智能家居的低功耗无线连接解决方案

来源：艾睿电子

智能家居（Smart Home）是指通过先进的信息技术，使家庭设备和系统实现互联互通，提高家居生活的便利性、安全性、节能性和舒适性的一种家居生活方式，已经成为当前最热门的应用之一，其中用于将设备进行互联的低功耗无线连接技术，便成为智能家居应用的关键。本文将为您介绍当前的低功耗无线连接技术的发展，以及由Nordic所推出的相关解决方案。

低功耗无线连接技术串联起智能设备

智能家居系统通常由各种传感器、执行器、网络设备和智能控制器组成，通过互联网连接，实现设备之间的通信和远程控制。常见的智能家居应用包括智能照明系统、智能安全系统、智能家电控制、智能温控系统、语音助手与智能音响、智能窗帘和窗户、智能家庭娱乐、健康监测系统、智能厨房等。

这些智能设备通常都需要采用低功耗无线连接技术来将其串联起来，以实现便利的通信与互连，目前主要的智能家居无线连接协议包括Matter、Thread、蓝牙低功耗（Bluetooth LE）、Wi-Fi、Zigbee、蜂窝IoT和NR+等，这些无线连接技术各有其特性，以适用于各种不同的应用需求。以下将为您简介几种主要的无线连接技术的发展与功能特性。

Matter

Matter提供了构建应用的共享基础，其目标是实现设备和生态系统之间的互操作性，旨在让开发人员轻松创建安全可靠的解决方案。Matter最初是于2019年12月启动的CHIP（Connected Home over IP）项目。启动公司包括亚马逊、苹果、谷歌以及Nordic等其他公司，其目标是就家庭互联设备的统一应用层标准达成一致。

Matter解决方案将能够与主要的智能家居生态系统（例如苹果的Siri、谷歌的Assistant和亚马逊的Alexa）互操作，Matter使用Thread、Wi-Fi和以太网进行传输，并使用蓝牙低功耗进行调试。所有基于Thread的Matter设备都需要同时具备蓝牙低功耗功能，以便能够向网络添加新设备。

Wi-Fi

Wi-Fi（Wireless Fidelity）是一种无线通信技术，用于在设备之间进行数据传输，Wi-Fi技术使得设备无需使用传统的有线连接方式，即可通过无线信号进行通信和连接到互联网，是目前应用最广泛的一种无线通信技术。

Wi-Fi联盟（Wi-Fi Alliance）制定了一系列的Wi-Fi标准，如802.11a、802.11b、802.11g、802.11n、802.11ac和802.11ax（Wi-Fi 6），每个标准都引入了新的技术，提高了速度、可靠性和性能。新版的Wi-Fi 6对于那些需要快速、可靠和高容量无线连接的应用特别有利。此外，像是智能恒温器、安全摄像头和照明系统等智能家居设备，也可以受益于Wi-Fi 6改进的范围和覆盖范围，以及在单个网络和基于IP的通信上支持更多设备的能力。

蓝牙低功耗

蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE）是一种蓝牙技术的变种，专门设计用于在低功耗环境下提供短距离通信。蓝牙低功耗技术最显着的特性之一是其低功耗设计，适用于需要长时间运行的设备，如传感器、可穿戴设备和健康监测器。

蓝牙低功耗的设计重点是提供短距离通信，通常在10米到100米的范围内，这有助于防止不必要的能量消耗。蓝牙低功耗被设计成在短时间内建立连接，快速传输少量数据。这适用于在移动设备之间共享小文件，或在传感器和移动设备之间传输数据的场景。

Thread

Thread是一种低功耗、IPv6（Internet Protocol version 6）基础的无线通信协议，专为物联网（IoT）设计。Thread被设计为一种低功耗协议，适用于连接大量低功耗设备的场景。它通过采用低功耗的休眠模式、快速唤醒和灵活的数据传输机制来降低设备的功耗。

Thread支持自组网，设备可以在没有中央控制器的情况下自动组成网络。这使得网络的扩展变得更加容易，新设备可以轻松加入并参与网络。Thread是建立在IPv6之上的，为设备提供全球唯一的地址，这使得设备能够直接与互联网通信，支持端到端的通信方式。

Zigbee

Zigbee是一种专为低功耗、低数据传输率和短距离通信设计的无线通信协议，适用于需要长时间运行的电池供电设备，比如传感器、智能家居设备等。Zigbee的设计目标之一是提供短距离通信，通常在10到100米范围内，这使得它非常适用于设备之间的近场通信，如智能家居、工业控制等领域。

Zigbee支持自组网，设备可以动态地加入和离开网络，而无需中央控制器。这使得网络可以自适应变化，并且具有一定的弹性。Zigbee的数据传输率相对较低，适用于传感器数据、控制命令等小量数据的传输，有助于降低功耗。

蜂窝物联网（LTE-M和NB-IoT）

在评估最适合您的物联网（IoT）应用的低功耗广域网（LPWAN）技术时，考虑技术规格之外的各种因素至关重要，技术规格本身可能与实际性能存在很大差异。这些是蜂窝物联网（包括NB-IoT和LTE-M）比LoRaWAN、Sigfox、Wi-SUN或其他LPWAN更适合您的物联网项目的一些关键原因。

蜂窝物联网在利用现有全球基础设施的授权频段中运行，虽然它们需要订阅费，但它们保证了广泛的覆盖范围、可扩展性、内置的服务质量、可靠性和不妥协的安全性。NB-IoT和LTE-M技术的开发是为了实现低功耗、大规模机器类型通信应用。



革命性的多协议SoC支持物联网应用

Nordic提供广泛的无线多协议SoC产品组合，其中一款革命性的紧凑型超低功耗多协议SoC（系统级芯片）nRF54H20，具有卓越的处理能力、大量内存和出色的效率，以及全新的多协议无线电和最先进的安全功能，将使开发人员能够构建创新的物联网产品。

nRF54H20可减小设计尺寸，用高度集成的SoC替换多个元器件，并可延长电池寿命或减小电池尺寸，支持高效处理、超低功耗无线电和最小睡眠电流。nRF54H20支持远距离传输，具有10 dBm TX功率、蓝牙低功耗的-100 dBm RX灵敏度和802.15.4的-104 dBm。nRF54H20并可防范安全威胁，通过安全启动、安全固件更新、安全存储和防御物理攻击，提供最先进的安全性。

nRF54L15则是下一代多协议SoC，它是一款超低功耗蓝牙5.4 SoC，具有全新的多协议无线电和先进的安全功能。nRF54L系列具有出色的处理能力和效率、扩展的内存和新的外设，所有这些都采用更紧凑的封装。

蓝牙低功耗旗舰SoC满足复杂物联网应用需求

除了上述的nRF54H20与nRF54L15 SoC之外，Nordic还推出一款蓝牙低功耗旗舰nRF5340 SoC，它是nRF53系列中的首款SoC，也是全球首款配备两个Arm® Cortex®-M33处理器的无线SoC，两个灵活的处理器和高级功能集的组合，使其成为低功耗音频、高级可穿戴设备，和其他复杂物联网应用的理想选择。

nRF5340是一款一体化SoC，包括最突出的nRF52®系列功能的超集。蓝牙® 5.4、高速SPI、QSPI、USB、高达105℃的工作温度等功能，并与更高的性能、内存和集成度相结合，同时最大限度地降低电流消耗。它还提供安全功能，例如可信执行、信任根和安全密钥存储。

此外，Nordic还有nRF52系列，nRF52系列由七个多协议蓝牙5.4 SoC组成，集成了强大而高效的64 MHz Arm Cortex-M4 CPU，它的闪存范围为192 KB至1024 KB，而RAM范围为24 KB至256 KB。nRF52系列提供更简单、经济高效的选项和高度先进的选项，并且全部具有超低功耗。

nRF52和nRF53系列是基于全闪存的SoC，闪存可为您的产品带来完全的灵活性和可升级性。它们可以在工厂或现场通过无线设备固件升级（OTA DFU）重新编程，这样可以随时随地进行产品更新和功能添加。

Nordic针对IoT应用的低功耗广域网（LPWAN）技术，还推出了nRF91系列，通过在微型10x16mm系统级封装（SiP）（适用于nRF9160 SiP和nRF9161 SiP）、11x12mm（适用于nRF9151 SiP）和7x11mm（适用于nRF9131迷你SiP）中，制作包含所有相关器件的完整通信和应用模块，实现了前所未有的集成水平，可以实现具有成本效益且紧凑的设计，这是竞争解决方案无法实现的，例如重量仅2.5克的太阳能动物追踪器。

提供完整的协同IC与软件开发工具包

除了多协议SoC之外，Nordic还推出协同IC与软件开发工具包，以加快客户的产品开发速度。像是nRF7002便是一款低功耗、高级安全性、无缝共存的Wi-Fi 6协同IC，提供无缝Wi-Fi连接和基于Wi-Fi的定位（本地Wi-Fi集线器的SSID嗅探）。它旨在与Nordic现有的nRF52®和nRF53®系列蓝牙SoC，以及nRF91®系列蜂窝物联网SiP一起使用，nRF7002还可以与非Nordic主机设备结合使用。

nRF7001則是Nordic nRF70系列Wi-Fi协同IC中的第二款器件，它可与Nordic现有的超低功耗技术轻松结合，具有低功耗2.4 GHz无线电，可确保延长电池寿命，可在各种应用中无缝实现Wi-Fi 6连接。另外还有nRF7000 Wi-Fi 6协同IC，nRF7000是nRF7002的精简版本，专门用于基于SSID的Wi-Fi定位。该协同IC主要关注Wi-Fi接入点的主动和被动扫描，为基于位置的应用提供可靠且节能的解决方案。

Nordic也推出用于构建蓝牙低功耗、Wi-Fi、蜂窝物联网、蓝牙网状网络、Thread、Zigbee和Matter产品的软件开发包nRF Connect SDK，这是一个可扩展且统一的软件开发包，用于构建基于Nordic所有nRF52、nRF53、nRF70和nRF91系列无线器件的产品。它为开发人员提供了一个可扩展的框架，用于为内存受限的设备构建尺寸优化的软件，并为更先进的设备和应用构建强大而复杂的软件。它集成了Zephyr RTOS和各种示例、应用协议、协议栈、库和硬件驱动程序，以缩短客户的产品开发时间。

结语

智能家居可提高人们生活质量，提升家居的智能化水平，已经成为当前热门的应用发展方向。想要确保智能设备和系统的可靠和安全，便需要选择稳定、安全的无线通信技术来串连起所有的智能家居设备。Nordic所推出的多协议SoC产品系列，能够大幅简化智能家居产品的设计，并提升系统的稳定性与安全性，将会是您开发智能家居相关产品的最优合作伙伴。