智能家居头功 无线网络通信技术三国鼎立

2015-09-10 18:21:14来源: 互联网 关键字:智能家居


  随着智慧居家的兴起,过去一年来,无线网络技术的演进也受到了瞩目,在未来数年,Wi-Fi、Bluetooth及ZigBee这三个标准,仍是会三分天下。

  去年开始,智能居家及物联网的应用,又被重新瞩目,主要有下列三个原因:

  一、无线网络科技的快速成长:使得无论是需要高带宽的设备,或是支持设备的同时连接数目,都比以前呈倍数成长,使得万物连网的概念更容易。

  二、智能手机的普及:让一般消费者习惯用手机来控制所有东西,解决了以前需靠遥控器来设定或操控的不便性(过去需要多个遥控器或是一个超级复杂的万用遥控器)。

  三、云端运算的成熟:让许多应用可以透过网络来连接及运算,家中就不用安装一个昂贵又需要24小时开机的网关。

  无论是智能手机及云端运算,都是每个人日常生活中每天所接触的事物,比较容易理解,但是网络技术的变迁就不是那么司空见惯。所以接下来笔者希望可以深入浅出地介绍过去一年来,无线网络技术的演进以及对智慧居家的影响。

  无线网络技术的演进

  Wi-Fi 802.11ac

  早在2011年,802.11ac就发布了第一个草案,但是正式版本却在2014年1月才定案,但是2014年一定案,就马上造成轰动。主要原因是苹果的大力支持,从Mac Air到iPad Air2到iPhone 6,苹果的新设备都义不反顾地立即支持802.11ac,除了显示出苹果始终保持领先的地位的决心,更重要的是果粉使用苹果设备的主要应用都以影音为主,而影音串流在家中使用,由于2.4G此频段的泛滥使用,干扰非常严重,播放非常不顺畅。

  如果有兴趣而且是使用安卓手机的话,可下载此A p p-NETGEA R W i F i Analytics,扫描一下附近的无线的SSID,就可发现你周遭存在有多到超乎你想象的2.4G无线路由器,因此笔者许多朋友以为家中上网速度变慢,只要增加ADSL速度即可,后来发现主因还是家中的路由器只支援2.4G,而在2.4G频段上有太多路由器同时使用造成干扰,让上网速度变慢,更换成支持802.11ac的路由器后,并将家中的iPad及iPhone切换至5G频段,上网速率便大大地改善,如果家中的旧型笔电不支持5G,也只要添购802.11ac网卡接到笔电也可大幅改善。不过802.11ac对于智慧家居的改进,不只是5G频段的使用,还有下列几个特色:

  一、 波束集中(BeamForming)技术的标准化

  由于无线网络主要的管制机关为FCC(台湾为NCC),为了避免电磁波对人体的影响,功率有一定的限制,在功率限制下如何提高无线收讯率,及减少死角,波束集中技术就成为802.11ac所采取的技术,它会将无线讯号集中波点,也吻合了现今家庭用户,在家中愈来愈少使用笔电及桌机,而改采用手持式装置的趋势。

  二、 支持同时多人多装置的数据收发

  以前在802.11n的设备虽然支持MIMO(多天线同时收发),例如:路由器有搭载4支天线,所以当你使用支持MIMO的笔电连接路由器时,MIMO功能会同时透过4支天线传输你要的数据到你的笔电,所以使用者会立即感受到无线速率的提升,但是它只能同时支持单一使用者,也就是同时有多个使用者要下载文件,或观赏影音,那就会有人产生lag的现象,而这些问题,只要改用802.11ac的路由器,配上支援802.11ac的终端设备,就迎刃而解,家中同时有爸爸看电影,有老婆看韩剧,小孩玩在线游戏(这是笔者家中真实应用写照),都不会有不顺畅的现象发生了。

  所以Wi-FI的802.11ac解决了智慧家居中的影音娱乐的需求的问题,也解决了多设备同时连接的问题(旧型的无线路由器无法连接超过20个无线装置)。而且Wi-FI为了支持物联网,更开始制定传输距离更远的802.11ah,目标是在1公里以上的传输距离,希望仍可传输100kbps以上的数据试图挑战ZigBee及Z-Wave,由于Wi-Fi的普及性降低了芯片成本,及设定的方便性,在未来几年,802.11ah有可能变为Zigbee的最大挑战者。

  低功率蓝牙

  低功率蓝牙(Bluetooth Low Energy)加入战局-低功率蓝芽已成为穿戴式装置上必备的功能,从小米手环到Apple Watch,都成为其主要的通信链接网络,由于它可以让手机可以直接连结终端设备(Wi-Fi还需要经过路由器来连接),所以相对简化了连接设定步骤,蓝芽组织为了支持物联网在4.0时提出低功率BLE的标准,在4.2版更显示了他们企图心,加入对IPv6的支持,此功能可让蓝芽装置直接上网。

  你可想象以后的小米手环或Apple watch不用透过手机就可以直接连上Internet,可见蓝芽技术联盟抢进智慧家居及物联网的决心,由于蓝芽芯片的成本远低于Wi-Fi芯片,及软件开发上也简单许多,对于简单无需传输大量数据的智慧居家产品,蓝芽4.2将是另一个物联网的网络传输媒介。

  ZigBee

  祖父级的Z i g B e e在1998年就由H o n e y w e l l公司组成的ZigBee联盟开始制订标准,在2001年纳入IEEE的802.15.4标准中,到了2005年开放了第一个ZigBee的公开标准。ZigBee在制定之初,便朝向物联网前进,所以定义了可支援到65,000个节点的内网,也定义了物理层(PHY)、媒体层(MAC),及网络层(NWK)跟应用层(APL),更可支持星型/树型/网型的网络拓扑,当某节点当掉,还可透其他节点来路由封包,其完整性几乎等于T C P / IP+Ethernet的组合。

  但也带来相对的复杂性,使得Z i g B e e一直待在工控领域,而不受家用产品的青睐,由于它的数据格式并不兼容于主流的笔电、手机、平板等家用产品,所以必须透过一个Hub(集线器),连结到家中所有ZigBee设备,另一端再透过有线网络或Wi-Fi无线网络链接到家中路由器,也有些业者设计出ZigBee gatway(网关),让所有ZigBee设备透过此网关,可以直接连上Internet。

  无论如何,它设定及安装复杂性远远超过Wi-Fi及蓝牙,但是ZigBee天生的优点就是省电及传输距离长,5mA的功耗,让一颗钮扣电池就可维持一个ZigBee传感器运作数月到一年,因此在智慧传感器及智慧灯泡等家用控制设备,仍是无可取代的通讯标准。

  三国鼎立

  在未来数年,这三个标准,仍是会三分天下,在数据传输量大的设备,Wi-Fi为必需之选择,在移动式低能耗装置蓝牙为无可取代,在固定低能耗低传输率的传感器,ZigBee仍有一席之地。

  而这三个组织,还是会不断地在制定更新的标准,在可预见的未来,仍是难分胜负,而可以预知的未来趋势,则是智能家居的无线连结使用上会更简单,成本更低廉,在多媒体传输上会收讯更好,速度更快,在家用控制上,会更省电,更容易设定,唯有符合上述使用者的需求的无线标准才能胜出。
 

关键字:智能家居

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2015/0910/article_8830.html
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