引 言

智能家居以住宅為平臺(tái)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接家庭中的各種家電設(shè)備，滿足人民對(duì)安全、舒適、智能化家居生活的需要。智能家居使用的主要技術(shù)包括傳感器、綜合布線、安全防范、自動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)通信等，其中網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能家居的關(guān)鍵。目前用于智能家居的布線組網(wǎng)技術(shù)分為有線和無(wú)線兩種， 無(wú)線技術(shù)因?yàn)槠浞奖忝烙^、不破壞原有房屋裝修而逐漸成為

智能家居布線的首選 [1]。

1 智能家居的現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)二十幾年的發(fā)展，智能家居越來(lái)越被外界看好，由于其具有巨大的市場(chǎng)空間，谷歌、蘋(píng)果、亞馬遜、阿里、小米等國(guó)內(nèi)外科技巨頭紛紛耗巨資進(jìn)入該行業(yè)。根據(jù)中投顧問(wèn)發(fā)布的《2016—2020 年中國(guó)智能家居市場(chǎng)投資分析及前景預(yù)測(cè)報(bào)告》顯示 ：2013 年中國(guó)的智能家電產(chǎn)值已達(dá) 1 000 億元， 到 2020 年終端設(shè)備的產(chǎn)值將達(dá) 8 000 億元，而這僅僅是圍繞

智能家居的相關(guān)硬件、軟件及延伸服務(wù)的一部分，就整體而言，預(yù)計(jì) 2020 年中國(guó)智能家居市場(chǎng)的產(chǎn)值將超過(guò)萬(wàn)億元 [2]。

智能家居市場(chǎng)前景廣闊，但目前真實(shí)使用率和普及率較低，歸根結(jié)底主要有市場(chǎng)原因和行業(yè)技術(shù)原因。市場(chǎng)原因主要在于市場(chǎng)宣傳不到位及個(gè)別廠商缺乏創(chuàng)新 ；行業(yè)技術(shù)原因主要在于目前智能家居缺少統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)，缺乏兼容性，且非智能家居改造成本高、維護(hù)不便 [3]。針對(duì)非智能家居改造成本高的問(wèn)題，本文提出利用射頻與紅外通信技術(shù)改造現(xiàn)有非智能家電設(shè)備，使之成為智能家居的方案。

2 無(wú)線通信技術(shù)

智能家居一般組網(wǎng)的通信技術(shù)分為有線和無(wú)線 2 種，若使用有線技術(shù)則需要在裝修前期規(guī)劃好，且后期更新維護(hù)成本高，因此隨著技術(shù)的發(fā)展逐漸被淘汰。而無(wú)線技術(shù)由于無(wú)需布線、無(wú)需破壞原有房屋布局、更新維護(hù)成本低，已逐漸取代有線技術(shù)成為智能家居組網(wǎng)技術(shù)的首選 。

智能家居中， 無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)一般包括 WiFi、藍(lán)牙、ZigBee、射頻和紅外。

2.1 WiFi

WiFi 技術(shù)是最常見(jiàn)的家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，得益于筆記本電腦和手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備的興起，WiFi 技術(shù)在市場(chǎng)上有很高的普及率。WiFi 技術(shù)使用 2.4G 或 5G 頻段，其特點(diǎn)是傳輸距離中等、速度快、普及率高，但安全性較差 [5]。

2.2 藍(lán)牙

藍(lán)牙技術(shù)與 WiFi技術(shù)均使用 2.4G頻段，其特點(diǎn)是體積小、功耗低、成本低，但是受限于功耗，一般傳輸距離較短， 設(shè)備間的兼容性差。

2.3 ZigBee

ZigBee技術(shù)因物聯(lián)網(wǎng)而生，其特點(diǎn)是功耗小、網(wǎng)絡(luò)容量大、時(shí)延低、能快速組網(wǎng)，但是傳輸速率極低，不適用于大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)景。

2.4 射頻

射頻概念較廣，此處特指 315 MHz 和 433 MHz 頻率的射頻技術(shù)，其特點(diǎn)包括頻率免申請(qǐng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、傳輸距離遠(yuǎn)，但相對(duì)來(lái)說(shuō)安全性差、易被攻擊和破譯 [6]。

2.5 紅外

紅外技術(shù)是使用較早的無(wú)線技術(shù)，其特點(diǎn)包括成本低廉、控制距離短、易受其他紅外光源干擾，同時(shí)具有方向性，但普通家電中普遍采用紅外遙控，在家居中普及率很高 [7]。

3 無(wú)線射頻技術(shù)在智能家居應(yīng)用實(shí)踐的控制方法

現(xiàn)代家庭中，按控制方式分類(lèi)，家電設(shè)備一般分為 3 種， 即具備紅外遙控、315/433 MHz 射頻遙控和非遙控家電設(shè)備。

(1) 具備紅外遙控的設(shè)備包括電視機(jī)、機(jī)頂盒、空調(diào)等，此類(lèi)設(shè)備紅外遙控器的編碼不一致，不通用。

(2) 具備 315/433MHz 射頻遙控的設(shè)備包括電動(dòng)窗簾、電動(dòng)晾衣架、多色燈等。

(3) 不具備遙控功能的設(shè)備包括熱水器、臺(tái)燈、各種照明燈等。

如何不改變?cè)瓉?lái)的布線，又能合理利用已有家電設(shè)備功能，低成本地實(shí)現(xiàn)家具設(shè)備的智能化是智能家居需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題 [8]。本文將結(jié)合前面分析的各種無(wú)線通信技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇射頻和紅外通信技術(shù)完成對(duì)一般家電設(shè)備的改造， 實(shí)現(xiàn)智能家居的應(yīng)用。

3.1 所需的智能控制網(wǎng)關(guān)

要實(shí)現(xiàn)一般家電設(shè)備的改造，需要對(duì)多個(gè)紅外遙控、射頻遙控及非遙控設(shè)備通過(guò)同一網(wǎng)關(guān)進(jìn)行管理控制，因此需要該控制網(wǎng)關(guān)“學(xué)習(xí)”紅外和射頻遙控編碼，模擬遙控器對(duì)設(shè)備實(shí)現(xiàn)遙控。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)手機(jī)、筆記本等移動(dòng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，該控制網(wǎng)關(guān)需具備連接網(wǎng)絡(luò)的功能。目前，市場(chǎng)上已有多種針對(duì)智能家電設(shè)備的智能控制網(wǎng)關(guān)。

3.2 具備紅外遙控的家電設(shè)備

該類(lèi)設(shè)備具有紅外遙控功能，本身攜帶紅外遙控器，利用智能控制網(wǎng)關(guān)可以對(duì)紅外編碼進(jìn)行“學(xué)習(xí)”，之后就可替代原遙控器對(duì)家電設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制。具備紅外遙控功能的設(shè)備 可以在不改變布線的情況下實(shí)現(xiàn)智能控制。需要注意的是： 由于紅外技術(shù)控制的距離一般在 10 m 以?xún)?nèi)，且抗干擾能力較差，所以智能控制網(wǎng)關(guān)如果不帶紅外遙控設(shè)備附件，則需 要在家電設(shè)備 10 m 范圍內(nèi)布置子控制器加以控制，且需要設(shè)置好控制器與家電之間的方向。子控制器可以通過(guò) WiFi 通信技術(shù)與智能控制網(wǎng)關(guān)連接。

3.3 具備 315/433 MHz 射頻遙控的設(shè)備

該類(lèi)設(shè)備的控制改造與之前提到的設(shè)備類(lèi)似，只需利用智能控制網(wǎng)關(guān)的“學(xué)習(xí)”功能模擬原控制器的控制信號(hào)即可， 且由于射頻技術(shù)支持的傳輸距離較遠(yuǎn)，無(wú)需增加其他設(shè)備， 因此一般家庭住宅內(nèi)的設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)遙控。

3.4 不具備任何遙控功能的家電設(shè)備

該類(lèi)家庭設(shè)備需要進(jìn)行一定的線路改造或直接加裝帶射頻遙控功能的開(kāi)關(guān)。結(jié)合紅外和射頻遙控技術(shù)的特點(diǎn)，考慮到紅外遙控需要控制在一定的距離范圍內(nèi)且兩種改造方式的成本相差不大，故提出采用射頻技術(shù)遙控家電設(shè)備。家電設(shè)備按照布線方式一般分為 2 類(lèi)，即帶插頭的家電設(shè)備，如電風(fēng)扇、臺(tái)燈、熱水器、電冰箱等 ；已在裝修時(shí)布線完成的家電設(shè)備，如各類(lèi)照明燈。前者的改造非常簡(jiǎn)單，只需在插座上增加一個(gè)具有射頻控制功能的無(wú)線射頻插座即可，智能控制網(wǎng)關(guān)對(duì)該無(wú)線射頻插座進(jìn)行控制就相當(dāng)于完成了對(duì)該家電設(shè)備的控制。需要注意的是 ：考慮到如熱水器、電冰箱等功率較大的家電設(shè)備，選用無(wú)線射頻插座時(shí)應(yīng)選擇相應(yīng)功率的插座。后者的改造需要改動(dòng)控制開(kāi)關(guān)，即更改原來(lái)的手動(dòng)開(kāi)關(guān)為無(wú)線射頻開(kāi)關(guān)，更換完成后，就可通過(guò)智能控制網(wǎng)關(guān)進(jìn)行控制，且遙控距離較遠(yuǎn)。

3.5 實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備控制和語(yǔ)音識(shí)別控制

一般的智能控制網(wǎng)關(guān)都可通過(guò)手機(jī) APP實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)關(guān)下所有設(shè)備的控制，實(shí)現(xiàn)家電智能化。

智能家居語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)能夠?qū)τ脩粜袨檫M(jìn)行分析，并結(jié)合用戶的生活習(xí)慣，為用戶提供更加智能化的家居體驗(yàn) [9-10]。語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)一般利用語(yǔ)音 AI平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，目前市場(chǎng)上已有諸多智能語(yǔ)音音箱能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)智能家電的語(yǔ)音控制。只需將該類(lèi)設(shè)備連接智能控制網(wǎng)關(guān)，通過(guò)修改其中各類(lèi)家電設(shè)備的名稱(chēng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的語(yǔ)音控制。

3.6 智能家居各類(lèi)場(chǎng)景控制

完成各類(lèi)家電的獨(dú)立控制后，可以利用智能網(wǎng)關(guān)自帶的功能設(shè)置各種實(shí)用的場(chǎng)景模式，如離家模式，用戶只需通過(guò)語(yǔ)音向智能語(yǔ)音音箱發(fā)出指令或直接通過(guò) APP 啟動(dòng)設(shè)置各類(lèi)家電全部關(guān)閉 ；如起床模式，用戶可以設(shè)置部分燈開(kāi)啟、電動(dòng)窗簾開(kāi)啟，該模式可以利用定時(shí)開(kāi)啟或語(yǔ)音控制開(kāi)啟。更多的模式用戶可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行設(shè)置，真正實(shí)現(xiàn)智能化控制。

綜上所述，改造后的智能家居系統(tǒng)如圖 1 所示。

4 存在的不足

上述智能家居系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大部分家電的智能控制，用戶可以通過(guò)手機(jī)、筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備或通過(guò)語(yǔ)音實(shí)現(xiàn)家電控制，真正實(shí)現(xiàn)家居的智能化。但由于系統(tǒng)均采用射頻和紅外通信技術(shù)對(duì)非智能化家電設(shè)備進(jìn)行改造，因此存在一定的不足 ：如射頻技術(shù)的傳輸容量有限，無(wú)法接入需要大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪K ；無(wú)法將監(jiān)控接入系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安防監(jiān)控功能等。這就需要智能控制網(wǎng)關(guān)做進(jìn)一步改進(jìn)，加入其他無(wú)線傳輸功能，目前最常見(jiàn)的做法是借助 WiFi 技術(shù)，在用戶對(duì)家電進(jìn)行智能化控制的同時(shí)實(shí)現(xiàn)安防監(jiān)控。另一個(gè)不足之處在于網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題，這源于射頻與紅外通信技術(shù)本身的技術(shù)缺陷，也源于智能控制網(wǎng)關(guān)的軟硬件安全漏洞。以上不足還需要市場(chǎng)在智能家居行業(yè)投入更多的資源進(jìn)行完善。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，利用射頻與紅外通信技術(shù)能將傳統(tǒng)家電設(shè)備在不改造原有布線的情況下，實(shí)現(xiàn)家電智能化，用戶可以通過(guò)移動(dòng)設(shè)備隨時(shí)隨地對(duì)家電進(jìn)行控制，也可以通過(guò)語(yǔ)音對(duì)家電進(jìn)行控制，同時(shí)還可利用智能控制網(wǎng)關(guān)的場(chǎng)景定制功能實(shí)現(xiàn)個(gè)性化場(chǎng)景控制。