监控，一方面是对家庭环境的远程监控，能够实现对家居中阳光、温度等生活环境的调节。另一方面，则是对能源使用状况进行监控，在智能家居的环境下，用户的水，电暖气，煤气等，这些都是重要的有关居住安全的部分。通过蓝牙技术，能够有效的将家庭的能源开关进行监控检查，消除安全隐患，提升家居生活的安全度。并且蓝牙技术能够提供自动计费服务，也就是通过蓝牙无线技术，对家庭的用电、用水、用气等设备的流量进行监控，能够有效的帮助用户进行成本控制，减少成本消耗。但是就蓝牙技术的缺点而言，传输距离过短是蓝牙技术最主要的缺点，也正是由于这一原因，对于规模庞大的家庭网络而言，蓝牙技术并不适用，因此蓝牙技术在智能家居中的应用有相当大的局限性。
2.4Z-wave技术
Z-wave是一种新型的低成本、低功率、高可靠度的短距离无线通讯技术。在室内的有效覆盖范围大约是30米，在室外则可以超过100米。Z-wave技术适用于窄带宽的场景下，Z-wave技术的传输频率比较低，比较适用于短距离、小数据的双向传输。Z-wave技术的特点是运输速率低、能耗低、成本低、网络容量大，另外Z-wave技术的安全可靠性是其主要的应用特点，也正是由于Z-wave技术的这些特点，决定了Z-wave技术能够广泛应用于住宅照明、商业控制等方面。在Z-wave技术的最初形成和设计时，所定位的就是智能家居无线控制领域。对于Z-wave技术而言，每一个Z-wave网络都拥有自己独立的网络地址，在每个网络中，包括控制节点在内，可以最多容纳232个有效节点。在Z-wave网络中，所有节点都由主控制节点进行负责。Z-wave技术的结构简单，成本低廉，性能可靠，在未来的发展过程中，将不仅局限于智能家居，在其他领域的自动化方面，Z-wave无线网络也将具有广阔的发展前景。正如上文分析的那样，Z-wave技术的主要优势就在于价格方面，Z-wave技术能够以相当低的成本，建设出一个比较完善的局域网络，并且在通信范围之内。将Z-wave网络中的所有节点都能够有效控制。当用户家中的智能家居建设完成后，通过无线通信技术能够有效的对家中的电气设备进行监控和管理。但是Z-wave技术的缺点在于在Z-wave无线网络中，无限节点有限。虽然在理论上能够最多容纳263个有效节点，但是在实际应用过程中往往只有150个左右。并且，因为Z-wave无线网络是一种树网络结构，一旦出现分支的损坏，该分支底部的其他设备可能就无法与网关进行有效通讯，并且Z-wave无线通信技术没有相应的加密流程，在安全性上有待进一步发展。
2.5ZigBee技术
ZigBee技术和Z-wave技术都具有能耗低、成本低、操作简单、近距离的特点和优势。在应用ZigBee技术于智能家居的过程中，需要制定一定的架构设计。在内部网的建设方面。智能家居本身对于数据传输量的要求比较低，但是对于数据传输的安全性又比较高，因为一旦在数据传输过程中信息传递失误，就可能对家居设备造成错误的指令，进而导致家居设备的损坏。因此，要十分注重数据传输的安全性，而利用ZigBee技术，通过在内部网中设置相应的传感器节点，能够有效的建立健全相应的家居网络，实现传感器节点对于信息的收集和传递，进而进一步检测家庭内部的温度以及家居设备的状态。在智能家居中使用ZigBee技术的过程中，对于智能家居的控制系统有着较高的要求。首先对于设备的传输数据有要求，传输的数据量不能太大，这是由于ZigBee技术自身传输速率比较低，在传输速率上一般是10kbps到250kbps之间，这就使得ZigBee技术的应用范围比较有限，只能适用于对于速率要求不高的低数据传输场合。同时也正是由于ZigBee技术自身数据传输的速率低，因此在协议方面并不复杂，而且可以进行基于自身实际需求的灵活删减，这就使得生产成本进一步降低。其次，采用ZigBee技术的控制系统中，要求设备的体积比较小，并且不能或不便设置电源模块，如果要进行频繁的更换电池，就会带来一些不便性，而智能家居产品最重要的特点就在于方便操作、生命周期长。另外，ZigBee技术适用于通信范围广、网络设备多，但是数据量不大的系统。ZigBee技术的使用能够有效的对系统中的设备进行监测或控制。一般在智能家居体系的结构中，主要分为安防功能、通信功能、家电调控功能以及系统自主网功能，这些功能的实现往往需要三大主要模块，第一模块是GPRS网络模块。主要实现的是智能家居系统和用户之间的远程交互数据，用户能够在远程进行控制管理，并且及时的响应警报和监管动作。第二模块是传感器节点模块。这一模块的作用是将室内各个智能设施的状态信息进行收集。而第三模块就是通信模块。采用ZigBee通信模块将传感器收集到的信息上传到家庭网关，然后进一步将远端客户的指令下发到传感器分节点，再实现对于家居设备的远程控制。ZigBee技术的优点在于它是一种短距离双向的无线通讯技术，具有容量高，成本低，损耗率低的优势，并且更重要的是它具有自恢复和自组织网络的功能。这种独特的自恢复功能使得ZigBee技术具有较高的安全性，因此，ZigBee技术是智能家居无线通信技术中最为常见的一种技术。出于安全性的考虑，ZigBee技术使用的是比银行卡加密系统还要严格12倍的A1S加密系统。并且在ZigBee网络中采用的是蜂窝结构，这种结构能够使每一个设备都能通过多种方式与网关进行通信，从而有效确保了整体网络的稳定性。而且每个装置内部还设置有无线信号中继功能，这种中继功能能够将无线通讯的信息传达到1千米远的距离。在网络节点方面，理论上ZigBee技术拥有65,300个网络节点的容量，能够充分满足家庭网络的覆盖需求，同时双向通信的ZigBee技术，不仅能够将用户的指令发送到家居设备中，而且在发送的同时，也能够将该设备的运行状态和相关数据进行及时有效的反馈。ZigBee技术还具有重要的低功率的特点，能够实现全电池供电，这就使得智能家居的便捷性和持续性大大提升。但是ZigBee技术虽然拥有如此多的优势，其最大的缺点就在于它的技术研发和应用的门槛很高，需要的开发技术也比较先进，开发难度大，只有拥有丰厚实力的企业才能进行有效的开发研究。
3小结
无线通讯技术作为智能家居发展的重点和关键领域，在未来的发展过程中，需要投入更多的技术进行研究、改善，使智能家居更好的进入人们的生活，使科技成为改善人们生活的重要推动力，使更多的人享受到科技的红利。
参考文献
[1]张洪雷,李春华,高建.无线通信技术在智能家居中的发展与研究[J].数字技术与应用,2020,38(09):40-42.
[2]王若晗,罗心烺,徐茂盛.Z-Wave无线通信技术在智能家居中的应用探究[J].通信电源技术,2020,37(06):202-203.
[3]郑世华.无线通信技术在智能家居中的应用[J].信息通信,2016(04):259-260.
作者：耿启龙 单位：青岛赛维电子信息服务股份有限公司淄博分公司
