智慧生活，用“芯”“智”造 —— 浅谈智能家居市场现状和技术方案

作者:大联大世平集团 林建和  来源:中国电子商情

发布时间:2020-07-07

如今，物联网、云计算、人工智能（AI）等技术处于高速发展阶段，人们的衣食住行都往智能化方向发展，智能家居这个行业也随之蓬勃生长，并从私人豪宅的定义逐渐走向大众化。据相关研究组织预测，到2020年底，中国智能家居行业规模将达到3000亿元，占全球规模的35%。相信随着5G技术的到来，智能家居行业会达到另一个新的高度。

虽然智能家居是人类社会发展的必然趋势，但是家居智能化的道路并没有想象中的平坦。智能家居初期都是以总线技术类为主，家居所有设备的通信、控制、交互都是通过有线的方式。智能家居在老一代家居设备产品中无论是精装修商品房、普通家庭、酒店等应用场景，最常见的还是有线化布置。直到现在，有线智能家居产品依然存在，且不占少数，但这种通信方式仅适用于新装修的建筑，对于旧房屋的推广和普及就十分困难。单单从布线这个方面已经是个巨大的难题，甚至还会导致安全方面的问题。随着ZigBee、BLE、WiFi 等无线通信技术的发展成熟，智能家居产品无线化逐渐发展壮大，吸引了越来越多得投资者、技术人员，他们看到了智能家居发展的方向和巨大市场，基于ZigBee、BLE、WiFi 的智能家居系统也越来越成熟。

ZigBee技术在智能家居行业的应用十分广泛，国内像华为、绿米这样的大公司推出的智能家居产品都是基于ZigBee技术。但是由于每个公司使用ZigBee定义和配置的Cluster不一样，所以走的都是私有协议。那么，严重的问题来了：不同厂商间的设备因为协议不同不能集成到同一个系统，用户需要用不同的平台APP分别操控。这个问题给用户带来了极大的不便，除非用户家居设备全部使用同一个厂商的，然而这并不可行。直到ZigBee联盟规范了协议标准，推出了ZigBee 3.0标准协议，才从意义上实现了真正的万物互通、万物互联。现阶段，基本所有大公司的智能家居产品都已经升级到ZigBee 3.0标准协议，这是一个必然趋势。另一方面，对于国内小公司来说，升级ZigBee 3.0标准协议能兼容其他大公司的设备，这是一个不可抵挡的诱惑。因此，ZigBee 3.0的推出，真正意义上将ZigBee技术在智能家居的应用竞争中暂时稳定了自己的地位。

图1  ZigBee 3.0软件框架

下面来谈谈智能家居无线技术中的另一位重要成员——BLE。蓝牙其实在智能家居应用中大多数是属于一对多单设备连接的模式，直到蓝牙SIG在2017年发布了“Mesh 标准”,规范了BLE在理论上无限多对多的特性，蓝牙实现了从点对点到点对多再到Mesh的重要演进。BLE Mesh概念的提出，对智能家居应用市场带来了重大影响，相较于ZigBee，在Mesh网络中所有节点都可以充当发射端、中继路由和接收端的角色。信号的发起，从一个节点到另一个节点，这个过程都是成发散式的，而不仅仅是点点成线这样的线性通信，用一个形象的东西去形容，那就像是一个蜘蛛网，这种拓扑就避免了像ZigBee网关一旦出现故障，整个系统瘫痪的情况。这强大的拓扑特性源于蓝牙SIG对“flooding”技术的改进，flooding有点类似于互联网的工作方式，当我们给一个Mesh中的节点发信息时，它通过“flooding”所有直接连接范围内的节点，并会发散式地向四周不断的“传染”到它们所能到达的所有节点。因此，在系统中用户可以将每个设备作为中继路由，而不是只能依赖网关。另一方面，蓝牙能直连用户手机，这是ZigBee暂时不能做到的，这是蓝牙的一个重大优势。当然，现阶段ZigBee、BLE双模芯片越来越多，像NXP推出的K32W401，所以也不能百分百排除日后手机在无线方面的配置还局限于蓝牙，而且 BLE Mesh技术还在发展，远还没到ZigBee 3.0这般成熟稳定的广泛应用。 同样地，BLE Mesh目前也面临与ZigBee一样的不同厂商协议不兼容的问题，不过蓝牙联盟也给出了这个协议的认证标准。

图2   蓝牙技术的演进

最后一个要提及的就是WiFi了，WiFi的应用范围非常广泛，说白了就是到了随处可见的地步，这会是WiFi在智能家居应用的一个重大优势。WiFi在智能家居行业中，应用的更多的是常供电的产品设备，如小家电和灯。众所周知，现阶段WiFi的功耗比ZigBee、BLE远远大得多，在低功耗方面的应用WiFi是力所不及的。另一方面，WiFi技术应用现阶段最多的也是通过一对多单设备连接模式，相较于ZigBee组网、BLE Mesh，WiFi也有推出网状Mesh组网的概念合计数，但目前在智能家居应用上没有很广泛的应用。WiFi 6计划启动至今已经快一年了，相信不久就会面世，WiFi 6 比WiFi 5能做到更大的带宽、高并发、低延时，还有重要的低耗电，具体功耗能都达到ZigBee、BLE相同的级别还无法确定，WiFi 6在智能家居无线通信技术应用上是否能有新的推动我们还不得而知，但在一定程度上肯定会影响到智能家居的发展。

对比了ZigBee、BLE、WiFi 这三种智能家居应用上比较主流的无线通信技术，它们各有长短处，在智能家居高速发展中，谁都有可能被淘汰掉，谁都有可能独占鳌头。就目前而言，在BLE Mesh技术尚未成熟稳定的在市场普及，ZigBee以成熟的技术和组网系统已经使它在智能家居系统占据了一个稳定的位置，国内许多公司都在跟随华为、绿米的脚步进行相关的投入设计或者升级，这很大程度拓展了ZigBee技术在智能家居市场的应用，甚至是一些工业化应用也逐渐出现ZigBee的身影。对于 WiFi，也许WiFi 6会是它在智能家居市场的一个重大转机，让我们拭目以待。

毫无疑问无线通信技术在智能家居应用发挥了重要作用，那么智能家居还有什么其他的应用发展方向呢？智能家居产业链已经涉及到越来越多的应用产品，如 AI 人工智能、智能语音控制等。说到智能语音控制，它在智能家居行业确实是一个火热的发展方向，相对于手机APP操控，人们更希望直接在家里能通过语音交互控制家居设备，没有人不希望回家说一句“打开空调，温度 25℃”就能吹到空调，智能语音交互的产品在市面上早已不足为奇，如小米的小爱同学、阿里的天猫精灵等等，用户能够通过语音交互，实现对家里各种设备、家电的控制，甚至是上网购物，无所不能，只有用户想不到而没有做不到。

说了这么多，是时候来点干货了，那么世平集团在智能家居领域都深耕了哪些应用方案呢？采用了哪些智能技术？让我们一起来看看这些技术方案，进行更深入的探讨吧。

一、 NXP i.MX RT1020 网关方案

图3所示是方案模块框图：

图3  网关方案模块框图

众所周知，ZigBee智能家居生态链就是由云、网关和子设备这三个重要角色构成，而智能网关则是家居智能化的心脏，通过它实现系统信息的采集、信息输入、信息输出、集中控制、远程控制、联动控制等功能。该方案网关主控方面，选用的是i.MX RT1020，它是基于Arm Cortex-M7内核，运行频率高达500 MHz，拥有高达256 KB 的紧耦合存储器 (TCM)，实时延迟低至20 ns，为网关系统提供了性能强大的处理能力。它的详细框图如图4：

图4  i.MX RT1020 内部框架

此外，它还提供了ZigBee、BLE、Thread等无线网络接口和丰富的外设接口，这也为该网关方案的产品形态带来了很大的可拓展性。

无线通信模块方案采用的是NXP推出的 JN5189 ZigBee芯片，它采用了Arm  Cortex-M4 内核，拥有高达640 KB Flash和152 KB RAM，具有充足的空间和较高的灵活性，适用于复杂的应用和OTA升级功能，为高性能网关应用提供了充分的保障和强大稳定的组网能力。

图5  JN5189 内部框架图

WiFi模块中，方案采用的是南方硅谷 RE706模块 (SV6166F)，与乐鑫ESP8266 模块pin to pin, 可供对接的有阿里、涂鸦、腾讯等国内著名云平台，对于云端对接开发十分方便。除了WiFi以外，网关带有PHY KSZ8081RNB，可通过网线连接以太网，实现更稳定的通信交互。

世平集团推出的基于 i.MX RT1020网关方案中，每一个模块都具有独具一格的性能优势，实现了高性能、组网稳定、拓展性丰富的强大网关。

二、基于JN5169 ZigBee智能套件

配合i.MX RT1020网关，世平集团推出了基于JN5169的智能家居套件方案，主要包括智能灯，智能插座，智能开关，门磁传感器，温湿度传感器和红外传感器等。

该系统对接的是世平集团的智能家居云，通过ATU智能家居APP可以实现自定义功能场景、设备自由添加、实时操控、指示灯反馈等功能。

图6  智能套件功能框图

而且符合ZigBee 3.0标准规范，和其他厂商产品可以互联互通，具有低功耗、传输距离远、自组网自愈、底层稳定、成本低、开发周期短的特性。

三、NXP JN5189 开发板

方案主平台采用的是NXP JN5189，其外围电路简单，仅需晶振和少量电容即可搭建最小系统，内部balun单射频输出口的设计和高达 11 dBm发射功率节省了射频电路设计和外部PA的成本。其功能框图如图7所示：

图7  JN5189 开发板功能框图

JN5189 采用的是 Arm Cortex-M4 内核，详细的性能参数在网关的无线模块已经给大家介绍过了。此外重要的一点，它的发射功率高达11 dBm, 而发送电流是 20.3 mA @ 10 dBm，接收电流更是只有4.3 mA。

配合JN5189开发板使用的还有USB Dongle，用户可以轻松实现ZigBee组网测试，体验JN5189强大、稳定的组网性能。

四、NXP i.MX RT106A 语音服务解决方案

NXP推出了面向 Amazon Alexa语音服务（AVS）的MCU解决方案，方案基于Arm Cortex-M7核心驱动的 i.MX RT106A，嵌入了生产安全和连接终端产品所需的所有组件，包括 TFA9894D 智能音频放大器和可选的 A71CH 安全元件。方案框图如图8：

图8  i.MX RT106A 语音服务解决方案功能框图

i.MX RT106A是基于RT1060平台增加了相应的声学算法，基于Arm Cortex-M7核心驱动，主频可达 600MHZ，嵌入32 MB flash和1024 kb RAM (512KB TCM)，支持3 X I2S（2M HZ采样频率）、大量的串行接口和 GPIO。

该方案提供完全集成的软件算法，具有噪声抑制、回声消除、波束形成和语音打断功能，适用于声学条件恶劣的环境。
此外，该方案模组已通过Alexa语音服务（AVS）认证，大大降低了集成Alexa 的成本，无需昂贵的微处理器、DSP、DRAM、PMIC或高层数板，是一个全面、安全和成本优化的语音控制解决方案和应用广泛的开发环境，能让用客户够快速、轻松地将 Alexa 语音助手功能添加到自己的产品，并快速进入软件应用开发和市场生产。

五、海思 Hi3516DV300 人脸识别智能门锁方案

海思 Hi3516DV300 是华为海思半导体推出的一款专用 Smart HD IP 摄像机 SOC，集成新一代 ISP、业界最新的 H.265 视频压缩编码器，同时集成高性能 NNIE 引擎，使得 Hi3516DV300 在低码率、高画质、智能处理和分析、低功耗等方面引领行业水平。集成 POR、RTC、Audio Codec 以及待机唤醒电路，为客户极大的降低了 ebom 成本。且与海思 DVR/NVR 芯片相似的接口设计，能方便支撑客户产品开发和量产。

世平集团主推的基于海思 Hi3516DV300的3D结构光人脸识别智能门锁方案框图如图9：

图9  Hi3516DV300 门锁方案框图

Hi3516DV300除了支持Linux开发，还可以搭载华为LiteOS系统，做快速启动和低功耗，而且还具备优秀的高清视频数据处理能力，该方案可做门锁+猫眼二合一功能，大大减少了消费者另外购买猫眼设备的成本。该方案具有专业ISP图像处理，超强智能宽动态，无畏强光、逆光和黑暗，适应各复杂光线场景，并支持 MIPI 双目视觉。众所周知，人脸门锁的痛点在于功耗，如果系统一直处于工作状态，电池很快就耗尽电量了，所以该方案搭载了 TDK 的超声波 ToF 接近感应传感器，常规模式下门锁系统处于待机状态，当人物靠近时可自动唤醒系统工作，还有算法可做到防止误触发，路人经过并不会唤醒门锁系统，并且不需要人为手动唤醒，给予使用者良好的体验感。

基于海思 Hi3516DV300 的 3D 结构光人脸识别智能门锁方案会做 Total Solution，3D 人脸识别模组和 3D 结构光算法与第三方合作提供，加速客户的产品落地。

方案介绍的差不多了，那我们回归智能家居这个话题。家居智能化是个不可阻挡的发展潮流，无论是ZigBee、BLE还是WiFi，都只是为智能家居系统奠定一个稳定的通信系统，要主导智能家居的方向和市场，需要我们从用户的角度出发，也就是从人的角度出发，这让我想到了一个词—“Sensing Home”，它也属于Smart Home 范畴，但却是更高于传统甚至是现阶段普遍的智能家居系统。什么是Sensing Home呢？顾名思义就是感应家居，在它的智能家居系统中，是以Sensor为信息主导，用户不再需要动手甚至是打开手机，它的灯可以通过人体红外感应实现智能开关，它的空调系统可以获取室外的温度，在用户到家时自动打开并调温等等。Sensor获取的信息经过智能化处理，就是用户的想法和思维，这就是Sensing Home的概念。总的来说，智能家居的发展必然与人性化不可分割，而语音识别、Sensor、AI等获取用户思想、结合用户理念的应用产品，才是真正使家居智能化的主导角色。虽然智能家居系统目前还不够成熟，并不是概念不够成熟，想法天马行空的人比比皆是，只是目前的技术资本还不足以支撑如此庞大的智能家居系统。相信随着技术不断的发展和突破，智能家居会给人们的生活带来质的飞跃！