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）是指通過先進的信息技術，使家庭設備和系統實現互聯互通，提高家居生活的便利性、安全性、節能性和舒適性的一種家居生活方式，已經成為當前最熱門的應用之一，其中用于將設備進行互聯的低功耗無線連接技術，便成為智能家居應用的關鍵。本文將為您介紹當前的低功耗無線連接技術的發展，以及由Nordic所推出的相關解決方案。

低功耗無線連接技術串聯起智能設備

智能家居系統通常由各種傳感器、執行器、網絡設備和智能控制器組成，通過互聯網連接，實現設備之間的通信和遠程控制。常見的智能家居應用包括智能照明系統、智能安全系統、智能家電控制、智能溫控系統、語音助手與智能音響、智能窗簾和窗戶、智能家庭娛樂、健康監測系統、智能廚房等。

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

Matter

Matter提供了構建應用的共享基礎，其目標是實現設備和生態系統之間的互操作性，旨在讓開發人員輕松創建安全可靠的解決方案。Matter最初是于2019年12月啟動的CHIP（Connected Home over IP）項目。啟動公司包括亞馬遜、蘋果、谷歌以及Nordic等其他公司，其目標是就家庭互聯設備的統一應用層標準達成一致。

Matter解決方案將能夠與主要的智能家居生態系統（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和以太網進行傳輸，并使用藍牙低功耗進行調試。所有基于Thread的Matter設備都需要同時具備藍牙低功耗功能，以便能夠向網絡添加新設備。

Wi-Fi

Wi-Fi（Wireless Fidelity）是一種無線通信技術，用于在設備之間進行數據傳輸，Wi-Fi技術使得設備無需使用傳統的有線連接方式，即可通過無線信號進行通信和連接到互聯網，是目前應用最廣泛的一種無線通信技術。

Wi-Fi聯盟（Wi-Fi Alliance）制定了一系列的Wi-Fi標準，如802.11a、802.11b、802.11g、802.11n、802.11ac和802.11ax（Wi-Fi 6），每個標準都引入了新的技術，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用特別有利。此外，像是智能恒溫器、安全攝像頭和照明系統等智能家居設備，也可以受益于Wi-Fi 6改進的范圍和覆蓋范圍，以及在單個網絡和基于IP的通信上支持更多設備的能力。

藍牙低功耗

藍牙低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE）是一種藍牙技術的變種，專門設計用于在低功耗環境下提供短距離通信。藍牙低功耗技術最顯著的特性之一是其低功耗設計，適用于需要長時間運行的設備，如傳感器、可穿戴設備和健康監測器。

藍牙低功耗的設計重點是提供短距離通信，通常在10米到100米的范圍內，這有助于防止不必要的能量消耗。藍牙低功耗被設計成在短時間內建立連接，快速傳輸少量數據。這適用于在移動設備之間共享小文件，或在傳感器和移動設備之間傳輸數據的場景。

Thread

Thread是一種低功耗、IPv6（Internet Protocol version 6）基礎的無線通信協議，專為物聯網（IoT）設計。Thread被設計為一種低功耗協議，適用于連接大量低功耗設備的場景。它通過采用低功耗的休眠模式、快速喚醒和靈活的數據傳輸機制來降低設備的功耗。

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

Zigbee

Zigbee是一種專為低功耗、低數據傳輸率和短距離通信設計的無線通信協議，適用于需要長時間運行的電池供電設備，比如傳感器、智能家居設備等。Zigbee的設計目標之一是提供短距離通信，通常在10到100米范圍內，這使得它非常適用于設備之間的近場通信，如智能家居、工業控制等領域。

Zigbee支持自組網，設備可以動態地加入和離開網絡，而無需中央控制器。這使得網絡可以自適應變化，并且具有一定的彈性。Zigbee的數據傳輸率相對較低，適用于傳感器數據、控制命令等小量數據的傳輸，有助于降低功耗。

蜂窩物聯網（LTE-M和NB-IoT）

在評估最適合您的物聯網（IoT）應用的低功耗廣域網（LPWAN）技術時，考慮技術規格之外的各種因素至關重要，技術規格本身可能與實際性能存在很大差異。這些是蜂窩物聯網（包括NB-IoT和LTE-M）比LoRaWAN、Sigfox、Wi-SUN或其他LPWAN更適合您的物聯網項目的一些關鍵原因。

蜂窩物聯網在利用現有全球基礎設施的授權頻段中運行，雖然它們需要訂閱費，但它們保證了廣泛的覆蓋范圍、可擴展性、內置的服務質量、可靠性和不妥協的安全性。NB-IoT和LTE-M技術的開發是為了實現低功耗、大規模機器類型通信應用。

革命性的多協議SoC支持物聯網應用

Nordic提供廣泛的無線多協議SoC產品組合，其中一款革命性的緊湊型超低功耗多協議SoC（系統級芯片）nRF54H20，具有卓越的處理能力、大量內存和出色的效率，以及全新的多協議無線電和最先進的安全功能，將使開發人員能夠構建創新的物聯網產品。

nRF54H20可減小設計尺寸，用高度集成的SoC替換多個元器件，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支持遠距離傳輸，具有10 dBm TX功率、藍牙低功耗的-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、安全固件更新、安全存儲和防御物理攻擊，提供最先進的安全性。

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

藍牙低功耗旗艦SoC

滿足復雜物聯網應用需求

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

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

此外，Nordic還有nRF52系列，nRF52系列由七個多協議藍牙5.4 SoC組成，集成了強大而高效的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、經濟高效的選項和高度先進的選項，并且全部具有超低功耗。

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

Nordic針對IoT應用的低功耗廣域網（LPWAN）技術，還推出了nRF91系列，通過在微型10x16mm系統級封裝（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，制作包含所有相關器件的完整通信和應用模塊，實現了前所未有的集成水平，可以實現具有成本效益且緊湊的設計，這是競爭解決方案無法實現的，例如重量僅2.5克的太陽能動物追蹤器。

提供完整的協同IC與軟件開發工具包

除了多協議SoC之外，Nordic還推出協同IC與軟件開發工具包，以加快客戶的產品開發速度。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現有的nRF52和nRF53系列藍牙SoC，以及nRF91系列蜂窩物聯網SiP一起使用，nRF7002還可以與非Nordic主機設備結合使用。

nRF7001則是Nordic nRF70系列Wi-Fi協同IC中的第二款器件，它可與Nordic現有的超低功耗技術輕松結合，具有低功耗2.4 GHz無線電，可確保延長電池壽命，可在各種應用中無縫實現Wi-Fi 6連接。另外還有nRF7000 Wi-Fi 6協同IC，nRF7000是nRF7002的精簡版本，專門用于基于SSID的Wi-Fi定位。該協同IC主要關注Wi-Fi接入點的主動和被動掃描，為基于位置的應用提供可靠且節能的解決方案。

Nordic也推出用于構建藍牙低功耗、Wi-Fi、蜂窩物聯網、藍牙網狀網絡、Thread、Zigbee和Matter產品的軟件開發包nRF Connect SDK，這是一個可擴展且統一的軟件開發包，用于構建基于Nordic所有nRF52、nRF53、nRF70和nRF91系列無線器件的產品。它為開發人員提供了一個可擴展的框架，用于為內存受限的設備構建尺寸優化的軟件，并為更先進的設備和應用構建強大而復雜的軟件。它集成了Zephyr RTOS和各種示例、應用協議、協議棧、庫和硬件驅動程序，以縮短客戶的產品開發時間。

結語

智能家居可提高人們生活質量，提升家居的智能化水平，已經成為當前熱門的應用發展方向。想要確保智能設備和系統的可靠和安全，便需要選擇穩定、安全的無線通信技術來串連起所有的智能家居設備。Nordic所推出的多協議SoC產品系列，能夠大幅簡化智能家居產品的設計，并提升系統的穩定性與安全性，將會是您開發智能家居相關產品的最優合作伙伴。