智能家居无线技术为何是大势所趋?

简介:

物联网时代已经到来,智能家居将是物联网最贴近人们生活最先落地的物联网产业,随着无线网络技术的不断发展,无线网络技术作为智能家居网络技术的平台,对智能家居网络的发展起到了良好的推动作用。

2015年全球智能家居市场规模在13亿美元左右,新兴国家占全球智能家居市场的13%。美国主宰全球智能家居市场,2015年收入约6亿美元,而中国智能家居收入近7000万美元。2015年到2020年各地区智能家居收入复合年增长率则相反,中国增速最快,在38.2%左右,预计2020年中国智能家居市场达到4.35亿美元。

物联网时代已经到来,智能家居将是物联网最贴近人们生活最先落地的物联网产业,随着无线网络技术的不断发展,无线网络技术作为智能家居网络技术的平台,对智能家居网络的发展起到了良好的推动作用。人们开始用无线电代替传统的有线电缆,实现个人信息终端的智能互联,组建个人化的家居信息网络。

目前市面上有许多被运用在智能家居上的技术,其中包括Zigbee,Z-wave,BluetoothMesh,Allseen(Alljoyn),Weave,Hilink,IoTivity,OpenIoT等,各有优缺点。本文主要介绍了八种可用于智能家居的组网技术,并对它们进行了比较。

一、被运用在智能家居上的八大智能组网技术

Zigbee

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。ZigBee在室内通常能达到30-50米的作用距离,在室外空旷地带甚至可以达到400米,简而言之,ZigBee就是一种便宜的,低功耗的近距离无线组网通讯技术。

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  Z-wave

Z-Wave是由丹麦公司Zensys一手主导的无线组网规格,是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。信号的有效覆盖范围在室内是30m,室外可超过100m,适合于窄宽带应用场合。Z-Wave技术专门针对窄带应用并采用创新的软件解决方案取代成本高的硬件,因此只需花费其它类似技术的一小部份成本就可以组建高质量的无线网络。Z-wave联盟(Z-waveAlliance)虽然没有ZigBee联盟强大,但是Z-wave联盟的成员均是已经在智能家居领域有现行产品的厂商,该联盟已经具有160多家国际知名公司,范围基本覆盖全球各个国家和地区。

BluetoothMesh

BluetoothMesh脱胎于CSR倡导的私有协议,CSRMesh。CSRMesh是2014年2月由CSR公司推出的一款全新的BluetoothSmart解决方案。这项技术主要是通过将蓝牙配置与控制协议整合到单一的芯片中,利用星型网络和中继技术,让每个网络可以连接超过65000个节点,网络和网络间也能实现互连,最终可对无数个搭配BluetoothSmart的设备通过同一手机、平板电脑或PC进行互联或直接操控,从而构建整体家居自动化。BluetoothMesh的特点是低成本、低功率、可避免同频干扰、蓝牙自联网降低了覆盖距离的要求,节点越多,覆盖盲区越少。

Allseen(Alljoyn)

AllSeen联盟(AllSeenAlliance),采用高通所开发的开放源始码平台AllJoyn为基础,开发出AllSeen技术,是单纯的协议规范,并不属于硬件设计,主要用于近距离无线传输,通过WiFi或蓝牙技术,定位和点对点文件传输。能让硬设备能透过AllSeen的协议,经过Wi-Fi、电线或是以太网络联结达到可被控制的目标,进而实践智能家居的理念于日常生活之中。AllJoyn框架是非常灵活,能使物联网实现愿景。

Weave/Thread

Weave是一个低功耗、低带宽、低延迟、安全的设备间通信协议,该协议最初由Nest公司开发并被使用在他们自己的设备上。尽管这个协议目前仍在专利保护期内,但Nest仍然将它开放给全世界的开发者,让他们免费使用并提供反馈。Thread是三星、Nest、ARM联手推出了一种新的协议,可支持250个以上设备同时联网,能够覆盖到家中所有的灯泡、开关、传感器和智能设备。

Weave运行于Thread或Wifi上,使用802.15.4或者802.11无线信号。任何运行在这两个频段上并且支持软件升级的物联网设备都可以使用Weave并从其强大的功能中受益。据Nest介绍,多年来Weave在自带电池的设备上运转良好,除此以外,它也能运行在使用ARMR和A-Class控制器的智能家居上,而智能家居一般都是有持久电力供应的。经过改进的Weave协议还可运行在诸如蓝牙、LTE或者以太网上。

HiLink

华为HiLink连接协议是智能设备之间的“普通话”。它可以快速接入,简单易用,安全可靠,兼容多协议,SDK开放。华为将HuaweiHiLink连接协议和HuaweiLiteOS物联网操作系统称为与伙伴共享的两大核心能力。

IoTivity

IoTivity是一个开源的软件框架,用于无缝的支持设备到设备的互联,主要为了满足物联网开发的需要,构建物联网的生态系统,使得设备和设备之间可以安全可靠的连接。IoTivity是intel和三星牵头的一个开源项目,目的是建立统一的物联网设备连接标准。而IoTivity通过提供一系列框架和服务来加速设备的互联应用开发。

OpenIoT

OpenIoT是一个用于合并互联网和云计算的开源解决方案,提供一个开源的中间件框架,使应用程序在云环境中可以实现自我管理。因此OpenIoT中间件框架将使得物联网应用程序的交付变得自动化,可以适应云基础设施。

二、有线技术受限,无线智能组网技术是未来

1、智能无线技术王者之争——Zigbee和Z-Wave

Zigbee和Z-Wave无疑是当下最火的无线技术,Z-wave和ZigBee都是基于无线射频上所发展出来的技术,属于硬件架构跟协议上的技术。智能家居系统最为重视的是稳定性、灵活性与安全性,可以说Zigbee和Z-Wave技术是因应而生的,有着灵活的组网方式、智能联网修复、互为中继、低功耗、低成本等特性。

Z-wave的数据传输速率为9.6kbps,信号的有效覆盖在室内30米(室外大于100米),适于窄带宽应用场合,且具备一定的安全性和稳定性,不过目前只应用于家庭自动化方面。不过,它的节点不是太多,理论值为256个,实际值可能只有150个左右,同时树状组网结构,一旦树枝上端断掉,下端的所有设备可能将无法与网关通信。另外,Z-wave技术并没有加密方式,安全性较差。

Z-wave所用频段在我国是非民用的,国内并不常见Z-wave智能家居,更多的还是应用在国外。Z-wave是由SigmaDesign所独立开发出来的技术,缺乏国际标准为其依靠,应用上也仅止于家庭自动化,不同于ZigBee能同时运用于医疗、安全等多种领域。ZigBee是建置于IEEE802.15.4上的协议,应用层面较广。虽然这两种技术都以WirelessSensorNetworks(WSN)为前提,但Z-wave比较专注智能家居的应用;ZigBee则开发出很多协议,目前除了采用于智能家居之外,也同时应用在智能电网跟智能大楼上。虽然ZigBee和Z-Wave都以类似的无线网络技术串联,数百种产品也支持此两种技术使用,然而现阶段却呈现出多头马车的市场现象,尚未有任一技术独大的现象。

ZigBee技术研发和应用门槛较高,开发难度大,没有技术实力的企业无法涉足,国外的智能家居系统都是在运用这个技术,国内也有少数企业把此技术运用到了智能家居,比如海尔、小米等,还做到了智能化和系统化,功能非常全面。ZigBee技术的安全性较高,其安全性源于其系统性的设计:采用AES加密(高级加密系统),严密程度相当于银行卡加密技术的12倍;其次,ZigBee采用蜂巢结构组网,每个设备不仅能通过多个方向与网关通信,保障网络的稳定性;每个设备还具有无线信号中继功能,可以接力传输通讯信息把无线距离传到1000米以外。另外,其网络容量理论节点为65300个,能够满足家庭网络覆盖需求,即便是智能小区、智能楼宇等只需要1个主机就能实现全面覆盖。除此之外,ZigBee还具备双向通信的能力,不仅能发送命令到设备,同时设备也会把执行状态和相关数据反馈回来。此外,ZigBee采用了极低功耗设计,可以全电池供电,理论上一节电池能使用2年以上。

尽管ZigBee技术的传输速率更快,可容纳的节点数更多,开放性更强;但Z-Wave似乎结构更简单、成本更低、接收灵敏度更高。二者之间具有不同的优势,正是因为有了这两大协议的相互比较,才使得这两大协议不断的去推陈出新,更新换代,研发更适用于人们生活的产品。

2、Weave/Thread来势汹汹,但推广仍面临困难

Thread是由三星、Nest、ARM等公司联合推出的一种基于IP的无线网络协议,用来连接家里的智能产品。Thread的出现,改进了ZigBee和Z-wave协议中的不足,通过6LoWPAN技术支持IPv6。Thread可支持250个以上设备同时联网,能够覆盖到家中所有的灯泡、开关、传感器和智能设备。优化了功耗,超低能耗,设备可以运行数年。此外,原有的ZigBee设备只需更新软件即可兼容Thread。综合来看,Thread很可能像Homekit、高通的开源框架AllJoyn一样,是一种在顶层工作的顶层架构。

不过,Thread要大规模推广,还要解决两个难题:一个是需要说服厂商在每一个设备中植入802.15.4芯片,另一个是要建立真正统一的标准。虽然Thread兼容ZigBee,可以通过软件升级实现兼容,不过目前大部分智能手机和平板都不支持ZigBee。Thread要推广开来,必须找到手机、平板或者电视这样的中心或者入口来控制Thread联网设备。

3、未来,蓝牙Mesh在智能家居领域或将超越ZigBee

无线Mesh网络(无线网状网络)也称为“多跳(multi-hop)”网络,无线Mesh网将传统WLAN中的无线“热点”扩展为真正大面积覆盖的无线“热区”。无线Mesh非常适合于覆盖大面积开放区城(包括室外和室内)的无线区域网络解决方案。蓝牙Mesh脱胎于CSR倡导的私有协议CSRMesh,通过将蓝牙配置与控制协议整合到单一的芯片中,构建整体家居自动化。

蓝牙Mesh有六大优点:1、低成本:每年十几亿部的智能手机几乎全部搭载蓝牙4.0,庞大的体量摊销了蓝牙协议、蓝牙芯片的软硬件研发成本。蓝牙模块的成本平均大概只有其他协议的一半。2、超低功率:适中的带宽、低发射功率和完备的休眠机制造就了蓝牙的超低功率,蓝牙4.0中BLE的出现,更是把待机功耗带到了微瓦级,而且启动快速。3、多信道:Wi-Fi在2.4GHz上只定义了14个频道,而蓝牙4.0定义了79个频道,智能家居联网必须有足够多的频道才能避免同频干扰,而ZigBee在2.4GHz、868MHz和915MHz一共才定义了27个信道,远远不能胜任大面积家庭使用导致的同频干扰。4、覆盖盲区少:蓝牙自联网降低了覆盖距离的要求,而且节点越多,覆盖盲区越少。一般人家中5个以上蓝牙灯泡或开关,就可以形成全家无盲区覆盖。5、传输速度:蓝牙4.2的理论带宽上限24Mb,带宽可以传送短视频或图片。6、IPV6:蓝牙4.2可以直接接入互联网,甚至预留了未来的互联网标准,IPV6。

蓝牙Mesh能否取代ZigBee成为智能家居领域的标准,还需要时间来检验。

物联网时代已经来临,智能家居也必须跟的上时代的发展和需求,物联网时代的智能家居必须具备物物相通、万物互联的功能,把一件普通的家电设备通过物联网技术和人连接起来,达到家电设备和人实时对话交流的目的。也许现在谈论Zigbee、Z-Wave、蓝牙Mesh、Weave/Thread究竟谁能称霸智能家居还为时尚早,但是正是因为各有不足,才有竞争,给智能家居注入源源不断的动力。

本文转自d1net(转载)

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