智能家居无线通信技术发展与研究

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摘要:随着时代的不断进步,智能设备已经走入普通家庭,能够实现智能联通、多设备互动、智能自动、主动学习的智能家居全生态链必将成为智能家居发展的方向,实现这些内容无线互联成为技术的核心,本文从智能家居的现状入手,分析智能家居中多种无线通讯技术的应用,并对各种技术进行了对比分析。

关键词:智能家居；无线通讯；智能AI；行业标准

引言

近几年随着无线技术与人工智能的不断发展,智能家居产业不断壮大并迅速发展起来,原有的基于有线智能网络的设备已经逐渐被无线设备取代,智能家居产业正向无线互通、智能自动、环保节能的方向发展。世界发达国家智能家居业的发展较早,技术相对成熟,我国的智能家居产业受技术普及、居民经济状况等问题的影响较大,发展速度一般,但未来市场预期规模巨大。中国未来的智能家居至少有1.5亿的用户量,按每个用户年平均消费1000元计算,就会有1500亿左右的市场,再加上初次建设时的投入,市场规范大概会在2000亿,甚至会更多。因此,智能家居行业在中国市场前景良好,未来一定会有越多的高科技企业加入到智能家居的行业中来。

1智能家居的现状

我国智能家居的发展还处于初级阶段,虽然用户数量较大,但总体上质量不高。智能家居的发展还存在很多的问题,如产品功能不完善,技术标准不统一,各厂商间设备难以互联互通。同时现有产品的价格相对较高,因此很多家族用户还都处于观望之中,目前家居智能化一般至少要投入10～30万元,但随着智能家居产业的发展,未来家居智能化的价格一定会更加便宜,功能也会更加的完善。从智能家居的产品形态上看,现在的智能家居,已经从原来的单品智能化,演变成单品之间联动,并逐渐向系统实现智能化过渡。全面的系统化的智能感知并收各种信息,之后进行自动的处理,让用户置身于全自动的家居之中是未来的发展方向,同时未来统一的标准也会陆续出台,不同产品在统一的标准下可以进行数据互通,进而实现多设备间自行联动,这些过程基本上不需要用户再去人为干涉,比如红外传感器感知到有人同时温度传感器感知到温度稍低,则会自动开启空调,楼内主人全部离开后,空调等设备自动关机。从控制器形态看:目前的智能家居产品主要还是手机控制,部分已经实现了各种控制方式相结合,比如触控、语音、手势等,无论是手机控制还是其它多种控制方式相结合,都还脱离不开人为干预的思路,这是和智能家居的真正含义相背离的。现在感应式的控制技术已经基本成熟,正在不断的扩大应用场景,感应式控制使理想化的智能家居更进一步,在这种控制模式下,系统会将原来的被动式人为控制,变为主动参与控制,整个系统就像能读懂人的内心想法一样,自动为主人服务,让你完全感觉不到它的存在,系统通过各种传感器感应周围环境的各种信息,然后主动做出应对策略,并完成相应的操作。从技术层面,未来的智能家居发展和普及依赖于无线技术的发展和传感器的广泛应用,依赖于人工智能、智能学习等技术的发展。

2当前国内智能家居行业面临的主要问题

(1)国人对智能家居的认知不足。中国人已经开始享受科技发展带来的很多改变,如移动支付、网络购物等,家庭中也基本普及了WIFI,并且也用上了一些简单的智能硬件,这些硬件基本都是基于WIFI的单个智能设备,如具有WIFI功能的空调、净化器、智能音箱等,这些智能设备都是人为控制类的智能设备,大家对于能够自动控制类的智能家居系统的了解还很少,对于这种控制方式还存在疑惑。(2)产品规格不一,未形成统一的行业标准。国际的一些大公司已经开始自行或几家联合起来研究智能家居的产品标准,各大家基本都是各行其道,互相之间不兼容,设备技术壁垒,如高通公司设计开发的AllSeen联盟,谷哥力推的Thread,苹果公司设计的Home－kit等。对于智能家居行业来说通讯标准是其中最重要的技术标准,没有统一的通讯标准,就无法实现设备间的互联互通。(3)智能家居系统的价格较高。因为我国智能家居产品发展较晚,还未进行量产,研发成本较高,设备故障率较高导致维护成本较高,种种因素导致智能家居系统价格较高,这对于智能家居的普及也带来了很大的影响。(4)信息安全存在隐患。物联网信息传输过程中,个人信息极易被黑客窃取,不法分子通过这些个人信息进一步窃取用户的财产,会造成巨大的社会不稳定,对智能家居未来发展构成巨大威胁。如果智能家居产业在未来想占据较大一部分家居市场,就必须克服信息安全问题,加大信息的监管力度[1]。

3智能家居无线技术应用分类

当前智能家居主流的无线通信技术包括以下四种:(1)WIFI无线通讯技术。WIFI是目前应用最广泛的无线通信技术,已经广泛的应用于各家庭与办公环境中,现有的很多单体智能设备90%以上都依赖于WIFI,WIFI通信技术基于IEEE802.11标准,主要工作频率为2.4GHz,调制方式:MIMO-OFDM/DSSS/CCK,数据传输速率为11Mbps以上,支持自组网(Adhoc)和基础结构拓扑,支持14个通信信道;输距离在100～300M,速率可达300Mbps,功耗10～50mA。当然Wi-Fi也存在一些非常严重的缺点。第一个缺点就是WIFI技术安全性较差,WIFI的安全性问题是其致命性的一个缺点,WIFI的数据包在相互的传送过程中,很容易被外界拦截和接收,虽然可以进行一定的加密限制,但对于一些高水平的黑客来说,破解这种加密方式也并不完全不可能。另一个缺点是信号的稳定性不强,容易被其它的无线电波信号干扰[2]。(2)蓝牙无线通讯技术。蓝牙芯片如图1所示,蓝牙技术也曾经出现在早期的智能家居中,蓝牙最大的优势在于组网简单,应用于单体或数量较少的智能设备中较方便,但期传输距离较近,组网数量较少,很大程度上影响了蓝牙技术的普通,蓝牙技术传输距离约2～30M,速率1Mbps,功耗介于zigbee和WIFI之间[3]。(3)Zigbee无线通讯技术。ZigBee模块如图2所示,ZigBee无线通讯技术是一种新生的短距离通信技术。其功能与蓝牙相似,但相对于蓝牙,ZigBee无线通讯技术的价格更低廉,组网方式灵活简单,功耗也比较低,同时可接入的节点数最大可达65000个,通过ZigBee无线通讯技术可以十分方便的连接各种传感器,通过传感器实时采集各种环境信息,再对过控制器对这些数据进行分析处理,因此ZigBee无线通讯技术的出现对于智能家居的普及具有十分重要的作用。同时ZigBee无线通讯技术还是国际通行的无线通讯技术,很多技术已经相对成熟,采用ZigBee技术开发产品的公司已经初具规范,产品的已经广泛应用于家庭、农业、工业,尤其是工业和农业等大范围的工作场景,应用更广。ZigBee基于IEEE802.15.4标准,工作频率为868MHz、915MHz或2.4GHz,在国内主要使用2.4GHz,调制方式:BPSK/OQPSK,支持星型、树型和网状(mesh)网络拓扑,支持16个通信信道(2.4GHz)。传输距离50～300M,速率250kbps,功耗5mA,可以使用干电池供电,使用普通的两节干电池供电,在数据处理量不是很大的情况下,一般可使用半年左右的时间。(4)KNXRF:RF即无线射频技术,RF无线射频技术是一种非接触式的自动识别技术,无线射频技术广泛应该于门禁、电子标签等应用场景,从应用角度已经取代了原来接触式IC卡。在工业物联网的应用中,很多地方采用了RF无线射频技术,但由于需要额外使用RF卡,因此在智能家居的应用中不是十分方便。无线射频技术基于EN50090-5-3,工作频率为868MHz,调制方式:FSK,数据传输速率为16kbps,支持对等网络拓扑,不支持网状拓扑,支持3个快速信道和2个慢速信道。那么这四种无线技术,各有特点,各有所长,又都有缺点,究竟哪一种最适合智能家居,哪一种最有可能成为智能家居无线标准呢？现在还无法回答这个问题,在很多复杂的家居环境中,单独使用某一种技术是难解决的,因此需要多种技术相互配合。我国的智能家居的发展还有很长的路要走,各种技术还都不是很成熟,一段时间内还无法形成真正的行业标准。一种技术要成为行业标准,最关键的是拥有绝大多数的使用者和应用场景。行业标准的最终选择权还是由用户来决定的。要拥有绝大多数的使用者和应用场景,需要无所不在的应用,流畅的用户体验,完善的安全体系。作为智能家居企业,应当抛开技术孰优孰劣的成见,根据具体情况考虑适合的技术。企业应把重心放在如何给用户提供更好的应用,更流畅的用户体验,更可靠的安全保障。当智能家居逐渐普及到千家万户时,智能家居的无线技术标准自然会浮出水面。

4我国智能家居行业未来发展趋势

随着时代的进步,移动支付在慢慢取代现金支付,线上销售在慢慢挤压传统销售的空间,智能家居取代传统家居也一是大势所驱。随着物联网、云计算等新兴技术相继进入智能家居行业,众厂商也各自形成了自己的特色产品,价格也逐步向平民化的趋势迈进。智能家居经过十几年的发展,已经从前期的研发发展到了产品的应用,功能也已经有了质的飞越。物联网行业的飞速发展,为智能家居的发展提供了技术上的支持,通过物联网已经实现了信息的实时采集与万物互联,在此基础上让其更加的智能更贴心则是未来技术发展的重点[4]。

5结语

人工智能和物联网的发展将进一步推动智能家居产业的发展,虽然现在智能家居产业还存在标准不统一、市场需求低、价格相对较高等问题,但随着90后、00后成为消费体,60后、70后逐渐进入老龄化,智能家居产品的市场需求将会逐渐增长,物联网、人工智能将会与智能家居完美结合,为用户提供更加舒适便捷的生活[5]。

参考文献

[1]陈功正,王腾,陆畅,等.人工智能时代智能家居行业发展研究[J].合作经济与科技,2018(9):13-15.

[2]王勇.浅析基于物联网技术的智能家居发展[J].智能建筑,2015(1):32-33.

[3]许丽萍.智能家电“智”者生存[J].上海信息化,2016(4):42-45.

[4]李佳.智能家居市场分析及未来发展趋势与前景[J].艺海,2016(12):156-158.

[5]赵虹钧.基于ZigBee技术的智能家居系统的设计[D].上海:上海交通大学,2007.

作者：张洪雷 李春华 高建 单位：盘锦职业技术学院