支持智能家居设备的常见无线通信技术

市面上已经出现许多智能家居设备，随着其价格越来越亲民，产品的接受度也越来越高。但是，支持设备之间通信和设备与智能手机通信的各种无线技术则令人眼花缭乱。此类技术采用的协议或标准形式，均各具特色，各有利弊。其中包括 Wi-Fi、Thread、Matter、Zigbee、Amazon Sidewalk、Z-Wave、蓝牙和专有协议等，是其中最常见的一些协议。本文将介绍这些智能家居技术，以及由Silicon Labs（芯科科技）所推出的相关解决方案。

支持智能家居设备的

常见无线通信技术

目前可用于智能家居设备的无线通信技术相当多种，每种技术各有其优势与特性，以下将为您分析这些常见的无线通信协议的特色。

Wi-Fi

Wi-Fi是应用最广泛、最常见的智能家居设备连接技术，它采用与笔记本电脑、平板电脑或手机相同的无线网络，提供高速数据传输，实现大范围覆盖。Wi-Fi与大多数智能家居设备和平台兼容，例如Amazon Alexa、Google Assistant、Apple HomeKit和Samsung SmartThings。Wi-Fi在2.4 GHz和5 GHz频段上运行，支持的数据速率高达每秒数千兆比特。

Wi-Fi技术常用于采用线路供电设备和电池供电设备（大容量一次性电池，即碱性电池），像是智能扬声器、智能显示器、智能电视和智能摄像头、智能恒温器、智能锁和智能门铃、智能插座、智能开关和智能灯泡等产品。

新版的Wi-Fi网状网络可以改善智能家居设备连接和功能，特别是户外设备或远离路由器的设备，包括安全摄像头、智能灯或宠物跟踪器等设备，这些设备因Wi-Fi网状网络的大范围网络覆盖受益匪浅。Wi-Fi网状网络也适用于室外照明、传感和控制、停车场管理、环境管理、建筑和园区管理，甚至广泛应用于机场。

Thread

Thread是一种基于网状网络的低功耗智能家居协议，其频段与2.4G Wi-Fi相同，但会创建单独的专用低功耗网状网络。Thread设备采用强大的网状网络覆盖住宅乃至商业建筑。Thread并未定义应用层，因此制造商需要自行开发应用层，或者可能需要支持类似Apple HomeKit的现有生态系统。

Thread协议常用于线路供电设备和电池供电设备（纽扣电池），像是智能传感器，例如运动、温度、湿度和光传感器，以及智能开关、智能插座、智能灯、智能锁，在户外用例，Thread协议也可用于传感器网络、资产跟踪和控制系统、街道照明控制、环境监测和交通管理、花园自动化、泳池监测和室外照明。

Matter

Matter是连接标准联盟（CSA）于2022年发布的一项全新智能家居协议。连接标准联盟由包括Amazon、Apple、Google、Samsung、Silicon Labs等在内的一系列科技公司联合成立。Matter旨在制定通用智能家居设备互操作标准，且不受品牌、平台或技术限制。

Matter协议常用于线路供电设备和电池供电设备，像是智能扬声器、智能显示器、智能电视和智能摄像头、智能恒温器、智能锁和智能门铃、智能插座、智能开关和智能灯泡、智能传感器、智能按钮和智能遥控器、智能设备和大型家用电器。

Zigbee

Zigbee是最原始、最成熟的智能家居协议之一，得到很多流行品牌的推崇和使用，包括飞利浦Hue、宜家（Ikea）和霍尼韦尔（Honeywell）。同时，它也是一种基于网状网络的低功耗协议，与Wi-Fi的运行频段一致，但使用的调制和编码方案有所不同。Zigbee设备可以建立数百个节点的网络，节点与节点、节点与中心集线器或协调器之间能够相互通信。部分智能家居平台（包括Amazon Echo和Samsung SmartThings以及Tuya）直接支持Zigbee，而且还能通过Actions或Skills与其他平台（例如，谷歌Nest和苹果HomeKit）合作。

Zigbee协议常用于线路供电设备和电池供电设备（纽扣电池），像是智能传感器，例如运动、温度、湿度和光传感器，以及智能开关、智能按钮、智能插座和智能照明、智能锁、智能仪表，在户外应用中，Zigbee协议可用于传感器网络、资产跟踪和控制系统、街道照明控制、环境监测和交通管理、花园自动化、泳池监测和室外照明。

Amazon Sidewalk

Amazon Sidewalk于2021年推出，提供智能家居协议，支持共享无线网络连接室内、前门外、社区和城市物联网设备。它是一种长距离低带宽协议，使用900 MHz（长距离）和2.4 GHz蓝牙低功耗（LE）（室内）连接智能家居设备并扩展其网络覆盖范围。Amazon Sidewalk采用两种调制技术通过900 MHz频段传输数据，包括频移键控（FSK）和线性调频扩频（CSS）。FSK是Amazon Sidewalk在Amazon Sidewalk Bridge设备（例如，Echo或Ring）与支持Amazon Sidewalk的设备之间开展中距离通信的工具。CSS覆盖距离超过FSK，但数据速率低得多。Amazon Sidewalk可以使用FSK和CSS创建安全可靠的无线网络，覆盖面积较大，支持各种低功耗设备。

Amazon Sidewalk协议在家庭内采用低功耗蓝牙，可用于跟踪、防盗、访问控制与家庭自动化，在前门外则采用1 GHz以下FSK，可用于户外照明、水资源危机缓解和控制、节能、设备预测性维护，在栅栏外则采用1 GHz以下FSK与CSS，可用于公园管理、环境管理、建筑物和园区管理、机场等地。

Z-Wave

Z-Wave是一种低功耗网状网络协议，在800-900 MHz频段上运行，广泛应用于智能家居设备，特别是安全、照明和气候控制设备。它由Z-Wave联盟开发，该联盟包括300多家生产Z-Wave兼容设备的公司。Z-Wave相当可靠、可扩展且安全，它使用网状网络拓扑，这意味着每个设备都可以充当中继器并扩展网络的范围，它还使用加密和设备身份验证来防止未经授权的访问和黑客攻击。Z-Wave网络可处理包括主控制器在内的最多232个设备（节点）。Z-Wave在室内应用采用线路供电设备和电池供电设备（纽扣电池）时，可用于智能传感器，例如运动、温度、湿度和光传感器，以及智能开关、智能插座、智能锁、智能门铃和智能安全系统。

Z-Wave Long Range（LR）是Z-Wave的延伸规格，可以在单个网络中支持更多设备，最多4,000个节点，允许用户在家中添加更多智能家居功能。同时，允许多住户物业经理在单个网络上管理建筑或建筑群。Z-Wave LR可实现传感器、门锁和照明的无线连接，无需中继器或扩展器。它可以覆盖较大的区域，如花园、车道或后院，并在恶劣的天气条件下提供更可靠的通信。

低功耗蓝牙

低功耗蓝牙也是一种常见技术，主要用于连接设备与手机，与2.4G Wi-Fi的运行频段一致，但传输距离较短且数据速率较低。蓝牙设备可以相互通信，也可以与智能手机或平板电脑通信。它们能够建立最多由32台设备组成的网络，称为微微网（piconet）。通过手机实现室内控制的锁和照明设备是典型的智能家居设备，蓝牙则需要通过集线器实现室外控制。低功耗蓝牙常应用于无线耳机、扬声器和耳塞耳机、无线键盘、鼠标和游戏控制器、智能手表、健身跟踪器和健康检测仪、智能标记、跟踪器和信标。

蓝牙网状网络则是一种网络拓扑结构，允许蓝牙设备相互传递消息，进而形成网状网络。蓝牙网状网络单个网络最多可支持4096个设备，并且可以通过添加更多设备或子网进行扩展，这使得蓝牙网状网络能够满足大规模和复杂的物联网应用的需求。蓝牙网状网络常应用于智能照明、楼宇自动化、资产跟踪、环境监控。

专有协议（1 GHz以下和2.4 GHz）

专有无线技术可以在不同频段（例如，1 GHz以下或2.4 GHz）上运行，而且能够支持不同的数据速率和带宽，具体取决于供应商或制造商。专有无线设备可形成不同的网络拓扑结构，例如星形、树形或网状结构，具体取决于供应商或制造商。专有网络需要自带集线器或网关，避免直接连接生态系统。专有无线设备可以通过Actions或Skills与生态系统（例如，Google Nest和Apple HomeKit）搭配使用。

专有协议常应用于专有智能传感器、智能按钮和智能遥控器，以及专有智能锁、智能门铃和智能安全系统、专有智能电表、智能插座和智能设备。

如何选择最佳的智能家居技术

事实上，智能家居协议或标准并不唯一且难分高下，因为每种协议或标准都具有自身的优势和劣势，满足的需求和偏好也可能有所不同，您可依据实际的需求来选择最适合的智能家居的智能家居协议或标准。

例如，如果您希望未来添加更多的智能家居设备，便需要确保您的智能家居适应未来需求并与越来越多的设备兼容，Wi-Fi技术便是一个不错的选择。Wi-Fi无处不在且与大量设备兼容，它是一种多功能可扩展方案。

如果必须考虑智能家居设备与现有或首选平台、语音助手或应用的兼容性和互操作性，则Matter是最佳选择。如果希望延长传输距离并覆盖室内或室外智能家居设备，Z-Wave技术无疑是需要延长传输距离及扩大覆盖范围的智能家居技术的有力竞争者。Z-Wave在1 GHz以下频段上运行，支持网状网络，其中每台设备均可充当路由器或中继器，从而延长网络传输距离并扩大覆盖范围，此外，也可以考虑采用Amazon Sidewalk。

若从智能家居设备的角度而言，则须考虑智能家居技术的功耗，Zigbee则因低功耗和低数据速率无线技术而闻名，非常适合对电池寿命、网络可靠性和安全性要求较高的应用。Zigbee设备可以形成网状网络，延长传输距离并扩大覆盖范围，同样有助于实现电源高效利用。

此外，目标唤醒时间（TWT）和BSS最大空闲期等Wi-Fi 6功能也有助于增加设备功耗效能，从而延长电池寿命。设备可以借助这些功能长时间保持睡眠状态，节约能源，最大限度延长电池寿命。另一方面，Z-Wave LR旨在延长Z-Wave网络的传输距离，同时保持能效，一枚纽扣电池最多可以使设备运行10年，因而成为低功耗及延长电池寿命的首选技术。

若从智能家居设备以及个人数据安全性和隐私性的角度考虑，Matter因支持的设备类型较为广阔及提供端到端加密、设备认证和云集成而闻名，可增强智能家居设备的安全性和隐私性。Z-Wave则还提供加密和设备身份验证，但缺乏内置云服务。若从智能家居设备及其设置和维护的成本和复杂度来考虑，Matter技术无疑独占鳌头。

支持多协议的物联网

与智能家居设备开发工具套件

为加快客户开发物联网、智能家居设备的开发速度，Silicon Labs推出了支持众多通信协议的xG24-EK2703A开发工具套件（EFR32xG24 Explorer套件），这是一套基于EFR32MG24片上系统的小封装开发和评估平台。EFR32xG24 Explorer套件专注于快速原型化和概念创建2.4 GHz无线协议的IoT应用，支持包括蓝牙低功耗、蓝牙网状网络、Zigbee、Thread、Matter和专有产品等无线协议。

xG24-EK2703A开发工具套件的关键功能包括内置一个USB接口、一个板载SEGGER J-Link调试器、数据包追踪接口和按钮，并可通过mikroBus插座和Qwiic连接器对硬件附加板提供支持。硬件附加支持允许开发人员使用来自mikroE、Sparkfun、AdaFruit和Seeed Studios的现成板进行各种组合，来创建和原型化应用。

xG24-EK2703A 是一款小封装套件，与面包板尺寸一致，套件内容包括 xG24 Explorer 板 (BRD2703A)，采用 EFR32MG24B210F1536IM48 低功耗无线片上系统（SoC），具有DSP指令和浮点单元，支持高性能2.4 GHz无线电，内置78 MHz 32-位ARM Cortex-M33内核，以及1536 kB闪存和256 kB RAM，可为要求苛刻的应用提供资源，同时为未来增长留出空间。

EFR32MG24多协议无线SoC则是使用Matter、OpenThread和Zigbee协议实现网状物联网无线连接的理想选择，适用于智能家居、照明和楼宇自动化产品。凭借高性能2.4 GHz RF、低电流消耗、AI/ML硬件加速器和Secure Vault等关键功能，物联网设备制造商可以创建智能、稳健、节能的产品，避免远程和本地网络攻击。

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，以及真随机数发生器（TRNG）、ARM TrustZone、安全启动（信任根安全装载程序）、安全调试解锁、DPA应对措施，以及安全密钥管理，使用PUF技术，可防篡改，支持安全认证。目标应用包括网关和集线器、传感器、开关、门锁、LED照明、灯具、定位服务、预测性维护、玻璃破碎检测、唤醒词检测等。

结语

智能家居通信技术的选择和应用对整体系统的功能性、稳定性和可扩展性至关重要。无论是基于Wi-Fi、Zigbee、Bluetooth、Thread，还是新兴的Matter标准，每种技术都有其特定的优势与适用场景。随着物联网技术的不断进步，未来的智能家居系统将更强调技术的互联互通、低延迟、高安全性以及用户体验的提升。本文所介绍的Silicon Labs解决方案，将可协助设计者快速开发智能家居产品，推动智能家居更加智能化、人性化，实现真正意义上的智慧互联。