射頻與紅外通信技術的實踐應用研究

林章 林海

摘 要：智能家居通過網絡連接各種家電設備，滿足人們智能化家居生活的需要。為實現非智能家電設備智能化控制，文中分析了智能家居現狀、比較了各種無線通信技術組網的優缺點。在不影響原有布線的情況下，利用射頻與紅外通信技術，在智能控制網關的聯動下，將各類具備紅外遙控的家電設備、具備315/433 MHz射頻遙控的家電設備和普通設備進行組網，同時加入智能語音音箱，實現家電設備智能化控制。結果表明，用戶可以通過移動設備隨時隨地對家電進行控制，也可以利用語音對家電進行控制，真正實現家居智能化控制。

關鍵詞：家居智能化;網絡;組網;射頻;紅外;智能語音

中圖分類號：TP39;TN915文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）08-00-02

0 引 言

智能家居以住宅為平臺，通過網絡連接家庭中的各種家電設備，滿足人民對安全、舒適、智能化家居生活的需要。智能家居使用的主要技術包括傳感器、綜合布線、安全防范、自動控制、網絡通信等，其中網絡技術是實現智能家居的關鍵。目前用于智能家居的布線組網技術分為有線和無線兩種，無線技術因為其方便美觀、不破壞原有房屋裝修而逐漸成為智能家居布線的首選[1]。

1 智能家居的現狀

經過二十幾年的發展，智能家居越來越被外界看好，由于其具有巨大的市場空間，谷歌、蘋果、亞馬遜、阿里、小米等國內外科技巨頭紛紛耗巨資進入該行業。根據中投顧問發布的《2016—2020年中國智能家居市場投資分析及前景預測報告》顯示：2013年中國的智能家電產值已達1 000億元，到2020年終端設備的產值將達8 000億元，而這僅僅是圍繞智能家居的相關硬件、軟件及延伸服務的一部分，就整體而言，預計2020年中國智能家居市場的產值將超過萬億元[2]。

智能家居市場前景廣闊，但目前真實使用率和普及率較低，歸根結底主要有市場原因和行業技術原因。市場原因主要在于市場宣傳不到位及個別廠商缺乏創新;行業技術原因主要在于目前智能家居缺少統一的通信標準，缺乏兼容性，且非智能家居改造成本高、維護不便[3]。針對非智能家居改造成本高的問題，本文提出利用射頻與紅外通信技術改造現有非智能家電設備，使之成為智能家居的

方案。

2 無線通信技術

智能家居一般組網的通信技術分為有線和無線2種，若使用有線技術則需要在裝修前期規劃好，且后期更新維護成本高，因此隨著技術的發展逐漸被淘汰。而無線技術由于無需布線、無需破壞原有房屋布局、更新維護成本低，已逐漸取代有線技術成為智能家居組網技術的首選[4]。

智能家居中，無線組網技術一般包括WiFi、藍牙、ZigBee、射頻和紅外。

2.1 WiFi

WiFi技術是最常見的家庭網絡技術，得益于筆記本電腦和手機等移動設備的興起，WiFi技術在市場上有很高的普及率。WiFi技術使用2.4G或5G頻段，其特點是傳輸距離中等、速度快、普及率高，但安全性較差[5]。

2.2 藍牙

藍牙技術與WiFi技術均使用2.4G頻段，其特點是體積小、功耗低、成本低，但是受限于功耗，一般傳輸距離較短，設備間的兼容性差。

2.3 ZigBee

ZigBee技術因物聯網而生，其特點是功耗小、網絡容量大、時延低、能快速組網，但是傳輸速率極低，不適用于大量數據傳輸的場景。

2.4 射頻

射頻概念較廣，此處特指315 MHz和433 MHz頻率的射頻技術，其特點包括頻率免申請、結構簡單、成本低、傳輸距離遠，但相對來說安全性差、易被攻擊和破譯[6]。

2.5 紅外

紅外技術是使用較早的無線技術，其特點包括成本低廉、控制距離短、易受其他紅外光源干擾，同時具有方向性，但普通家電中普遍采用紅外遙控，在家居中普及率很高[7]。

3 無線射頻技術在智能家居應用實踐的控制方法

現代家庭中，按控制方式分類，家電設備一般分為3種，即具備紅外遙控、315/433 MHz射頻遙控和非遙控家電設備。

（1）具備紅外遙控的設備包括電視機、機頂盒、空調等，此類設備紅外遙控器的編碼不一致，不通用。

（2）具備315/433 MHz射頻遙控的設備包括電動窗簾、電動晾衣架、多色燈等。

（3）不具備遙控功能的設備包括熱水器、臺燈、各種照明燈等。

如何不改變原來的布線，又能合理利用已有家電設備功能，低成本地實現家具設備的智能化是智能家居需要重點解決的問題[8]。本文將結合前面分析的各種無線通信技術的優缺點，選擇射頻和紅外通信技術完成對一般家電設備的改造，實現智能家居的應用。

3.1 所需的智能控制網關

要實現一般家電設備的改造，需要對多個紅外遙控、射頻遙控及非遙控設備通過同一網關進行管理控制，因此需要該控制網關“學習”紅外和射頻遙控編碼，模擬遙控器對設備實現遙控。同時，為了實現手機、筆記本等移動設備的遠程控制，該控制網關需具備連接網絡的功能。目前，市場上已有多種針對智能家電設備的智能控制網關。

3.2 具備紅外遙控的家電設備

該類設備具有紅外遙控功能，本身攜帶紅外遙控器，利用智能控制網關可以對紅外編碼進行“學習”，之后就可替代原遙控器對家電設備實現控制。具備紅外遙控功能的設備可以在不改變布線的情況下實現智能控制。需要注意的是：由于紅外技術控制的距離一般在10 m以內，且抗干擾能力較差，所以智能控制網關如果不帶紅外遙控設備附件，則需要在家電設備10 m范圍內布置子控制器加以控制，且需要設置好控制器與家電之間的方向。子控制器可以通過WiFi通信技術與智能控制網關連接。

3.3 具備315/433 MHz射頻遙控的設備

該類設備的控制改造與之前提到的設備類似，只需利用智能控制網關的“學習”功能模擬原控制器的控制信號即可，且由于射頻技術支持的傳輸距離較遠，無需增加其他設備，因此一般家庭住宅內的設備均可實現遙控。

3.4 不具備任何遙控功能的家電設備

該類家庭設備需要進行一定的線路改造或直接加裝帶射頻遙控功能的開關。結合紅外和射頻遙控技術的特點，考慮到紅外遙控需要控制在一定的距離范圍內且兩種改造方式的成本相差不大，故提出采用射頻技術遙控家電設備。家電設備按照布線方式一般分為2類，即帶插頭的家電設備，如電風扇、臺燈、熱水器、電冰箱等;已在裝修時布線完成的家電設備，如各類照明燈。前者的改造非常簡單，只需在插座上增加一個具有射頻控制功能的無線射頻插座即可，智能控制網關對該無線射頻插座進行控制就相當于完成了對該家電設備的控制。需要注意的是：考慮到如熱水器、電冰箱等功率較大的家電設備，選用無線射頻插座時應選擇相應功率的插座。后者的改造需要改動控制開關，即更改原來的手動開關為無線射頻開關，更換完成后，就可通過智能控制網關進行控制，且遙控距離較遠。

3.5 實現移動設備控制和語音識別控制

一般的智能控制網關都可通過手機APP實現對網關下所有設備的控制，實現家電智能化。

智能家居語音識別技術能夠對用戶行為進行分析，并結合用戶的生活習慣，為用戶提供更加智能化的家居體驗[9-10]。語音識別技術一般利用語音AI平臺實現，目前市場上已有諸多智能語音音箱能夠實現對智能家電的語音控制。只需將該類設備連接智能控制網關，通過修改其中各類家電設備的名稱即可實現對家居的語音控制。

3.6 智能家居各類場景控制

完成各類家電的獨立控制后，可以利用智能網關自帶的功能設置各種實用的場景模式，如離家模式，用戶只需通過語音向智能語音音箱發出指令或直接通過APP啟動設置各類家電全部關閉;如起床模式，用戶可以設置部分燈開啟、電動窗簾開啟，該模式可以利用定時開啟或語音控制開啟。更多的模式用戶可以根據自己的需求進行設置，真正實現智能化控制。

綜上所述，改造后的智能家居系統如圖1所示。

4 存在的不足

上述智能家居系統能夠實現大部分家電的智能控制，用戶可以通過手機、筆記本電腦等移動設備或通過語音實現家電控制，真正實現家居的智能化。但由于系統均采用射頻和紅外通信技術對非智能化家電設備進行改造，因此存在一定的不足：如射頻技術的傳輸容量有限，無法接入需要大量數據傳輸的模塊;無法將監控接入系統實現安防監控功能等。這就需要智能控制網關做進一步改進，加入其他無線傳輸功能，目前最常見的做法是借助WiFi技術，在用戶對家電進行智能化控制的同時實現安防監控。另一個不足之處在于網絡安全問題，這源于射頻與紅外通信技術本身的技術缺陷，也源于智能控制網關的軟硬件安全漏洞。以上不足還需要市場在智能家居行業投入更多的資源進行完善。

5 結 語

綜上所述，利用射頻與紅外通信技術能將傳統家電設備在不改造原有布線的情況下，實現家電智能化，用戶可以通過移動設備隨時隨地對家電進行控制，也可以通過語音對家電進行控制，同時還可利用智能控制網關的場景定制功能實現個性化場景控制。

參 考 文 獻

[1]劉希偉.智能家居中的無線組網技術[J].計算機產品與流通，2018（8）：120.

[2]綦海娟.基于Android智能家居APP自動化測試系統的設計與實現[D].南京：南京郵電大學，2018.

[3]呂媛.智能家居的現狀、瓶頸及未來發展展望[J].智能建筑，2017（3）：29-31.

[4]司海飛，楊忠，王珺.無線傳感器網絡研究現狀與應用[J].機電工程，2011（1）：16-20.

[5]陳文周. WiFi技術研究及應用[J].數據通信，2008（2）：14-17.

[6]李航，陳后金.物聯網的關鍵技術及其應用前景[J].中國科技論壇，2011（1）：81-85.

[7]張利娜，洪顯昌.紅外通信的設計與實現[J].現代電子技術，2008（23）：87-89.

[8]甘能.無線射頻技術在智能家居中的應用實踐[J].自動化應用，2015（6）：21-23.

[9]牛可，張珣.智能家居語音識別通用語音AI云平臺的設計與實現[J].物聯網技術，2019，9（2）：68-70.

[10]黃子君，張亮.語音識別技術及應用綜述[J].江西教育學院學報，2010（3）：44-46.