宋艷玉 彭詩(shī)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(lán)牙和Zigbee三種主流無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的特性,逐步探討三種無(wú)線通訊技術(shù)在智能家居中的適用性。
【關(guān)鍵詞】智能家居;Wifi;藍(lán)牙;Zigbee
0 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(wú)線通訊技術(shù),自動(dòng)控制技術(shù),以及計(jì)算機(jī)技術(shù)將家居中的各種設(shè)備無(wú)線化的連接到一起,從而實(shí)現(xiàn)智能安防,音視頻監(jiān)控,環(huán)境監(jiān)測(cè)以及遠(yuǎn)程遙控等功能。在智能家居系統(tǒng)中,組建物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線通訊技術(shù)為本文的主要研究?jī)?nèi)容。鑒于智能家居系統(tǒng)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)低傳輸數(shù)據(jù),低耗能,高節(jié)點(diǎn)容量,實(shí)時(shí)在線等特點(diǎn),本文以Wifi,藍(lán)牙,Zigbee三種無(wú)線通訊技術(shù)為探討對(duì)象,研究適用于智能家居系統(tǒng)的無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)。
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(shè)備組成的無(wú)線信號(hào)采集控制發(fā)射器、負(fù)責(zé)內(nèi)外連接的多功能中心控制器、遠(yuǎn)程控制終端及相應(yīng)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(shè)備通過傳感器發(fā)出數(shù)據(jù)信號(hào),多功能控制中心利用無(wú)線信號(hào)采集控制發(fā)射器采集接收信號(hào),并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
對(duì)遠(yuǎn)程終端系統(tǒng)發(fā)送的控制信號(hào)進(jìn)行解析,將解析結(jié)果傳達(dá)給受控終端設(shè)備。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)終端設(shè)備的控制及反饋工作。
1.2 遠(yuǎn)程控制終端
遠(yuǎn)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(yuǎn)程終端通過網(wǎng)絡(luò),GPRS等方式向多功能中心控制器發(fā)送指令。
接收來(lái)自多功能中心控制器傳達(dá)的設(shè)備終端受控反饋信息。
1.3 無(wú)線信號(hào)采集控制發(fā)射器
無(wú)線信號(hào)采集控制發(fā)射器具有無(wú)線組網(wǎng),傳感器,控制器的功能。其主要工作方式為:
以無(wú)線通訊技術(shù)為基礎(chǔ)組成家庭內(nèi)部物聯(lián)網(wǎng)。而對(duì)于一些無(wú)法直接接入外部互聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線通訊協(xié)議,需要在多功能中心控制器中加入網(wǎng)關(guān)設(shè)備,采集各設(shè)備終端傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)。
接收多功能中心控制器解析的控制命令,并向設(shè)備終端發(fā)送控制消息。
2 智能家居物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)
2.1 智能家居物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的安全性需求
智能家居系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制檢測(cè)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(diǎn)中進(jìn)行傳遞。而在網(wǎng)絡(luò)安全岌岌可危的現(xiàn)代社會(huì)中,如何保護(hù)這些隱私數(shù)據(jù)不被泄露,成為智能家居物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。因此對(duì)于組建物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線通訊技術(shù)有極高的安全防護(hù)能力要求。
2.2 智能家居物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)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(luò)容量來(lái)容納大量的電器,開關(guān),電燈等設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)成為新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。并要求每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有及時(shí)進(jìn)入,自由移動(dòng)變換的能力。
2.3 智能家居物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的成本需求
智能家居系統(tǒng)從1984年在美國(guó)的康涅狄格出現(xiàn)第一個(gè)實(shí)際建筑案例開始,到1994年進(jìn)入我國(guó)以來(lái),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(dǎo)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(wú)線通訊技術(shù)具有普及性,低成本的特性。
3 無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)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(lán)牙、Zigbee三種無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)對(duì)于智能家居的適用性。
3.1 Wifi與藍(lán)牙的比較
3.1.1 普及程度
Wifi作為目前全球應(yīng)用最為廣泛的短距離無(wú)線通訊技術(shù),也是最為普及的一種網(wǎng)絡(luò)連接方式,其最大的優(yōu)勢(shì)可以說(shuō)是應(yīng)用廣泛,普及性高。而藍(lán)牙在四五年前,Wifi技術(shù)遠(yuǎn)沒有達(dá)到現(xiàn)在的普及程度之前,藍(lán)牙是手機(jī)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(jìn)行比較,Wifi要優(yōu)于藍(lán)牙。
3.1.2 通訊方式
Wifi采用了一種可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)一對(duì)多控制的通訊方式,一個(gè)家庭內(nèi)部路由器大概可以負(fù)載16個(gè)設(shè)備。藍(lán)牙采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的一對(duì)一控制的通訊方式。由此比較出對(duì)于家庭內(nèi)部需要同時(shí)控制多個(gè)家用電器,燈光,開關(guān)設(shè)備的特殊情景下,Wifi要比藍(lán)牙具備更高的實(shí)用性。
3.1.3 傳輸距離
藍(lán)牙是短距離傳輸?shù)牡湫?,傳輸范圍?0到30米左右。Wifi的無(wú)線電波覆蓋范圍更加廣泛,半徑可以達(dá)到100米。由此可見對(duì)于家庭特定的空間環(huán)境,Wifi的傳播范圍適用性要優(yōu)于藍(lán)牙。
3.1.4 傳輸速率
藍(lán)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(lán)牙的傳輸效率會(huì)顯得有些拖沓。
綜上,在Wifi和藍(lán)牙的冒泡排序法比較中Wifi要優(yōu)于藍(lán)牙。
3.2 Zigbee與藍(lán)牙的比較
3.2.1 普及程度
Zigbee之前主要運(yùn)用與工業(yè)領(lǐng)域,相較于藍(lán)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(lán)牙要優(yōu)于Zigbee。
3.2.2 通訊方式
Zigbee同Wifi相似,均采用一對(duì)多,多對(duì)多的通訊方式,在智能家居系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制多個(gè)燈光設(shè)備,電器設(shè)備的目標(biāo)中Zigbee比藍(lán)牙要有一定的優(yōu)勢(shì)。
3.2.3 傳輸距離
由于Zigbee多應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域,需要適應(yīng)工業(yè)環(huán)境下廣闊的傳播范圍,往往能達(dá)到1000米的傳播距離。由此可見對(duì)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(lán)牙。
綜上,雖然在普及性上藍(lán)牙優(yōu)于Zigbee,但從整體來(lái)看Zigbee更適用于智能家居系統(tǒng)。在Zigbee與藍(lán)牙的冒泡排序比較法中Zigbee要優(yōu)于藍(lán)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(wú)線電波傳輸數(shù)據(jù)信號(hào),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(cè)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,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(kuò)頻技術(shù),能夠在一定程度上抵抗干擾,MAC應(yīng)用層(APS部分)有應(yīng)答重傳功能。MAC層的CSMA機(jī)制使節(jié)點(diǎn)發(fā)送前先監(jiān)聽信道,可以起到避開干擾的作用。當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)受到外界干擾,無(wú)法正常工作時(shí),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以動(dòng)態(tài)的切換到另一個(gè)工作信道上。
由此可見,面對(duì)智能家居對(duì)隱私安全性的高需求性方面,Zigbee無(wú)線通訊技術(shù)要比Wifi技術(shù)更具有適用性。
3.3.2 網(wǎng)絡(luò)容量
Wifi組網(wǎng)能力較低,擴(kuò)展空間受限制。Wifi網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)容量不超過16個(gè)節(jié)點(diǎn),而在普通智能家居系統(tǒng)中開關(guān),電燈的數(shù)量往往就要超過16個(gè)??梢奧ifi并不能滿足智能家居系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)容量的基本要求。
Zigbee有較強(qiáng)的組網(wǎng)能力,一般可以容納65000個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn),滿足智能家居系統(tǒng)中大量網(wǎng)絡(luò)容量的要求。
由此可見,在滿足智能家居中網(wǎng)絡(luò)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(shí)際應(yīng)用中。
3.3.3 功耗
從功耗上對(duì)Zigbee和Wifi兩種通訊技術(shù)進(jìn)行比較,以兩節(jié)5號(hào)干電池作為標(biāo)準(zhǔn),Wifi可持續(xù)的最長(zhǎng)工作時(shí)間為5天左右;而Zigbee的低耗電待機(jī)模式可以使得其持續(xù)工作6個(gè)月以上。由于其低功耗的特點(diǎn)讓得在智能家居應(yīng)用中占得一席之位,例如在智能門鎖等各類感應(yīng)器的應(yīng)用中進(jìn)行技術(shù)支持。由此可見,Zigbee得天獨(dú)厚的低功耗消耗特性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(lái)的應(yīng)用廣泛性,使得Wifi的普遍性較高。
以Zigbee為技術(shù)基礎(chǔ)的產(chǎn)品開發(fā)難度相對(duì)較大,而漫長(zhǎng)的開發(fā)周期,常常使得一些還處于成長(zhǎng)中的企業(yè)望而卻步。但由于Zigbee沒有產(chǎn)品專利費(fèi)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(gòu)買安裝成本上來(lái)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(luò)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(shì)。
3.4 Wifi,藍(lán)牙,Zigbee基礎(chǔ)屬性
Wifi,藍(lán)牙,Zigbee的基礎(chǔ)屬性對(duì)比表,如表1所示。
4 結(jié)語(yǔ)
通過使用冒泡法對(duì)比了Wifi,藍(lán)牙,Zigbee三種無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的適用性后,可以得出以下結(jié)論:藍(lán)牙一對(duì)一,短距離的通訊方式,主要服務(wù)于移動(dòng)設(shè)備,并不適用于智能家居的網(wǎng)絡(luò)要求;Wifi的普及性以及應(yīng)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(duì)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(fèi)的優(yōu)點(diǎn),使得Zigbee在購(gòu)買安裝中成本相對(duì)低廉。在智能家居環(huán)境中需要極大的網(wǎng)絡(luò)容量來(lái)容納開關(guān),電燈,電器等設(shè)備節(jié)點(diǎn)的特性上,Zigbee以其可以接入65000個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的超強(qiáng)組網(wǎng)能力,完勝只有16個(gè)設(shè)備容量的Wifi技術(shù)。與此同時(shí)我們也不得不關(guān)注到Zigbee技術(shù)現(xiàn)如今開發(fā)難度大,開發(fā)周期長(zhǎng)等難題,但相信隨著現(xiàn)代無(wú)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(lán)牙,Zigbee三種無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中,Zigbee要更適合于智能家居的應(yīng)用。
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[責(zé)任編輯:楊玉潔]