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万物互联时代:智能家居有哪些无线技术?

2019-07-24 09:27
来源: 极客网

当5G牌照发放,5G网络的普及也离我们不远。一旦“万物互联”,标志着物联网普及开始。而在“万物互联”中,智慧家庭又是与我们日常生活连接最紧密的。至少目前来看,智慧家庭已经呈现了“雏形”。而在当下的智慧家庭中,智能家居功不可没。

目前,在我们的智慧家庭中,无线路由器、智能音响、互联网空调、智能电饭锅、互联网冰箱、智能电视、智能手机、平板电脑等设备,都是的重要成员。而通过上述智能设备实现目前简单的智慧家庭,靠的都是无线技术。在我们的认知中,无线技术通常指的是4G网络、WIFI无线以及蓝牙技术。事实上,除了这些无线技术外,智慧家庭中还有很多无线技术我们并不熟知,诸如低功耗蓝牙、蓝牙Mesh、RF 433和Z-Wave等,让我们去看看吧!

■ 无线移动通信技术 ■

目前,3G已经渐渐淘汰,4G目前正在“服役”。随着5G的到来,2020年开始,4G或许也要渐渐淘汰。至少在未来的万物互联时代,5G无线移动通信技术要主宰智慧家庭。

5G是第五代移动通信技术,5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。5G将于2020年4月完成部署,5G规范要求速度高达20 Gbit/s,可以实现宽信道带宽和大容量MIMO。我们认为,5G商用之后,智能家居设备也会享受到这波红利:更高的带宽、更快的速度、更低的延迟。

首先传输速率快。5G的传输速率可以达到4G传输的10倍以上。由于智能家居之间仍然需要以互联网为基础,彼此之间进行数据连接时,网速快捷与否直接影响到了用户的体验。

其次是时延大幅减小。从4G向5G过渡时,时延也被大幅缩小。4G网络的时延为10ms,但在5G网络中,这个数字再度被缩小为1ms。目前在使用4G网络对智能家居进行控制时往往时延较高,设备在交换信息时候会消耗一定的反馈时间。反映到实际使用之中就是在下达命令后需要停顿几秒才能进行反馈,这样的感受使人机交互大打折扣。

最后是网络标准统一。目前,智能家居产品大都是以单件存在,我们对智能家居控制的方法基本通过手机进行直线“沟通”。但真正的智能家居网络是各个设备之间的配合,甚至是各个品牌、各个型号之间的配合,5G的出现让他们得到了统一。

■ Wi-Fi无线协议 ■

Wi-Fi是Wi-Fi联盟制造商的商标做为产品的品牌认证,Wi-Fi联盟成立于1999年,在2002年10月,正式改名为Wi-Fi Alliance。Wi-Fi是一个创建于IEEE 802.11标准的无线局域网技术。基于两套系统的密切相关,也常有人把Wi-Fi当做IEEE 802.11标准的同义术语。

到目前为止,IEEE 802.11的设备已安装在市面上的许多产品,如:个人计算机、游戏机、MP3播放器、智能手机、平板电脑、打印机、笔记本以及其他可以无线上网的周边设备等。随着智能家居的出现,冰箱、电视、空调、音响设备甚至电饭锅等,都开始支持Wi-Fi了。这些都是打造智慧家庭时常常需要用到的设备,这些设备通过Wi-Fi互联,才能得到控制。

事实上,Wi-Fi网络也可简单理解为无线上网,目前,几乎所有智能手机、平板电脑和笔记本电脑都支持Wi-Fi上网,其方法是把有线网络信号转换成无线信号。目前,IEEE 802.11在使用的主要有:IEEE 802.11n、IEEE 802.11ac、IEEE 802.11ad、IEEE 802.11ax几种。

IEEE 802.11n:

由IEEE在2004年1月组成的一个新的工作组在802.11-2007的基础上发展出来的标准,于2009年9月正式批准。该标准增加了对MIMO的支持,允许40MHz的无线频宽,最大传输速度理论值为600Mbit/s。同时,通过使用Alamouti提出的空时分组码,该标准扩大了数据传输范围。

■IEEE 802.11ac:

它是一个正在发展中的802.11无线计算器网上通信标准,它通过6GHz频带进行无线局域网(WLAN)通信。理论上,它能够提供最少每秒1 Gigabit带宽进行多站式无线局域网通信,或是最少每秒500 megabits(500 Mbit/s)的单一连线传输带宽。

■IEEE 802.11ad:

无线千兆联盟(Wireless Gigabit Alliance,WiGig)致力于推动在无执照的60 GHz频带上,进行数千兆比特(multi-gigabit)速度的无线设备数据传输技术。此联盟于2009年5月7日宣布成立,于2009年12月推出第一版1.0 WiGig技术规格(802.11ad)。

■IEEE 802.11ax:

2017年推出,由于先前802.11ad主要在于60GHZ频段,虽然增长了传输速度,但是其覆盖范围受到限制,便成为辅助802.11ac的功能性技术。 依照IEEE的官方项目,继承802.11ac的第六代Wifi为802.11ax,自2018年起推出支持的分享器。

■ 蓝牙无线技术 ■

我们知道,蓝牙是电子产品不可缺少的功能。开启蓝牙后,两个产品可以持续的数据传输,比如手机之间蓝牙传文件、蓝牙无线耳机听歌和使用蓝牙键鼠等。这种持续性能够满足以上的使用情景,但代价是较高的功耗。再加上蓝牙的有效传输距离非常近,不支持大量设备同时连接,所以 “新”协议就在智能家居领域出现,比如低功耗蓝牙、蓝牙Mesh!

首先是普通蓝牙,蓝牙技术是基于低成本的近距离无线连接,为固定和移动设备建立通信环境的一种特殊的近距离(一般10m内)无线技术连接。蓝牙作为一种小范围无线连接技术,能在设备间实现方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗的数据通信和语音通信。目前市面上使用蓝牙的智能家居产品包括智能门锁、智能音箱、温湿度计等。

目前蓝牙4.0是主流,它是2012年最新蓝牙版本,是3.0的升级版本;较3.0版本更省电、成本低、3毫秒低延迟、超长有效连接距离、AES-128加密等;通常用在蓝牙耳机、蓝牙音箱等设备上。但很多设备开始使用蓝牙5.0,它是由蓝牙技术联盟在2016年提出的蓝牙技术标准,蓝牙5.0针对低功耗设备速度有相应提升和优化,蓝牙5.0结合wifi对室内位置进行辅助定位,提高传输速度,增加有效工作距离。

其次低功耗蓝牙

低功耗蓝牙是普通蓝牙的进阶版,功耗变低、传输距离增强,与设备的配对连接时长大幅减小。低功耗和普通蓝牙的工作频段(2.4GHz ISM)一样,不过不会在开启后一直工作,而是只在需要传输数据时工作,不需要时处于低功耗休眠状态。低功耗蓝牙开启后和设备建立连接只有几毫秒的延迟,而普通蓝牙则有100毫秒左右。

正是这种“即起即停”的特性,让低功耗蓝牙可以在休眠的情况下也不影响使用但由于需要休眠,低功耗蓝牙不适合长时间传输,只适合短时传输,如语音唤醒。目前,市面上使用低功耗蓝牙的智能家居产品包括智能闹钟、语音控制器和智能抽屉开关等。

最后是蓝牙Mesh,蓝牙Mesh在2017年问世,与此前的蓝牙最大不同,蓝牙Mesh支持Mesh组网。和Mesh路由器原理类似,通过多个设备的网状分布让很大范围内的所有设备都能享受到高质量的连接。只要版本在4.0或以上,而且设备的配套硬件性能足够,任何普通蓝牙设备都能通过OTA升级的形式支持蓝牙Mesh。所以,蓝牙Mesh最大的优势是用户不用买网关。因为包括手机在内的几乎大量智能设备都有蓝牙。

■ ZigBee与Z-Wave ■

事实上,在蓝牙Mesh诞生13年前,另一种Mesh网络协议——ZigBee就已经存在了。ZigBee和蓝牙采用了同样的2.4GHz频段,都是用于短距离的少量数据传输,功耗也很低。由于竞争对手很少,ZigBee在智能家居兴起的早期就被许多产品所采用。导致它成为了目前智能家居领域使用最广泛的协议之一。和同类低功耗协议一样,ZigBee主要被应用于使用电池的设备上,比如家电控制开关、人体传感器和温湿度传感器等。

同样,Z-Wave也是一种Mesh组网中近距离低数据量传输协议,具备了低功耗的特性。Z-Wave的频段比较特殊,使用了908.42MHz或868.42MHz这两个频段。虽然蓝牙Mesh和ZigBee使用的2.4GHz频段十分拥挤,干扰问题较多。但之所以2.4GHz频段拥挤,是因为世界各地都允许民用产品使用这个频段。Z-Wave的频段就那么通用,在很多国家都会受限制。

再加上Z-Wave模块成本高于ZigBee、Z-Wave联盟的协议标准更加严格,所以Z-Wave在智能家居产品中没有ZigBee常见,尤其是国内。主流品牌的智能家居产品中几乎没有使用Z-Wave的,Z-Wave只存在于一些小品牌产品上。

■ RF433与6LoWPAN ■

RF433是一种采用433MHz频段的射频协议,穿透力比较强,成本很低,但安全性很低。目前在国内智能家居产品中有少量应用,比如智能门铃等。

而6LoWPAN是一个基于IPv6的新兴无线协议,诞生的初衷是让所有设备都能够接入物联网,即使这些设备的性能和续航很差。所以6LoWPAN对于设备续航和性能的要求很低。走了一个廉价、便捷、门槛低的路线。但6LoWPAN协议在目前还得到市场认可。

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