广告

智能家居和智能生活:无线连接和互操作性

时间:2018-10-25 阅读:
我们将讨论各种无线技术,说明在智能家居中应在何处以及为何需要使用它们,并重点介绍一些多协议模块和IC的供应商以及使用它们的设备制造商。

由于我们在日常生活中使用各种与家庭自动化相关的智能设备并将其融入到我们的个人住宅,我们的世界变得“更加智能”。但是,在使用所有这些方便、精美和“必备”的智能设备的同时,我们也看到许多竞争的无线网络技术。因此,功能强大、易于使用的多协议无线智能家居生态系统能否最终成功,就取决于一个关键参数:互操作性。

在本文中,我们将讨论各种无线技术,说明在智能家居中应在何处以及为何需要使用它们,并重点介绍一些多协议模块和IC的供应商以及使用它们的设备制造商。

Wi-Fi

Wi-Fi是由Wi-Fi联盟持有的商标术语,该联盟是一家非营利性组织,致力于推广Wi-Fi技术并对Wi-Fi产品进行认证。Wi-Fi实际上属于一组名为IEEE 802.11的规范。由于这种无线技术极有可能用在我们的家里、办公室和最喜欢的咖啡店,因此我们熟悉这种无线技术的可能性很大。

Wi-Fi非常适合传输大量数据,例如将Netflix流式传输到我们的智能手机、平板电脑和智能电视。但是,使用Wi-Fi会消耗大量电力,这意味着虽然Wi-Fi适用于某些智能家居设备,但对于对功耗敏感的电池供电应用来说并不可行。

可以在家庭自动化设备中使用Wi-Fi的一个很好的例子是智能便携式/窗式空调设备。由于空调设备已连接到家用电源(美国为120VAC,欧洲为230VAC),因此不需要担心为设备更换电池,因为它根本不存在。

Wi-Fi的一个缺点是可连接到单个路由器/网络的设备(节点)数量有限。但这一点并非那样黑白分明。仅仅将更多的设备连接到Wi-Fi路由器,不一定会减慢路由器的速度。然而,通过单个Wi-Fi网络下载大量数据的联网设备越多(例如我们家中有平板电脑、智能电视和家用手机等各种流媒体设备),则路由器的数据传输速率也就越低。路由器每秒只能提供固定数量的数据,并且所有的设备和用户都会共享。

蓝牙低功耗(BLE)

虽然IEEE对蓝牙进行了IEEE 802.15.1的标准化,但它不再支持该标准。相反,蓝牙特别兴趣小组(SIG)负责监督规范的制定,管理资格认证计划并保护商标。

正如蓝牙低功耗的名称所示,这种无线技术专为低能耗(低功耗)设备而设计。正是这一功能使得配备BLE的智能家居设备可以运行数月或数年而无需更换电池。

还应该注意的是,BLE技术的一个主要亮点是它已嵌入到所有的移动电话及其配件中。正是这种技术的包含,使得将智能手机与其他产品配对的工作变得非常容易。

相对而言,使用BLE的另一个优点是其传输范围较长。蓝牙设备的局限更多是取决于监管机构(FCC,ETSI)对每个国家或地区限定的无线电传输功率。虽然蓝牙设备可以有数百米的范围,但一般消费者仅能体验到十到三十米范围。不幸的是,BLE的主要限制是它所能连接的设备数量,这也是它的一大限制。某些BLE设备可与多达十个或二十个设备通信,但却无法做到与100个或更多的设备通信。

蓝牙网状网络

蓝牙网状网络(蓝牙mesh)是一种基于蓝牙低功耗的协议,但具有分散的“网状”网络,其中每个设备可以与网络中的任何其他节点通信。如果两个设备相距太远,它们的信号可以沿着中间的设备跳跃。此外,用户可以在不影响网络整体强度的情况下,在网络中添加或删除设备。

蓝牙将此网状网络拓扑称为多对多(m:m)设备通信,而不是传统的点对点和星形(或广播)蓝牙通信拓扑。蓝牙mesh传输范围没有限制,而且令人惊讶的是,这种拓扑结构最多支持32,767个连接节点。根据Silicon Labs的这篇白皮书所述,“由于智能家居环境很可能有30-50个设备,而且它们不一定都在彼此的直接通信距离以内,因此智能家居是蓝牙mesh的一个很好的例子和用例。”

虽然对于仅限于智能手机与房屋内互联设备之间交互的用例来说,蓝牙mesh解决方案可能非常适用,但蓝牙mesh解决方案并非适用于所有应用。无论是对于远程控制和访问,还是与第三方服务交互来说,许多物联网产品只有连接到外部世界,才能提供最大价值。要使蓝牙设备能够提供此功能,需要在蓝牙和IP(Wi-Fi、以太网、蜂窝等)之间提供一个“网桥”。当系统解决方案调用IP连接时,无论是直接在网络上还是通过云服务,是使用Wi-Fi还是蜂窝网络,相比使用具有“网桥”解决方案的蓝牙mesh,移动设备更有可能(也许也更合乎逻辑)只会通过IP进行通信。

Zigbee

Zigbee是一种基于IEEE 802.15.4的规范,它是一种低功耗、低数据速率和近距离的无线网状网络。Zigbee联盟是一个会员制组织,负责维护和发布Zigbee标准。

Zigbee的最大传输距离有限,范围从10到100米,具体取决于功率输出和环境条件。但是类似于蓝牙mesh,Zigbee设备可以利用网状网络中的中间设备来和更远距离的联网设备通信,从而在更长的距离上传输数据。Zigbee定义的数据传输速率为250kbps,最适合用于来自相当简单的传感器的间歇数据传输,例如无线电灯开关和飞利浦Hue等智能灯泡。

互操作性

建议大多数(甚至稍微)熟悉物联网、智能设备、连接设备和家庭自动化术语和短语的消费者也至少通过名称来熟悉Wi-Fi、蓝牙和BLE,可能并不是一件容易的事。这一概念背后的原因是,大多数家庭自动化设备制造商最初采用这些无线技术是因为它们的可用性,因为它们不需要使用网关(hub)设备,即实现数据从一个分立网络流向另一个网络的网络硬件。但是不管怎样,我们正看到我们的家中正在部署网关设备,例如亚马逊Echo、谷歌Home和三星的SmartThings hub。这些网关现在通常被称为智能家居hub。而且,巧妙的是,这些网关本身包含了各种无线通信协议。例如,亚马逊Echo配备了Wi-Fi和Zigbee功能,三星的SmartThings可以很好地与ZigBee、Wi-Fi、蓝牙等配合使用。

展望

单一协议是否能够满足所有产品和/或市场的需求?很可能不能。不同的协议和标准具有不同的质量和优点。

一般而言,连接需求应始终考虑从终端设备到任何网关/hub再到应用层和服务提供商的整个生态系统。因此可以假设(或甚至保证)在智能家居这一仍在发展的无线连接的世界中,我们仍将使用多种协议。

因此这意味着,如果您涉及面向智能家居的智能设备和/或智能hub以及智能生活应用的开发,那么您将有机会与在其无线IC和无线模块产品组合中提供多种协议的半导体公司合作。

一家专攻这种多协议方法的公司是Silicon Labs。根据Silicon Labs公司物联网产品现场营销总监Anders Pettersson的说法,“我们的策略是成为一家一站式提供无线连接的公司。我们提供Zigbee、BLE、蓝牙mesh、Thread、Z-Wave、Wi-Fi……我们全都在做。我们为每个协议开发了自己的堆栈。”

总结

对于市场上所有的无线网络竞争技术(包括但不限于Wi-Fi、蓝牙、蓝牙mesh和Zigbee),显然没有单一和主流的标准可以推动智能家居以及智能生活应用和技术领域的产品开发。虽然这些独特的协议中每个都有自己的优缺点,但实现设备互操作性的最佳方法是采用多协议软件和硬件解决方案。

如果单一产品能够支持多种无线连接和协议,那么最终用户就可以自由调整和更新自己的设备连接。提供这种包罗万象的设备或网关的关键是与该领域的专家合作。Silicon Labs就是这样一家专攻这种多协议方法的公司。要了解他们如何能帮助您推出下一个无线连接产品,请与他们打电话联系。

 

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
广告
相关新闻
广告
广告
广告
广告