市面上已經(jīng)出現(xiàn)許多智能家居設(shè)備，隨著其價格越來越親民，產(chǎn)品的接受度也越來越高。但是，支持設(shè)備之間通信和設(shè)備與智能手機通信的各種無線技術(shù)則令人眼花繚亂。此類技術(shù)采用的協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)形式，均各具特色，各有利弊。其中包括 Wi-Fi、Thread、Matter、Zigbee、Amazon Sidewalk、Z-Wave、藍牙和專有協(xié)議等，是其中最常見的一些協(xié)議。本文將介紹這些智能家居技術(shù)，以及由Silicon Labs（芯科科技）所推出的相關(guān)解決方案。

支持智能家居設(shè)備的

常見無線通信技術(shù)

目前可用于智能家居設(shè)備的無線通信技術(shù)相當(dāng)多種，每種技術(shù)各有其優(yōu)勢與特性，以下將為您分析這些常見的無線通信協(xié)議的特色。

Wi-Fi

Wi-Fi是應(yīng)用最廣泛、最常見的智能家居設(shè)備連接技術(shù)，它采用與筆記本電腦、平板電腦或手機相同的無線網(wǎng)絡(luò)，提供高速數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)大范圍覆蓋。Wi-Fi與大多數(shù)智能家居設(shè)備和平臺兼容，例如Amazon Alexa、Google Assistant、Apple HomeKit和Samsung SmartThings。Wi-Fi在2.4 GHz和5 GHz頻段上運行，支持的數(shù)據(jù)速率高達每秒數(shù)千兆比特。

Wi-Fi技術(shù)常用于采用線路供電設(shè)備和電池供電設(shè)備（大容量一次性電池，即堿性電池），像是智能揚聲器、智能顯示器、智能電視和智能攝像頭、智能恒溫器、智能鎖和智能門鈴、智能插座、智能開關(guān)和智能燈泡等產(chǎn)品。

新版的Wi-Fi網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以改善智能家居設(shè)備連接和功能，特別是戶外設(shè)備或遠離路由器的設(shè)備，包括安全攝像頭、智能燈或?qū)櫸锔櫰鞯仍O(shè)備，這些設(shè)備因Wi-Fi網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的大范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋受益匪淺。Wi-Fi網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)也適用于室外照明、傳感和控制、停車場管理、環(huán)境管理、建筑和園區(qū)管理，甚至廣泛應(yīng)用于機場。

Thread

Thread是一種基于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的低功耗智能家居協(xié)議，其頻段與2.4G Wi-Fi相同，但會創(chuàng)建單獨的專用低功耗網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。Thread設(shè)備采用強大的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)覆蓋住宅乃至商業(yè)建筑。Thread并未定義應(yīng)用層，因此制造商需要自行開發(fā)應(yīng)用層，或者可能需要支持類似Apple HomeKit的現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)。

Thread協(xié)議常用于線路供電設(shè)備和電池供電設(shè)備（紐扣電池），像是智能傳感器，例如運動、溫度、濕度和光傳感器，以及智能開關(guān)、智能插座、智能燈、智能鎖，在戶外用例，Thread協(xié)議也可用于傳感器網(wǎng)絡(luò)、資產(chǎn)跟蹤和控制系統(tǒng)、街道照明控制、環(huán)境監(jiān)測和交通管理、花園自動化、泳池監(jiān)測和室外照明。

Matter

Matter是連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟（CSA）于2022年發(fā)布的一項全新智能家居協(xié)議。連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟由包括Amazon、Apple、Google、Samsung、Silicon Labs等在內(nèi)的一系列科技公司聯(lián)合成立。Matter旨在制定通用智能家居設(shè)備互操作標(biāo)準(zhǔn)，且不受品牌、平臺或技術(shù)限制。

Matter協(xié)議常用于線路供電設(shè)備和電池供電設(shè)備，像是智能揚聲器、智能顯示器、智能電視和智能攝像頭、智能恒溫器、智能鎖和智能門鈴、智能插座、智能開關(guān)和智能燈泡、智能傳感器、智能按鈕和智能遙控器、智能設(shè)備和大型家用電器。

Zigbee

Zigbee是最原始、最成熟的智能家居協(xié)議之一，得到很多流行品牌的推崇和使用，包括飛利浦Hue、宜家（Ikea）和霍尼韋爾（Honeywell）。同時，它也是一種基于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的低功耗協(xié)議，與Wi-Fi的運行頻段一致，但使用的調(diào)制和編碼方案有所不同。Zigbee設(shè)備可以建立數(shù)百個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點與節(jié)點、節(jié)點與中心集線器或協(xié)調(diào)器之間能夠相互通信。部分智能家居平臺（包括Amazon Echo和Samsung SmartThings以及Tuya）直接支持Zigbee，而且還能通過Actions或Skills與其他平臺（例如，谷歌Nest和蘋果HomeKit）合作。

Zigbee協(xié)議常用于線路供電設(shè)備和電池供電設(shè)備（紐扣電池），像是智能傳感器，例如運動、溫度、濕度和光傳感器，以及智能開關(guān)、智能按鈕、智能插座和智能照明、智能鎖、智能儀表，在戶外應(yīng)用中，Zigbee協(xié)議可用于傳感器網(wǎng)絡(luò)、資產(chǎn)跟蹤和控制系統(tǒng)、街道照明控制、環(huán)境監(jiān)測和交通管理、花園自動化、泳池監(jiān)測和室外照明。

Amazon Sidewalk

Amazon Sidewalk于2021年推出，提供智能家居協(xié)議，支持共享無線網(wǎng)絡(luò)連接室內(nèi)、前門外、社區(qū)和城市物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。它是一種長距離低帶寬協(xié)議，使用900 MHz（長距離）和2.4 GHz藍牙低功耗（LE）（室內(nèi)）連接智能家居設(shè)備并擴展其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。Amazon Sidewalk采用兩種調(diào)制技術(shù)通過900 MHz頻段傳輸數(shù)據(jù)，包括頻移鍵控（FSK）和線性調(diào)頻擴頻（CSS）。FSK是Amazon Sidewalk在Amazon Sidewalk Bridge設(shè)備（例如，Echo或Ring）與支持Amazon Sidewalk的設(shè)備之間開展中距離通信的工具。CSS覆蓋距離超過FSK，但數(shù)據(jù)速率低得多。Amazon Sidewalk可以使用FSK和CSS創(chuàng)建安全可靠的無線網(wǎng)絡(luò)，覆蓋面積較大，支持各種低功耗設(shè)備。

Amazon Sidewalk協(xié)議在家庭內(nèi)采用低功耗藍牙，可用于跟蹤、防盜、訪問控制與家庭自動化，在前門外則采用1 GHz以下FSK，可用于戶外照明、水資源危機緩解和控制、節(jié)能、設(shè)備預(yù)測性維護，在柵欄外則采用1 GHz以下FSK與CSS，可用于公園管理、環(huán)境管理、建筑物和園區(qū)管理、機場等地。

Z-Wave

Z-Wave是一種低功耗網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在800-900 MHz頻段上運行，廣泛應(yīng)用于智能家居設(shè)備，特別是安全、照明和氣候控制設(shè)備。它由Z-Wave聯(lián)盟開發(fā)，該聯(lián)盟包括300多家生產(chǎn)Z-Wave兼容設(shè)備的公司。Z-Wave相當(dāng)可靠、可擴展且安全，它使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌@意味著每個設(shè)備都可以充當(dāng)中繼器并擴展網(wǎng)絡(luò)的范圍，它還使用加密和設(shè)備身份驗證來防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和黑客攻擊。Z-Wave網(wǎng)絡(luò)可處理包括主控制器在內(nèi)的最多232個設(shè)備（節(jié)點）。Z-Wave在室內(nèi)應(yīng)用采用線路供電設(shè)備和電池供電設(shè)備（紐扣電池）時，可用于智能傳感器，例如運動、溫度、濕度和光傳感器，以及智能開關(guān)、智能插座、智能鎖、智能門鈴和智能安全系統(tǒng)。

Z-Wave Long Range（LR）是Z-Wave的延伸規(guī)格，可以在單個網(wǎng)絡(luò)中支持更多設(shè)備，最多4,000個節(jié)點，允許用戶在家中添加更多智能家居功能。同時，允許多住戶物業(yè)經(jīng)理在單個網(wǎng)絡(luò)上管理建筑或建筑群。Z-Wave LR可實現(xiàn)傳感器、門鎖和照明的無線連接，無需中繼器或擴展器。它可以覆蓋較大的區(qū)域，如花園、車道或后院，并在惡劣的天氣條件下提供更可靠的通信。

低功耗藍牙

低功耗藍牙也是一種常見技術(shù)，主要用于連接設(shè)備與手機，與2.4G Wi-Fi的運行頻段一致，但傳輸距離較短且數(shù)據(jù)速率較低。藍牙設(shè)備可以相互通信，也可以與智能手機或平板電腦通信。它們能夠建立最多由32臺設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)，稱為微微網(wǎng)（piconet）。通過手機實現(xiàn)室內(nèi)控制的鎖和照明設(shè)備是典型的智能家居設(shè)備，藍牙則需要通過集線器實現(xiàn)室外控制。低功耗藍牙常應(yīng)用于無線耳機、揚聲器和耳塞耳機、無線鍵盤、鼠標(biāo)和游戲控制器、智能手表、健身跟蹤器和健康檢測儀、智能標(biāo)記、跟蹤器和信標(biāo)。

藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)則是一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，允許藍牙設(shè)備相互傳遞消息，進而形成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)單個網(wǎng)絡(luò)最多可支持4096個設(shè)備，并且可以通過添加更多設(shè)備或子網(wǎng)進行擴展，這使得藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)能夠滿足大規(guī)模和復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求。藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)常應(yīng)用于智能照明、樓宇自動化、資產(chǎn)跟蹤、環(huán)境監(jiān)控。

專有協(xié)議（1 GHz以下和2.4 GHz）

專有無線技術(shù)可以在不同頻段（例如，1 GHz以下或2.4 GHz）上運行，而且能夠支持不同的數(shù)據(jù)速率和帶寬，具體取決于供應(yīng)商或制造商。專有無線設(shè)備可形成不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如星形、樹形或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具體取決于供應(yīng)商或制造商。專有網(wǎng)絡(luò)需要自帶集線器或網(wǎng)關(guān)，避免直接連接生態(tài)系統(tǒng)。專有無線設(shè)備可以通過Actions或Skills與生態(tài)系統(tǒng)（例如，Google Nest和Apple HomeKit）搭配使用。

專有協(xié)議常應(yīng)用于專有智能傳感器、智能按鈕和智能遙控器，以及專有智能鎖、智能門鈴和智能安全系統(tǒng)、專有智能電表、智能插座和智能設(shè)備。

如何選擇最佳的智能家居技術(shù)

事實上，智能家居協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)并不唯一且難分高下，因為每種協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)都具有自身的優(yōu)勢和劣勢，滿足的需求和偏好也可能有所不同，您可依據(jù)實際的需求來選擇最適合的智能家居的智能家居協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)。

例如，如果您希望未來添加更多的智能家居設(shè)備，便需要確保您的智能家居適應(yīng)未來需求并與越來越多的設(shè)備兼容，Wi-Fi技術(shù)便是一個不錯的選擇。Wi-Fi無處不在且與大量設(shè)備兼容，它是一種多功能可擴展方案。

如果必須考慮智能家居設(shè)備與現(xiàn)有或首選平臺、語音助手或應(yīng)用的兼容性和互操作性，則Matter是最佳選擇。如果希望延長傳輸距離并覆蓋室內(nèi)或室外智能家居設(shè)備，Z-Wave技術(shù)無疑是需要延長傳輸距離及擴大覆蓋范圍的智能家居技術(shù)的有力競爭者。Z-Wave在1 GHz以下頻段上運行，支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，其中每臺設(shè)備均可充當(dāng)路由器或中繼器，從而延長網(wǎng)絡(luò)傳輸距離并擴大覆蓋范圍，此外，也可以考慮采用Amazon Sidewalk。

若從智能家居設(shè)備的角度而言，則須考慮智能家居技術(shù)的功耗，Zigbee則因低功耗和低數(shù)據(jù)速率無線技術(shù)而聞名，非常適合對電池壽命、網(wǎng)絡(luò)可靠性和安全性要求較高的應(yīng)用。Zigbee設(shè)備可以形成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，延長傳輸距離并擴大覆蓋范圍，同樣有助于實現(xiàn)電源高效利用。

此外，目標(biāo)喚醒時間（TWT）和BSS最大空閑期等Wi-Fi 6功能也有助于增加設(shè)備功耗效能，從而延長電池壽命。設(shè)備可以借助這些功能長時間保持睡眠狀態(tài)，節(jié)約能源，最大限度延長電池壽命。另一方面，Z-Wave LR旨在延長Z-Wave網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離，同時保持能效，一枚紐扣電池最多可以使設(shè)備運行10年，因而成為低功耗及延長電池壽命的首選技術(shù)。

若從智能家居設(shè)備以及個人數(shù)據(jù)安全性和隱私性的角度考慮，Matter因支持的設(shè)備類型較為廣闊及提供端到端加密、設(shè)備認(rèn)證和云集成而聞名，可增強智能家居設(shè)備的安全性和隱私性。Z-Wave則還提供加密和設(shè)備身份驗證，但缺乏內(nèi)置云服務(wù)。若從智能家居設(shè)備及其設(shè)置和維護的成本和復(fù)雜度來考慮，Matter技術(shù)無疑獨占鰲頭。

支持多協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)

與智能家居設(shè)備開發(fā)工具套件

為加快客戶開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)、智能家居設(shè)備的開發(fā)速度，Silicon Labs推出了支持眾多通信協(xié)議的xG24-EK2703A開發(fā)工具套件（EFR32xG24 Explorer套件），這是一套基于EFR32MG24片上系統(tǒng)的小封裝開發(fā)和評估平臺。EFR32xG24 Explorer套件專注于快速原型化和概念創(chuàng)建2.4 GHz無線協(xié)議的IoT應(yīng)用，支持包括藍牙低功耗、藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、Zigbee、Thread、Matter和專有產(chǎn)品等無線協(xié)議。

xG24-EK2703A開發(fā)工具套件的關(guān)鍵功能包括內(nèi)置一個USB接口、一個板載SEGGER J-Link調(diào)試器、數(shù)據(jù)包追蹤接口和按鈕，并可通過mikroBus插座和Qwiic連接器對硬件附加板提供支持。硬件附加支持允許開發(fā)人員使用來自mikroE、Sparkfun、AdaFruit和Seeed Studios的現(xiàn)成板進行各種組合，來創(chuàng)建和原型化應(yīng)用。

xG24-EK2703A 是一款小封裝套件，與面包板尺寸一致，套件內(nèi)容包括 xG24 Explorer 板 (BRD2703A)，采用 EFR32MG24B210F1536IM48 低功耗無線片上系統(tǒng)（SoC），具有DSP指令和浮點單元，支持高性能2.4 GHz無線電，內(nèi)置78 MHz 32-位ARM Cortex-M33內(nèi)核，以及1536 kB閃存和256 kB RAM，可為要求苛刻的應(yīng)用提供資源，同時為未來增長留出空間。

EFR32MG24多協(xié)議無線SoC則是使用Matter、OpenThread和Zigbee協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)狀物聯(lián)網(wǎng)無線連接的理想選擇，適用于智能家居、照明和樓宇自動化產(chǎn)品。憑借高性能2.4 GHz RF、低電流消耗、AI/ML硬件加速器和Secure Vault等關(guān)鍵功能，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造商可以創(chuàng)建智能、穩(wěn)健、節(jié)能的產(chǎn)品，避免遠程和本地網(wǎng)絡(luò)攻擊。

EFR32MG24具有用于AES128 / 192 / 256、ChaCha20-Poly1305、SHA-1、SHA-2 / 256 / 384 / 512 等硬件加密加速功能，以及真隨機數(shù)發(fā)生器（TRNG）、ARM TrustZone、安全啟動（信任根安全裝載程序）、安全調(diào)試解鎖、DPA應(yīng)對措施，以及安全密鑰管理，使用PUF技術(shù)，可防篡改，支持安全認(rèn)證。目標(biāo)應(yīng)用包括網(wǎng)關(guān)和集線器、傳感器、開關(guān)、門鎖、LED照明、燈具、定位服務(wù)、預(yù)測性維護、玻璃破碎檢測、喚醒詞檢測等。

結(jié)語

智能家居通信技術(shù)的選擇和應(yīng)用對整體系統(tǒng)的功能性、穩(wěn)定性和可擴展性至關(guān)重要。無論是基于Wi-Fi、Zigbee、Bluetooth、Thread，還是新興的Matter標(biāo)準(zhǔn)，每種技術(shù)都有其特定的優(yōu)勢與適用場景。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進步，未來的智能家居系統(tǒng)將更強調(diào)技術(shù)的互聯(lián)互通、低延遲、高安全性以及用戶體驗的提升。本文所介紹的Silicon Labs解決方案，將可協(xié)助設(shè)計者快速開發(fā)智能家居產(chǎn)品，推動智能家居更加智能化、人性化，實現(xiàn)真正意義上的智慧互聯(lián)。