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無線模塊擴展:幾種無線模塊技術應用在智能家居上的對比

來源: 作者: 發布日期:2016-09-01 09:18:25 加入收藏 關注:
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 相對于無線模塊控制系統而言,有線控制不僅需要布線比較麻煩,而且系統的可擴展性也相對比較差,而且如果增加新設備時又需要重新布線,成本對比來說略高,因此也不奇怪如今無線通信技術對智能家居的選擇應用了。

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    在近幾年來,近距離無線模塊通信術獲得了飛速發展,包括紅外、藍牙(Blue-tooth)ZigbeeInsteonWiFi等技術。它們都有各自的標準、特點和相應的應用領域。本文將簡單介紹無線系統在智能家居行業的應用對比:

 

  ZigBee

 

  市場上應用比較多的無線技術還有ZigBeeZigBee技術是一組基于IEEE802.15.4無線模塊標準研制開發的涉及到組網、安全和應用軟件方面的通信技術,它是短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線網絡技術,它使用的頻段是全球通用的2.4GHZ(同時也定義了868HZ/915HZ兩個頻段)ZeeBee技術有如下優點:

 

  · 數據傳輸速率低:只有10250kbps的帶寬,因而它專注于低速數據傳輸方面應用;

 

  · 功耗低,成本低:由于工作周期很短,并且在應用中采用了休眠模式,那么收發信息功耗較低。ZigBee數據傳輸速率低、協議簡單,這大大降低了成本;

 

  · 網絡容量大:ZigBee支持星狀、片狀和網狀網絡結構,一個基于ZigBee的網絡可以容納最多254個從設備和1個主設備,一個區域內可以同時存在最多100ZigBee網絡;

 

  · 遲延短:通常的遲延都在1530ms之間,因此在對實時性要求高的自動控制領域,ZigBee有著很好的應用和推廣的價值;

 

  · 保密性好:ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能,加密算法采用通用的AES-128,長達128位的密碼給ZIGBEE信號傳輸的保密性提供了保障。

 

  · 有效范圍小:ZigBee的通信有效覆蓋范圍在1075m之間,基本上能夠覆蓋普通的家庭或者辦公室環境,其具體的通信范圍受實際發射功率的大小和各種不同應用模式的影響。

 

  ·抗干擾力強:Zigbee收發模塊使用的是2.4G直序擴頻技術,比起一般FSKASK和跳頻的數傳電臺來,具有更好的抗干擾能力。

 

  ·可擴展性強:ZIGBEE組網容易,自恢復能力強,因此,便于在設備進行擴展,增加新設備。

 

  ZigBee建立在IEEE802.15.4標準之上,并確定了可以在不同制造商之間共用的應用協議,是一種低成本的無線模塊傳感器網絡技術,依據這個標準,可在眾多的傳感器節點之間相互協調實現通信。ZigBee主要應用在距離短、功耗低且傳輸速率要求不高的各種電子設備之間的通信,因而它的主用應用目標是:工業控制、醫護、智能家居控制(燈關、水電氣計量及報警)、消費類電子設備的遙控裝置、PC外設的無線連接等領域。

 

  基于ZigBee技術有著這樣良好的適應性,目前在智能家居行業得到了比較多的應用。比如說,目前市場上control4系統,其在如火如荼的物聯網技術中也有廣泛的應用,筆者認為,基于智能家居的需求和ZigBee技術具有的特點,決定了ZigBee技術是實現無線智能家居系統的比較好的解決方案。

 

  WiFi

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  WiFi,這種無線技術的優勢是技術研發門檻低,產品成本低。由于技術開發難度小,很多初創企業均以WiFi為基礎開發智慧家居產品,但 其缺點也非常明顯。首先,WiFi最大的問題是安全性非常低,產品的無線穩定性也比較差,用戶體驗度不好。最近外媒相繼報導了美國貝爾金等公司的智慧家居 產品被駭客輕松攻破,央視近日也報導了美國駭客展示了如何使用無人遙控飛機輕松獲取開啟WiFi功能手機用戶的所有訊息。很難想像,假如你的鄰居可以輕松 獲知你家所有訊息,可以知道你家是否有人、是否睡覺甚至連你正在看什么影片他都了如指掌。

 

  其次,WiFi無線模塊的功耗高也是其很大的弱點,這也導致其在智慧家居領域的應用有限。由于其功耗較高,WiFi將不能用在諸如智慧門鎖、紅外轉發控制 器、各種感應器等產品內,而智慧門鎖是智慧家庭不可或缺的產品之一。而溫濕度感應器、光照感應器、煙霧探測器等各類感應器也是智慧家居系統必不可少的部 分。

 

  再次,WiFi無線組網能力低,擴展空間受限制。目前,WiFi網絡的實際規模一般不超過16個設備,而普通家庭內開關、電燈、家電的數量已經遠遠超過16個了,顯然基于WiFi技術的智慧家居系統可以連接的設備數量非常有限,未來發展空間受限。

 

  315MHZ

 

  根據國際上所采用的通用技術種類將無線傳感器網絡劃分為無線廣域網(WWAN)、無線城域網(WMAN)、無線局域網(WLAN)、無線個域網(WPAN)、低速率無線個域網(LR-WPAN)。目前在智能家居系統中主要應用的是低速率無線個域網,包括ZigBeeInsteonZ-waveHomePlug等技術。同時在無線通信中應用的無線電波作為電磁頻譜上的一部分,絕大多數的無線頻率都在加以分配之后進行應用,有許多頻率處于特別許可的頻段,比如作為軍事或者其它用途;而某些行業內的公司,需繳付相應的費用來獲取使用某些頻率的許可,對于一個特定的國家或者地區,這些許可常常也是特定的。然而有一些頻段是可以不經許可、自由使用的,包括工業、科學或醫療(ISM)頻段。對使用者的要求是,他們需要遵循某些管制的規定,例如限制發送功率等。目前,在全球范圍內通用的頻率是2.4GHZ1GHZ以下的頻率根據各個國家的規定而有所不同,在美國和亞洲地區通用使用的頻率是315MHZ

 

  對于315M HZ頻率的無線智能家居系統,目前在國內已經有了比較廣泛的應用,以HoneywellMomas HRIS-1000產品為例,這套系統避免了大量的布線,同時又可以輕松地實現燈光、窗簾的控制,以及對空調地暖等設備的控制,并具防盜報警和場景控制、遠程控制等功能。在系統的整個架構中,可以看出應用到的無線技術包括WI-FI, 無線紅外技術(通過紅外學習模塊實現需要的功能)315MHZ無線射頻技術。

 

  簡單分析一下所應用的技術。無線模塊紅外技術是一種利用紅外線進行點對點短距離通信技術,主要特點是:利用紅外傳輸數據,無須專門申請特定頻段的使用執照;具有設備體積小、功率低的特點;由于采用點到點的連接,數據傳輸所受到的干擾較小,數據傳輸速率高,速率可達到16Mbps。但紅外技術缺陷主要有:

 

  · 受視距影響,其傳輸距離短;

 

  · 要求通信設備的位置固定;

 

  · 其點對點的傳輸連接,無法靈活的組成網絡等。

 

  不過,這些缺點并沒有給無線紅外的應用帶來致命的障礙,比如說在影音系統中得到廣泛的應用,適合的就是最好的。

 

  315MHZ無線模塊射頻技術也是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線通信技術。這種技術的優點是部分產品無需重新布線,利用點對點的射頻技術,實現對家電和燈光的控制,成本適中。這種技術對于已經裝修好的用戶非常適用,無須預先布線,不會破壞原有家居的美觀,使用了基于無線射頻技術的設備,可以將家里所有的電器串成一個網絡,在這個網絡中,住戶可以隨意遙控,對每個電器都能進行控制,體現智能化。系統中使用的WiFi技術是目前最普及,應用最廣泛的無線標準,在HRIS-1000系統中的應用主要是指可以通過手持設備,ipad等對系統進行相關的配置和控制,實現所需要的功能。

 

  系統中三種無線模塊技術的相互應用,很好地實現了智能家居的控制,例如系統中紅外發射設備是通過無線射頻的方式和主機進行通信的,再通過發射紅外線去控制相應的設備,這樣此設備就可以根據需要放在適合的地方,提供電源即可。可以用IPAD通過WiFi對系統進行配置,也可以通過其客戶端對系統進行控制,應用非常靈活,給客戶使用帶來了很多的便利性。

 

  無線模塊射頻信號可以穿墻越壁,不受任何外物遮擋。系統在開發環境中覆蓋范圍可達100m,同時耗電量低,覆蓋面廣,任何角落,均可操作。以一所180m2的住宅為例,室內長30米,以100m的覆蓋范圍計算,用戶無論走到哪里,各個開關都可以接收遙控器的指令。每個遙控器,開關或調光開關都裝有無線射頻發送器或接收器,因此遙控器可直接向各開關發出指令,控制預設的燈光組合,而不需要敷設任何通信線纜。但是室內30m的遙控距離已經是無線射頻技術的極限了(隨著穿越不同的介質,信號衰減的幅度有所不同),同時,如果超過這個距離,無線信號易受同頻干擾,這也是無線射頻技術最大的一個缺陷。影響無線傳輸距離的因素包括設備的靈敏度、發射功率、天線,以及使用環境等等因素。如果希望提高傳輸的距離,可以從這幾個方面著手考慮相應的解決方案。按照理論上的計算,發射功率每增加6dB,傳輸的距離可以增加一倍;發射的頻率增加一倍,則傳輸距離減少一半,例如433MHZ的傳輸距離約是868MHZ的兩倍。目前,很多廠家均可以提供相關的專業設備來測試信號的強度,以滿足現場調試的需要。

 

  ④ 紅外線技術

 

  紅外線會議系統當前被認為是較有發展前途的新型會議系統。紅外通訊技術的特點:

 

  1.它是目前在世界范圍內被廣泛使用的一種無線連接技術,被眾多的硬件和軟件平臺所支持;

 

  2.通過數據電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉換實現無線的數據收發。

 

  3.主要是用來取代點對點的線纜連接;

 

  4.具有不能穿透障礙物的特性,有效保障了會議信息的安全與保密;

 

  5.安裝方便快捷,成本低;

 

 

 

注意一下紅外線技術的一些局限性。在進行系統安裝時, 設備距離紅外信號收發器的距離通常比較短,大都在10米內,且應遠離其它紅外光源(如日光燈,等離子屏等),以避免干擾

 

 藍牙技術Bluetooth

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  大家對藍牙技術的熟知,恐怕要屬手機上的藍牙功能了。其功耗以及成本都介于WiFiZigbee兩者之間,但傳輸距離最短,屬一種點對點、短距離的通訊方式,因在移動設備或較短距離間傳輸,故藍牙產品會提供一些較為私人化的使用體驗,例如藍牙耳機、藍牙喇叭、智能秤等,由于其傳輸距離較短,所以并不適合組建龐大的家庭網絡

 

  由上面分別介紹來看,不難得出一個結論:每一個技術都有相應的優勢與不足。相信在不久的無線模塊將來可以完善不完美的地方,互相借鑒,推動整個社會的科技發展。

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