智能家居的低功耗無線連接解決方案

智能家居的低功耗無線連接解決方案

智能家居（Smart Home）是指通過先進(jìn)的信息技術(shù)，使家庭設(shè)備和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，提高家居生活的便利性、安全性、節(jié)能性和舒適性的一種家居生活方式，已經(jīng)成為當(dāng)前最熱門的應(yīng)用之一，其中用于將設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)的低功耗無線連接技術(shù)，便成為智能家居應(yīng)用的關(guān)鍵。本文將為您介紹當(dāng)前的低功耗無線連接技術(shù)的發(fā)展，以及由Nordic所推出的相關(guān)解決方案。

低功耗無線連接技術(shù)串聯(lián)起智能設(shè)備

智能家居系統(tǒng)通常由各種傳感器、執(zhí)行器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和智能控制器組成，通過互聯(lián)網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通信和遠(yuǎn)程控制。常見的智能家居應(yīng)用包括智能照明系統(tǒng)、智能安全系統(tǒng)、智能家電控制、智能溫控系統(tǒng)、語音助手與智能音響、智能窗簾和窗戶、智能家庭娛樂、健康監(jiān)測系統(tǒng)、智能廚房等。

這些智能設(shè)備通常都需要采用低功耗無線連接技術(shù)來將其串聯(lián)起來，以實(shí)現(xiàn)便利的通信與互連，目前主要的智能家居無線連接協(xié)議包括Matter、Thread、藍(lán)牙低功耗（Bluetooth LE）、Wi-Fi、Zigbee、蜂窩IoT和NR+等，這些無線連接技術(shù)各有其特性，以適用于各種不同的應(yīng)用需求。以下將為您簡介幾種主要的無線連接技術(shù)的發(fā)展與功能特性。

Matter

Matter提供了構(gòu)建應(yīng)用的共享基礎(chǔ)，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備和生態(tài)系統(tǒng)之間的互操作性，旨在讓開發(fā)人員輕松創(chuàng)建安全可靠的解決方案。Matter最初是于2019年12月啟動(dòng)的CHIP（Connected Home over IP）項(xiàng)目。啟動(dòng)公司包括亞馬遜、蘋果、谷歌以及Nordic等其他公司，其目標(biāo)是就家庭互聯(lián)設(shè)備的統(tǒng)一應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成一致。

Matter解決方案將能夠與主要的智能家居生態(tài)系統(tǒng)（例如蘋果的Siri、谷歌的Assistant和亞馬遜的Alexa）互操作，Matter使用Thread、Wi-Fi和以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，并使用藍(lán)牙低功耗進(jìn)行調(diào)試。所有基于Thread的Matter設(shè)備都需要同時(shí)具備藍(lán)牙低功耗功能，以便能夠向網(wǎng)絡(luò)添加新設(shè)備。

Wi-Fi

Wi-Fi（Wireless Fidelity）是一種無線通信技術(shù)，用于在設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，Wi-Fi技術(shù)使得設(shè)備無需使用傳統(tǒng)的有線連接方式，即可通過無線信號(hào)進(jìn)行通信和連接到互聯(lián)網(wǎng)，是目前應(yīng)用最廣泛的一種無線通信技術(shù)。

Wi-Fi聯(lián)盟（Wi-Fi Alliance）制定了一系列的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)，如802.11a、802.11b、802.11g、802.11n、802.11ac和802.11ax（Wi-Fi 6），每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都引入了新的技術(shù)，提高了速度、可靠性和性能。新版的Wi-Fi 6對于那些需要快速、可靠和高容量無線連接的應(yīng)用特別有利。此外，像是智能恒溫器、安全攝像頭和照明系統(tǒng)等智能家居設(shè)備，也可以受益于Wi-Fi 6改進(jìn)的范圍和覆蓋范圍，以及在單個(gè)網(wǎng)絡(luò)和基于IP的通信上支持更多設(shè)備的能力。

藍(lán)牙低功耗

藍(lán)牙低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE）是一種藍(lán)牙技術(shù)的變種，專門設(shè)計(jì)用于在低功耗環(huán)境下提供短距離通信。藍(lán)牙低功耗技術(shù)最顯著的特性之一是其低功耗設(shè)計(jì)，適用于需要長時(shí)間運(yùn)行的設(shè)備，如傳感器、可穿戴設(shè)備和健康監(jiān)測器。

藍(lán)牙低功耗的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是提供短距離通信，通常在10米到100米的范圍內(nèi)，這有助于防止不必要的能量消耗。藍(lán)牙低功耗被設(shè)計(jì)成在短時(shí)間內(nèi)建立連接，快速傳輸少量數(shù)據(jù)。這適用于在移動(dòng)設(shè)備之間共享小文件，或在傳感器和移動(dòng)設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)的場景。

Thread

Thread是一種低功耗、IPv6（Internet Protocol version 6）基礎(chǔ)的無線通信協(xié)議，專為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)計(jì)。Thread被設(shè)計(jì)為一種低功耗協(xié)議，適用于連接大量低功耗設(shè)備的場景。它通過采用低功耗的休眠模式、快速喚醒和靈活的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制來降低設(shè)備的功耗。

Thread支持自組網(wǎng)，設(shè)備可以在沒有中央控制器的情況下自動(dòng)組成網(wǎng)絡(luò)。這使得網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展變得更加容易，新設(shè)備可以輕松加入并參與網(wǎng)絡(luò)。Thread是建立在IPv6之上的，為設(shè)備提供全球唯一的地址，這使得設(shè)備能夠直接與互聯(lián)網(wǎng)通信，支持端到端的通信方式。

Zigbee

Zigbee是一種專為低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率和短距離通信設(shè)計(jì)的無線通信協(xié)議，適用于需要長時(shí)間運(yùn)行的電池供電設(shè)備，比如傳感器、智能家居設(shè)備等。Zigbee的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是提供短距離通信，通常在10到100米范圍內(nèi)，這使得它非常適用于設(shè)備之間的近場通信，如智能家居、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

Zigbee支持自組網(wǎng)，設(shè)備可以動(dòng)態(tài)地加入和離開網(wǎng)絡(luò)，而無需中央控制器。這使得網(wǎng)絡(luò)可以自適應(yīng)變化，并且具有一定的彈性。Zigbee的數(shù)據(jù)傳輸率相對較低，適用于傳感器數(shù)據(jù)、控制命令等小量數(shù)據(jù)的傳輸，有助于降低功耗。

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（LTE-M和NB-IoT）

在評估最適合您的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用的低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)時(shí)，考慮技術(shù)規(guī)格之外的各種因素至關(guān)重要，技術(shù)規(guī)格本身可能與實(shí)際性能存在很大差異。這些是蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（包括NB-IoT和LTE-M）比LoRaWAN、Sigfox、Wi-SUN或其他LPWAN更適合您的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的一些關(guān)鍵原因。

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)在利用現(xiàn)有全球基礎(chǔ)設(shè)施的授權(quán)頻段中運(yùn)行，雖然它們需要訂閱費(fèi)，但它們保證了廣泛的覆蓋范圍、可擴(kuò)展性、內(nèi)置的服務(wù)質(zhì)量、可靠性和不妥協(xié)的安全性。NB-IoT和LTE-M技術(shù)的開發(fā)是為了實(shí)現(xiàn)低功耗、大規(guī)模機(jī)器類型通信應(yīng)用。

革命性的多協(xié)議SoC支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

Nordic提供廣泛的無線多協(xié)議SoC產(chǎn)品組合，其中一款革命性的緊湊型超低功耗多協(xié)議SoC（系統(tǒng)級芯片）nRF54H20，具有卓越的處理能力、大量內(nèi)存和出色的效率，以及全新的多協(xié)議無線電和最先進(jìn)的安全功能，將使開發(fā)人員能夠構(gòu)建創(chuàng)新的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。

nRF54H20可減小設(shè)計(jì)尺寸，用高度集成的SoC替換多個(gè)元器件，并可延長電池壽命或減小電池尺寸，支持高效處理、超低功耗無線電和最小睡眠電流。nRF54H20支持遠(yuǎn)距離傳輸，具有10 dBm TX功率、藍(lán)牙低功耗的-100 dBm RX靈敏度和802.15.4的-104 dBm。nRF54H20并可防范安全威脅，通過安全啟動(dòng)、安全固件更新、安全存儲(chǔ)和防御物理攻擊，提供最先進(jìn)的安全性。

nRF54L15則是下一代多協(xié)議SoC，它是一款超低功耗藍(lán)牙5.4 SoC，具有全新的多協(xié)議無線電和先進(jìn)的安全功能。nRF54L系列具有出色的處理能力和效率、擴(kuò)展的內(nèi)存和新的外設(shè)，所有這些都采用更緊湊的封裝。

藍(lán)牙低功耗旗艦SoC

滿足復(fù)雜物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求

除了上述的nRF54H20與nRF54L15 SoC之外，Nordic還推出一款藍(lán)牙低功耗旗艦nRF5340 SoC，它是nRF53系列中的首款SoC，也是全球首款配備兩個(gè)Arm Cortex-M33處理器的無線SoC，兩個(gè)靈活的處理器和高級功能集的組合，使其成為低功耗音頻、高級可穿戴設(shè)備，和其他復(fù)雜物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的理想選擇。

nRF5340是一款一體化SoC，包括最突出的nRF52系列功能的超集。藍(lán)牙 5.4、高速SPI、QSPI、USB、高達(dá)105℃的工作溫度等功能，并與更高的性能、內(nèi)存和集成度相結(jié)合，同時(shí)最大限度地降低電流消耗。它還提供安全功能，例如可信執(zhí)行、信任根和安全密鑰存儲(chǔ)。

此外，Nordic還有nRF52系列，nRF52系列由七個(gè)多協(xié)議藍(lán)牙5.4 SoC組成，集成了強(qiáng)大而高效的64 MHz Arm Cortex-M4 CPU，它的閃存范圍為192 KB至1024 KB，而RAM范圍為24 KB至256 KB。nRF52系列提供更簡單、經(jīng)濟(jì)高效的選項(xiàng)和高度先進(jìn)的選項(xiàng)，并且全部具有超低功耗。

nRF52和nRF53系列是基于全閃存的SoC，閃存可為您的產(chǎn)品帶來完全的靈活性和可升級性。它們可以在工廠或現(xiàn)場通過無線設(shè)備固件升級（OTA DFU）重新編程，這樣可以隨時(shí)隨地進(jìn)行產(chǎn)品更新和功能添加。

Nordic針對IoT應(yīng)用的低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)，還推出了nRF91系列，通過在微型10x16mm系統(tǒng)級封裝（SiP）（適用于nRF9160 SiP和nRF9161 SiP）、11x12mm（適用于nRF9151 SiP）和7x11mm（適用于nRF9131迷你SiP）中，制作包含所有相關(guān)器件的完整通信和應(yīng)用模塊，實(shí)現(xiàn)了前所未有的集成水平，可以實(shí)現(xiàn)具有成本效益且緊湊的設(shè)計(jì)，這是競爭解決方案無法實(shí)現(xiàn)的，例如重量僅2.5克的太陽能動(dòng)物追蹤器。

提供完整的協(xié)同IC與軟件開發(fā)工具包

除了多協(xié)議SoC之外，Nordic還推出協(xié)同IC與軟件開發(fā)工具包，以加快客戶的產(chǎn)品開發(fā)速度。像是nRF7002便是一款低功耗、高級安全性、無縫共存的Wi-Fi 6協(xié)同IC，提供無縫Wi-Fi連接和基于Wi-Fi的定位（本地Wi-Fi集線器的SSID嗅探）。它旨在與Nordic現(xiàn)有的nRF52和nRF53系列藍(lán)牙SoC，以及nRF91系列蜂窩物聯(lián)網(wǎng)SiP一起使用，nRF7002還可以與非Nordic主機(jī)設(shè)備結(jié)合使用。

nRF7001則是Nordic nRF70系列Wi-Fi協(xié)同IC中的第二款器件，它可與Nordic現(xiàn)有的超低功耗技術(shù)輕松結(jié)合，具有低功耗2.4 GHz無線電，可確保延長電池壽命，可在各種應(yīng)用中無縫實(shí)現(xiàn)Wi-Fi 6連接。另外還有nRF7000 Wi-Fi 6協(xié)同IC，nRF7000是nRF7002的精簡版本，專門用于基于SSID的Wi-Fi定位。該協(xié)同IC主要關(guān)注Wi-Fi接入點(diǎn)的主動(dòng)和被動(dòng)掃描，為基于位置的應(yīng)用提供可靠且節(jié)能的解決方案。

Nordic也推出用于構(gòu)建藍(lán)牙低功耗、Wi-Fi、蜂窩物聯(lián)網(wǎng)、藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、Thread、Zigbee和Matter產(chǎn)品的軟件開發(fā)包nRF Connect SDK，這是一個(gè)可擴(kuò)展且統(tǒng)一的軟件開發(fā)包，用于構(gòu)建基于Nordic所有nRF52、nRF53、nRF70和nRF91系列無線器件的產(chǎn)品。它為開發(fā)人員提供了一個(gè)可擴(kuò)展的框架，用于為內(nèi)存受限的設(shè)備構(gòu)建尺寸優(yōu)化的軟件，并為更先進(jìn)的設(shè)備和應(yīng)用構(gòu)建強(qiáng)大而復(fù)雜的軟件。它集成了Zephyr RTOS和各種示例、應(yīng)用協(xié)議、協(xié)議棧、庫和硬件驅(qū)動(dòng)程序，以縮短客戶的產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間。

結(jié)語

智能家居可提高人們生活質(zhì)量，提升家居的智能化水平，已經(jīng)成為當(dāng)前熱門的應(yīng)用發(fā)展方向。想要確保智能設(shè)備和系統(tǒng)的可靠和安全，便需要選擇穩(wěn)定、安全的無線通信技術(shù)來串連起所有的智能家居設(shè)備。Nordic所推出的多協(xié)議SoC產(chǎn)品系列，能夠大幅簡化智能家居產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，并提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，將會(huì)是您開發(fā)智能家居相關(guān)產(chǎn)品的最優(yōu)合作伙伴。