關于無線電技術在智能家庭系統中應用的探討

姜 偉，張 珣

（國家無線電監測中心哈爾濱監測站，黑龍江 哈爾濱 150010）

智能家庭系統是指以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、無線電通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將與家居生活有關的設施集成[6]，利用各種感知技術接收探測信號，通過數據收集、智能分析后予以判斷，并發出指令使家中電器、安防、照明等設備裝置做出相應動作，實現住宅環境、用戶需求與家電設施相協調，從而創造出舒適、安全、便捷、高效、節能的家居生活環境。

1 智能家庭的發展現狀

目前，我國的智能家庭產業還處在初級發展階段，智能開關、智能插座以及智能電器正在不斷與人工智能技術和云計算技術相結合，發展空間巨大[3]。智能家庭良好的市場前景使得該產業中不僅包含傳統家用電器企業，另有很多新興互聯網產品企業紛紛加入，國內外市場均涌現出許多智能家庭品牌。例如國內的小米、華為；國外的蘋果、飛利浦等。據預測，未來兩年（2021—2023年）中國智能家居市場規模將以每年30%～40%的速度增長，到2023年中國智能家居的市場規模有望突破5 000億元[5]。

圖1 智能家庭系統常見設備

現如今，雖有較多用戶選擇先行體驗并購買了市面上的智能家庭系統和設施，但整體反饋的問題仍較多，特別是設備操作的智能性和命令執行的準確性仍有待提高。

在技術方面，智能家庭產業不僅涉及云計算和人工智能技術，無線電通信技術以及5G時代的加速到來，都在影響并促進著智能家庭產業的迅速發展[1]。無線電通信技術作為多臺智能設備連接和收發命令的隱形橋梁，對設備之間的響應速度有著至關重要的作用，同時間接影響著用戶體驗[2]。目前市場上的智能家庭設備均采用多種通信協議相互嵌套的連接方式實現對設備的控制，其穩定性較好，但信號延遲相對較高，且易受到網絡環境和供電情況的影響。這些情況均有待改進和提高。

2 智能家庭設備中的關鍵無線電通信技術

2.1 Wi-Fi通信技術

Wi-Fi又被稱為“行動熱點”，是目前最常見、最普遍且廣泛應用在家庭、辦公室、商場等環境的無線電通信技術。目前的智能產品、手機以及其他移動設備大多依靠Wi-Fi技術來實現信息傳輸和交換，智能家庭系統也不例外。

Wi-Fi通信技術是一個創建于IEEE 802.11標準的無線局域網技術，其工作頻率為2.4 GHz，調制方式為MIMO-OFDM/DSSS/CCK，數據傳輸速率能夠達到11 Mbps及以上，并支持14個通信信道以及自組網、橋接和基礎結構拓撲，傳輸距離可達100～300 m。因此，將Wi-Fi通信技術應用在智能家庭系統中較為合適。在一個智能家庭環境中，Wi-Fi通信技術主要用來將體積相對較大或具有“中央控制”功能并且可直接接入互聯網的設備進行連接，比如語音助手或智能AI音箱與云端服務器的連接；智能電視與互聯網的連接；智能網關（其他小型智能設備、開關的集中控制器）云端服務器的連接等。通過Wi-Fi技術將用戶發出的語音指令傳輸至云端服務器進行識別和轉化，轉化后的指令再通過Wi-Fi回傳至想要操作的設備，從而實現對這類設備的操作和設置。

Wi-Fi通信技術雖目前已被廣泛應用，但其技術安全性較差的問題仍然存在。Wi-Fi的數據包在傳輸過程中極易被特殊手段攔截，雖然可以通過加密手段采取相應保護措施，但仍然有被“黑客”等不法分子利用的概率，在使用過程中仍要注意安全問題；此外，Wi-Fi還易受到其他信號或設施的干擾，導致信號不穩定、指令不能夠及時傳輸的現象，這些在未來智能家庭系統的發展過程中仍需加以考慮。

2.2 ZigBee通信技術

ZigBee這個名字來源于蜜蜂蜂群的特點和交流方式，是一種新生的短距離無線數傳技術，其功能與藍牙相似，但ZigBee網絡的通信距離可以從標準的75米到幾百米、幾千米，并且支持無限擴展。具有價格低廉、網絡容量大、組網方式靈活、數據安全、功耗較低（節能）等優點[4]。ZigBee網絡最多能夠容納在同一系統或區域中包括一個主設備在內的一共254個子設備，十分適用于智能家庭里小型智能設備之間的互聯[7]。

智能網關作為小型智能設備和開關的集中控制器，就是通過ZigBee通信技術實現對局域網內各傳感器、智能開關以及主機等設備的信息采集、信息輸入、信息輸出、聯動控制等功能的。因此當一些小型智能設備（如電動窗簾、智能開關等）接通電源后，其基本設置、組網以及后期的遠程操作均靠ZigBee與智能網關進行聯動來實現。通常是用戶從移動端App或智能語音助手發布命令，命令先通過Wi-Fi通信技術上傳至云端，云端服務器解析后再通過Wi-Fi將命令回傳至要操作的設備所綁定的智能網關，智能網關再通過ZigBee將指令發送給相關設備或對設備信息進行采集，以此實現智能控制。

2.3 藍牙通信技術

2.3.1 傳統藍牙通信技術

藍牙作為一種小范圍無線連接技術，已被廣泛應用于日常生活中，比較常見的是通過藍牙進行音樂播放和傳輸文件。藍牙通信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，因此成為實現無線個域網通信的主流技術之一。

藍牙工作在全球通用的2.4 GHz ISM（即工業、科學、醫學）頻段，使用IEEE 802.15協議，其功耗介于ZigBee和Wi-Fi之間，傳輸距離約為2～30 m，組網配對十分簡單，因此經常被應用于智能家居設備的近距離查找、輔助組網、輔助配置等用途[8]。

2.3.2 藍牙Mesh通信技術

英文單詞Mesh的本義為網狀物、網狀網，傳統的藍牙傳輸技術只能一對一近距離單獨傳輸信息，而藍牙Mesh網絡則是基于藍牙技術而發展成的多對多的網絡結構。在這種拓撲中，由于很多節點可以中繼收到的消息，所以各個節點的通信距離會較單點之間的通信距離相對遠一些，網絡中各設備節點都可以與其他設備節點實現自由通信，因此也被應用于智能家庭設備之間的控制。

以米家智能家居為例，藍牙Mesh目前多用于智能燈具以及智能溫濕度計等設備與互聯網的連接。由于使用此技術的設備較小、數量不多，且彼此間能夠互相組網、互相傳輸數據，部分具有Wi-Fi連接模塊的智能設備（如智能浴霸、部分型號的小愛觸屏音箱）直接集成了藍牙Mesh智能網關功能，用戶無須單獨購買集中控制器。在使用過程中也是用戶通過手機客戶端或智能音箱下達指令，指令在云端轉換后通過Wi-Fi傳送至指定設備連接的藍牙Mesh網關（如智能浴霸、部分型號的小愛觸屏音箱），藍牙Mesh網關再傳送指令至指定設備，實現對其的控制和數據獲取。

圖2 智能家庭系統“聯動”關系示意

3 結束語

隨著智能家庭產業的不斷發展和進步，研究人員也在不斷探索能夠應用于智能電器聯動控制的無線電通信技術，設備之間連接、聯動和指令傳輸的穩定性依然在不斷完善，與智能家庭有關的規定、標準也在持續地創新和優化當中。目前市場中的智能家庭產品仍主要依靠無線局域網（Wi-Fi）通信技術、ZigBee通信技術以及藍牙通信技術來實現數據交換和信息傳輸，傳輸質量仍有待提高。

總體來說，目前的智能家庭系統仍處于初級階段，具有較大發展上升空間，未來的智能家庭系統將向著高穩定性、高安全性、高智能性的方向發展和進步，這也要求技術人員需進一步結合現有的通信技術和最新的設計標準來加強智能化設計，以帶給用戶更好的智能體驗。