5G通信模組驅動的智能家居設備互聯效能優化研究

【關鍵詞】5G；物聯網；通信模組；智能家居；設備互聯

引言

在現代城市建設中，智能家居通過實時感知家庭環境與精準管控設備，顯著提升了用戶的居家生活品質。當前主流的設備互聯技術主要包括WiFi、藍牙和ZigBee三大類，這三類技術各具特色。其中，WiFi適合高速數據傳輸但功耗較高，藍牙以低功耗見長卻受限于傳輸距離，ZigBee則在組網能力上表現突出。隨著5G、物聯網、大數據等新一代技術的突破性發展，智能家居行業迎來重要變革，其中5G技術憑借高速率、超低時延、海量連接三大核心優勢成為推動智能家居行業創新發展的核心動力。從實際發展角度來看，5G技術不僅解決了傳統互聯方案的傳輸瓶頸，還依據云端協同計算實現了跨設備智能聯動，為構建真正萬物互聯的智慧家庭奠定了堅實基礎。

一、5G蜂窩物聯網通信模組的概念及技術標準

（一）5G蜂窩物聯網

蜂窩互聯網是一個基于第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）全球標準快速發展的生態系統，現已得到了移動網絡運營商、網絡基礎設施供應商等多方面的合作支持，能夠提供全球覆蓋范圍，實踐應用高度可靠，性能較強，安全性高。隨著5G技術的進一步融合，各行各業都開始探索蜂窩物聯網如何從根本上改變自身的運營方式，5G技術的優勢在于支持大量物聯設備，滿足各種速度、帶寬以及服務質量要求[1]。

（二）關鍵技術

蜂窩通信模組的核心關鍵技術依賴于基帶芯片平臺，目前5G基帶芯片平臺廠家包括了高通、紫光展銳等。有關5G通信模組的研發工作，是一項技術難度相對較高的開發過程，其中包含電子元器件千余個，關鍵技術主要體現在以下方面。

第一，模組軟硬件標準化。其主要用來解決不同通信制式和芯片平臺之間的相互兼容性問題，可以聯合運營商推進行業的硬件封裝標準化，統一對外接口，縮小硬件尺寸，確保不同類型的蜂窩模組相互兼容，降低模組供應風險[2]。

第二，算力集成。浮點數運算能力持續提供行業客戶智能化發展所需的基礎依據，可以在蜂窩模組中集成強大的傳輸速率和運算能力，方便模組應用進一步延展。一般來講，模組集成算力主要體現在自然語言處理、視覺建模、智能交互、傳感器的數據感知等多方面。

第三，低功耗與低延時。在技術開發中，可以運用連接態不連續接收（Connected Discontinuous Reception，CDRX）在連接狀態下進行不連續的數據接收，讓用戶設備（User Equipment，UE）周期性進入睡眠狀態，以此實現功能消耗。運用平均功率跟蹤（Average Power Tracking，APT）和包絡跟蹤（Envelope Tracking，ET）實現模組射頻功率的自動跟蹤，科學調節模組發射的射頻功率，以此實現功能消耗下降[3]。

二、5G通信技術與智能家居系統間的關系及其功能模塊

（一）關系分析

智能家居系統作為一種利用物聯網等先進技術實現家居設備互聯互通的綜合性解決方案，聯合研究5G通信技術和智能家居系統，不僅能夠顯著提升用戶的使用體驗，還可以解決現有智能家居設備數據傳輸慢、系統穩定性較差等問題。相比傳統的4G網絡，5G通信技術具有低功耗和高可靠性的特征，這為新時期智能家居行業發展帶來了新的機遇。具體而言，5G的低功耗特性在一定程度上延長了智能設備的工作時間，減少了用戶的日常維護成本，其高可靠性保障了家庭網絡的連續性。

（二）功能模塊

現階段，智能家居系統的主要功能模塊分為以下內容。

第一，智能控制。這一模塊屬于智能家居系統的中樞部分，主要負責協調管理家居環境中的所有智能設備，可以依據5G通信技術保障設備間實時傳輸信息并積極響應，用戶可以利用終端遠程操控家居設備，根據環境參數自動調節設備運行狀態。

第二，安防監控。這一模塊屬于智能家居系統運行的重要保障，可以借助5G通信技術迅速傳遞警報信息，及時報警和應急響應。

第三，環境調節。這一模塊主要負責調節智能家居系統的節能性和舒適度，能夠運用5G通信技術調節設備運行狀態，創造安全舒適的生活環境。

第四，娛樂服務。這一模塊能夠提升家居生活品質，可以借助5G通信技術有機結合在線購物、社交媒體等服務功能，真正實現一站式家居生活服務體驗[4]。

三、基于5G蜂窩物聯網通信模組的智能家居設備互聯設計與實現方案研究

（一）平臺架構

運用5G蜂窩物聯網通信模組構建互聯互通的智能家居設備平臺，其涵蓋設備連接、數據交互、控制邏輯處理以及服務整合等核心功能，同時架構設計依據所需功能模塊分層處理，以此確保各層級之間職責清晰，數據通信安全有效。

為滿足智能家居設備互聯互通，平臺主要包含以下內容。

第一，設備層。該層次是平臺架構的基礎，包含智能家居系統運行所需的所有設備，如環境感知設備、安全防護監控設備、智能照明設備等。這些設備在有效接入平臺后，能夠實時上傳工作狀態。在系統運行時，為滿足各類設備的兼容性和可擴展性要求，優先采用標準化的通信協議，如藍牙、WiFi、ZigBee等，以此確保不同類別和型號的設備能夠順利接入平臺。

第二，網絡層。該層次主要負責設備之間的數據傳輸與有效通信。為了保障設備數據傳輸的安全性和穩定性，切實提高通信服務的效率和質量，可以利用成熟的通信協議和傳輸技術，如受限應用協議（Constrained Application Protocol，CoAP）、消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協議，同時合理引入加密技術，如傳輸層安全性（Transport Layer Security，TLS）協議等，這樣既能確保數據高效傳輸，又能對各項數據進行加密處理[5]。

第三，服務層。該層次是平臺架構的核心，能夠提供數據處理、控制邏輯執行、服務接口等重要功能。在設計時，依據模塊服務的可定制性和可擴展性，為用戶提供豐富的應用程序編程接口（Application Programming Interfaces，API）和軟件開發工具包（Software Development Kit，SDK），以此方便第三方開發者進行二次開發和技術集成。除此之外，服務層可以根據數據處理能力收集分析設備層傳輸的數據，并利用控制邏輯生成相應的控制指令，從而幫助用戶熟練操作各類設備。

第四，應用層。該層次是平臺架構的用戶界面，能夠向系統用戶提供直觀的操作界面和服務功能。在設計時，根據用戶體驗需求和界面友好性特征，支持多種終端設備運行，使用戶根據自身需求定制個性化服務功能。

第五，數據安全與隱私保護層。該層次是平臺架構的重要環節，在制定規范完善的數據安全機制后，合理運用安全審計、訪問控制、數據加密等技術手段，可以確保用戶數據始終保持安全隱私性。

（二）數據傳輸與處理

基于5G蜂窩物聯網通信模組的智能家居設備互聯互通平臺，采用分布式數據傳輸架構，該架構支持多種傳輸協議，能夠確保不同設備之間實現無縫連接。從數據傳輸設計角度來看，針對不同類型設備選擇適宜的通信協議。其中，智能傳感器可優先選擇低功耗藍牙協議，原因在于傳統藍牙功耗為100 mA，而低功耗藍牙協議功耗僅10 mA，這有助于有效延長設備續航時間。智能攝像頭可以采用5G通信協議，滿足高速傳輸數據需求。相比WiFi的Mbps級傳輸速度，5G通信協議有顯著提升，能夠保障高清視頻等大數據量信息快速傳輸。數據分析與處理可以選擇通用的JSON數據格式標準，實際數據解析時間可縮短約16%，數據儲存空間可節省約20%[6]。從數據處理設計角度來看，應按照不同數據類型和功能需求科學分類儲存數據。使用Redis內存數據庫處理實時性要求較高的數據，可方便用戶快速儲存和獲取；使用MySQL關系型數據庫處理需要長期儲存的資料，能夠有效避免數據遺漏或缺失；運用5G通信技術構建高效安全的數據處理流程，可使實際數據處理總時長縮短，數據有效響應率隨之提升。

（三）實驗研究

為了測試5G通信模組驅動下智能家居設備的互聯效果，各個功能模塊是否可以穩定運行，系統的兼容性是否滿足要求，按照圖1所示的流程進行評估。

可視化調光功能。用戶可在手機上隨意點擊某個房間，測試能否對該房間的燈光進行智能控制亮暗操作。實驗結果顯示，該功能能夠以3D形式向用戶直觀展示室內各個房間的燈光狀態，其不僅操作簡單、應用智能便捷，而且開發成本較低，具有較高的性價比。

智能監測功能。為驗證傳感器能否成功采集數據，先收集室內溫度傳感器、甲醛傳感器、光照強度傳感器所獲取的各項數據，然后利用現場人工收集的數據與之對比分析。實驗結果表明，智能系統收集的數據與現場人工收集的數據基本一致，且數據曲線持續動態變化，這就表明傳感器可以實現數據實時采集和有效上傳[7]。

人工智能語音控制功能。系統可借助智能音箱實現對家居設備進行語音控制。在系統穩定運行的情況下，用戶能夠利用移動終端智能化監控家居環境，同時根據需求將傳感器和電器接入系統，從而個性化定制系統功能。

四、發展趨勢及前景展望

（一）發展趨勢

在智能家居設備互聯場景中，5G通信模組能夠提升通信帶寬，便于信息的檢測與管理，使設備之間的感知更為精準，進而提高整個智能家居控制系統的智能化程度。未來以5G通信模組驅動的智能家居設備互聯將從以下幾方面推進。

第一，注重技術融合。人工智能技術與5G技術的融合創新，能進一步提升智能家居系統的智能化水平。通過運用機器學習算法深度分析用戶的行為習慣，可實現更加精準的設備控制和場景定制。

第二，引入區塊鏈技術能夠增強數據的安全性和可信度，為智能設備之間的數據共享和交互應用提供可靠保障，有效預防數據被篡改或泄露。

第三，擴大應用規模。未來智能家居設備的互聯互通平臺規模將不斷擴大，所包含的設備數量會持續增加。除了常見的家用設備和安防設備外，還將接入更多生活用品和公共設施，以此形成全方位、智能化的生活環境，如環境監測設備、智能停車系統、可采集用戶健康數據的設備等。

第四，強調個性定制。未來智能家居設備互聯平臺將更加注重滿足用戶的個性化需求，為其提供定制化的服務場景。用戶可以根據自身生活習慣自由搭配組合家居設備，創建獨特的智能生活場景，如在夜間為家長自動調節柔和燈光，為孩子提供明亮清晰的學習環境等。

（二）前景展望

5G通信技術的發展為無線智能家居及系統互聯提供了有力的技術支持，其不僅完善了智能家居生態系統的功能，還在一定程度上拓展了家居系統的應用邊界。從長遠發展角度來看，無線智能家居系統的新變化主要體現在以下幾個方面：首先，可以改變人們的生活模式，使生活與工作更加便捷，增強技術設備的實用性；其次，可以引導智能家居設備從功能型向智能模式轉變；最后，可以為人們提供多種場景模式，為智能化創造更多價值空間[8]。相比4G通信技術，5G通信技術的傳輸速率可達4G的10倍以上，這就意味著5G網絡能夠承載更多家居設備，有效保障系統與設備之間的數據交互更加穩定，進而構建高質量的智能家居系統，為用戶帶來更加便捷和智能化的居住體驗。

結語

現階段，智能家居行業已跨越初級發展階段，步入全面智能化的嶄新時代。隨著物聯網、大數據、云計算等前沿技術的廣泛普及，智能家居系統實現真正意義上的互聯互通。文章通過介紹5G蜂窩物聯網通信模組，分析了5G通信技術與智能家居系統的內在聯系及功能模塊，并且深入探討了基于5G的智能家居設備互聯平臺架構及功能服務，希望能夠為社會大眾提供更多智能生活體驗，積極推動家居行業邁向全新發展階段。

參考文獻：

[1] 陳璐.5G通信技術在智能家居方案設計中的應用探析[J].通信電源技術，2024，41（16）：2527.

[2] 李翠.5G背景下智能家居網絡融合研究[J].家電維修，2024（10）：7779.

[3] 李洪飛.5G通信技術在物聯網中的應用與挑戰[J].信息記錄材料，2024，25（07）：9597.

[4] 吳允強.物聯網技術在智能家居場景中的應用與拓展[J].中國寬帶，2024，20（03）：8284.

[5] 馬素娟.5G通信技術在物聯網領域的應用與發展趨勢[J].新潮電子，2025（03）：6163.

[6] 黃斌.5G網絡切片在智能家居中的應用[J].通信電源技術，2025，42（04）：189191.

[7] 陸代澤，唐暢勝，莫文東.基于5G物聯網的智能家居系統的研究與設計[J].廣西通信技術，2023（03）：15.

[8] 陳超敏.人工智能與5G通訊驅動下的信息技術課程創新與實踐[J].中國寬帶，2024，20（08）：139141.