【導讀】智能家居（Smart Home）是指通過(guò)先進(jìn)的信息技術(shù)，使家庭設備和系統實(shí)現互聯(lián)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(jīng)成為當前最熱門(mén)的應用之一，其中用于將設備進(jìn)行互聯(lián)的低功耗無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)，便成為智能家居應用的關(guān)鍵。本文將為您介紹當前的低功耗無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)的發(fā)展，以及由Nordic所推出的相關(guān)解決方案。
智能家居（Smart Home）是指通過(guò)先進(jìn)的信息技術(shù)，使家庭設備和系統實(shí)現互聯(lián)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(jīng)成為當前最熱門(mén)的應用之一，其中用于將設備進(jìn)行互聯(lián)的低功耗無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)，便成為智能家居應用的關(guān)鍵。本文將為您介紹當前的低功耗無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)的發(fā)展，以及由Nordic所推出的相關(guān)解決方案。
低功耗無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)串聯(lián)起智能設備
智能家居系統通常由各種傳感器、執行器、網(wǎng)絡(luò )設備和智能控制器組成，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接，實(shí)現設備之間的通信和遠程控制。常見(jiàn)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(yǔ)音助手與智能音響、智能窗簾和窗戶(hù)、智能家庭娛樂(lè )、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(wú)線(xiàn)連接技術(shù)來(lái)將其串聯(lián)起來(lái)，以實(shí)現便利的通信與互連，目前主要的智能家居無(wú)線(xiàn)連接協(xié)議包括Matter、Thread、藍牙低功耗（Bluetooth LE）、Wi-Fi、Zigbee、蜂窩IoT和NR+等，這些無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)各有其特性，以適用于各種不同的應用需求。以下將為您簡(jiǎn)介幾種主要的無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)的發(fā)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(shí)現設備和生態(tài)系統之間的互操作性，旨在讓開(kāi)發(fā)人員輕松創(chuàng )建安全可靠的解決方案。Matter最初是于2019年12月啟動(dòng)的CHIP（Connected Home over IP）項目。啟動(dòng)公司包括亞馬遜、蘋(píng)果、谷歌以及Nordic等其他公司，其目標是就家庭互聯(lián)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(tài)系統（例如蘋(píng)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(wǎng)進(jìn)行傳輸，并使用藍牙低功耗進(jìn)行調試。所有基于Thread的Matter設備都需要同時(shí)具備藍牙低功耗功能，以便能夠向網(wǎng)絡(luò )添加新設備。
Wi-Fi
Wi-Fi（Wireless Fidelity）是一種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，用于在設備之間進(jìn)行數據傳輸，Wi-Fi技術(shù)使得設備無(wú)需使用傳統的有線(xiàn)連接方式，即可通過(guò)無(wú)線(xiàn)信號進(jìn)行通信和連接到互聯(lián)網(wǎng)，是目前應用最廣泛的一種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。
Wi-Fi聯(lián)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(gè)標準都引入了新的技術(shù)，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(wú)線(xiàn)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(jìn)的范圍和覆蓋范圍，以及在單個(gè)網(wǎng)絡(luò )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(shù)的變種，專(zhuān)門(mén)設計用于在低功耗環(huán)境下提供短距離通信。藍牙低功耗技術(shù)最顯著(zhù)的特性之一是其低功耗設計，適用于需要長(cháng)時(shí)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(diǎn)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(shí)間內建立連接，快速傳輸少量數據。這適用于在移動(dòng)設備之間共享小文件，或在傳感器和移動(dòng)設備之間傳輸數據的場(chǎng)景。
Thread
Thread是一種低功耗、IPv6（Internet Protocol version 6）基礎的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，專(zhuān)為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設計。Thread被設計為一種低功耗協(xié)議，適用于連接大量低功耗設備的場(chǎng)景。它通過(guò)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(lái)降低設備的功耗。
Thread支持自組網(wǎng)，設備可以在沒(méi)有中央控制器的情況下自動(dòng)組成網(wǎng)絡(luò )。這使得網(wǎng)絡(luò )的擴展變得更加容易，新設備可以輕松加入并參與網(wǎng)絡(luò )。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(lián)網(wǎng)通信，支持端到端的通信方式。
Zigbee
Zigbee是一種專(zhuān)為低功耗、低數據傳輸率和短距離通信設計的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，適用于需要長(cháng)時(shí)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(chǎng)通信，如智能家居、工業(yè)控制等領(lǐng)域。
Zigbee支持自組網(wǎng)，設備可以動(dòng)態(tài)地加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )，而無(wú)需中央控制器。這使得網(wǎng)絡(luò )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(lián)網(wǎng)（LTE-M和NB-IoT）
在評估最適合您的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應用的低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)時(shí)，考慮技術(shù)規格之外的各種因素至關(guān)重要，技術(shù)規格本身可能與實(shí)際性能存在很大差異。這些是蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（包括NB-IoT和LTE-M）比LoRaWAN、Sigfox、Wi-SUN或其他LPWAN更適合您的物聯(lián)網(wǎng)項目的一些關(guān)鍵原因。
蜂窩物聯(lián)網(wǎng)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(wù)質(zhì)量、可靠性和不妥協(xié)的安全性。NB-IoT和LTE-M技術(shù)的開(kāi)發(fā)是為了實(shí)現低功耗、大規模機器類(lèi)型通信應用。
革命性的多協(xié)議SoC支持物聯(lián)網(wǎng)應用
Nordic提供廣泛的無(wú)線(xiàn)多協(xié)議SoC產(chǎn)品組合，其中一款革命性的緊湊型超低功耗多協(xié)議SoC（系統級芯片）nRF54H20，具有卓越的處理能力、大量?jì)却婧统錾男?，以及全新的多協(xié)議無(wú)線(xiàn)電和最先進(jìn)的安全功能，將使開(kāi)發(fā)人員能夠構建創(chuàng )新的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。
nRF54H20可減小設計尺寸，用高度集成的SoC替換多個(gè)元器件，并可延長(cháng)電池壽命或減小電池尺寸，支持高效處理、超低功耗無(wú)線(xiàn)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(guò)安全啟動(dòng)、安全固件更新、安全存儲和防御物理攻擊，提供最先進(jìn)的安全性。
nRF54L15則是下一代多協(xié)議SoC，它是一款超低功耗藍牙5.4 SoC，具有全新的多協(xié)議無(wú)線(xiàn)電和先進(jìn)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(mǎn)足復雜物聯(lián)網(wǎng)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(gè)Arm? Cortex?-M33處理器的無(wú)線(xiàn)SoC，兩個(gè)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(lián)網(wǎng)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(shí)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(gè)多協(xié)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(jiǎn)單、經(jīng)濟高效的選項和高度先進(jìn)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(chǎn)品帶來(lái)完全的靈活性和可升級性。它們可以在工廠(chǎng)或現場(chǎng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)設備固件升級（OTA DFU）重新編程，這樣可以隨時(shí)隨地進(jìn)行產(chǎn)品更新和功能添加。
Nordic針對IoT應用的低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)，還推出了nRF91系列，通過(guò)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(guān)器件的完整通信和應用模塊，實(shí)現了前所未有的集成水平，可以實(shí)現具有成本效益且緊湊的設計，這是競爭解決方案無(wú)法實(shí)現的，例如重量?jì)H2.5克的太陽(yáng)能動(dòng)物追蹤器。
提供完整的協(xié)同IC與軟件開(kāi)發(fā)工具包
除了多協(xié)議SoC之外，Nordic還推出協(xié)同IC與軟件開(kāi)發(fā)工具包，以加快客戶(hù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度。像是nRF7002便是一款低功耗、高級安全性、無(wú)縫共存的Wi-Fi 6協(xié)同IC，提供無(wú)縫Wi-Fi連接和基于Wi-Fi的定位（本地Wi-Fi集線(xiàn)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(lián)網(wǎng)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(xié)同IC中的第二款器件，它可與Nordic現有的超低功耗技術(shù)輕松結合，具有低功耗2.4 GHz無(wú)線(xiàn)電，可確保延長(cháng)電池壽命，可在各種應用中無(wú)縫實(shí)現Wi-Fi 6連接。另外還有nRF7000 Wi-Fi 6協(xié)同IC，nRF7000是nRF7002的精簡(jiǎn)版本，專(zhuān)門(mén)用于基于SSID的Wi-Fi定位。該協(xié)同IC主要關(guān)注Wi-Fi接入點(diǎn)的主動(dòng)和被動(dòng)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(lián)網(wǎng)、藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )、Thread、Zigbee和Matter產(chǎn)品的軟件開(kāi)發(fā)包nRF Connect SDK，這是一個(gè)可擴展且統一的軟件開(kāi)發(fā)包，用于構建基于Nordic所有nRF52、nRF53、nRF70和nRF91系列無(wú)線(xiàn)器件的產(chǎn)品。它為開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)可擴展的框架，用于為內存受限的設備構建尺寸優(yōu)化的軟件，并為更先進(jìn)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(xié)議、協(xié)議棧、庫和硬件驅動(dòng)程序，以縮短客戶(hù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間。
結語(yǔ)
智能家居可提高人們生活質(zhì)量，提升家居的智能化水平，已經(jīng)成為當前熱門(mén)的應用發(fā)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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)來(lái)串連起所有的智能家居設備。Nordic所推出的多協(xié)議SoC產(chǎn)品系列，能夠大幅簡(jiǎn)化智能家居產(chǎn)品的設計，并提升系統的穩定性與安全性，將會(huì )是您開(kāi)發(fā)智能家居相關(guān)產(chǎn)品的最優(yōu)合作伙伴。
文章來(lái)源：艾睿電子
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