智能家居居头功 无线通信技术三国鼎立

　　随着智慧居家的兴起，过去一年来，无线网络技术的演进也受到了瞩目，在未来数年，Wi-Fi、Bluetooth及ZigBee这三个标准，仍是会三分天下。

　　去年开始，智能居家及物联网的应用，又被重新瞩目，主要有下列三个原因：

　　一、无线网络科技的快速成长：使得无论是需要高带宽的设备，或是支持设备的同时连接数目，都比以前呈倍数成长，使得万物连网的概念更容易。

　　二、智能手机的普及：让一般消费者习惯用手机来控制所有东西，解决了以前需靠遥控器来设定或操控的不便性(过去需要多个遥控器或是一个超级复杂的万用遥控器)。

　　三、云端运算的成熟：让许多应用可以透过网络来连接及运算，家中就不用安装一个昂贵又需要24小时开机的网关。

　　无论是智能手机及云端运算，都是每个人日常生活中每天所接触的事物，比较容易理解，但是网络技术的变迁就不是那么司空见惯。所以接下来笔者希望可以深入浅出地介绍过去一年来，无线网络技术的演进以及对智慧居家的影响。

　　无线网络技术的演进

　　Wi-Fi 802.11ac

　　早在2011年，802.11ac就发布了第一个草案，但是正式版本却在2014年1月才定案，但是2014年一定案，就马上造成轰动。主要原因是苹果的大力支持，从Mac Air到iPad Air2到iPhone 6，苹果的新设备都义不反顾地立即支持802.11ac，除了显示出苹果始终保持领先的地位的决心，更重要的是果粉使用苹果设备的主要应用都以影音为主，而影音串流在家中使用，由于2.4G此频段的泛滥使用，干扰非常严重，播放非常不顺畅。

　　如果有兴趣而且是使用安卓手机的话，可下载此A p p-NETGEA R W i F i Analytics，扫描一下附近的无线的SSID，就可发现你周遭存在有多到超乎你想象的2.4G无线路由器，因此笔者许多朋友以为家中上网速度变慢，只要增加ADSL速度即可，后来发现主因还是家中的路由器只支援2.4G，而在2.4G频段上有太多路由器同时使用造成干扰，让上网速度变慢，更换成支持802.11ac的路由器后，并将家中的iPad及iPhone切换至5G频段，上网速率便大大地改善，如果家中的旧型笔电不支持5G，也只要添购802.11ac网卡接到笔电也可大幅改善。不过802.11ac对于智慧家居的改进，不只是5G频段的使用，还有下列几个特色：

　　一、 波束集中(BeamForming)技术的标准化

　　由于无线网络主要的管制机关为FCC(台湾为NCC)，为了避免电磁波对人体的影响，功率有一定的限制，在功率限制下如何提高无线收讯率，及减少死角，波束集中技术就成为802.11ac所采取的技术，它会将无线讯号集中波点，也吻合了现今家庭用户，在家中愈来愈少使用笔电及桌机，而改采用手持式装置的趋势。

　　二、 支持同时多人多装置的数据收发

　　以前在802.11n的设备虽然支持MIMO(多天线同时收发)，例如：路由器有搭载4支天线，所以当你使用支持MIMO的笔电连接路由器时，MIMO功能会同时透过4支天线传输你要的数据到你的笔电，所以使用者会立即感受到无线速率的提升，但是它只能同时支持单一使用者，也就是同时有多个使用者要下载文件，或观赏影音，那就会有人产生lag的现象，而这些问题，只要改用802.11ac的路由器，配上支援802.11ac的终端设备，就迎刃而解，家中同时有爸爸看电影，有老婆看韩剧，小孩玩在线游戏(这是笔者家中真实应用写照)，都不会有不顺畅的现象发生了。

　　所以Wi-FI的802.11ac解决了智慧家居中的影音娱乐的需求的问题，也解决了多设备同时连接的问题(旧型的无线路由器无法连接超过20个无线装置)。而且Wi-FI为了支持物联网，更开始制定传输距离更远的802.11ah，目标是在1公里以上的传输距离，希望仍可传输100kbps以上的数据试图挑战ZigBee及Z-Wave，由于Wi-Fi的普及性降低了芯片成本，及设定的方便性，在未来几年，802.11ah有可能变为Zigbee的最大挑战者。

　　低功率蓝牙

　　低功率蓝牙(Bluetooth Low Energy)加入战局-低功率蓝芽已成为穿戴式装置上必备的功能，从小米手环到Apple Watch，都成为其主要的通信链接网络，由于它可以让手机可以直接连结终端设备(Wi-Fi还需要经过路由器来连接)，所以相对简化了连接设定步骤，蓝芽组织为了支持物联网在4.0时提出低功率BLE的标准，在4.2版更显示了他们企图心，加入对IPv6的支持，此功能可让蓝芽装置直接上网。

　　你可想象以后的小米手环或Apple watch不用透过手机就可以直接连上Internet，可见蓝芽技术联盟抢进智慧家居及物联网的决心，由于蓝芽芯片的成本远低于Wi-Fi芯片，及软件开发上也简单许多，对于简单无需传输大量数据的智慧居家产品，蓝芽4.2将是另一个物联网的网络传输媒介。

　　ZigBee

　　祖父级的Z i g B e e在1998年就由H o n e y w e l l公司组成的ZigBee联盟开始制订标准，在2001年纳入IEEE的802.15.4标准中，到了2005年开放了第一个ZigBee的公开标准。ZigBee在制定之初，便朝向物联网前进，所以定义了可支援到65,000个节点的内网，也定义了物理层(PHY)、媒体层(MAC)，及网络层(NWK)跟应用层(APL)，更可支持星型/树型/网型的网络拓扑，当某节点当掉，还可透其他节点来路由封包，其完整性几乎等于T C P / IP+Ethernet的组合。

　　但也带来相对的复杂性，使得Z i g B e e一直待在工控领域，而不受家用产品的青睐，由于它的数据格式并不兼容于主流的笔电、手机、平板等家用产品，所以必须透过一个Hub(集线器)，连结到家中所有ZigBee设备，另一端再透过有线网络或Wi-Fi无线网络链接到家中路由器，也有些业者设计出ZigBee gatway(网关)，让所有ZigBee设备透过此网关，可以直接连上Internet。

　　无论如何，它设定及安装复杂性远远超过Wi-Fi及蓝牙，但是ZigBee天生的优点就是省电及传输距离长，5mA的功耗，让一颗钮扣电池就可维持一个ZigBee传感器运作数月到一年，因此在智慧传感器及智慧灯泡等家用控制设备，仍是无可取代的通讯标准。

　　三国鼎立

　　在未来数年，这三个标准，仍是会三分天下，在数据传输量大的设备，Wi-Fi为必需之选择，在移动式低能耗装置蓝牙为无可取代，在固定低能耗低传输率的传感器，ZigBee仍有一席之地。

　　而这三个组织，还是会不断地在制定更新的标准，在可预见的未来，仍是难分胜负，而可以预知的未来趋势，则是智能家居的无线连结使用上会更简单，成本更低廉，在多媒体传输上会收讯更好，速度更快，在家用控制上，会更省电，更容易设定，唯有符合上述使用者的需求的无线标准才能胜出。