智能家居無線通訊網(wǎng)絡(luò)的適用性研究

宋艷玉　彭詩朦

【摘 要】本文主要分析了現(xiàn)有智能家居控制系統(tǒng)的體系架構(gòu)，通過比較Wifi，藍(lán)牙和Zigbee三種主流無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的特性，逐步探討三種無線通訊技術(shù)在智能家居中的適用性。

【關(guān)鍵詞】智能家居；Wifi；藍(lán)牙；Zigbee

0 引言

智能家居系統(tǒng)主要利用現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，無線通訊技術(shù)，自動控制技術(shù)，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)將家居中的各種設(shè)備無線化的連接到一起，從而實(shí)現(xiàn)智能安防，音視頻監(jiān)控，環(huán)境監(jiān)測以及遠(yuǎn)程遙控等功能。在智能家居系統(tǒng)中，組建物聯(lián)網(wǎng)的無線通訊技術(shù)為本文的主要研究內(nèi)容。鑒于智能家居系統(tǒng)無線通訊網(wǎng)絡(luò)低傳輸數(shù)據(jù)，低耗能，高節(jié)點(diǎn)容量，實(shí)時在線等特點(diǎn)，本文以Wifi，藍(lán)牙，Zigbee三種無線通訊技術(shù)為探討對象，研究適用于智能家居系統(tǒng)的無線通訊網(wǎng)絡(luò)。

1 智能家居系統(tǒng)體系架構(gòu)

本文研究的智能家居系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：由受控設(shè)備組成的無線信號采集控制發(fā)射器、負(fù)責(zé)內(nèi)外連接的多功能中心控制器、遠(yuǎn)程控制終端及相應(yīng)的控制接口。如圖1所示。

1.1 多功能中心控制器

多功能中心控制器主要有分析數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)控制的功能。其主要工作方式為：

終端設(shè)備通過傳感器發(fā)出數(shù)據(jù)信號，多功能控制中心利用無線信號采集控制發(fā)射器采集接收信號，并對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

對遠(yuǎn)程終端系統(tǒng)發(fā)送的控制信號進(jìn)行解析，將解析結(jié)果傳達(dá)給受控終端設(shè)備。從而實(shí)現(xiàn)對終端設(shè)備的控制及反饋工作。

1.2 遠(yuǎn)程控制終端

遠(yuǎn)程控制終端具有發(fā)送控制指令，接收反饋信息的功能。其主要工作方式為：

遠(yuǎn)程終端通過網(wǎng)絡(luò)，GPRS等方式向多功能中心控制器發(fā)送指令。

接收來自多功能中心控制器傳達(dá)的設(shè)備終端受控反饋信息。

1.3 無線信號采集控制發(fā)射器

無線信號采集控制發(fā)射器具有無線組網(wǎng)，傳感器，控制器的功能。其主要工作方式為：

以無線通訊技術(shù)為基礎(chǔ)組成家庭內(nèi)部物聯(lián)網(wǎng)。而對于一些無法直接接入外部互聯(lián)網(wǎng)的無線通訊協(xié)議，需要在多功能中心控制器中加入網(wǎng)關(guān)設(shè)備，采集各設(shè)備終端傳感器傳來的數(shù)據(jù)信號。

接收多功能中心控制器解析的控制命令，并向設(shè)備終端發(fā)送控制消息。

2 智能家居物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)

2.1 智能家居物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的安全性需求

智能家居系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制檢測的主要功能，需要將家庭內(nèi)部包括溫度、光照、視頻、音頻、電器，門房等私密信息在智能家居節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行傳遞。而在網(wǎng)絡(luò)安全岌岌可危的現(xiàn)代社會中，如何保護(hù)這些隱私數(shù)據(jù)不被泄露，成為智能家居物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。因此對于組建物聯(lián)網(wǎng)的無線通訊技術(shù)有極高的安全防護(hù)能力要求。

2.2 智能家居物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)容量需求

智能家居物聯(lián)網(wǎng)受困于家庭內(nèi)部特殊環(huán)境的限制，需要一定的網(wǎng)絡(luò)容量來容納大量的電器，開關(guān)，電燈等設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)成為新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。并要求每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有及時進(jìn)入，自由移動變換的能力。

2.3 智能家居物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的成本需求

智能家居系統(tǒng)從1984年在美國的康涅狄格出現(xiàn)第一個實(shí)際建筑案例開始，到1994年進(jìn)入我國以來，在將近20年的發(fā)展歷程中一直處于緩步不前的狀態(tài)，除了技術(shù)和觀念等因素外，很大程度上是由于成本的居高不下。導(dǎo)致智能家居能夠成為高收入群體的適用型產(chǎn)品，卻在普通群眾社區(qū)的發(fā)展中舉步維艱。因此要求組建家庭內(nèi)部物聯(lián)網(wǎng)的無線通訊技術(shù)具有普及性，低成本的特性。

3 無線通訊網(wǎng)絡(luò)的適用性

我們將采用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的冒泡排序的方法探討比較出Wifi、藍(lán)牙、Zigbee三種無線通訊網(wǎng)絡(luò)對于智能家居的適用性。

3.1 Wifi與藍(lán)牙的比較

3.1.1 普及程度

Wifi作為目前全球應(yīng)用最為廣泛的短距離無線通訊技術(shù)，也是最為普及的一種網(wǎng)絡(luò)連接方式，其最大的優(yōu)勢可以說是應(yīng)用廣泛，普及性高。而藍(lán)牙在四五年前，Wifi技術(shù)遠(yuǎn)沒有達(dá)到現(xiàn)在的普及程度之前，藍(lán)牙是手機(jī)之間文件傳輸?shù)闹饕绞街弧Ｓ纱丝闯鲆阅壳暗钠占俺潭纫约斑m用范圍進(jìn)行比較，Wifi要優(yōu)于藍(lán)牙。

3.1.2 通訊方式

Wifi采用了一種可以實(shí)現(xiàn)同時一對多控制的通訊方式，一個家庭內(nèi)部路由器大概可以負(fù)載16個設(shè)備。藍(lán)牙采用的是點(diǎn)對點(diǎn)的一對一控制的通訊方式。由此比較出對于家庭內(nèi)部需要同時控制多個家用電器，燈光，開關(guān)設(shè)備的特殊情景下，Wifi要比藍(lán)牙具備更高的實(shí)用性。

3.1.3 傳輸距離

藍(lán)牙是短距離傳輸?shù)牡湫停瑐鬏敺秶?0到30米左右。Wifi的無線電波覆蓋范圍更加廣泛，半徑可以達(dá)到100米。由此可見對于家庭特定的空間環(huán)境，Wifi的傳播范圍適用性要優(yōu)于藍(lán)牙。

3.1.4 傳輸速率

藍(lán)牙的傳輸速率為1mbps，Wifi的傳輸速率為11mbps。可以看出在傳輸大數(shù)據(jù)量的情況下，藍(lán)牙的傳輸效率會顯得有些拖沓。

綜上，在Wifi和藍(lán)牙的冒泡排序法比較中Wifi要優(yōu)于藍(lán)牙。

3.2 Zigbee與藍(lán)牙的比較

3.2.1 普及程度

Zigbee之前主要運(yùn)用與工業(yè)領(lǐng)域，相較于藍(lán)牙而言，人們普遍比較陌生。所以在普及程度和接受性方面藍(lán)牙要優(yōu)于Zigbee。

3.2.2 通訊方式

Zigbee同Wifi相似，均采用一對多，多對多的通訊方式，在智能家居系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同時控制多個燈光設(shè)備，電器設(shè)備的目標(biāo)中Zigbee比藍(lán)牙要有一定的優(yōu)勢。

3.2.3 傳輸距離

由于Zigbee多應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，需要適應(yīng)工業(yè)環(huán)境下廣闊的傳播范圍，往往能達(dá)到1000米的傳播距離。由此可見對于家庭特定的空間環(huán)境，Zigbee的傳播范圍適用性要優(yōu)于藍(lán)牙。

綜上，雖然在普及性上藍(lán)牙優(yōu)于Zigbee，但從整體來看Zigbee更適用于智能家居系統(tǒng)。在Zigbee與藍(lán)牙的冒泡排序比較法中Zigbee要優(yōu)于藍(lán)牙。

3.3 Zigbee和Wifi的比較

3.3.1 安全性

Wifi采用射頻技術(shù)，通過空氣發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，使用無線電波傳輸數(shù)據(jù)信號，比較容易受到外界的干擾。并且數(shù)據(jù)包在傳遞的過程中都可以被外界檢測或接收，在信息安全上存在很大的隱患，雖然數(shù)據(jù)可以經(jīng)過加密后傳輸，但在數(shù)據(jù)包足夠多的情況下，仍有被黑客破解的可能。

Zigbee在可靠性方面有很多保證措施。在物理層采用了擴(kuò)頻技術(shù)，能夠在一定程度上抵抗干擾，MAC應(yīng)用層（APS部分）有應(yīng)答重傳功能。MAC層的CSMA機(jī)制使節(jié)點(diǎn)發(fā)送前先監(jiān)聽信道，可以起到避開干擾的作用。當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)受到外界干擾，無法正常工作時，整個網(wǎng)絡(luò)可以動態(tài)的切換到另一個工作信道上。

由此可見，面對智能家居對隱私安全性的高需求性方面，Zigbee無線通訊技術(shù)要比Wifi技術(shù)更具有適用性。

3.3.2 網(wǎng)絡(luò)容量

Wifi組網(wǎng)能力較低，擴(kuò)展空間受限制。Wifi網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)容量不超過16個節(jié)點(diǎn)，而在普通智能家居系統(tǒng)中開關(guān)，電燈的數(shù)量往往就要超過16個。可見Wifi并不能滿足智能家居系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)容量的基本要求。

Zigbee有較強(qiáng)的組網(wǎng)能力，一般可以容納65000個設(shè)備節(jié)點(diǎn)，滿足智能家居系統(tǒng)中大量網(wǎng)絡(luò)容量的要求。

由此可見，在滿足智能家居中網(wǎng)絡(luò)容量的特殊需求上，Zigbee技術(shù)相較于Wifi技術(shù)要更加適用于智能家居的實(shí)際應(yīng)用中。

3.3.3 功耗

從功耗上對Zigbee和Wifi兩種通訊技術(shù)進(jìn)行比較，以兩節(jié)5號干電池作為標(biāo)準(zhǔn)，Wifi可持續(xù)的最長工作時間為5天左右；而Zigbee的低耗電待機(jī)模式可以使得其持續(xù)工作6個月以上。由于其低功耗的特點(diǎn)讓得在智能家居應(yīng)用中占得一席之位，例如在智能門鎖等各類感應(yīng)器的應(yīng)用中進(jìn)行技術(shù)支持。由此可見，Zigbee得天獨(dú)厚的低功耗消耗特性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Zigbee技術(shù)。

3.3.4 開發(fā)成本

Wifi的技術(shù)研發(fā)門檻低，產(chǎn)品成本較低。以及近年來的應(yīng)用廣泛性，使得Wifi的普遍性較高。

以Zigbee為技術(shù)基礎(chǔ)的產(chǎn)品開發(fā)難度相對較大，而漫長的開發(fā)周期，常常使得一些還處于成長中的企業(yè)望而卻步。但由于Zigbee沒有產(chǎn)品專利費(fèi)用，使得Zigbee產(chǎn)品的成本非常低。

可見，在開發(fā)難度上Wifi要比Zigbee小的多，但在購買安裝成本上來看Zigbee跟適合與智能家居系統(tǒng)的低成本要求。

綜上，在安全性，網(wǎng)絡(luò)容量，功耗以及開發(fā)成本的比較中，Zigbee的特殊性能均優(yōu)于Wifi，可知在Wifi與Zigbee的冒泡排序法中Zigbee更占優(yōu)勢。

3.4 Wifi，藍(lán)牙，Zigbee基礎(chǔ)屬性

Wifi，藍(lán)牙，Zigbee的基礎(chǔ)屬性對比表，如表1所示。

4 結(jié)語

通過使用冒泡法對比了Wifi，藍(lán)牙，Zigbee三種無線通訊網(wǎng)絡(luò)的適用性后，可以得出以下結(jié)論：藍(lán)牙一對一，短距離的通訊方式，主要服務(wù)于移動設(shè)備，并不適用于智能家居的網(wǎng)絡(luò)要求；Wifi的普及性以及應(yīng)用性最為廣泛，傳播距離適中，但由于使用的射頻技術(shù)，信息安全性存在隱患，將對智能家居中的高信息隱秘性造成重大威脅，所以并不適用與智能家居的系統(tǒng)中；而Zigbee具有極高的信息安全可靠性，十分符合家庭內(nèi)部安全性的需求；由于Zigbee的低功耗特性以及沒有專利費(fèi)的優(yōu)點(diǎn)，使得Zigbee在購買安裝中成本相對低廉。在智能家居環(huán)境中需要極大的網(wǎng)絡(luò)容量來容納開關(guān)，電燈，電器等設(shè)備節(jié)點(diǎn)的特性上，Zigbee以其可以接入65000個設(shè)備節(jié)點(diǎn)的超強(qiáng)組網(wǎng)能力，完勝只有16個設(shè)備容量的Wifi技術(shù)。與此同時我們也不得不關(guān)注到Zigbee技術(shù)現(xiàn)如今開發(fā)難度大，開發(fā)周期長等難題，但相信隨著現(xiàn)代無線通訊技術(shù)的發(fā)展，這一問題將很快得到解決。

綜上所述，可得出結(jié)論在Wifi，藍(lán)牙，Zigbee三種無線通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，Zigbee要更適合于智能家居的應(yīng)用。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]