市面上已經(jīng)出現(xiàn)許多智能家居設備，隨著其價格越來越親民，產(chǎn)品的接受度也越來越高。但是，支持設備之間通信和設備與智能手機通信的各種無線技術則令人眼花繚亂。此類技術采用的協(xié)議或標準形式，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，以及由Silicon Labs（芯科科技）所推出的相關解決方案。

支持智能家居設備的

常見無線通信技術

目前可用于智能家居設備的無線通信技術相當多種，每種技術各有其優(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是應用最廣泛、最常見的智能家居設備連接技術，它采用與筆記本電腦、平板電腦或手機相同的無線網(wǎng)絡，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技術常用于采用線路供電設備和電池供電設備（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、智能開關和智能燈泡等產(chǎn)品。

新版的Wi-Fi網(wǎng)狀網(wǎng)絡可以改善智能家居設備連接和功能，特別是戶外設備或遠離路由器的設備，包括安全攝像頭、智能燈或寵物跟蹤器等設備，這些設備因Wi-Fi網(wǎng)狀網(wǎng)絡的大范圍網(wǎng)絡覆蓋受益匪淺。Wi-Fi網(wǎng)狀網(wǎng)絡也適用于室外照明、傳感和控制、停車場管理、環(huán)境管理、建筑和園區(qū)管理，甚至廣泛應用于機場。

Thread

Thread是一種基于網(wǎng)狀網(wǎng)絡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。Thread設備采用強大的網(wǎng)狀網(wǎng)絡覆蓋住宅乃至商業(yè)建筑。Thread并未定義應用層，因此制造商需要自行開發(fā)應用層，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備和電池供電設備（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、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、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是連接標準聯(lián)盟（CSA）于2022年發(fā)布的一項全新智能家居協(xié)議。連接標準聯(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備互操作標準，且不受品牌、平臺或技術限制。

Matter協(xié)議常用于線路供電設備和電池供電設備，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、智能開關和智能燈泡、智能傳感器、智能按鈕和智能遙控器、智能設備和大型家用電器。

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設備可以建立數(shù)百個節(jié)點的網(wǎng)絡，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備和電池供電設備（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、智能按鈕、智能插座和智能照明、智能鎖、智能儀表，在戶外應用中，Zigbee協(xié)議可用于傳感器網(wǎng)絡、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)絡連接室內(nèi)、前門外、社區(qū)和城市物聯(lián)網(wǎng)設備。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)）連接智能家居設備并擴展其網(wǎng)絡覆蓋范圍。Amazon Sidewalk采用兩種調(diào)制技術通過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設備（例如，Echo或Ring）與支持Amazon Sidewalk的設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，覆蓋面積較大，支持各種低功耗設備。

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、設備預測性維護，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)絡協(xié)議，在800-900 MHz頻段上運行，廣泛應用于智能家居設備，特別是安全、照明和氣候控制設備。它由Z-Wave聯(lián)盟開發(fā)，該聯(lián)盟包括300多家生產(chǎn)Z-Wave兼容設備的公司。Z-Wave相當可靠、可擴展且安全，它使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲，這意味著每個設備都可以充當中繼器并擴展網(wǎng)絡的范圍，它還使用加密和設備身份驗證來防止未經(jīng)授權的訪問和黑客攻擊。Z-Wave網(wǎng)絡可處理包括主控制器在內(nèi)的最多232個設備（節(jié)點）。Z-Wave在室內(nèi)應用采用線路供電設備和電池供電設備（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、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)絡中支持更多設備，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，主要用于連接設備與手機，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臺設備組成的網(wǎng)絡，稱為微微網(wǎng)（piconet）。通過手機實現(xiàn)室內(nèi)控制的鎖和照明設備是典型的智能家居設備，藍牙則需要通過集線器實現(xiàn)室外控制。低功耗藍牙常應用于無線耳機、揚聲器和耳塞耳機、無線鍵盤、鼠標和游戲控制器、智能手表、健身跟蹤器和健康檢測儀、智能標記、跟蹤器和信標。

藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡則是一種網(wǎng)絡拓撲結構，允許藍牙設備相互傳遞消息，進而形成網(wǎng)狀網(wǎng)絡。藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡單個網(wǎng)絡最多可支持4096個設備，并且可以通過添加更多設備或子網(wǎng)進行擴展，這使得藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡能夠滿足大規(guī)模和復雜的物聯(lián)網(wǎng)應用的需求。藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡常應用于智能照明、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，具體取決于供應商或制造商。專有無線設備可形成不同的網(wǎng)絡拓撲結構，例如星形、樹形或網(wǎng)狀結構，具體取決于供應商或制造商。專有網(wǎng)絡需要自帶集線器或網(wǎng)關，避免直接連接生態(tài)系統(tǒng)。專有無線設備可以通過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、智能插座和智能設備。

如何選擇最佳的智能家居技術

事實上，智能家居協(xié)議或標準并不唯一且難分高下，因為每種協(xié)議或標準都具有自身的優(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)議或標準。

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

如果必須考慮智能家居設備與現(xiàn)有或首選平臺、語音助手或應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)或室外智能家居設備，Z-Wave技術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，其中每臺設備均可充當路由器或中繼器，從而延長網(wǎng)絡傳輸距離并擴大覆蓋范圍，此外，也可以考慮采用Amazon Sidewalk。

若從智能家居設備的角度而言，則須考慮智能家居技術的功耗，Zigbee則因低功耗和低數(shù)據(jù)速率無線技術而聞名，非常適合對電池壽命、網(wǎng)絡可靠性和安全性要求較高的應用。Zigbee設備可以形成網(wǎng)狀網(wǎng)絡，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備功耗效能，從而延長電池壽命。設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)絡的傳輸距離，同時保持能效，一枚紐扣電池最多可以使設備運行10年，因而成為低功耗及延長電池壽命的首選技術。

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

支持多協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)

與智能家居設備開發(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應用，支持包括藍牙低功耗、藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡、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等關鍵功能，物聯(lián)網(wǎng)設備制造商可以創(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應對措施，以及安全密鑰管理，使用PUF技術，可防篡改，支持安全認證。目標應用包括網(wǎng)關和集線器、傳感器、開關、門鎖、LED照明、燈具、定位服務、預測性維護、玻璃破碎檢測、喚醒詞檢測等。

結語

智能家居通信技術的選擇和應用對整體系統(tǒng)的功能性、穩(wěn)定性和可擴展性至關重要。無論是基于Wi-Fi、Zigbee、Bluetooth、Thread，還是新興的Matter標準，每種技術都有其特定的優(yōu)勢與適用場景。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷進步，未來的智能家居系統(tǒng)將更強調(diào)技術的互聯(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)。