4.3 智能硬件的无线技术格局
随着智能终端的普及，产业、技术与市场的成熟，加之国际品牌大厂的推动，物联网（IOT）、智能家居、智能安防已经开始走进人们的生活，它已经不再是一个炙手可热的概念，而是一批批不断涌现并畅销于市场的产品。
图4-2 无线智能安防控制系统架构
智能安防是智能家居的最为重要细分市场之一，而相比与其他智能家居应用，安防的远程监控、远程报警、智能联动的需求更为迫切。试想一下，当家中出现异常走动、煤气、烟雾问题，不在家中的你可以通过移动设备第一时间了解到家中的异常状况，以及时采取应对策略，减少你的财产损失，保护好你的家人，如图4-2所示为无线智能安防系统架构。
1.WiFi基础设施
一般是用于覆盖一定范围（如1栋楼）的无线网络技术（覆盖范围100m左右）。现有的主要问题：功耗高、价格高、移动性差和组网能力差。
2.ZigBee连接手段
用于低速率、低功耗场合，比如无线传感器网络，适用于工业控制、环境监测、智能家居控制等领域。现有的主要问题：推广难度大（需要网关连接网络，安装调试等综合成本高），产品成本高，网络延时不可控。
3.蓝牙（Bluetooth）移动设备
目前，全球有超过30亿个蓝牙设备，其总数远远超过了WiFi和Zigbee设备的总量，蓝牙的领延伸到手机、游戏机、耳机、笔记本、汽车等很多领域，蓝牙4.0的推出，让蓝牙的应用领域更为拓广，现有的主要问题是组网能力差。
4.3.1 WiFi技术
WiFi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。WiFi是一个无线网路通信技术的品牌，由WiFi联盟（WiFi Alliance）所持有。目的是改善基于IEEE802.11标准的无线网路产品之间的互通性。与蓝牙一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术，但在电波的覆盖范围方面要略胜一筹。WiFi的覆盖范围则可达300英尺左右（约合90m），办公室自不用说，就是在小一点的整栋大楼中也可使用。因此，WiFi一直是企业实现自己无线局域网所青睐的技术。如图4-3所示，WiFi技术已经渗透到每一个角落——空中、地面、水下。
WiFi似乎已经将消费者家中的大多数设备都连在一起，那为什么不通过它将智能硬件也都连在一起呢？虽然这样的想法看似理所当然，但是实际上大多数联网设备厂商一直不愿意使用WiFi，这主要是因为WiFi的耗电量太大了，因此，对于很多廉价的微型设备来说，这就是一个巨大的问题。这些微型设备充一次电通常需要用好几个月甚至好几年。
图4-3 WiFi无线技术渗透图
WiFi联合会（WiFi Alliance）打算改变这种状况，宣布了一种全新的、能够在低功率设备上使用的WiFi技术，可以让信号传播得更远，穿墙性能也比以前的WiFi技术更佳，这种新技术显然更适合智能家庭和物联网设备。新WiFi技术将被称作WiFi HaLow，它是即将发布的802.11ah标准的拓展。WiFi联合会打算从2018年开始验证HaLow产品，首批HaLow产品问世的时间可能会更早一点。
新WiFi技术可以弥补以前的WiFi技术在与蓝牙对比时的短板，它可以被应用到健身追踪器、家庭感应器、安保摄像头或其他家庭设备中。现在，很多设备比如摄像头已经支持WiFi技术，但是可穿戴设备和感应器中还应用得很少。HaLow将是一种比蓝牙更优秀的解决方案。WiFi联合会并未提到蓝牙技术，但它暗示HaLow的性能将比蓝牙技术更强。联合会的营销副总裁凯文·罗宾逊（Kevin Robinson）表示：“HaLow在电池续航时间和其他性能上面将能与现有的技术相媲美。”
如果HaLow技术真的能够表现得像WiFi联合会所说的那样，那将具有非常重要的意义。它不但能够完全取代蓝牙，而且信号传输距离更远，还能直接与路由器相连，也就是说能够直接与互联网相连。现有的手机和路由器必须升级WiFi芯片才能兼容HaLow产品，但是这只是时间早晚的问题，就像5GHzWiFi问世不久就被正式发布了一样。
HaLow之所以具有这些优势，是因为它是在一个更优的频段上运行的。它运行的频段是900MHz频段，而现有的WiFi技术运行的频段是2.4GHz和5GHz频段，900MHz频段的信号传播距离更远，穿透性更强。需要指出的是，与现有WiFi技术一样，HaLow技术将在未授权的频段上运行，因此可能会存在一些干扰。
当然，HaLow技术也有它自身的短板，那就是它并不适于用来快速传输数据。它并不适合用于浏览网页，而更适合用在高频率的微量数据传输上面。设备厂商可以按照各自的需求来定制HaLow，以便提高传输速度，但是电池续航时间可能会因此而受到一些影响。
HaLow可能要等到两年之后才会出现在智能家庭中，但是智能家庭和物联网才刚刚起步，因此HaLow的加盟时机可能并不算晚。罗宾逊表示：“联合会认为HaLow将在物联网领域发挥出巨大的作用”。但他同时也承认，WiFi可能不会是唯一的标准，没有人认为物联网会通过某种单一的联网技术整合在一起。
4.3.2 Bluetooth（蓝牙）技术
蓝牙（Bluetooth）使用2.4～2.485GHz的ISM波段无线电波，实现固定设备、移动设备和楼宇个人局域网之间的短距离数据交换。蓝牙技术最初由电信巨头爱立信公司于1994年创制，当时是作为RS232数据线的替代方案。蓝牙可连接多个设备，克服了数据同步的难题。蓝牙由蓝牙技术联盟SIG（Bluetooth Special In-terest Group）管理。蓝牙技术联盟在全球拥有超过25000家成员公司，它们分布在电信、计算机、网络和消费电子等多重领域。IEEE将蓝牙技术列为IEEE802.15.1，但如今已不再维持该标准。蓝牙技术联盟负责监督蓝牙规范的开发，管理认证项目，并维护商标权益。
图4-4 WiFi、USB、Bluetooth之间的传输速率比较
制造商的设备必须符合蓝牙技术联盟的标准才能以“蓝牙设备”的名义进入市场。蓝牙技术拥有一套专利网络，可发放给符合标准的设备。如图4-4所示为WiFi、USB、Bluetooth之间的传输速率比较。
“蓝牙”技术的无线电收发器的链接距离可达30ft（1ft=0.3048m），不限制在直线范围内，甚至设备不在同一间房内也能相互链接；并且可以链接多个设备，最多可达7个，这就可以把用户身边的设备都链接起来，形成一个“个人领域的网络”（Personal areanetwork）。
1.蓝牙4.0技术解析
蓝牙4.0是2012年最新蓝牙版本，是3.0的升级版本；较3.0版本更省电、成本低、3ms低延迟、超长有效连接距离、AES-128加密等；通常用在蓝牙耳机、蓝牙音箱等设备。
1）速度：支持1Mbit/s数据传输率下的超短数据包，最少8个八组位，最多27个。所有连接都使用蓝牙2.1加入的减速呼吸模式（sniff subrating）来达到超低工作循环。
2）跳频：使用所有蓝牙规范版本通用的自适应跳频，最大程度地减少和其他2.4GHzISM频段无线技术的串扰。
3）主控制：更加智能，可以休眠更长时间，只在需要执行动作的时候才唤醒。
4）延迟：最短可在3ms内完成连接设置并开始传输数据。
5）范围：提高调制指数，最大范围可超过100m（根据不同应用领域，距离不同）。
6）健壮性：所有数据包都使用24-bitCRC校验，确保最大程度抵御干扰。
7）安全：使用AES-128CCM加密算法进行数据包加密和认证。
8）拓扑：每个数据包的每次接收都使用32位寻址，理论上可连接数十亿设备；针对一对一连接优化，并支持星形拓扑的一对多连接；使用快速连接和断开，数据可以在网状拓扑内转移而无需维持复杂的网状网络。
2.蓝牙4.1技术解析
传输速率更快。
1）支持“多连一”：在蓝牙4.1技术中，就允许设备同时充当“Bluetooth Smart”和“Blue-tooth Smart Ready”，也就是说用户可以把多款设备连接到一个蓝牙设备上。
2）支持IPv6：可穿戴设备上网不易的问题，也可以通过蓝牙4.1来解决，因为新标准加入了对IPv6专用通道联机的支持。
3）简化设备连接：将设备间的连接和重新连接进行了大幅修正，可以为厂商在设计时提供更多的设计权限，包括设定频段创建或保持蓝牙连接，从而提升蓝牙设备连接的灵活性。
4）降低与LTE网络间的干扰：一旦蓝牙4.1和LTE网络同时传输数据，蓝牙4.1就会自动协调两者的传输信息，从而减少其他信号对于自身的干扰，传输速率也就有了保障。
5）向下兼容，无需更换芯片：蓝牙4.1不仅可以向下兼容4.0，更重要的是对现有的4.0设备来说，不需要更换芯片，只需要升级固件就可以免费升级到蓝牙4.1。
3.蓝牙系统组成
蓝牙系统一般由以下4个功能单元组成：天线单元、链路控制（固件）单元、链路管理（软件）单元和蓝牙软件（协议）单元。
4.3.3 ZigBee技术
ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。ZigBee联盟于2005年公布了第一份ZigBee规范“ZigBeeSpecificationV1.0”。Zig-Bee协议规范使用了IEEE802.15.4定义的物理层（PHY）和媒体介质访问层（MAC），并在此基础上定义了网络层（NWK）和应用层（APL）架构。
ZigBee凭借自身具备近距离、自组织、低速率、低成本、低功耗等独特优势，必将成为无线传感网络的最佳选择之一。ZigBee无线传感网络技术优势如下：
1）低速率、自由频段：三个ISM可选工作频段，欧洲采用868MHz频段，速率为20kbit/s；美国选用915MHz频段，速率为40kbit/s；而我国选用2.4GHz频段，速率为250kbit/s，全球通用、免付费、无需申请。
2）网络节点无限扩展：网络层分配地址采用分布式寻址方案，一种64位MAC长地址，由IEEE分配，全球唯一，最多可以容纳65535个节点；另一种是16位网络短地址，由父节点分配，当前网络中唯一，最多可容纳255个节点。
3）短距离、覆盖面广：RF收发天线可采用单端非平衡倒F型PCB天线，室内有障碍空间端到端的通信距离约为10～100m，若附加CC2591距离扩展器模块可增加至1～3km，且满足多节点自组网实现数据多跳传输，满足收发距离要求。
4）低功耗：收发模式均为mW级别，非工作时间为超低功耗休眠模式，普通5号电池的即可长时间连续续航，这是其他无线通信技术望尘莫及的。
5）安全可靠：采用冲突避免载波多路侦听技术（CSMA-CA），避开数据传输的竞争与冲突；模块采用自组网、动态路由的通信方式，保证了数据传输的可靠性；采用全球唯一的64位身份识别，并支持AES-128加密，具有高保密性。
6）时延短：休眠激活时延仅为15ms，设备搜索时延仅为30ms，信道接入时延仅为15ms，保证了数据传输的正确性，进一步降低了设备模块的功耗。
图4-5 ZigBee无线技术应用行业
ZigBee无线传感网络的显著优势使它在工业自动化、远程控制等拥有大量终端节点的设备网络中得到广泛应用，在其他相关领域也得到辐射与普及，例如智能建筑、家庭自动化、社区安防、环境检测、煤气水电抄表等现代化领域，如图4-5所示。
在ZigBee无线传感网络中存在两种物理设备类型：全功能设备（Full Function Device，FFD）和精简功能设备（Re-duced Function Device，RFD），两者相辅相成，紧密配合，共同完成无线传感网络的通信。全功能设备FFD具备的功能特性完整、齐全，支持ZigBee协议标准规范的所有性能特征。FFD可作为协调器节点或路由器节点模块使用，具备控制器的存储、计算能力，实现数据发送、数据接收和路由选择等功能，与任何其他设备节点进行双向无线通信，所以FFD将消耗更多的能量和内存资源；精简功能设备RFD只具备局部特性。RFD只能作为终端设备节点模块使用，只负责终端的数据采集并将其转发至上级FFD节点，只能与FFD节点完成通信，禁止与RFD节点通信，内存资源要求不高。
图4-6 ZigBee网络节点类型分布图
按ZigBee节点模块按组网功能可分为Coordinator、Router和End-Device。ZigBee网络由一个Coordinator以及若干Router和End-Device组成，如图4-6所示。
协调器节点（ZigBee Coordinator，ZC）包含ZigBee网络的所有数据信息，存储容量大，数据处理能力最强；整个网络中具有中唯一性，且必须为全功能设备FFD，负责节点上电、网络启动与配置，选择网络标示符（PAN ID）和通信信道（Channel），建立ZigBee网络，等待新节点入网，并分配16位短地址。
路由器节点（ZigBee Router，ZR）必须是全功能设备FFD，成功入网后，获取16位网络短地址；负责路由发现与选择、路由建立与维护，并允许其他设备节点的入网或离网，可作为远距离通信的数据中转站，实现数据的多跳透传。
终端设备节点（ZigBeeEnd-Device，ZE-D）为精简功能设备RFD或全功能设备FFD，无路由功能，只能加入或离开ZigBee网络，只能与上级父节点实现双向通信，获取或转发相关信息，常处于有睡眠或激活工作模式，超低功耗。
4.3.4 Z-Wave技术
Z-Wave是由丹麦公司Zensys主导的无线组网规格，Z-wave联盟（Z-wave Alliance）虽然没有ZigBee联盟强大，但是Z-wave联盟的成员均是已经在智能家居领域有现行产品的厂商，目前该联盟已经具有160多家国际知名公司，范围基本覆盖全球各个国家和地区。Z-Wave联盟logo如图4-7所示。
尤其是国际大厂思科（Cisco）与英特尔（Intel）的加入，也强化了Z-wave在家庭自动化领域的地位。就市场占有率来说，Z-Wave在欧美普及率比较高，知名厂商如（NWD）华顿、win-top、Leviton、control4等。Z-Wave是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。工作频带为908.42MHz（美国）～868.42MHz（欧洲），采用FSK（BFSK/GFSK）调制方式，数据传输速率为9.6kbit/s，信号的有效覆盖范围在室内是30m，室外可超过100m，适合于窄带宽应用场合。随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加，相对于现有的各种无线通信技术，Z-Wave技术将是最低功耗和最低成本的技术，有力地推动着低速率无线个人区域网。
Z-Wave技术设计用于住宅、照明商业控制以及状态读取应用，例如秒表、照明及家电控制、HVAC、接入控制、防盗及火灾检测等。Z-Wave可将任何独立的设备转换为智能网络设备，从而可以实现控制和无线监测。Z-Wave技术在最初设计时，就定位于智能家居无线控制领域。采用小数据格式传输，40kbit/s的传输速率足以应对，早期甚至使用9.6kbit/s的速率传输。与同类的其他无线技术相比，拥有相对较低的传输频率、相对较远的传输距离和一定的价格优势。
图4-7 Z-Wave联盟logo