李一婧

摘 要：自馬可尼在1899年發(fā)明無線電通信以來，無線通信技術(shù)已經(jīng)歷了百年的發(fā)展歷程。進(jìn)入二十一世紀(jì)，隨著互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)的逐漸興起，無線通信技術(shù)仍舊在生產(chǎn)、生活中發(fā)揮著不可替代的作用。本文梳理了電子信息技術(shù)的發(fā)展歷程，并著重介紹了藍(lán)牙、ZigBee和Wi-Fi三種無線通信協(xié)議的工作原理、主要優(yōu)缺點(diǎn)等內(nèi)容，并分析了以上三種通信協(xié)議在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：無線通信技術(shù);藍(lán)牙;ZigBee;Wi-Fi;智能家居

中圖分類號：TN92;TU855 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）14-0043-02

0 引言

Amazon推出了一款基于Alexa功能的聲控微波爐。通過Wi-Fi連接，微波爐可以對用戶的語音指令做出回應(yīng)。Alexa是亞馬遜旗下的智能語音助手，這款語音控制微波爐具有一個(gè)“Ask Alexa”按鈕，相當(dāng)于蘋果手機(jī)的“Home”鍵盤，是調(diào)用語音助手的快捷鍵。用戶只需按下“Ask Alexa”按鈕，并對微波爐說出指令，微波爐就可以自動(dòng)執(zhí)行該指令，如“用800W功率加熱三分鐘”。在此基礎(chǔ)上，Amazon的工程師還在微波爐內(nèi)置了大量的智能問答，涉及烹飪領(lǐng)域的基本解決方案，用戶可向微波爐描述食物種類和想達(dá)到的烹飪效果，微波爐可以自動(dòng)選擇加熱或烹飪方案。

除了Wi-Fi，還有哪些無線通信技術(shù)在智能家居領(lǐng)域扮演重要角色？如何理解藍(lán)牙、Wi-Fi等無線通信技術(shù)的工作原理？而電子信息技術(shù)的發(fā)展，將對智能家居會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響？針對以上問題，本文將一一闡述。

1 電子信息技術(shù)發(fā)展歷程

摩擦起電、伏打發(fā)明電池、富蘭克林風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)、歐姆定理實(shí)驗(yàn)、麥克斯韋電磁理論、赫茲實(shí)驗(yàn)……隨著歷代科學(xué)家的探索，人們深化了對“電”的了解，到了近代，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了電子，為各類電子技術(shù)發(fā)明奠定了基礎(chǔ)。本文梳理了通信技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展歷程，由此可以總結(jié)出電子信息的發(fā)展脈絡(luò)。通信技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展時(shí)間線如表1所示。

通過以上的時(shí)間線，我們可以總結(jié)出：通信的發(fā)展經(jīng)歷著由有線到無線、由模擬信號到數(shù)字信號、由電報(bào)到網(wǎng)絡(luò)、由人工到自動(dòng)化、由點(diǎn)對點(diǎn)模式到通信網(wǎng)絡(luò)的過程。而在未來，“虛擬現(xiàn)實(shí)”、“大數(shù)據(jù)”等新技術(shù)的發(fā)展，又將給通訊方式和通信內(nèi)容帶來極大變革[1]。

2 無線通信技術(shù)概述

2.1 藍(lán)牙

藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)包含了底層傳輸協(xié)議和高層傳輸協(xié)議。底層傳輸協(xié)議主要由基帶、射頻和鏈路管理協(xié)議組成;高層傳輸協(xié)議則由邏輯鏈路控制、適配層協(xié)議和主機(jī)控制器接口等部分組成。其主要技術(shù)原理為：藍(lán)牙設(shè)備之間的位置由傳輸層負(fù)責(zé)確認(rèn)，并將終端設(shè)備之間的物理鏈路和邏輯鏈路建立起來，其傳輸方式主要為ACL邏輯傳輸，使得傳輸效率和可靠性得到保證。藍(lán)牙作為一種無線通信協(xié)議，最初被設(shè)計(jì)為串行端口。藍(lán)牙協(xié)議由藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟維護(hù)和更新，自1999年發(fā)布藍(lán)牙1.0以來，已經(jīng)有五個(gè)版本的藍(lán)牙協(xié)議面世，藍(lán)牙5.0的理論傳輸距離達(dá)到了300米，傳輸速度也較上一代提高了一倍，其抗干擾性和安全性也得到提升，使得藍(lán)牙協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。作為一種短距離數(shù)據(jù)交換協(xié)議，藍(lán)牙傳輸多用在無線耳機(jī)、音箱等音頻設(shè)備和電腦、手機(jī)等電子設(shè)備之間的連接，成本低、功耗小是其主要優(yōu)勢。但是藍(lán)牙的安全性依舊不容忽視，如何避免網(wǎng)絡(luò)黑客通過藍(lán)牙協(xié)議控制用戶設(shè)備、盜取隱私數(shù)據(jù)，成為了藍(lán)牙技術(shù)發(fā)展的新挑戰(zhàn)[2]。

2.2 ZigBee

ZigBee是一種低功耗協(xié)議，專為短距離、低速率傳輸而設(shè)計(jì)（一般在250 kbps以下），通常用于傳感器之間的通信。ZigBee協(xié)議在2.4 GHz頻段運(yùn)行，在室內(nèi)的通信范圍約為30米，在室外開闊地帶通信范圍更大。ZigBee協(xié)議最大的特點(diǎn)是低功耗，普通的干電池就可以一個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)個(gè)月的工作。除此之外，低成本、低延時(shí)和高安全性也是其優(yōu)勢，但同時(shí)也存在不能與互聯(lián)網(wǎng)IP通聯(lián)等不足。ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中各節(jié)點(diǎn)分為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、匯聚節(jié)點(diǎn)（Router）和終端節(jié)點(diǎn)（End Device）三類，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只設(shè)置一個(gè)協(xié)調(diào)器，以及若干的匯聚節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。圖1是三節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖。

ZigBee協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟研發(fā)和更新，包含了德州儀器、飛思卡爾等半導(dǎo)體供應(yīng)商和西門子、飛利浦、三星電子等電子設(shè)備廠商，自2001年成立以來，ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)推出了四個(gè)版本的協(xié)議[3]。

2.3 Wi-Fi

Wi-Fi出現(xiàn)的時(shí)間較短，但其應(yīng)用在各種無線通信協(xié)議中最為廣泛。Wi-Fi傳輸與接入技術(shù)旨在將電子設(shè)備連接到無線局域網(wǎng)中，常常需要輸入網(wǎng)絡(luò)安全密鑰，也就是我們俗稱的“Wi-Fi密碼”，但一些公共場所的無線網(wǎng)絡(luò)是開放式的。Wi-Fi技術(shù)應(yīng)用廣泛，源于其傳輸效率高、傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)，但其傳輸質(zhì)量及網(wǎng)絡(luò)安全性仍有待提高，這也是Wi-Fi技術(shù)未來發(fā)展的重點(diǎn)方向。為了增強(qiáng)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的安全性，可以采取關(guān)閉SSID （Service Set Identifier）廣播，關(guān)閉WPS （Wi-Fi Protected Setup）功能、設(shè)置登錄密碼等舉措。

Wi-Fi與寬帶等有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不同，無需鋪設(shè)線纜，只需要通過路由器設(shè)置一個(gè)Wi-Fi熱點(diǎn)，然后在Wi-Fi熱點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)，就可以將電子設(shè)備接入到無線網(wǎng)絡(luò)中，降低了安裝的成本、節(jié)省了鋪設(shè)網(wǎng)線的空間。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積較大，通常室內(nèi)在50m范圍內(nèi)都可有較好的網(wǎng)絡(luò)信號，而室外能達(dá)到100～200m左右，用戶可以在Wi-Fi覆蓋內(nèi)自由使用電子設(shè)備，其中建筑墻體可能影響網(wǎng)絡(luò)信號的傳輸[4]。

3 無線通信技術(shù)在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 藍(lán)牙在智能家居的應(yīng)用

藍(lán)牙技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用，是在智能家電等主設(shè)備中的集成控制器中安裝藍(lán)牙通信模塊，待這些設(shè)備開啟后，可自動(dòng)與同樣安裝了藍(lán)牙模塊的控制設(shè)備進(jìn)行配對。配對成功后，控制設(shè)備就可以對主設(shè)備傳輸控制信號，進(jìn)行操控與管理。智能音箱就是典型的智能家居“入口”，即控制設(shè)備，用戶可以通過語音下達(dá)命令，經(jīng)藍(lán)牙音箱的對語音指令的拾音、識別后，再經(jīng)內(nèi)置于音箱中的微處理器分析指令含義并通過藍(lán)牙將指令信號傳輸給電視、空調(diào)、冰箱等主設(shè)備，進(jìn)而達(dá)到語音控制智能家居系統(tǒng)的效果;而在用戶無命令時(shí)，藍(lán)牙模塊則處于休眠狀態(tài)，以降低功耗。藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用在智能家居領(lǐng)域，不僅能給人們的生活帶來便利，還能連接報(bào)警裝置，保障日常生活的安全。

我國藍(lán)牙技術(shù)的推廣，起步雖晚但發(fā)展迅速，隨著搭載藍(lán)牙模塊的電子、電器設(shè)備數(shù)量劇增，生活中使用藍(lán)牙的場景越來越多。在未來，相信藍(lán)牙技術(shù)定會(huì)在智能家居的通信領(lǐng)域承擔(dān)起愈發(fā)重要的角色。

3.2 ZigBee在智能家居的應(yīng)用

在智能家居系統(tǒng)中，ZigBee通信協(xié)議主要用于無線監(jiān)控、紅外線防入侵裝置、開關(guān)控制等功耗較低、傳輸距離較近的場景。ZigBee的傳輸距離與傳輸速率介于藍(lán)牙與Wi-Fi之間，但是其傳輸功耗卻低于這兩種通信協(xié)議?？勺越M網(wǎng)絡(luò)也是ZigBee的一大優(yōu)勢，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)最大可達(dá)到65000個(gè)以上。而在運(yùn)營過程中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)可達(dá)到斷電但依然將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲的效果，同時(shí)能在工作狀態(tài)下隨時(shí)隨地與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。

現(xiàn)階段，ZigBee要應(yīng)用到實(shí)際生活、尤其是智能家居領(lǐng)域，還有很多需要改進(jìn)的地方。節(jié)能雖然是ZigBee協(xié)議的一大優(yōu)勢，但開發(fā)者仍需在ZigBee節(jié)能模式的基礎(chǔ)上編寫相應(yīng)的低耗電節(jié)能算法，并進(jìn)行整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)層級的調(diào)試，無形中增大了工作量。因此，加速推出更智能、更高效的ZigBee協(xié)議，在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代很有必要。

3.3 Wi-Fi在智能家居的應(yīng)用

Wi-Fi無線通信在智能家居領(lǐng)域通常用于監(jiān)控系統(tǒng)，通過Wi-Fi連接用戶的電子設(shè)備和智能電器，可以連接防盜探測器、有毒氣體探測器、視頻監(jiān)控器等，通過對有害氣體濃度、室內(nèi)溫度等指標(biāo)的檢測，來實(shí)施調(diào)控家庭通風(fēng)系統(tǒng)、家庭安保系統(tǒng)。Wi-Fi相比于藍(lán)牙和ZigBee的優(yōu)勢在于，其傳輸距離和單位時(shí)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量更大，因此，視頻監(jiān)測系統(tǒng)往往采用Wi-Fi通信。在未來，降低Wi-Fi傳輸?shù)膩G包率，提升語音控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確率，設(shè)計(jì)出人性化交互的移動(dòng)端APP，可以更好地滿足用戶使用Wi-Fi遠(yuǎn)程控制家居系統(tǒng)、了解家庭安全狀態(tài)的需求。

4 結(jié)語

本文梳理了電子信息技術(shù)近二百年的發(fā)展歷程，可以看出：通信技術(shù)的進(jìn)步往往是基于電子技術(shù)的進(jìn)步，而藍(lán)牙、ZigBee和Wi-Fi均是近二十年來發(fā)展起來的無線通信技術(shù)。三者的共同點(diǎn)在于，都是2.4GHz的無線電波。ZigBee的傳輸距離最短、功耗最低，Wi-Fi的傳輸距離最長、功耗最大，而藍(lán)牙介于二者之間。藍(lán)牙的安全性較高、ZigBee次之，Wi-Fi安全性最低。藍(lán)牙在智能家居的應(yīng)用較為廣范，主要負(fù)責(zé)智能音箱等交互設(shè)備和智能電器的無線連接;由于其低功耗、低傳輸距離和自組網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)，ZigBee技術(shù)主要用于紅外安全監(jiān)測和開關(guān)控制;而Wi-Fi作為最常用的無線通信技術(shù)，在智能家居領(lǐng)域具有較高的適用性，但安全性較低，是影響其發(fā)展的主要因素。

參考文獻(xiàn)

[1] 張博宇，殷宏斐.電子信息技術(shù)發(fā)展趨勢綜述[J].中國新通信，2017，19（15）：31-32.

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[2] 蒲泓全，賈軍營，張小嬌，孫建偉.ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究綜述[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用， 2013，22（09）：6-11.

[4] 張化明.WIFI傳輸與接入技術(shù)的發(fā)展研[J].通訊世界，2018，25（12）：38-39.