相关知识

一、物联网与智能家居

智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音/视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。智能家居是目前物联网的重要应用之一。

1.智能家居的前世今生

1984年智能大厦开始投入使用，智能大厦第一次出现在人们的视野中，成为当时美国的典型建筑物。这一智能大厦的诞生拉开了全球智能建筑的序幕，为全球智能建筑发展奠定了坚实的基础。随着数字技术的改善和提升，截至20世纪80年代末，智能建筑已经得到了本质上的改革，开始由传统数字控制内容转变到集电子技术、住宅电子、家用电器、通信设备等为一体的系统化控制内容，智能化效率大幅提升，智能控制质量得到本质上的转变，如图1-1所示。如同时期美国智慧屋、欧洲的时髦屋等，都是20世纪80年代末典型的智能建筑。

进入21世纪，智能家居市场的发展势头依然强劲，甚至超出了最初预期。很多权威机构统计分析后都给出了30％的市场增长率数据。现在家电行业、智能硬件企业和家居企业也动作频频，加快了跨界互补的进程，在深入智能家居概念的同时，进一步升级产业，以在智能家居普及大潮中占得先机。图1-2所示为智能家居系统概念图。

2.智能家居行业概况

随着物联网浪潮汹涌而至，智能家居作为物联网的一部分，也迎来了快速发展时期。智能家居在我国的发展，总体而言，仍处于初期发展阶段。

中国产业调研网发布的2015—2020年《中国智能家居行业现状分析与发展前景研究报告》认为：近年来，我国智能家居产业市场规模逐年上涨，2011年为485.6亿元，到2014年智能家居市场规模增长到658.2亿元（1～9月市场规模为561.3亿元），2015年中国智能家居产业市场规模达到948亿元，2016年突破1100亿元，达到1185亿元，随着物联网、云计算等战略性产业的迅速发展，中国智能家居产业还将保持高增长态势，预测2018年市场规模为1968亿元。目前国内智能家居主要的市场还是一些高端市场：别墅（零售、工程）、智能小区（工程），增长最快的市场是智慧酒店（工程）和智能办公（工程），但普通住宅智能家居（零售）市场却发展很缓慢。

3.智能家居特点

市场上的智能家居产品种类琳琅满目、品质繁多，但是智能家居普遍的设计理念和原则有以下几点：

①实用便利。

②可靠性。

③标准性。

④方便性。

⑤普及化。

想一想：

为什么普通住宅智能家居市场比高端市场发展慢？

智能化、个性化、网络化、信息化成为未来智能家居的主要趋势：向高速、高效、高精度、高可靠性方向发展；向模块化、智能化、柔性化、网络化和集成化方向发展。好的智能平台和产品能够通过视频监控、大数据分析、人体感应和识别技术等，解决用户痛点，提供更加个性化的服务。整个智能家居行业未来发展前景广阔，各类创新业务不断涌现，而智能家居单品的研发也已经逐渐加速。企业要想在智能家居上取得领先，必然需要在平台和生态控制权上展开争夺。从用户的角度看，只有解决用户痛点和提供良好体验的产品才能被推广。

4.智能家居应用领域

（1）智能小区

智能小区总体构成包含用电信息采集、双向互动服务、小区配电自动化、用户侧分布式电源及储能、电动汽车有序充电、智能家居等多项新技术成果应用，综合了计算机技术、综合布线技术、通信技术、控制技术、测量技术等多学科技术领域，是一种多领域、多系统协调的集成应用，如图1-3所示。

智能小区可实现以下功能：运用智能电表技术，实现用电信息自动采集；提升电网自动化水平，保证小区可靠供电；电力光纤到表到户，服务互联网、广电网和电信网“三网融合”；智能用电服务互动平台，实现用户与供电企业的实时互动；示范分布式光伏发电，倡导清洁能源消费；配置电动汽车充电管理设施，满足居民使用电动汽车需求；家电的远程监测与控制，促进家庭合理用能；设置自助缴费终端，方便客户缴费；实现水电气集抄，有效整合各运营商的人力资源。

（2）智能照明

智能照明是指利用计算机、无线通信数据传输、扩频电力载波通信技术、计算机智能化信息处理及节能型电器控制等技术组成的分布式无线遥测、遥控、遥讯控制系统，来实现对照明设备的智能化控制，如图1-4所示。智能照明具有灯光亮度的强弱调节、灯光软启动、定时控制、场景设置等功能，并达到安全、节能、舒适、高效的效果。

控制智能照明系统应用广泛，可大批量、大范围智能控制灯具及关联物品，系统可实现以下功能：

①照明的自动化控制系统最大的特点是场景控制，在同一室内可有多路照明回路，对每一回路亮度调整后达到某种灯光气氛称为场景。系统可预先设置不同的场景（营造出不同的灯光环境），控制切换场景时的淡入淡出时间，使灯光柔和变化，利用时钟控制器，使灯光呈现按每天的日出日落或有时间规律的变化。利用各种传感器及遥控器达到对灯光的自动控制。

②美化环境。室内照明利用场景变化增加环境艺术效果，产生立体感、层次感，营造出舒适的环境，有利人们的身心健康，提高工作效率。

③延长灯具寿命。影响灯具寿命的主要因素主要有过电压使用和冷态冲击，它们使灯具寿命大大降低。

④节约能源。采用亮度传感器，自动调节灯光强弱，达到节能效果。采用移动传感器，当人进入传感器感应区域后灯光渐渐增亮，当人走出感应区域后灯光渐渐减低或熄灭，使一些走廊、楼道的“长明灯”得到控制，达到节能的目的。

⑤照度及照度的一致性。采用照度传感器，使室内的光线保持恒稳。例如，在学校的教室，要求靠窗与靠墙光强度基本相同，可在靠窗与靠墙处分别加装传感器，当室外光线强时系统会自动将靠窗的灯光减弱或关闭，根据靠墙传感器调整靠墙的灯光亮度；当室外光线变弱时，传感器会根据感应信号调整灯的亮度到预先设置的光照度值。

⑥综合控制。可通过计算机网络对整个系统进行监控。例如，了解当前各个照明回路的工作状态；设置、修改场景；当有紧急情况时控制整个系统及发出故障报告。

（3）智能安防系统

智能安防系统可以简单理解为图像的传输和存储、数据的存储和处理准确而选择性操作的技术系统。就智能化安防系统来说，一个完整的智能安防系统主要包括门禁、报警和监控三大部分。智能安防与传统安防的最大区别在于智能化，我国安防产业发展很快，也比较普及，但是传统安防对人的依赖性比较强，非常耗费人力，而智能安防能够通过机器实现智能判断，从而尽可能实现人想做的事，智能安防系统如图1-5所示。

（4）智能遥控

智能遥控开关不止具有开关的功能，它在替代传统墙壁开关的同时，更具有对室内灯光进行控制的功能，如全开全关功能、遥控开关功能、调光功能、情景功能等，可以在家中任意位置控制灯光和电器，并具有节能、防火、防雷击、安装方便等特点，其取代传统手动式开关已逐渐成为潮流。

智能遥控实用性强，智能性高，具有以下突出优点：

①无方向远距离隔墙控制功能，一般在10～80m半径内可以做到信号覆盖，且可以穿透2～3堵墙体。

②极强抗干扰能力，可靠性高，具有防火、防击雷功能。

③具有手动开关和遥控开关两种模式，既增强了方便性，又承袭了原有的习惯。

④断电保护功能，遇到断电情况，开关全部关闭，当重新来电时，开关处于关闭状态，不会因未知开关状态而造成人身伤害，也可以在无人值守情况下节约电能。

⑤家电控制集成功能，目前一般家庭都被遥控器困扰着，现在只需要一个遥控器，就可以实现对室内空调、电视、电动窗帘、音响、电钮煲等电器的控制集成，组建一个智能家居系统。

⑥超载保护功能，遥控开关里有过流保护装置，当电流过大时，熔断器会先断开，起到保护下面的电路的作用。

想一想：

智能家居领域中除了上述应用，你还知道哪些应用？

5.智能家居行业未来展望

从2000年的首届峰会到2016年的第四届中国国际建筑智能化峰会，虽然中国房产智能化道路几经周折，但是这一进程却不可阻挡地前进着。科技的发展使人们坚定不移地追求更高品质的生活，房产智能化作为高品质信息生活的代表得到越来越多的瞩目。回想1999年、2000年北京的房地产广告，“智能化”的诱人描述比比皆是。正值网络和新经济的高峰，房地产业的就势跟进使“智能化”成为新建社区不可缺少的“卖点”，智能化住宅小区建设一时在全国形成高潮。虽然科技飞速发展，信息技术日新月异，连CPU运算速度的提升都已经突破了摩尔定律，但是如何将这些技术引入智能家居产品之中，打造出真正实用的智能家居产品，这才是国际建筑智能化峰会每一位参与者最关注的问题。

未来的发展趋势，云服务必不可少，增加云服务可以把智能家居功能扩展到智能自动化、数据存储、数据分析、视频存储等，有部分厂商已经与阿里云、百度云、腾讯云等合作，免去自己架设服务器，按实际需求提供实际的服务。

另外一个趋势就是语音控制，目前许多解决方案都是依靠智能手机等移动设备或计算机的应用程序进行访问和控制的，不过，对于许多未来的使用案例来说，这种方式一方面效率不高，另一方面也会有诸多不便。不断地使用智能手机（即使只是通过一个单一的应用程序接口）来执行最简单的命令，也会令用户感到麻烦。因此，行业需要开发新的智能家居接口技术，而声音作为人类交互最自然的方式之一，是最容易想到的选择。

在未来，智能家居技术将能够在没有任何人类交互的情况下实现工作；它还能基于一定的规则和外部条件、信息做出自己的决定。但是，总会有些情况用户希望自己与技术进行交互，例如，检查或改变家中的设置。虽然这些信息可以通过访问手机APP实现获取，实际上，当用户不在家中时，这仍然是有用的，但是当用户身处家中时，不间断地访问手机APP则可能成为一种麻烦。如果用户能够简单地通过讲话来获得所需的响应，那么一切就将变得更快更方便。

二、智能家居案例介绍

案例一：我们的“未来之家”

2010年，一幢未来生态城的样板楼已经矗立在上海崇明陈家镇：屋顶上的太阳能装置一年可发电约6万度，楼外的风力发电装置一年能发电约4万度；办公区的百叶窗会根据阳光强度自动调节角度，一旦办公区人员全部离开，灯光会自动关闭；楼顶的通风塔依靠热压产生自然通风；厕所不但节水，还能分别回收大小便……

下面，我们一同走进“未来之家”。

未来之家的入口，采用了掌纹识别技术作为钥匙。外表看起来普普通通的一大块磨砂玻璃门，竟然是个安全性极高的门禁系统。借助全手掌识别技术，要比单个指纹识别更加可靠。而且，这套门禁系统还融合了ID卡识别以及声音识别等技术，并且配置有来访者语音留言系统和安全系统，足可令主人居家高枕无忧，如图1-6所示。

未来之家门口的植物，采用了RFID芯片，可以提醒主人需要多少光照和水分，如图1-7所示。

玄关里的这个小托盘也是暗藏玄机，主人把手机和手表放上去，会自动显示今天的温度、天气和日程安排等各种信息，如图1-8所示。

进门之后，墙壁上会自动显示欢迎信息，还有安防系统的状态、室内温度、能耗等各种信息，如图1-9所示。

客厅里的这个OLED电视可以用手势进行远程操控，它有摄像头，能够捕捉主人的手部运动，这个设计理念跟微软大受欢迎的Kinect体感游戏设备差不多，如图1-10所示。

智能厨房如图1-11所示，看起来跟普通厨房没什么不同，其实可没这么简单。

厨房操作台上有一个小显示屏，用手触摸显示屏，会显示各种健康信息，如图1-12所示。

显示屏上出现各种与主人相关的健康信息，包括疾病史、需要服用的药物和各种健康提示等，甚至还有针对一生健康的基因疗法，如图1-13所示。

药怎么吃，吃多少？忘了也没关系，放在操作台上，各种指示信息立马显现，如图1-14所示。

案例二：Philips智能家居

飞利浦智能家居以“简约居家，灵动生活”的理念为顾客提供最适合的智能家居解决方案，接下来，让我们走进一个有生命力的空间。

时钟的闹铃准时响起，卧室的窗帘缓缓拉开，灿烂的阳光照射整个房间，浴室的热水器已提前开始预热，背景音乐正在播放早间新闻；走进客厅，网络电视显示天气预报、交通情况；走入厨房，还有10min可以享受悠闲的早餐。起床的情景如图1-15所示。

上班临出门前，轻触玄关的对讲触摸屏，家中每个房间的灯都会自动关闭，窗帘缓缓合上，该关闭的电器自动进入待机状态，家里的安防报警系统和视频监控系统则自动开启。几秒后，一切就位，可以放心去上班。上班的情景如图1-16所示。

网络对讲、信息发布、智能家居，三屏合一，能将手机或平板电脑直接当无线室内机，如图1-17所示。

不超过2次按键就能实现所要的功能，也能观看监控视屏。另外，还有快捷键，方便老人和小孩使用。触摸屏的显示如图1-18所示。

用户外出工作，当家中有陌生人进入时，系统会发出网络通知到用户的手机上，给出提示警报和3s的监控影像，如图1-19所示。

下班路上，估计还要一会儿才能到家，此时参加聚会的亲朋好友们已到家门口，通过手机终端远程对讲与他们打招呼，开门请他们进屋等候（见图1-20），并远程启动家中的空调系统，自动调节至设定好的温度，新风立即进入工作状态。

用餐后，想和亲朋好友们一起看部影片，可以用手机、平板遥控启动影视模式（见图1-21），影音室内各方位的灯光自动调节，调节至影音观赏的视觉效果，窗帘缓缓合上，家庭影院系统随即开启。

来到书房门口，输入电子锁密码，推开门，灯便自动打开。此时白天未完成的公务文件已通过云端服务器同步到了计算机中。处理完后，还可以顺便查看下金融资料，如图1-22所示。

临睡前，轻轻触碰下床头的控制面板，全宅的灯光、窗帘即可自动关闭，空调、新风进入睡眠模式，如图1-23所示。

案例三：LG Smart Thin Q Hub

LG电子在2016年美国拉斯维加斯国际消费类电子产品展览会（CES2016）上发布旗下物联网生态系统的最新成员——Smart Thin Q Hub。

Smart Thin Q Hub扩展了LG的Smart Thin Q平台，使其可以监测和控制洗衣机、冰箱、烤箱、机器人吸尘器、空调等家用电器和多种传感器。Smart Thin Q Hub能够收集智能家电和通过Wi-Fi、ZigBee和蓝牙连接到Smart Thin Q传感器的传统设备的信息（见图1-24），在LG的智能家居平台中发挥核心作用。Smart Thin Q Hub的设计非常优雅，配有一个3.5 in彩色LCD显示屏（见图1-25），能够连接智能手机应用程序，与智能家电和智能传感器进行双向通信。数据可以在LCD屏上以通知的方式显示，也可以通过内置音箱播报，充当智能家居的中心枢纽。

LG与其他服务供应商之间的合作伙伴关系是其智能家居系统的一个重要优势，该系统将多个品牌之间的兼容性放在首位。这种合作伙伴关系有助于LG提供改善安全性、节能、空气净化和便捷性的套餐，这可能包括Smart Thin Q Hub、Smart Thin Q传感器以及来自其他制造商的各种智能家电和设备，如智能照明、运动传感器和湿度监测传感器。

做一做：

查阅资料，还有哪些有名的智能家居案例？

三、智能家居常用通信技术

1.ZigBee简介

1）什么是ZigBee

ZigBee又称紫峰协议，其名称来源于蜜蜂的舞蹈，由于蜜蜂（Bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（Zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。蜂群里蜜蜂的数量众多，所需食物不多，与设计初衷十分吻合，故命名为ZigBee。ZigBee是一种标准，该标准定义了短距离、低速率传输、无线通信所需要的一系列通信协议。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通信技术。

2）ZigBee的技术发展

ZigBee的发展基础是IEEE 802.15.4标准，它是一种新型的短距、低速、低功耗的无线通信技术，其前身是INTEL、IBM等产业巨头发起的“HomeRF Lite”无线技术。

负责起草IEEE 802.15.4标准的工作组于2000年成立，2002年美国摩托罗拉（Motorola）公司、荷兰飞利浦（Philips）公司、英国Invensys公司、日本三菱电器公司等发起成立了ZigBee联盟。到目前为止，ZigBee联盟已有200多家成员企业，而且还在迅速壮大中。

这些企业包括半导体生产商、IP服务提供商以及消费类电子厂商等，而这些公司都参加了IEEE 802.15.4工作组，为ZigBee物理和媒体控制层技术标准的建立做出了贡献。

2004年ZigBee 1.0（又称ZigBee 2004）诞生，它是ZigBee的第一个规范，这使得ZigBee有了自己的发展基本标准。但是由于推出仓促，存在很多不完善的地方，因此在2006年进行了标准的修订，推出了ZigBee 1.1（又称ZigBee 2006），但是该协议与ZigBee 1.0是不兼容的。ZigBee 1.1相较于ZigBee 1.0做了很多修改，但是ZigBee 1.1仍无法达到最初的设想，于是在2007年再次修订（称为ZigBee 2007/PRO），能够兼容之前的ZigBee 2006，并且加入了ZigBee PRO部分，此时ZigBee联盟更专注于以下三种应用类型的拓展：家庭自动化（HA）、建筑/商业大楼自动化（BA）以及先进抄表基础建设（AMI）。

3）ZigBee技术特点

ZigBee是一种短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。

ZigBee采取了IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格；ZigBee增加了逻辑网络、网络安全和应用层。

4）ZigBee的网络体系

按照OSI模型，ZigBee网络分为四层，从下向上分别为物理层、媒体访问控制层（MAC）、网络层/安全层（NWK）和应用层。其中物理层和MAC层由IEEE802.15.4标准定义，合称IEEE 802.15.4通信层；网络层和应用层由ZigBee联盟定义。图1-26所示为ZigBee网络协议架构分层，每一层向它的上层提供数据和管理服务。

（1）物理层

IEEE 802.15.4定义了两个物理标准，分别是2450MHz（一般称为2.4GHz）的物理层和868/915MHz的物理层。它们基于直接序列扩频，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频段、调制技术和传输速率的不同。

IEEE 802.15.4标准的物理层所实现的功能包括数据的发送与接收、物理信道的能量监测、射频收发器的激活与关闭、空闲信道评估、链路质量指示、物理层属性参数的获取与设置。这些功能是通过物理层服务访问接口来实现的，物理层主要有两种服务接口：物理层数据服务接入点（PD-SAP）和物理层管理实体服务的接入点（PLME-SAP）。PLME-SAP除了负责在物理层和MAC层之间传输管理服务之外，还负责维护物理层PAN信息库（PHY PIB）。

（2）MAC层

MAC层负责无线信道的使用方式，它们是构建ZigBee协议底层的基础。MAC层包括MAC层管理服务（MLME）和数据服务（MCPS）。

MAC管理服务可以提供调用MAC层管理功能的服务接口，同时还负责维护MAC PAN信息库（MAC PIB）。

MAC数据服务可以提供调用MAC公共部分子层（MCPS）提供的数据服务接口，为网络层数据添加协议头，从而实现MAC层帧数据。除了以上两个外部接口外，在MCPS和MLME之间还隐含了一个内部接口，用于MLME调用MAC管理服务。

（3）网络层/安全层

ZigBee网络层的主要作用是负责网络的建立、允许设备加入或离开网络、路由的发现和维护。

ZigBee网络层主要实现网络的建立、路由的实现以及网络地址的分配。ZigBee网络层的不同功能由不同的设备完成。其中ZigBee网络中的设备有三种类型，即协调器、路由器和终端结点，分别实现不同的功能。

协调器具有建立新网络的能力。协调器和路由器具备允许设备加入网络或者离开网络、为设备分配网络内部的逻辑地址、建立和维护邻居表等功能。

ZigBee终端结点只需要有加入或离开网络的能力即可。

（4）应用层

ZigBee的应用层由应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象、ZigBee应用框架（AF）、ZigBee设备模板和制造商定义的应用对象等组成。

应用支持子层（APS）负责应用支持子层协议数据单元APDU的处理、数据传输管理和维护绑定列表。应用支持子层（APS）通过一组通用的服务为网络层和应用层之间提供接口，这一组服务可以被ZigBee设备对象和制造商定义的应用对象使用，包括应用支持子层数据服务（APSDE）和应用支持子层管理服务（APSME）。

ZigBee设备中应用对象驻留的环境称为应用框架（Application Framework，AF）。在应用框架中，应用程序可以通过APSDE-SAP发送、接收数据，通过“设备对象公共接口”实现应用对象的控制与管理。应用支持子层数据服务接口（APSDE-SAP）提供的数据服务包括数据传输请求、确认、指示等原语。

5）ZigBee的网络拓扑

首先介绍下ZigBee的设备类型：协调器（Coordinator）、路由器（Router）以及终端设备（End Device）。

①终端设备：结构和功能是最简单的，采用电池供电，大部分时间都处于睡眠状态以节约电量，延长电池的使用寿命。

②路由器：需具备数据存储和转发能力，以及路由发现的能力。除完成应用任务外，路由器还必须支持其子设备连接、数据转发、路由表维护等功能。

③协调器：协调器是一个ZigBee网络的第一个开始的设备或者是一个ZigBee网络的启动或者建立网络的设备。协调器结点需选择一个信道和唯一的网络标识符（PAN ID），然后开始组建一个网络。协调器设备在网络中还有其他作用，如建立安全机制、网络中的绑定等。

ZigBee支持包含主从设备的星状、树状和网状网络拓扑（见图1-27），每个网络中都会存在一个唯一的协调器，它相当于有线局域网中的服务器，对本网络进行管理。ZigBee以独立的结点为依托，通过无线通信组成星状、树状或网状网络，因此不同的结点功能可能不同。为了降低成本就出现了全功能设备（FFD）和半功能设备（RFD）之分，FFD支持所有的网络拓扑在网络中可以充当任何设备（协调器、路由器及终端结点）而且可以与所有设备进行通信，而RFD则在网络中只能作为子结点不能有自己的子结点（即只能作为终端结点）而且其只能与自己的父结点通信，RFD功能是FFD功能的子集。

（1）星状网络的形成过程

在星状网络中，协调器作为发起设备，协调器一旦被激活，它就建立一个自己的网络，并作为PAN协调器。路由设备和终端设备可以选择PAN标识符加入网络。不同PAN标识符的星状网络中的设备之间不能进行通信。

星状拓扑是最简单的一种拓扑形式，它包含一个Coordinator结点和一系列的End Device结点。每一个End Device结点只能和Coordinator结点进行通信。如果需要在两个End Device结点之间进行通信必须通过Coordinator结点进行信息的转发。

（2）树状网络的形成过程

在树状网络中，由协调器发起网络，路由器和终端设备加入网络。设备加入网络后由协调器为其分配16位短地址，具有路由功能的设备可以拥有自己的子设备。但是在树状网络中，子设备只能和自己的父设备进行通信，如果某终端设备要与非自己父设备的其他设备通信，必须经过树状路由进行通信。

树状拓扑包括一个Coordinator以及一系列的Router和End Device结点。Coordinator连接一系列的Router和End Device，它的子结点的Router也可以连接一系列的Router和End Device，这样可以重复多个层级。

（3）网状网络的形成过程

在网状网络中，每个设备都可以与在无线通信范围内的其他任何设备进行通信。理论上任何一个设备都可定义为PAN主协调器，设备之间通过竞争的关系竞争PAN主协调器。但是在实际应用中，用户往往通过软件定义协调器，并建立网络，路由器和终端设备加入此网络。当协调器建立起网络之后，其功能和网络中的路由器功能是一样的，在此网络中的设备之间都可以相互进行通信。

网状拓扑包含一个Coordinator和一系列的Router和End Device。这种网络拓扑形式和簇状拓扑相同，请参考上面所提到的簇状网络拓扑。但是，网状网络拓扑具有更加灵活的信息路由规则，在可能的情况下，路由结点之间可以直接通信。这种路由机制使得信息的通信变得更有效率，而且意味着一旦一个路由路径出现了问题，信息可以自动的沿着其他的路由路径进行传输。

6）ZigBee技术应用范围

①适合ZigBee传输的数据类型。

a.周期性数据：传感器数据、水电气表数据、仪器仪表数据。

b.间断性数据：工业控制命令、远程网络控制、家用电器控制。

c.反复性低反应时间数据：如鼠标键盘数据、操作杆的数据。

②适合ZigBee技术的设备特点。

a.设备成本低、传输数据量小。

b.设备体积小，不便放置较大的充电电池或者电源模块。

c.没有充足的电源支持，只能使用一次性电池。

d.需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅仅用于监测或控制。

③ZigBee技术典型应用。

a.结合ZigBee和GPRS的无线数据传输。

b.医疗监控系统。

c.无线点餐系统。

d.智能交通控制系统等。

7）小结

ZigBee作为一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，有效弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。我们有理由相信在不远的将来，将有越来越多的内置式ZigBee功能的设备进入人们的生活，并将极大地改善人们的生活方式和体验。

说一说：

你觉得ZigBee可以应用在生活中的哪些场景？

2.Wi-Fi简介

1）什么是Wi-Fi

1999年时各个厂商为了统一兼容802.11标准的设备而结成了一个标准联盟，称为Wi-Fi Alliance，而Wi-Fi这个名词，也是他们为了能够更广泛的为人们接受而创造出的一个商标类名词，也有人把它称作“无线保真”。

Wi-Fi实际上为制定802.11无线网络的组织，并非代表无线网络。但是后来人们逐渐习惯用Wi-Fi来称呼802.11b协议。它的最大优点是传输速率较高，它的有效距离也很长，同时也与已有的各种802.11 DSSS设备兼容。目前无线局域网（WLAN），主流采用802.11协议，故常直接称为Wi-Fi网络。

2）Wi-Fi的优势与弊端

（1）优势

①无线电波的覆盖范围相对广。

②传输速率非常快，符合个人和社会信息化的需求。

③厂商进入该领域的门槛比较低，设备价格低廉。

④信号功率小，绿色健康。

⑤工作在2.4GHz的IMS频段，全球统一。

（2）弊端

①工作在2.4GHz的IMS频段，容易受干扰。

②覆盖范围有限。

③安全性有待提高。

3）Wi-Fi技术特点及说明

（1）组网简便

无线局域网的组建在硬件设备上的要求与有线相比，更加简洁方便，而且目前支持无线局域网的设备已经在市场上得到了广泛的普及，不同品牌的接入点AP以及客户网络接口之间在基本的服务层面上都是可以实现互操作的。WIAN的规划可随着用户的增加而逐步扩展，在初期根据用户的需要布置少量的点。当用户数量增加时，只需再增加几个AP设备，而不需要重新布线。而全球统一的Wi-Fi标准使其与蜂窝载波技术不同，同一个Wi-Fi用户可以在世界各个国家使用无线局域网服务。

（2）业务可集成性

由于Wi-Fi技术在结构上与以太网完全一致，所以能够将WLAN集成到已有的宽带网络中，也能将已有的宽带业务应用到WLAN中。这样，就可以利用已有的宽带有线接入资源，迅速地部署WIAN网络，形成无缝覆盖。

（3）完全开放的频率使用段

无线局域网使用的是全球开放的频率使用段，使得用户端无须任何许可就可以自由使用该频段上的服务。

Wi-Fi与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术，Wi-Fi速率最高可达11Mbit/s。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100m左右，不用说家庭、办公室，就是小一点的整栋大楼也可使用，如图1-28所示。

如今的智能手机大多数都带有Wi-Fi无线上网功能，使用Wi-Fi上网可以省去一笔不小的流量。使用计算机无线上网的用户对无线路由器很清楚，对于智能手机来说也要用无线路由来连接互联网，打开智能手机的无线网络，在手机设置中找到所使用的Wi-Fi名称，输入相应的密码让手机与Wi-Fi相连，即可移动上网，如图1-29所示。

说一说：

说说你对Wi-Fi的认识。

3.蓝牙简介

（1）蓝牙的起源与概述

蓝牙是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换（使用2.4～2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波）。

“蓝牙”（Bluetooth）一词是十世纪的一位国王Harald Bluetooth的绰号，他将纷争不断的丹麦部落统一为一个王国，传说中他还引入了基督教。以此为蓝牙命名的想法最初是Jim Kardach于1997年提出的，Kardach开发了能够允许移动电话与计算机通信的系统。他的灵感来自于当时他正在阅读的一本由Frans G.Bengtsson撰写的描写北欧海盗和Harald Bluetooth国王的历史小说The Long Ships，意指蓝牙也将把通信协议统一为全球标准。

蓝牙技术最初由电信巨头爱立信公司于1994年创制，1997年爱立信与其他设备生产商联系，并激发了他们对该项技术的浓厚兴趣。1998年2月，5个跨国大公司，包括爱立信、诺基亚、IBM、东芝及Intel组成了一个特殊兴趣小组（SIG），他们共同的目标是建立一个全球性的小范围无线通信技术，即现在的蓝牙。

而蓝牙这个标志的设计：它取自Harald Bluetooth名字中的[H]和[B]两个字母，用古北欧字母来表示，将这两者结合起来，就成了蓝牙的LOGO（见图1-30）。

（2）蓝牙的技术特性

蓝牙技术（见图1-31）提供低成本、近距离无线通信，构成固定与移动设备通信环境中的个人网络，使得近距离内各种设备实现无缝资源共享。显然，这种通信技术与传统的通信模式有明显的区别，它的初衷是希望以相同成本和安全性实现一般电缆的功能，从而使得移动用户摆脱电缆的束缚。这决定蓝牙技术具备以下技术特性：

①能传送语音和数据。

②使用频段、连接性、抗干扰性和稳定性。

③低成本、低功耗和低辐射。

④安全性。

⑤网络特性。

蓝牙的具体实施依赖于应用软件、蓝牙存储栈、硬件及天线四个部分，适用于包括任何数据、图像、声音等短距离通信的场合。蓝牙技术可以代替蜂窝电话和远端网络之间通信时所用的有线电缆，提供新的多功能耳机，从而在蜂窝电话、PC甚至随身听等设备中使用，也可用于笔记本式计算机、个人数字助理、蜂窝电话等之间的名片数据交换。协议可以固化为一个芯片，可安置在各种智能终端。

说一说：

说说你在生活中接触到的蓝牙技术。

4.RFID简介

1）RFID（Radio Frequency Idenfication，无线射频识别技术）技术前期发展

（1）人们对电磁能的认识

追溯历史，公元前中国先民即发现并开始利用天然磁石，并用磁石制成指南车。到了近世，越来越多的人对电、磁、光进行深入地观察及数学基础研究，其中的佼佼者是美国人本杰明·富兰克林。1846年英国科学家米歇尔·法拉第发现了光波与电波均属于电磁能量。1864年苏格兰科学家詹姆士·克拉克·麦克斯韦尔发表了他的电磁场理论。1887年，德国科学家亨瑞士·鲁道夫·赫兹证实了麦克斯韦尔的电磁场理论并演示了电磁波以光速传播并可以被反射，具有类似光的极化特性，赫兹的实验不久也被俄国科学家亚力山大·波普重复。1896年马克尼成功地实现了横越大西洋的越洋电报，由此开创了利用电磁能量为人类服务的先河。更进一步，在1922年，诞生了雷达（Radar）。作为一种识别敌方空间飞行物（飞机）的有效武器，雷达在第二次世界大战中发挥了重要的作用，同时雷达技术也得到了极大的发展。至今，雷达技术还在不断发展，人们正在研制各种用途的高性能雷达。

（2）RFID技术的发展

RFID直接继承了雷达的概念，并由此发展出一种生机勃勃的AIDC（Auto Identification and Data Collection，自动识别与数据收集）新技术——RFID技术。1948年哈里·斯托克曼发表的“利用反射功率的通信”奠定了射频识别RFID的理论基础。

在20世纪中，无线电技术的理论与应用研究是科学技术发展最重要的成就之一。RFID技术的发展可按10年期划分如下：

1941—1950年：雷达的改进和应用催生了RFID技术，1948年奠定了RFID技术的理论基础。

1951—1960年：早期RFID技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。

1961—1970年：RFID技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。

1971—1980年：RFID技术与产品研发处于一个大发展时期，各种RFID技术测试得到加速，出现了一些最早的RFID应用。

1981—1990年：RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。

1991—2000年：RFID技术标准化问题日趋得到重视，RFID产品得到广泛采用，RFID产品逐渐成为人们生活中的一部分。

2001年至今：标准化问题日趋为人们所重视，RFID产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。

RFID技术的理论得到丰富和完善，单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的RFID正在成为现实。

2）射频识别技术及其发展

（1）RFID无线识别电子标签基础介绍

RFID是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。

RFID系统至少包含电子标签和阅读器两部分。电子标签是射频识别系统的数据载体，电子标签由标签天线和标签专用芯片组成。依据电子标签供电方式的不同，电子标签可分为有源电子标签、无源电子标签和半无源电子标签。

RFID阅读器（读写器）通过天线及RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。典型的阅读器包含有高频模块（发送器和接收器）、控制单元以及阅读器天线。

（2）RFID系统组成（见图1-32）

①阅读器（Reader）：读取（有时还可以写入）标签信息的设备，可分为手持式或固定式。

②天线（Antenna）：在标签和读取器间传递射频信号。

③电子标签（Tag）：一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面。阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别体的目的。通常阅读器与计算机相连，所读取的标签信息被传送到计算机上进行下一步处理。在以上基本配置之外，还应包括相应的应用软件。

RFID标签分为主动标签（Active Tags）和被动标签（Passive Tags）两种。主动标签自身带有电池供电，体积较大，与被动标签相比成本更高，也称为有源标签，一般具有较远的阅读距离，不足之处是电池不能长久使用，能量耗尽后需更换电池。被动标签在接收到阅读器（读出装置）发出的微波信号后，将部分微波能量转换为直流电供自己工作，一般可做到免维护，成本很低并具有很长的使用寿命，比主动标签更小也更轻，读写距离则较近，也称为无源标签。相比有源系统，无源系统在阅读距离及适应物体运动速度方面略有限制。按照存储的信息是否被改写，标签也被分为只读式标签（Read Only）和可读写标签（Read and Write）。只读式标签内的信息在集成电路生产时即将信息写入，以后不能修改，只能被专门设备读取；可读写标签将保存的信息写入其内部的存储区，需要改写时也可以采用专门的编程或写入设备擦写。一般将信息写入电子标签所花费的时间远大于读取电子标签信息所花费的时间，写入所花费的时间为秒级，阅读花费的时间为毫秒级。

电子标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；每个标签都有一个全球唯一的ID号码——UID，UID是在制作芯片时放在ROM中的，无法修改。用户数据区（DATA）是供用户存放数据的，可以进行读写、覆盖、增加的操作。读写器对标签的操作有三类：

①识别（Identify）：读取UID。

②读取（Read）：读取用户数据。

③写入（Write）：写入用户数据。

（3）RFID的基本交互原理

射频识别的基本原理框图如图1-33所示。

应答器为集成电路芯片，它的工作需要由阅读器提供能量，阅读器产生的射频载波用于为应答器提供能量。

阅读器与应答器之间的信息交互通常采用询问-应答的方式进行，因此必须有严格的时序关系，时序由阅读器提供。

应答器和阅读器之间可以实现双向数据交互，应答器存储的数据信息采用对载波到的负载调制方式向阅读器传送，阅读器给应答器的命令和数据通常采用载波间隙、脉冲位置调制、编码调制等方法实现传送。

RFID系统在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面，电子标签中保存有约定格式的电子数据。阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号，当标签进入磁场时产生感应电流从而获得能量，发送出自身编码等信息，被读取器读取并解码后送至主机进行有关处理。

（4）RFID系统的工作频率

通常阅读器发送时所使用的频率被称为RFID系统的工作频率。典型的工作频率有125KHz、225KHz、13.56MHz等，这些频点应用的射频识别系统一般都有相应的国际标准予以支持。其基本特点是电子标签的成本较低、标签内保存的数据量较少、阅读距离较短、电子标签外形多样（卡状、环状、纽扣状、笔状）、阅读天线方向性不强等。

（5）RFID技术特点及优势

RFID是一项易于操控、简单实用且特别适用于自动化控制的灵活性应用技术，识别工作无须人工干预，它既可支持只读工作模式，也可支持读写工作模式，且无须接触或瞄准；可自由工作在各种恶劣环境下：短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可以替代条码，如用在工厂的流水线上跟踪物体；长距离射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。其所具备的独特优越性是其他识别技术无法企及的。主要有以下几个方面特点：

①读取方便快捷：数据的读取无需光源，甚至可以透过外包装进行识别。有效识别距离更大，采用自带电池的主动标签时，有效识别距离可达到30m以上。

②识别速度快：标签一进入磁场，解读器就可以即时读取其中的信息，而且能够同时处理多个标签，实现批量识别。

③数据容量大：数据容量最大的二维条形码（PDF417），最多也只能存储2725个数字；若包含字母，存储量则会更少；RFID标签则可以根据用户的需要扩充到数十千字节。

④使用寿命长，应用范围广：其无线电通信方式，使其可以应用于粉尘、油污等高污染环境和放射性环境，而且其封闭式包装使得其寿命大大超过印刷的条形码。

⑤标签数据可动态更改：利用编程器可以写入数据，从而赋予RFID标签交互式便携数据文件的功能，而且写入时间相比打印条形码更短。

⑥更好的安全性：不仅可以嵌入或附着在不同形状、类型的产品上，而且可以为标签数据的读写设置密码保护，从而具有更高的安全性。

⑦动态实时通信：标签以与每秒50～100次的频率与解读器进行通信，所以只要RFID标签所附着的物体出现在解读器的有效识别范围内，就可以对其位置进行动态的追踪和监控。

（6）RFID射频识别技术对比条形码的七大特点

①快速扫描。条形码一次只能有一个条形码受到扫描；RFID辨识器可同时辨识读取数个RFID标签。

②体积小型化、形状多样化。RFID在读取上并不受尺寸大小与形状的限制，无须为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。此外，RFID标签更可往小型化与多样形态发展，以应用于不同产品。

③抗污染能力和耐久性。传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染，但RFID对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。此外，由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱上，所以特别容易受到折损；RFID卷标是将数据存在芯片中，因此可以免受污损。

④可重复使用。现今的条形码印刷上去之后就无法更改，RFID标签则可以重复地新增、修改、删除RFID卷标内存储的数据，方便信息的更新。

⑤穿透性和无屏障阅读。在被覆盖的情况下，RFID能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质，并能进行穿透性通信。而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡的情况下，才可以辨读条形码。

⑥数据的记忆容量大。一维条形码的容量是50字节，二维条形码最大的容量可存储2～3000字符，RFID最大的容量则有数兆字节。随着记忆载体的发展，数据容量也有不断扩大的趋势。未来物品所需携带的资料量会越来越大，对卷标所能扩充容量的需求也相应增加。

⑦安全性。由于RFID承载的是电子式信息，其数据内容可经由密码保护，使其内容不易被伪造及变造。

近年来，RFID因其所具备的远距离读取、高存储量等特性而备受瞩目。它不仅可以帮助一个企业大幅提高货物、信息管理的效率，还可以让销售企业和制造企业互联，从而更加准确地接收反馈信息，控制需求信息，优化整个供应链。

⑧RFID卡与接触式IC卡。RFID卡（RF卡）是一种以无线方式传送数据的集成电路卡片，它具有数据处理及安全认证功能等特有的优点。

RF卡在读写时是处于非接触操作状态，避免了由于接触不良所造成的读写错误等误操作，同时避免了灰尘、油污等外部恶劣环境对读写卡的影响。

与接触式IC卡相比较，射频卡具有以下优点：

a.可靠性高。卡与阅读器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障。例如，由于粗暴插卡、非卡外物插入、灰尘、油污导致接触不良等原因造成的故障，卡表面无裸露的芯片，无须担心芯片脱落、静电击穿，弯曲损坏等问题。

b.操作方便、快捷。由于非接触通信，阅读器在1～10cm范围内就可以对卡片操作，所以不必像IC卡那样进行插拔工作；非接触卡使用时没有方向性，卡片可以任意方向掠过阅读器表面，可大大提高每次使用的速度。

c.防冲突。射频卡中有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，因此阅读器可以同时处理多张非接触式射频卡。

d.应用范围广。射频卡的存储器结构特点使它一卡多用；可应用于不同的系统，用户根据不同的应用设定不同的密码和访问条件。

e.加密性能好。射频卡的序列号是唯一的，制造厂家在产品出厂前已将此序列号固化，不可再更改。

射频卡与阅读器之间采用双向验证机制，即读写器验证射频卡的合法性，同时射频卡也验证读写器的合法性；处理前，卡要与阅读器进行三次相互认证，而且在通信过程中所有的数据都加密。此外，卡中各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。

四、RFID后续发展及应用领域

（1）RFID后续发展

射频识别技术的发展，一方面受到应用需求的驱动，另一方面射频识别技术的成功应用反过来又将极大地促进应用需求的扩展。从技术角度说，射频识别技术的发展体现在若干关键技术的突破。从应用角度来说，射频识别技术的发展目的在于不断满足日益增长的应用需求。

射频识别技术的发展得益于多项技术的综合发展。所涉及的关键技术大致包括芯片技术、天线技术、无线收发技术、数据变换与编码技术、电磁传播特性。

随着技术的不断进步，射频识别产品的种类将越来越丰富，应用也越来越广泛。可以预计，在未来的几年中，射频识别技术将持续保持高速发展的势头。射频识别技术的发展将会在电子标签（射频标签）、阅读器、系统种类等方面取得新进展。

在电子标签方面，电子标签芯片所需的功耗更低，无源标签、半无源标签技术更趋成熟。其作用距离将更远，无线可读写性能也将更加完善，并且能够适合高速移动物品识别，识别速度也将更加快，具有快速多标签读写功能。与此同时，在强场强下的自保护功能也会更加完善、智能性更强，成本更低。在阅读器方面，多功能阅读器，包括与条码识别集成、无线数据传输、脱机工作等功能将被更多的应用。同时，多种数据接口包括RS-232、RS-422/485，USB、红外、以太网口也将得到应用。而阅读器将实现多制式多频段兼容，能够兼容读写多种标签类型和多个频段标签。阅读器会朝着小型化、便携式、嵌入式、模块化方向发展，成本将更加低廉，应用范围更加广泛。在系统方面，低频近距离系统将具有更高的智能、安全特性；高频远距离系统性能将更加完善，成本更低。而2.45GHz和5.8GHz系统将更加完善。同时，无芯片系统将逐渐得到应用。

在通常情况下，RFID芯片是非常不易被伪造的。黑客需要对无线工程、编码演算以及解密技术等各方面有深入知识。此外，在标签上可以对数据采取分级保密措施，使得数据在供应链上的某些点可以读取，而在其他点却不能读取。一些RFID标准规定了额外的安全措施。由于具备这些先天的安全性，美国食品药品监督管理局（FDA）已经提倡使用RFID作为药品防伪的手段之一。标准的EPC标签具有防篡改的安全保护，标准通信协议中包含了数据加密，以及要求在数据传输之前，标签和阅读器之间要建立安全连接，这就使得篡改EPC代码非常困难。失效（杀死）标签，从而使其中的数据永远无法再被读到，是零售和快速消费品行业为保护顾客隐私而提出的需求，所以标准支持这个功能。这也就提出了认证的需要，以防止标签被未经授权地或者意外地失效。扩展的安全方面的需求取决于标签如何被使用，因此对读写设备特点的要求超过了只读取标准标签的底线。另外，可利用多种方式来实现与标准Gen2产品不同的安全性扩展，“外壳”功能使标签只能与被授权的阅读器通信。在标签回应通信请求之前，阅读器必须提供密码，同样，写入数据或者将标签失效也需要密码。

总而言之，射频识别技术未来的发展中，在结合其他高新技术，如GPS、生物识别等技术，由单一识别向多功能识别方向发展的同时，将结合现代通信及计算机技术，实现跨地区、跨行业应用。

（2）应用领域分析

射频识别技术以其独特的优势，逐渐被广泛应用于工业自动化、商业自动化和交通运输控制管理等领域。随着大规模集成电路技术的进步以及生产规模的不断扩大，射频识别产品的成本将不断降低，其应用将越来越广泛。如表1-1所示，列举了射频识别技术几个典型的应用。

想一想：

你生活中有什么地方使用到了RFID技术？

（3）智能家居常用通信技术对比

社会的不断发展，无线的优点已经逐步显现。例如，无线通信覆盖范围大，几乎不受地理环境限制；无线通信可以随时架设，随时增加链路，安装、扩容方便；无线通信可以迅速（数十分钟内）组建起通信链路，实现临时，应急、抗灾通信的目的，而有线通信则有地域的限制、较长的响应时间。无线通信在可靠性、可用性和抗毁性等方面走出了传统的有线通信方式，尤其在一些特殊的地理环境下，无线比有线方便得多。随着无线通信的发展及成熟，它被广泛应用在工业控制、医疗、汽车电子等领域。

ZigBee、Wi-Fi、蓝牙等几种无线技术的对比如表1-2所示。

做一做：

对这些技术做一个总结。