射频与红外通信技术的实践应用研究

 引 言

智能家居以住宅为平台，通过网络连接家庭中的各种家电设备，满足人民对安全、舒适、智能化家居生活的需要。智能家居使用的主要技术包括传感器、综合布线、安全防范、自动控制、网络通信等，其中网络技术是实现智能家居的关键。目前用于智能家居的布线组网技术分为有线和无线两种， 无线技术因为其方便美观、不破坏原有房屋装修而逐渐成为

智能家居布线的首选 [1]。

1 智能家居的现状

经过二十几年的发展，智能家居越来越被外界看好，由于其具有巨大的市场空间，谷歌、苹果、亚马逊、阿里、小米等国内外科技巨头纷纷耗巨资进入该行业。根据中投顾问发布的《2016—2020 年中国智能家居市场投资分析及前景预测报告》显示 ：2013 年中国的智能家电产值已达 1 000 亿元， 到 2020 年终端设备的产值将达 8 000 亿元，而这仅仅是围绕

智能家居的相关硬件、软件及延伸服务的一部分，就整体而言，预计 2020 年中国智能家居市场的产值将超过万亿元 [2]。

智能家居市场前景广阔，但目前真实使用率和普及率较低，归根结底主要有市场原因和行业技术原因。市场原因主要在于市场宣传不到位及个别厂商缺乏创新 ；行业技术原因主要在于目前智能家居缺少统一的通信标准，缺乏兼容性，且非智能家居改造成本高、维护不便 [3]。针对非智能家居改造成本高的问题，本文提出利用射频与红外通信技术改造现有非智能家电设备，使之成为智能家居的方案。

2 无线通信技术

智能家居一般组网的通信技术分为有线和无线 2 种，若使用有线技术则需要在装修前期规划好，且后期更新维护成本高，因此随着技术的发展逐渐被淘汰。而无线技术由于无需布线、无需破坏原有房屋布局、更新维护成本低，已逐渐取代有线技术成为智能家居组网技术的首选 。

智能家居中， 无线组网技术一般包括 WiFi、蓝牙、ZigBee、射频和红外。

2.1 WiFi

WiFi 技术是最常见的家庭网络技术，得益于笔记本电脑和手机等移动设备的兴起，WiFi 技术在市场上有很高的普及率。WiFi 技术使用 2.4G 或 5G 频段，其特点是传输距离中等、速度快、普及率高，但安全性较差 [5]。

2.2 蓝牙

蓝牙技术与 WiFi技术均使用 2.4G频段，其特点是体积小、功耗低、成本低，但是受限于功耗，一般传输距离较短， 设备间的兼容性差。

2.3 ZigBee

ZigBee技术因物联网而生，其特点是功耗小、网络容量大、时延低、能快速组网，但是传输速率极低，不适用于大量数据传输的场景。

2.4 射频

射频概念较广，此处特指 315 MHz 和 433 MHz 频率的射频技术，其特点包括频率免申请、结构简单、成本低、传输距离远，但相对来说安全性差、易被攻击和破译 [6]。

2.5 红外

红外技术是使用较早的无线技术，其特点包括成本低廉、控制距离短、易受其他红外光源干扰，同时具有方向性，但普通家电中普遍采用红外遥控，在家居中普及率很高 [7]。

3 无线射频技术在智能家居应用实践的控制方法

现代家庭中，按控制方式分类，家电设备一般分为 3 种， 即具备红外遥控、315/433 MHz 射频遥控和非遥控家电设备。

(1) 具备红外遥控的设备包括电视机、机顶盒、空调等，此类设备红外遥控器的编码不一致，不通用。

(2) 具备 315/433MHz 射频遥控的设备包括电动窗帘、电动晾衣架、多色灯等。

(3) 不具备遥控功能的设备包括热水器、台灯、各种照明灯等。

如何不改变原来的布线，又能合理利用已有家电设备功能，低成本地实现家具设备的智能化是智能家居需要重点解决的问题 [8]。本文将结合前面分析的各种无线通信技术的优缺点，选择射频和红外通信技术完成对一般家电设备的改造， 实现智能家居的应用。

3.1 所需的智能控制网关

要实现一般家电设备的改造，需要对多个红外遥控、射频遥控及非遥控设备通过同一网关进行管理控制，因此需要该控制网关“学习”红外和射频遥控编码，模拟遥控器对设备实现遥控。同时，为了实现手机、笔记本等移动设备的远程控制，该控制网关需具备连接网络的功能。目前，市场上已有多种针对智能家电设备的智能控制网关。

3.2 具备红外遥控的家电设备

该类设备具有红外遥控功能，本身携带红外遥控器，利用智能控制网关可以对红外编码进行“学习”，之后就可替代原遥控器对家电设备实现控制。具备红外遥控功能的设备 可以在不改变布线的情况下实现智能控制。需要注意的是： 由于红外技术控制的距离一般在 10 m 以内，且抗干扰能力较差，所以智能控制网关如果不带红外遥控设备附件，则需 要在家电设备 10 m 范围内布置子控制器加以控制，且需要设置好控制器与家电之间的方向。子控制器可以通过 WiFi 通信技术与智能控制网关连接。

3.3 具备 315/433 MHz 射频遥控的设备

该类设备的控制改造与之前提到的设备类似，只需利用智能控制网关的“学习”功能模拟原控制器的控制信号即可， 且由于射频技术支持的传输距离较远，无需增加其他设备， 因此一般家庭住宅内的设备均可实现遥控。

3.4 不具备任何遥控功能的家电设备

该类家庭设备需要进行一定的线路改造或直接加装带射频遥控功能的开关。结合红外和射频遥控技术的特点，考虑到红外遥控需要控制在一定的距离范围内且两种改造方式的成本相差不大，故提出采用射频技术遥控家电设备。家电设备按照布线方式一般分为 2 类，即带插头的家电设备，如电风扇、台灯、热水器、电冰箱等 ；已在装修时布线完成的家电设备，如各类照明灯。前者的改造非常简单，只需在插座上增加一个具有射频控制功能的无线射频插座即可，智能控制网关对该无线射频插座进行控制就相当于完成了对该家电设备的控制。需要注意的是 ：考虑到如热水器、电冰箱等功率较大的家电设备，选用无线射频插座时应选择相应功率的插座。后者的改造需要改动控制开关，即更改原来的手动开关为无线射频开关，更换完成后，就可通过智能控制网关进行控制，且遥控距离较远。

3.5 实现移动设备控制和语音识别控制

一般的智能控制网关都可通过手机 APP实现对网关下所有设备的控制，实现家电智能化。

智能家居语音识别技术能够对用户行为进行分析，并结合用户的生活习惯，为用户提供更加智能化的家居体验 [9-10]。语音识别技术一般利用语音 AI平台实现，目前市场上已有诸多智能语音音箱能够实现对智能家电的语音控制。只需将该类设备连接智能控制网关，通过修改其中各类家电设备的名称即可实现对家居的语音控制。

3.6 智能家居各类场景控制

完成各类家电的独立控制后，可以利用智能网关自带的功能设置各种实用的场景模式，如离家模式，用户只需通过语音向智能语音音箱发出指令或直接通过 APP 启动设置各类家电全部关闭 ；如起床模式，用户可以设置部分灯开启、电动窗帘开启，该模式可以利用定时开启或语音控制开启。更多的模式用户可以根据自己的需求进行设置，真正实现智能化控制。

综上所述，改造后的智能家居系统如图 1 所示。

4 存在的不足

上述智能家居系统能够实现大部分家电的智能控制，用户可以通过手机、笔记本电脑等移动设备或通过语音实现家电控制，真正实现家居的智能化。但由于系统均采用射频和红外通信技术对非智能化家电设备进行改造，因此存在一定的不足 ：如射频技术的传输容量有限，无法接入需要大量数据传输的模块 ；无法将监控接入系统实现安防监控功能等。这就需要智能控制网关做进一步改进，加入其他无线传输功能，目前最常见的做法是借助 WiFi 技术，在用户对家电进行智能化控制的同时实现安防监控。另一个不足之处在于网络安全问题，这源于射频与红外通信技术本身的技术缺陷，也源于智能控制网关的软硬件安全漏洞。以上不足还需要市场在智能家居行业投入更多的资源进行完善。

5 结 语

综上所述，利用射频与红外通信技术能将传统家电设备在不改造原有布线的情况下，实现家电智能化，用户可以通过移动设备随时随地对家电进行控制，也可以通过语音对家电进行控制，同时还可利用智能控制网关的场景定制功能实现个性化场景控制。