萬物互聯時代:智能家居有哪些無線技術?
2018-09-19

當5G牌照發放,5G網絡的普及也離我們不遠。一旦“萬物互聯”,標志著物聯網普及開始。而在“萬物互聯”中,智慧家庭又是與我們日常生活連接最緊密的。至少目前來看,智慧家庭已經呈現了“雛形”。而在當下的智慧家庭中,智能家居功不可沒。

目前,在我們的智慧家庭中,無線路由器、智能音響、互聯網空調、智能電飯鍋、互聯網冰箱、智能電視、智能手機、平板電腦等設備,都是的重要成員。而通過上述智能設備實現目前簡單的智慧家庭,靠的都是無線技術。在我們的認知中,無線技術通常指的是4G網絡、WIFI無線以及藍牙技術。事實上,除了這些無線技術外,智慧家庭中還有很多無線技術我們并不熟知,諸如低功耗藍牙、藍牙Mesh、RF 433和Z-Wave等,讓我們去看看吧!

■ 無線移動通信技術 ■

目前,3G已經漸漸淘汰,4G目前正在“服役”。隨著5G的到來,2020年開始,4G或許也要漸漸淘汰。至少在未來的萬物互聯時代,5G無線移動通信技術要主宰智慧家庭。

5G是第五代移動通信技術,5G的性能目標是高數據速率、減少延遲、節省能源、降低成本、提高系統容量和大規模設備連接。5G將于2020年4月完成部署,5G規范要求速度高達20 Gbit/s,可以實現寬信道帶寬和大容量MIMO。我們認為,5G商用之后,智能家居設備也會享受到這波紅利:更高的帶寬、更快的速度、更低的延遲。

首先傳輸速率快。5G的傳輸速率可以達到4G傳輸的10倍以上。由于智能家居之間仍然需要以互聯網為基礎,彼此之間進行數據連接時,網速快捷與否直接影響到了用戶的體驗。

其次是時延大幅減小。從4G向5G過渡時,時延也被大幅縮小。4G網絡的時延為10ms,但在5G網絡中,這個數字再度被縮小為1ms。目前在使用4G網絡對智能家居進行控制時往往時延較高,設備在交換信息時候會消耗一定的反饋時間。反映到實際使用之中就是在下達命令后需要停頓幾秒才能進行反饋,這樣的感受使人機交互大打折扣。

最后是網絡標準統一。目前,智能家居產品大都是以單件存在,我們對智能家居控制的方法基本通過手機進行直線“溝通”。但真正的智能家居網絡是各個設備之間的配合,甚至是各個品牌、各個型號之間的配合,5G的出現讓他們得到了統一。

■ Wi-Fi無線協議 ■

Wi-Fi是Wi-Fi聯盟制造商的商標做為產品的品牌認證,Wi-Fi聯盟成立于1999年,在2002年10月,正式改名為Wi-Fi Alliance。Wi-Fi是一個創建于IEEE 802.11標準的無線局域網技術?;諏教紫低車拿芮邢喙?,也常有人把Wi-Fi當做IEEE 802.11標準的同義術語。

到目前為止,IEEE 802.11的設備已安裝在市面上的許多產品,如:個人計算機、游戲機、MP3播放器、智能手機、平板電腦、打印機、筆記本以及其他可以無線上網的周邊設備等。隨著智能家居的出現,冰箱、電視、空調、音響設備甚至電飯鍋等,都開始支持Wi-Fi了。這些都是打造智慧家庭時常常需要用到的設備,這些設備通過Wi-Fi互聯,才能得到控制。

事實上,Wi-Fi網絡也可簡單理解為無線上網,目前,幾乎所有智能手機、平板電腦和筆記本電腦都支持Wi-Fi上網,其方法是把有線網絡信號轉換成無線信號。目前,IEEE 802.11在使用的主要有:IEEE 802.11n、IEEE 802.11ac、IEEE 802.11ad、IEEE 802.11ax幾種。

IEEE 802.11n:

由IEEE在2004年1月組成的一個新的工作組在802.11-2007的基礎上發展出來的標準,于2009年9月正式批準。該標準增加了對MIMO的支持,允許40MHz的無線頻寬,最大傳輸速度理論值為600Mbit/s。同時,通過使用Alamouti提出的空時分組碼,該標準擴大了數據傳輸范圍。

■IEEE 802.11ac:

它是一個正在發展中的802.11無線計算器網上通信標準,它通過6GHz頻帶進行無線局域網(WLAN)通信。理論上,它能夠提供最少每秒1 Gigabit帶寬進行多站式無線局域網通信,或是最少每秒500 megabits(500 Mbit/s)的單一連線傳輸帶寬。

■IEEE 802.11ad:

無線千兆聯盟(Wireless Gigabit Alliance,WiGig)致力于推動在無執照的60 GHz頻帶上,進行數千兆比特(multi-gigabit)速度的無線設備數據傳輸技術。此聯盟于2009年5月7日宣布成立,于2009年12月推出第一版1.0 WiGig技術規格(802.11ad)。

■IEEE 802.11ax:

2017年推出,由于先前802.11ad主要在于60GHZ頻段,雖然增長了傳輸速度,但是其覆蓋范圍受到限制,便成為輔助802.11ac的功能性技術。 依照IEEE的官方項目,繼承802.11ac的第六代Wifi為802.11ax,自2018年起推出支持的分享器。

■ 藍牙無線技術 ■

我們知道,藍牙是電子產品不可缺少的功能??衾堆籃?,兩個產品可以持續的數據傳輸,比如手機之間藍牙傳文件、藍牙無線耳機聽歌和使用藍牙鍵鼠等。這種持續性能夠滿足以上的使用情景,但代價是較高的功耗。再加上藍牙的有效傳輸距離非常近,不支持大量設備同時連接,所以 “新”協議就在智能家居領域出現,比如低功耗藍牙、藍牙Mesh!

首先是普通藍牙,藍牙技術是基于低成本的近距離無線連接,為固定和移動設備建立通信環境的一種特殊的近距離(一般10m內)無線技術連接。藍牙作為一種小范圍無線連接技術,能在設備間實現方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗的數據通信和語音通信。目前市面上使用藍牙的智能家居產品包括智能門鎖、智能音箱、溫濕度計等。

目前藍牙4.0是主流,它是2012年最新藍牙版本,是3.0的升級版本;較3.0版本更省電、成本低、3毫秒低延遲、超長有效連接距離、AES-128加密等;通常用在藍牙耳機、藍牙音箱等設備上。但很多設備開始使用藍牙5.0,它是由藍牙技術聯盟在2016年提出的藍牙技術標準,藍牙5.0針對低功耗設備速度有相應提升和優化,藍牙5.0結合wifi對室內位置進行輔助定位,提高傳輸速度,增加有效工作距離。

其次低功耗藍牙

低功耗藍牙是普通藍牙的進階版,功耗變低、傳輸距離增強,與設備的配對連接時長大幅減小。低功耗和普通藍牙的工作頻段(2.4GHz ISM)一樣,不過不會在開啟后一直工作,而是只在需要傳輸數據時工作,不需要時處于低功耗休眠狀態。低功耗藍牙開啟后和設備建立連接只有幾毫秒的延遲,而普通藍牙則有100毫秒左右。

正是這種“即起即?!鋇奶匭?,讓低功耗藍牙可以在休眠的情況下也不影響使用但由于需要休眠,低功耗藍牙不適合長時間傳輸,只適合短時傳輸,如語音喚醒。目前,市面上使用低功耗藍牙的智能家居產品包括智能鬧鐘、語音控制器和智能抽屜開關等。

最后是藍牙Mesh,藍牙Mesh在2017年問世,與此前的藍牙最大不同,藍牙Mesh支持Mesh組網。和Mesh路由器原理類似,通過多個設備的網狀分布讓很大范圍內的所有設備都能享受到高質量的連接。只要版本在4.0或以上,而且設備的配套硬件性能足夠,任何普通藍牙設備都能通過OTA升級的形式支持藍牙Mesh。所以,藍牙Mesh最大的優勢是用戶不用買網關。因為包括手機在內的幾乎大量智能設備都有藍牙。

■ ZigBee與Z-Wave ■

事實上,在藍牙Mesh誕生13年前,另一種Mesh網絡協議——ZigBee就已經存在了。ZigBee和藍牙采用了同樣的2.4GHz頻段,都是用于短距離的少量數據傳輸,功耗也很低。由于競爭對手很少,ZigBee在智能家居興起的早期就被許多產品所采用。導致它成為了目前智能家居領域使用最廣泛的協議之一。和同類低功耗協議一樣,ZigBee主要被應用于使用電池的設備上,比如家電控制開關、人體傳感器和溫濕度傳感器等。

同樣,Z-Wave也是一種Mesh組網中近距離低數據量傳輸協議,具備了低功耗的特性。Z-Wave的頻段比較特殊,使用了908.42MHz或868.42MHz這兩個頻段。雖然藍牙Mesh和ZigBee使用的2.4GHz頻段十分擁擠,干擾問題較多。但之所以2.4GHz頻段擁擠,是因為世界各地都允許民用產品使用這個頻段。Z-Wave的頻段就那么通用,在很多國家都會受限制。

再加上Z-Wave??槌殺靖哂赯igBee、Z-Wave聯盟的協議標準更加嚴格,所以Z-Wave在智能家居產品中沒有ZigBee常見,尤其是國內。主流品牌的智能家居產品中幾乎沒有使用Z-Wave的,Z-Wave只存在于一些小品牌產品上。

■ RF433與6LoWPAN ■

RF433是一種采用433MHz頻段的射頻協議,穿透力比較強,成本很低,但安全性很低。目前在國內智能家居產品中有少量應用,比如智能門鈴等。

而6LoWPAN是一個基于IPv6的新興無線協議,誕生的初衷是讓所有設備都能夠接入物聯網,即使這些設備的性能和續航很差。所以6LoWPAN對于設備續航和性能的要求很低。走了一個廉價、便捷、門檻低的路線。但6LoWPAN協議在目前還得到市場認可。


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