智能家居無線通信技術(shù)發(fā)展與研究

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摘要:隨著時代的不斷進(jìn)步,智能設(shè)備已經(jīng)走入普通家庭,能夠?qū)崿F(xiàn)智能聯(lián)通、多設(shè)備互動、智能自動、主動學(xué)習(xí)的智能家居全生態(tài)鏈必將成為智能家居發(fā)展的方向,實(shí)現(xiàn)這些內(nèi)容無線互聯(lián)成為技術(shù)的核心,本文從智能家居的現(xiàn)狀入手,分析智能家居中多種無線通訊技術(shù)的應(yīng)用,并對各種技術(shù)進(jìn)行了對比分析。

關(guān)鍵詞:智能家居；無線通訊；智能AI；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

引言

近幾年隨著無線技術(shù)與人工智能的不斷發(fā)展,智能家居產(chǎn)業(yè)不斷壯大并迅速發(fā)展起來,原有的基于有線智能網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備已經(jīng)逐漸被無線設(shè)備取代,智能家居產(chǎn)業(yè)正向無線互通、智能自動、環(huán)保節(jié)能的方向發(fā)展。世界發(fā)達(dá)國家智能家居業(yè)的發(fā)展較早,技術(shù)相對成熟,我國的智能家居產(chǎn)業(yè)受技術(shù)普及、居民經(jīng)濟(jì)狀況等問題的影響較大,發(fā)展速度一般,但未來市場預(yù)期規(guī)模巨大。中國未來的智能家居至少有1.5億的用戶量,按每個用戶年平均消費(fèi)1000元計算,就會有1500億左右的市場,再加上初次建設(shè)時的投入,市場規(guī)范大概會在2000億,甚至?xí)?。因?智能家居行業(yè)在中國市場前景良好,未來一定會有越多的高科技企業(yè)加入到智能家居的行業(yè)中來。

1智能家居的現(xiàn)狀

我國智能家居的發(fā)展還處于初級階段,雖然用戶數(shù)量較大,但總體上質(zhì)量不高。智能家居的發(fā)展還存在很多的問題,如產(chǎn)品功能不完善,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,各廠商間設(shè)備難以互聯(lián)互通。同時現(xiàn)有產(chǎn)品的價格相對較高,因此很多家族用戶還都處于觀望之中,目前家居智能化一般至少要投入10～30萬元,但隨著智能家居產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,未來家居智能化的價格一定會更加便宜,功能也會更加的完善。從智能家居的產(chǎn)品形態(tài)上看,現(xiàn)在的智能家居,已經(jīng)從原來的單品智能化,演變成單品之間聯(lián)動,并逐漸向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化過渡。全面的系統(tǒng)化的智能感知并收各種信息,之后進(jìn)行自動的處理,讓用戶置身于全自動的家居之中是未來的發(fā)展方向,同時未來統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)也會陸續(xù)出臺,不同產(chǎn)品在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)下可以進(jìn)行數(shù)據(jù)互通,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多設(shè)備間自行聯(lián)動,這些過程基本上不需要用戶再去人為干涉,比如紅外傳感器感知到有人同時溫度傳感器感知到溫度稍低,則會自動開啟空調(diào),樓內(nèi)主人全部離開后,空調(diào)等設(shè)備自動關(guān)機(jī)。從控制器形態(tài)看:目前的智能家居產(chǎn)品主要還是手機(jī)控制,部分已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了各種控制方式相結(jié)合,比如觸控、語音、手勢等,無論是手機(jī)控制還是其它多種控制方式相結(jié)合,都還脫離不開人為干預(yù)的思路,這是和智能家居的真正含義相背離的?，F(xiàn)在感應(yīng)式的控制技術(shù)已經(jīng)基本成熟,正在不斷的擴(kuò)大應(yīng)用場景,感應(yīng)式控制使理想化的智能家居更進(jìn)一步,在這種控制模式下,系統(tǒng)會將原來的被動式人為控制,變?yōu)橹鲃訁⑴c控制,整個系統(tǒng)就像能讀懂人的內(nèi)心想法一樣,自動為主人服務(wù),讓你完全感覺不到它的存在,系統(tǒng)通過各種傳感器感應(yīng)周圍環(huán)境的各種信息,然后主動做出應(yīng)對策略,并完成相應(yīng)的操作。從技術(shù)層面,未來的智能家居發(fā)展和普及依賴于無線技術(shù)的發(fā)展和傳感器的廣泛應(yīng)用,依賴于人工智能、智能學(xué)習(xí)等技術(shù)的發(fā)展。

2當(dāng)前國內(nèi)智能家居行業(yè)面臨的主要問題

(1)國人對智能家居的認(rèn)知不足。中國人已經(jīng)開始享受科技發(fā)展帶來的很多改變,如移動支付、網(wǎng)絡(luò)購物等,家庭中也基本普及了WIFI,并且也用上了一些簡單的智能硬件,這些硬件基本都是基于WIFI的單個智能設(shè)備,如具有WIFI功能的空調(diào)、凈化器、智能音箱等,這些智能設(shè)備都是人為控制類的智能設(shè)備,大家對于能夠自動控制類的智能家居系統(tǒng)的了解還很少,對于這種控制方式還存在疑惑。(2)產(chǎn)品規(guī)格不一,未形成統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。國際的一些大公司已經(jīng)開始自行或幾家聯(lián)合起來研究智能家居的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),各大家基本都是各行其道,互相之間不兼容,設(shè)備技術(shù)壁壘,如高通公司設(shè)計開發(fā)的AllSeen聯(lián)盟,谷哥力推的Thread,蘋果公司設(shè)計的Home－kit等。對于智能家居行業(yè)來說通訊標(biāo)準(zhǔn)是其中最重要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),沒有統(tǒng)一的通訊標(biāo)準(zhǔn),就無法實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的互聯(lián)互通。(3)智能家居系統(tǒng)的價格較高。因?yàn)槲覈悄芗揖赢a(chǎn)品發(fā)展較晚,還未進(jìn)行量產(chǎn),研發(fā)成本較高,設(shè)備故障率較高導(dǎo)致維護(hù)成本較高,種種因素導(dǎo)致智能家居系統(tǒng)價格較高,這對于智能家居的普及也帶來了很大的影響。(4)信息安全存在隱患。物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸過程中,個人信息極易被黑客竊取,不法分子通過這些個人信息進(jìn)一步竊取用戶的財產(chǎn),會造成巨大的社會不穩(wěn)定,對智能家居未來發(fā)展構(gòu)成巨大威脅。如果智能家居產(chǎn)業(yè)在未來想占據(jù)較大一部分家居市場,就必須克服信息安全問題,加大信息的監(jiān)管力度[1]。

3智能家居無線技術(shù)應(yīng)用分類

當(dāng)前智能家居主流的無線通信技術(shù)包括以下四種:(1)WIFI無線通訊技術(shù)。WIFI是目前應(yīng)用最廣泛的無線通信技術(shù),已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各家庭與辦公環(huán)境中,現(xiàn)有的很多單體智能設(shè)備90%以上都依賴于WIFI,WIFI通信技術(shù)基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn),主要工作頻率為2.4GHz,調(diào)制方式:MIMO-OFDM/DSSS/CCK,數(shù)據(jù)傳輸速率為11Mbps以上,支持自組網(wǎng)(Adhoc)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)拓?fù)?支持14個通信信道;輸距離在100～300M,速率可達(dá)300Mbps,功耗10～50mA。當(dāng)然Wi-Fi也存在一些非常嚴(yán)重的缺點(diǎn)。第一個缺點(diǎn)就是WIFI技術(shù)安全性較差,WIFI的安全性問題是其致命性的一個缺點(diǎn),WIFI的數(shù)據(jù)包在相互的傳送過程中,很容易被外界攔截和接收,雖然可以進(jìn)行一定的加密限制,但對于一些高水平的黑客來說,破解這種加密方式也并不完全不可能。另一個缺點(diǎn)是信號的穩(wěn)定性不強(qiáng),容易被其它的無線電波信號干擾[2]。(2)藍(lán)牙無線通訊技術(shù)。藍(lán)牙芯片如圖1所示,藍(lán)牙技術(shù)也曾經(jīng)出現(xiàn)在早期的智能家居中,藍(lán)牙最大的優(yōu)勢在于組網(wǎng)簡單,應(yīng)用于單體或數(shù)量較少的智能設(shè)備中較方便,但期傳輸距離較近,組網(wǎng)數(shù)量較少,很大程度上影響了藍(lán)牙技術(shù)的普通,藍(lán)牙技術(shù)傳輸距離約2～30M,速率1Mbps,功耗介于zigbee和WIFI之間[3]。(3)Zigbee無線通訊技術(shù)。ZigBee模塊如圖2所示,ZigBee無線通訊技術(shù)是一種新生的短距離通信技術(shù)。其功能與藍(lán)牙相似,但相對于藍(lán)牙,ZigBee無線通訊技術(shù)的價格更低廉,組網(wǎng)方式靈活簡單,功耗也比較低,同時可接入的節(jié)點(diǎn)數(shù)最大可達(dá)65000個,通過ZigBee無線通訊技術(shù)可以十分方便的連接各種傳感器,通過傳感器實(shí)時采集各種環(huán)境信息,再對過控制器對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,因此ZigBee無線通訊技術(shù)的出現(xiàn)對于智能家居的普及具有十分重要的作用。同時ZigBee無線通訊技術(shù)還是國際通行的無線通訊技術(shù),很多技術(shù)已經(jīng)相對成熟,采用ZigBee技術(shù)開發(fā)產(chǎn)品的公司已經(jīng)初具規(guī)范,產(chǎn)品的已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家庭、農(nóng)業(yè)、工業(yè),尤其是工業(yè)和農(nóng)業(yè)等大范圍的工作場景,應(yīng)用更廣。ZigBee基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),工作頻率為868MHz、915MHz或2.4GHz,在國內(nèi)主要使用2.4GHz,調(diào)制方式:BPSK/OQPSK,支持星型、樹型和網(wǎng)狀(mesh)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?支持16個通信信道(2.4GHz)。傳輸距離50～300M,速率250kbps,功耗5mA,可以使用干電池供電,使用普通的兩節(jié)干電池供電,在數(shù)據(jù)處理量不是很大的情況下,一般可使用半年左右的時間。(4)KNXRF:RF即無線射頻技術(shù),RF無線射頻技術(shù)是一種非接觸式的自動識別技術(shù),無線射頻技術(shù)廣泛應(yīng)該于門禁、電子標(biāo)簽等應(yīng)用場景,從應(yīng)用角度已經(jīng)取代了原來接觸式IC卡。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中,很多地方采用了RF無線射頻技術(shù),但由于需要額外使用RF卡,因此在智能家居的應(yīng)用中不是十分方便。無線射頻技術(shù)基于EN50090-5-3,工作頻率為868MHz,調(diào)制方式:FSK,數(shù)據(jù)傳輸速率為16kbps,支持對等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?不支持網(wǎng)狀拓?fù)?支持3個快速信道和2個慢速信道。那么這四種無線技術(shù),各有特點(diǎn),各有所長,又都有缺點(diǎn),究竟哪一種最適合智能家居,哪一種最有可能成為智能家居無線標(biāo)準(zhǔn)呢？現(xiàn)在還無法回答這個問題,在很多復(fù)雜的家居環(huán)境中,單獨(dú)使用某一種技術(shù)是難解決的,因此需要多種技術(shù)相互配合。我國的智能家居的發(fā)展還有很長的路要走,各種技術(shù)還都不是很成熟,一段時間內(nèi)還無法形成真正的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。一種技術(shù)要成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),最關(guān)鍵的是擁有絕大多數(shù)的使用者和應(yīng)用場景。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的最終選擇權(quán)還是由用戶來決定的。要擁有絕大多數(shù)的使用者和應(yīng)用場景,需要無所不在的應(yīng)用,流暢的用戶體驗(yàn),完善的安全體系。作為智能家居企業(yè),應(yīng)當(dāng)拋開技術(shù)孰優(yōu)孰劣的成見,根據(jù)具體情況考慮適合的技術(shù)。企業(yè)應(yīng)把重心放在如何給用戶提供更好的應(yīng)用,更流暢的用戶體驗(yàn),更可靠的安全保障。當(dāng)智能家居逐漸普及到千家萬戶時,智能家居的無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)自然會浮出水面。

4我國智能家居行業(yè)未來發(fā)展趨勢

隨著時代的進(jìn)步,移動支付在慢慢取代現(xiàn)金支付,線上銷售在慢慢擠壓傳統(tǒng)銷售的空間,智能家居取代傳統(tǒng)家居也一是大勢所驅(qū)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新興技術(shù)相繼進(jìn)入智能家居行業(yè),眾廠商也各自形成了自己的特色產(chǎn)品,價格也逐步向平民化的趨勢邁進(jìn)。智能家居經(jīng)過十幾年的發(fā)展,已經(jīng)從前期的研發(fā)發(fā)展到了產(chǎn)品的應(yīng)用,功能也已經(jīng)有了質(zhì)的飛越。物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的飛速發(fā)展,為智能家居的發(fā)展提供了技術(shù)上的支持,通過物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了信息的實(shí)時采集與萬物互聯(lián),在此基礎(chǔ)上讓其更加的智能更貼心則是未來技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)[4]。

5結(jié)語

人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將進(jìn)一步推動智能家居產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,雖然現(xiàn)在智能家居產(chǎn)業(yè)還存在標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、市場需求低、價格相對較高等問題,但隨著90后、00后成為消費(fèi)體,60后、70后逐漸進(jìn)入老齡化,智能家居產(chǎn)品的市場需求將會逐漸增長,物聯(lián)網(wǎng)、人工智能將會與智能家居完美結(jié)合,為用戶提供更加舒適便捷的生活[5]。

參考文獻(xiàn)

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[5]趙虹鈞.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計[D].上海:上海交通大學(xué),2007.

作者：張洪雷 李春華 高建 單位：盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院