智能家居無線通信技術發展與研究

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摘要:隨著時代的不斷進步,智能設備已經走入普通家庭,能夠實現智能聯通、多設備互動、智能自動、主動學習的智能家居全生態鏈必將成為智能家居發展的方向,實現這些內容無線互聯成為技術的核心,本文從智能家居的現狀入手,分析智能家居中多種無線通訊技術的應用,并對各種技術進行了對比分析。

關鍵詞:智能家居；無線通訊；智能AI；行業標準

引言

近幾年隨著無線技術與人工智能的不斷發展,智能家居產業不斷壯大并迅速發展起來,原有的基于有線智能網絡的設備已經逐漸被無線設備取代,智能家居產業正向無線互通、智能自動、環保節能的方向發展。世界發達國家智能家居業的發展較早,技術相對成熟,我國的智能家居產業受技術普及、居民經濟狀況等問題的影響較大,發展速度一般,但未來市場預期規模巨大。中國未來的智能家居至少有1.5億的用戶量,按每個用戶年平均消費1000元計算,就會有1500億左右的市場,再加上初次建設時的投入,市場規范大概會在2000億,甚至會更多。因此,智能家居行業在中國市場前景良好,未來一定會有越多的高科技企業加入到智能家居的行業中來。

1智能家居的現狀

我國智能家居的發展還處于初級階段,雖然用戶數量較大,但總體上質量不高。智能家居的發展還存在很多的問題,如產品功能不完善,技術標準不統一,各廠商間設備難以互聯互通。同時現有產品的價格相對較高,因此很多家族用戶還都處于觀望之中,目前家居智能化一般至少要投入10～30萬元,但隨著智能家居產業的發展,未來家居智能化的價格一定會更加便宜,功能也會更加的完善。從智能家居的產品形態上看,現在的智能家居,已經從原來的單品智能化,演變成單品之間聯動,并逐漸向系統實現智能化過渡。全面的系統化的智能感知并收各種信息,之后進行自動的處理,讓用戶置身于全自動的家居之中是未來的發展方向,同時未來統一的標準也會陸續出臺,不同產品在統一的標準下可以進行數據互通,進而實現多設備間自行聯動,這些過程基本上不需要用戶再去人為干涉,比如紅外傳感器感知到有人同時溫度傳感器感知到溫度稍低,則會自動開啟空調,樓內主人全部離開后,空調等設備自動關機。從控制器形態看:目前的智能家居產品主要還是手機控制,部分已經實現了各種控制方式相結合,比如觸控、語音、手勢等,無論是手機控制還是其它多種控制方式相結合,都還脫離不開人為干預的思路,這是和智能家居的真正含義相背離的?，F在感應式的控制技術已經基本成熟,正在不斷的擴大應用場景,感應式控制使理想化的智能家居更進一步,在這種控制模式下,系統會將原來的被動式人為控制,變為主動參與控制,整個系統就像能讀懂人的內心想法一樣,自動為主人服務,讓你完全感覺不到它的存在,系統通過各種傳感器感應周圍環境的各種信息,然后主動做出應對策略,并完成相應的操作。從技術層面,未來的智能家居發展和普及依賴于無線技術的發展和傳感器的廣泛應用,依賴于人工智能、智能學習等技術的發展。

2當前國內智能家居行業面臨的主要問題

(1)國人對智能家居的認知不足。中國人已經開始享受科技發展帶來的很多改變,如移動支付、網絡購物等,家庭中也基本普及了WIFI,并且也用上了一些簡單的智能硬件,這些硬件基本都是基于WIFI的單個智能設備,如具有WIFI功能的空調、凈化器、智能音箱等,這些智能設備都是人為控制類的智能設備,大家對于能夠自動控制類的智能家居系統的了解還很少,對于這種控制方式還存在疑惑。(2)產品規格不一,未形成統一的行業標準。國際的一些大公司已經開始自行或幾家聯合起來研究智能家居的產品標準,各大家基本都是各行其道,互相之間不兼容,設備技術壁壘,如高通公司設計開發的AllSeen聯盟,谷哥力推的Thread,蘋果公司設計的Home－kit等。對于智能家居行業來說通訊標準是其中最重要的技術標準,沒有統一的通訊標準,就無法實現設備間的互聯互通。(3)智能家居系統的價格較高。因為我國智能家居產品發展較晚,還未進行量產,研發成本較高,設備故障率較高導致維護成本較高,種種因素導致智能家居系統價格較高,這對于智能家居的普及也帶來了很大的影響。(4)信息安全存在隱患。物聯網信息傳輸過程中,個人信息極易被黑客竊取,不法分子通過這些個人信息進一步竊取用戶的財產,會造成巨大的社會不穩定,對智能家居未來發展構成巨大威脅。如果智能家居產業在未來想占據較大一部分家居市場,就必須克服信息安全問題,加大信息的監管力度[1]。

3智能家居無線技術應用分類

當前智能家居主流的無線通信技術包括以下四種:(1)WIFI無線通訊技術。WIFI是目前應用最廣泛的無線通信技術,已經廣泛的應用于各家庭與辦公環境中,現有的很多單體智能設備90%以上都依賴于WIFI,WIFI通信技術基于IEEE802.11標準,主要工作頻率為2.4GHz,調制方式:MIMO-OFDM/DSSS/CCK,數據傳輸速率為11Mbps以上,支持自組網(Adhoc)和基礎結構拓撲,支持14個通信信道;輸距離在100～300M,速率可達300Mbps,功耗10～50mA。當然Wi-Fi也存在一些非常嚴重的缺點。第一個缺點就是WIFI技術安全性較差,WIFI的安全性問題是其致命性的一個缺點,WIFI的數據包在相互的傳送過程中,很容易被外界攔截和接收,雖然可以進行一定的加密限制,但對于一些高水平的黑客來說,破解這種加密方式也并不完全不可能。另一個缺點是信號的穩定性不強,容易被其它的無線電波信號干擾[2]。(2)藍牙無線通訊技術。藍牙芯片如圖1所示,藍牙技術也曾經出現在早期的智能家居中,藍牙最大的優勢在于組網簡單,應用于單體或數量較少的智能設備中較方便,但期傳輸距離較近,組網數量較少,很大程度上影響了藍牙技術的普通,藍牙技術傳輸距離約2～30M,速率1Mbps,功耗介于zigbee和WIFI之間[3]。(3)Zigbee無線通訊技術。ZigBee模塊如圖2所示,ZigBee無線通訊技術是一種新生的短距離通信技術。其功能與藍牙相似,但相對于藍牙,ZigBee無線通訊技術的價格更低廉,組網方式靈活簡單,功耗也比較低,同時可接入的節點數最大可達65000個,通過ZigBee無線通訊技術可以十分方便的連接各種傳感器,通過傳感器實時采集各種環境信息,再對過控制器對這些數據進行分析處理,因此ZigBee無線通訊技術的出現對于智能家居的普及具有十分重要的作用。同時ZigBee無線通訊技術還是國際通行的無線通訊技術,很多技術已經相對成熟,采用ZigBee技術開發產品的公司已經初具規范,產品的已經廣泛應用于家庭、農業、工業,尤其是工業和農業等大范圍的工作場景,應用更廣。ZigBee基于IEEE802.15.4標準,工作頻率為868MHz、915MHz或2.4GHz,在國內主要使用2.4GHz,調制方式:BPSK/OQPSK,支持星型、樹型和網狀(mesh)網絡拓撲,支持16個通信信道(2.4GHz)。傳輸距離50～300M,速率250kbps,功耗5mA,可以使用干電池供電,使用普通的兩節干電池供電,在數據處理量不是很大的情況下,一般可使用半年左右的時間。(4)KNXRF:RF即無線射頻技術,RF無線射頻技術是一種非接觸式的自動識別技術,無線射頻技術廣泛應該于門禁、電子標簽等應用場景,從應用角度已經取代了原來接觸式IC卡。在工業物聯網的應用中,很多地方采用了RF無線射頻技術,但由于需要額外使用RF卡,因此在智能家居的應用中不是十分方便。無線射頻技術基于EN50090-5-3,工作頻率為868MHz,調制方式:FSK,數據傳輸速率為16kbps,支持對等網絡拓撲,不支持網狀拓撲,支持3個快速信道和2個慢速信道。那么這四種無線技術,各有特點,各有所長,又都有缺點,究竟哪一種最適合智能家居,哪一種最有可能成為智能家居無線標準呢？現在還無法回答這個問題,在很多復雜的家居環境中,單獨使用某一種技術是難解決的,因此需要多種技術相互配合。我國的智能家居的發展還有很長的路要走,各種技術還都不是很成熟,一段時間內還無法形成真正的行業標準。一種技術要成為行業標準,最關鍵的是擁有絕大多數的使用者和應用場景。行業標準的最終選擇權還是由用戶來決定的。要擁有絕大多數的使用者和應用場景,需要無所不在的應用,流暢的用戶體驗,完善的安全體系。作為智能家居企業,應當拋開技術孰優孰劣的成見,根據具體情況考慮適合的技術。企業應把重心放在如何給用戶提供更好的應用,更流暢的用戶體驗,更可靠的安全保障。當智能家居逐漸普及到千家萬戶時,智能家居的無線技術標準自然會浮出水面。

4我國智能家居行業未來發展趨勢

隨著時代的進步,移動支付在慢慢取代現金支付,線上銷售在慢慢擠壓傳統銷售的空間,智能家居取代傳統家居也一是大勢所驅。隨著物聯網、云計算等新興技術相繼進入智能家居行業,眾廠商也各自形成了自己的特色產品,價格也逐步向平民化的趨勢邁進。智能家居經過十幾年的發展,已經從前期的研發發展到了產品的應用,功能也已經有了質的飛越。物聯網行業的飛速發展,為智能家居的發展提供了技術上的支持,通過物聯網已經實現了信息的實時采集與萬物互聯,在此基礎上讓其更加的智能更貼心則是未來技術發展的重點[4]。

5結語

人工智能和物聯網的發展將進一步推動智能家居產業的發展,雖然現在智能家居產業還存在標準不統一、市場需求低、價格相對較高等問題,但隨著90后、00后成為消費體,60后、70后逐漸進入老齡化,智能家居產品的市場需求將會逐漸增長,物聯網、人工智能將會與智能家居完美結合,為用戶提供更加舒適便捷的生活[5]。

參考文獻

[1]陳功正,王騰,陸暢,等.人工智能時代智能家居行業發展研究[J].合作經濟與科技,2018(9):13-15.

[2]王勇.淺析基于物聯網技術的智能家居發展[J].智能建筑,2015(1):32-33.

[3]許麗萍.智能家電“智”者生存[J].上海信息化,2016(4):42-45.

[4]李佳.智能家居市場分析及未來發展趨勢與前景[J].藝海,2016(12):156-158.

[5]趙虹鈞.基于ZigBee技術的智能家居系統的設計[D].上海:上海交通大學,2007.

作者：張洪雷 李春華 高建 單位：盤錦職業技術學院