智能家居無線通訊網(wǎng)絡的適用性研究

1、    智能家居無線通訊網(wǎng)絡的適用性研究    宋艷玉彭詩朦【摘 要】本文主要分析了現(xiàn)有智能家居控制系統(tǒng)的體系架構(gòu)，通過比較wifi，藍牙和zigbee三種主流無線網(wǎng)絡通信技術(shù)的特性，逐步探討三種無線通訊技術(shù)在智能家居中的適用性?！娟P鍵詞】智能家居；wifi；藍牙；zigbee0 引言智能家居系統(tǒng)主要利用現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，無線通訊技術(shù)，自動控制技術(shù)，以及計算機技術(shù)將家居中的各種設備無線化的連接到一起，從而實現(xiàn)智能安防，音視頻監(jiān)控，環(huán)境監(jiān)測以及遠程遙控等功能。在智能家居系統(tǒng)中，組建物聯(lián)網(wǎng)的無線通訊技術(shù)為本文的主要研究內(nèi)容。鑒于智能家居系統(tǒng)無線通訊網(wǎng)絡低傳輸數(shù)

2、據(jù)，低耗能，高節(jié)點容量，實時在線等特點，本文以wifi，藍牙，zigbee三種無線通訊技術(shù)為探討對象，研究適用于智能家居系統(tǒng)的無線通訊網(wǎng)絡。1 智能家居系統(tǒng)體系架構(gòu)本文研究的智能家居系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：由受控設備組成的無線信號采集控制發(fā)射器、負責內(nèi)外連接的多功能中心控制器、遠程控制終端及相應的控制接口。如圖1所示。1.1 多功能中心控制器多功能中心控制器主要有分析數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)控制的功能。其主要工作方式為：終端設備通過傳感器發(fā)出數(shù)據(jù)信號，多功能控制中心利用無線信號采集控制發(fā)射器采集接收信號，并對其進行統(tǒng)計分析。對遠程終端系統(tǒng)發(fā)送的控制信號進行解析，將解析結(jié)果傳達給受控終端設備。從而實現(xiàn)對終端設備

3、的控制及反饋工作。1.2 遠程控制終端遠程控制終端具有發(fā)送控制指令，接收反饋信息的功能。其主要工作方式為：遠程終端通過網(wǎng)絡，gprs等方式向多功能中心控制器發(fā)送指令。接收來自多功能中心控制器傳達的設備終端受控反饋信息。1.3 無線信號采集控制發(fā)射器無線信號采集控制發(fā)射器具有無線組網(wǎng)，傳感器，控制器的功能。其主要工作方式為：以無線通訊技術(shù)為基礎組成家庭內(nèi)部物聯(lián)網(wǎng)。而對于一些無法直接接入外部互聯(lián)網(wǎng)的無線通訊協(xié)議，需要在多功能中心控制器中加入網(wǎng)關設備，采集各設備終端傳感器傳來的數(shù)據(jù)信號。接收多功能中心控制器解析的控制命令，并向設備終端發(fā)送控制消息。2 智能家居物聯(lián)網(wǎng)設計2.1 智能家居物聯(lián)網(wǎng)設計的安

4、全性需求智能家居系統(tǒng)為實現(xiàn)其遠程控制檢測的主要功能，需要將家庭內(nèi)部包括溫度、光照、視頻、音頻、電器，門房等私密信息在智能家居節(jié)點中進行傳遞。而在網(wǎng)絡安全岌岌可危的現(xiàn)代社會中，如何保護這些隱私數(shù)據(jù)不被泄露，成為智能家居物聯(lián)網(wǎng)設計的主要任務。因此對于組建物聯(lián)網(wǎng)的無線通訊技術(shù)有極高的安全防護能力要求。2.2 智能家居物聯(lián)網(wǎng)設計的網(wǎng)絡容量需求智能家居物聯(lián)網(wǎng)受困于家庭內(nèi)部特殊環(huán)境的限制，需要一定的網(wǎng)絡容量來容納大量的電器，開關，電燈等設備接入物聯(lián)網(wǎng)成為新的網(wǎng)絡節(jié)點。并要求每個網(wǎng)絡節(jié)點具有及時進入，自由移動變換的能力。2.3 智能家居物聯(lián)網(wǎng)設計的成本需求智能家居系統(tǒng)從1984年在美國的康涅狄格出現(xiàn)第一個實

5、際建筑案例開始，到1994年進入我國以來，在將近20年的發(fā)展歷程中一直處于緩步不前的狀態(tài)，除了技術(shù)和觀念等因素外，很大程度上是由于成本的居高不下。導致智能家居能夠成為高收入群體的適用型產(chǎn)品，卻在普通群眾社區(qū)的發(fā)展中舉步維艱。因此要求組建家庭內(nèi)部物聯(lián)網(wǎng)的無線通訊技術(shù)具有普及性，低成本的特性。3 無線通訊網(wǎng)絡的適用性我們將采用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的冒泡排序的方法探討比較出wifi、藍牙、zigbee三種無線通訊網(wǎng)絡對于智能家居的適用性。3.1 wifi與藍牙的比較3.1.1 普及程度wifi作為目前全球應用最為廣泛的短距離無線通訊技術(shù)，也是最為普及的一種網(wǎng)絡連接方式，其最大的優(yōu)勢可以說是應用廣泛，普及性高。

6、而藍牙在四五年前，wifi技術(shù)遠沒有達到現(xiàn)在的普及程度之前，藍牙是手機之間文件傳輸?shù)闹饕绞街?。由此看出以目前的普及程度以及適用范圍進行比較，wifi要優(yōu)于藍牙。3.1.2 通訊方式wifi采用了一種可以實現(xiàn)同時一對多控制的通訊方式，一個家庭內(nèi)部路由器大概可以負載16個設備。藍牙采用的是點對點的一對一控制的通訊方式。由此比較出對于家庭內(nèi)部需要同時控制多個家用電器，燈光，開關設備的特殊情景下，wifi要比藍牙具備更高的實用性。3.1.3 傳輸距離藍牙是短距離傳輸?shù)牡湫停瑐鬏敺秶?0到30米左右。wifi的無線電波覆蓋范圍更加廣泛，半徑可以達到100米。由此可見對于家庭特定的空間環(huán)境，wifi

7、的傳播范圍適用性要優(yōu)于藍牙。3.1.4 傳輸速率藍牙的傳輸速率為1mbps，wifi的傳輸速率為11mbps?？梢钥闯鲈趥鬏敶髷?shù)據(jù)量的情況下，藍牙的傳輸效率會顯得有些拖沓。綜上，在wifi和藍牙的冒泡排序法比較中wifi要優(yōu)于藍牙。3.2 zigbee與藍牙的比較3.2.1 普及程度zigbee之前主要運用與工業(yè)領域，相較于藍牙而言，人們普遍比較陌生。所以在普及程度和接受性方面藍牙要優(yōu)于zigbee。3.2.2 通訊方式zigbee同wifi相似，均采用一對多，多對多的通訊方式，在智能家居系統(tǒng)中實現(xiàn)同時控制多個燈光設備，電器設備的目標中zigbee比藍牙要有一定的優(yōu)勢。3.2.3 傳輸距離由于

8、zigbee多應用于工業(yè)領域，需要適應工業(yè)環(huán)境下廣闊的傳播范圍，往往能達到1000米的傳播距離。由此可見對于家庭特定的空間環(huán)境，zigbee的傳播范圍適用性要優(yōu)于藍牙。 綜上，雖然在普及性上藍牙優(yōu)于zigbee，但從整體來看zigbee更適用于智能家居系統(tǒng)。在zigbee與藍牙的冒泡排序比較法中zigbee要優(yōu)于藍牙。3.3 zigbee和wifi的比較3.3.1 安全性wifi采用射頻技術(shù)，通過空氣發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，使用無線電波傳輸數(shù)據(jù)信號，比較容易受到外界的干擾。并且數(shù)據(jù)包在傳遞的過程中都可以被外界檢測或接收，在信息安全上存在很大的隱患，雖然數(shù)據(jù)可以經(jīng)過加密后傳輸，但在數(shù)據(jù)包足夠多的情況下，

9、仍有被黑客破解的可能。zigbee在可靠性方面有很多保證措施。在物理層采用了擴頻技術(shù)，能夠在一定程度上抵抗干擾，mac應用層（aps部分）有應答重傳功能。mac層的csma機制使節(jié)點發(fā)送前先監(jiān)聽信道，可以起到避開干擾的作用。當zigbee網(wǎng)絡受到外界干擾，無法正常工作時，整個網(wǎng)絡可以動態(tài)的切換到另一個工作信道上。由此可見，面對智能家居對隱私安全性的高需求性方面，zigbee無線通訊技術(shù)要比wifi技術(shù)更具有適用性。3.3.2 網(wǎng)絡容量wifi組網(wǎng)能力較低，擴展空間受限制。wifi網(wǎng)絡的實際網(wǎng)絡容量不超過16個節(jié)點，而在普通智能家居系統(tǒng)中開關，電燈的數(shù)量往往就要超過16個?？梢妛ifi并不能滿足

10、智能家居系統(tǒng)中網(wǎng)絡容量的基本要求。zigbee有較強的組網(wǎng)能力，一般可以容納65000個設備節(jié)點，滿足智能家居系統(tǒng)中大量網(wǎng)絡容量的要求。由此可見，在滿足智能家居中網(wǎng)絡容量的特殊需求上，zigbee技術(shù)相較于wifi技術(shù)要更加適用于智能家居的實際應用中。3.3.3 功耗從功耗上對zigbee和wifi兩種通訊技術(shù)進行比較，以兩節(jié)5號干電池作為標準，wifi可持續(xù)的最長工作時間為5天左右；而zigbee的低耗電待機模式可以使得其持續(xù)工作6個月以上。由于其低功耗的特點讓得在智能家居應用中占得一席之位，例如在智能門鎖等各類感應器的應用中進行技術(shù)支持。由此可見，zigbee得天獨厚的低功耗消耗特性要遠遠

11、優(yōu)于zigbee技術(shù)。3.3.4 開發(fā)成本wifi的技術(shù)研發(fā)門檻低，產(chǎn)品成本較低。以及近年來的應用廣泛性，使得wifi的普遍性較高。以zigbee為技術(shù)基礎的產(chǎn)品開發(fā)難度相對較大，而漫長的開發(fā)周期，常常使得一些還處于成長中的企業(yè)望而卻步。但由于zigbee沒有產(chǎn)品專利費用，使得zigbee產(chǎn)品的成本非常低。可見，在開發(fā)難度上wifi要比zigbee小的多，但在購買安裝成本上來看zigbee跟適合與智能家居系統(tǒng)的低成本要求。綜上，在安全性，網(wǎng)絡容量，功耗以及開發(fā)成本的比較中，zigbee的特殊性能均優(yōu)于wifi，可知在wifi與zigbee的冒泡排序法中zigbee更占優(yōu)勢。3.4 wifi，藍

12、牙，zigbee基礎屬性wifi，藍牙，zigbee的基礎屬性對比表，如表1所示。4 結(jié)語通過使用冒泡法對比了wifi，藍牙，zigbee三種無線通訊網(wǎng)絡的適用性后，可以得出以下結(jié)論：藍牙一對一，短距離的通訊方式，主要服務于移動設備，并不適用于智能家居的網(wǎng)絡要求；wifi的普及性以及應用性最為廣泛，傳播距離適中，但由于使用的射頻技術(shù)，信息安全性存在隱患，將對智能家居中的高信息隱秘性造成重大威脅，所以并不適用與智能家居的系統(tǒng)中；而zigbee具有極高的信息安全可靠性，十分符合家庭內(nèi)部安全性的需求；由于zigbee的低功耗特性以及沒有專利費的優(yōu)點，使得zigbee在購買安裝中成本相對低廉。在智能家居環(huán)境中需要極大的網(wǎng)絡容量來容納開關，電燈，電器等設備節(jié)點的特性上，zigbee以其可以接入65000個設備節(jié)點的超強組網(wǎng)能力，完勝只有16個設備容量的wifi技術(shù)。與此同時我們也不得不關注到zigbee技術(shù)現(xiàn)如今開發(fā)難度大，開發(fā)周期長等難題，但相信隨著現(xiàn)代無線通訊技術(shù)的發(fā)展，這一問題將很快得到解決。綜上所述，可得出結(jié)論在wifi，藍牙，zigbee三種無線通訊網(wǎng)絡技術(shù)中，zigbee要更適合于智能家居的應用。【參考文獻】1張燕靈，等.基于zigbee技術(shù)的大型設