智能家居技術 - 一項協議控制全部家居設備？
Wi-Fi
Wi-Fi 是應用最廣泛、最常見的智能家居設備連接技術。它采用與筆記本電腦、平板電腦或手機相同的無線網絡，提供高速數據傳輸，實現大范圍覆蓋。Wi-Fi 與大多數智能家居設備和平臺兼容，例如 Amazon Alexa、Google Assistant、Apple HomeKit 和 Samsung SmartThings。Wi-Fi 在 2.4 GHz 和 5 GHz 頻段上運行，支持的數據速率高達每秒數千兆比特。
優點 |
缺點 |
數據速率和帶寬較高，適用于流式傳輸視頻和音頻 |
功耗較高，需要頻繁更換電池或外部電源 |
無處不在，與大量設備和平臺兼容 |
容易受到其他 Wi-Fi 設備和網絡的干擾且極易擁塞 |
易于設置和使用，符合現有基礎設施和標準 |
區間和覆蓋范圍有限，在大型或多層建筑中表現尤為明顯 |
支持云及遠程訪問和控制 |
面臨黑客和未授權訪問帶來的潛在安全和隱私風險 |
Thread
Thread 是一種基于網狀網絡的低功耗智能家居協議。頻段與 Wi-Fi 相同，但會創建單獨的專用低功耗網狀網絡。Thread 設備采用強大的網狀網絡覆蓋住宅乃至商業建筑。Thread 并未定義應用層，因此制造商需要自行開發應用層，或者可能需要支持類似 Apple HomeKit 的現有生態系統。
優點 |
缺點 |
Thread 網絡的功耗低于 Wi-Fi，這意味著電池供電設備的續航時間可能會隨之延長。 |
數據速率和帶寬較低，不適合流式傳輸視頻和音頻 |
連接穩健，因為它可以自動適應網絡拓撲或環境變化 |
依靠邊界路由器或網關設備進行互聯網和云訪問 |
支持大量設備，因為每臺設備均可充當路由器并擴展網絡范圍。 |
設備和產品的可用性和采用率有限 |
用例：
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線路供電設備和電池供電設備（紐扣電池）
- 智能傳感器，例如運動、溫度、濕度和光傳感器
- 智能開關、智能插座、智能燈
- 智能鎖
超越 Door Thread 應用
- 傳感器網絡、資產跟蹤和控制系統
- 街道照明控制、環境監測和交通管理
- 花園自動化、泳池監測和室外照明
Matter
Matter 是連接標準聯盟于 2022 年發布的一項全新智能家居協議。連接標準聯盟由包括 Amazon、Apple、Google、Samsung、Silicon Labs 等在內的一系列科技公司聯合成立。Matter 旨在制定通用智能家居設備互操作標準，且不受品牌、平臺或技術限制。
優點 |
缺點 |
支持多種無線技術和協議，輔助提高靈活性和多功能性。 |
新標準通常需要推行一段時間，以便制造商推出有力的產品組合。 |
支持建立基于 IP 的通信并與其他設備和平臺實現互操作性。啟用通用認證和徽標，實現互操作性。 |
可能面臨多重挑戰，處理供應商與不同生態系統之間的互操作性問題。 |
支持高安全性和高加密，采用公鑰基礎設施和設備身份驗證。此外，Google、Apple、Amazon 和 Samsung 等公司的現有生態系統和產品也支持相關功能。 |
采用率不確定性 |
用例：
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線路供電設備和電池供電設備
- 智能揚聲器、智能顯示器、智能電視和智能攝像頭
- 智能恒溫器、智能鎖和智能門鈴
- 智能插座、智能開關和智能燈泡
- 智能傳感器、智能按鈕和智能遙控器
- 智能設備和大型家用電器
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下圖展示了最適合使用 Matter over Thread 或 Matter over Wi-Fi 的應用。
Zigbee
Zigbee 是最原始、最成熟的智能家居協議之一，得到很多流行品牌的推崇和使用，包括飛利浦 Hue、宜家和霍尼韋爾。同時，它也是一種基于網狀網絡的低功耗協議，與 Wi-Fi 的運行頻段一致，但使用的調制和編碼方案有所不同。Zigbee 設備可以建立數百個節點的網絡，節點與節點、節點與中心集線器或協調器之間能夠相互通信。部分智能家居平臺（包括 Amazon Echo 和 Samsung SmartThings 以及 Tuya）直接支持 Zigbee，而且還能通過 Actions 或 Skills 與其他平臺（例如，谷歌 Nest 和蘋果 HomeKit）合作。
優點 |
缺點 |
功耗極低，這意味著電池供電設備可以持續使用多年。 |
Zigbee 需要配備集線器/網關。某些生態系統設備和設備制造商具有這種原生配置。 |
支持各種設備類型和應用，例如傳感器、開關、燈、鎖、恒溫器等。 |
不適合高速數據傳輸 |
Zigbee 網狀網絡搭配高輸出功率和高靈敏度，可在室內和前門外實現有效網絡覆蓋。 |
Zigbee 技術的安裝成本較高，定價因網絡規模和范圍、兼容產品可用性以及應用復雜性的不同而有所不同。 |
Amazon Sidewalk
Amazon Sidewalk 于 2021 年推出，提供智能家居協議，支持共享無線網絡連接室內、前門外、社區和城市物聯網設備。
它是一種長距離低帶寬協議，使用 900 MHz（長距離）和 2.4 GHz 藍牙低功耗 (LE)（室內）連接智能家居設備并擴展其網絡覆蓋范圍。Amazon Sidewalk 采用兩種調制技術通過 900 MHz 頻段傳輸數據：頻移鍵控 (FSK) 和線性調頻擴頻 (CSS)。FSK 是 Amazon Sidewalk 在 Amazon Sidewalk Bridge 設備（例如，Echo 或 Ring）與支持 Amazon Sidewalk 的設備之間開展中距離通信的工具。CSS 覆蓋距離超過 FSK，但數據速率低得多。Amazon Sidewalk 可以使用 FSK 和 CSS 創建安全可靠的無線網絡，覆蓋面積較大，支持各種低功耗設備。
優點 |
缺點 |
改善智能家居設備連接和功能，特別是戶外設備或遠離路由器的設備，例如安全攝像頭、智能燈或寵物跟蹤器。 |
可能會占用部分互聯網帶寬并產生一定功耗，繼而影響性能或增加費用。 |
啟用新功能和新服務，例如查找丟失物品、接收通知或訪問訪客 Wi-Fi。 |
針對數據共享和許可提出一些擔憂，因為您可能無法完全控制 Sidewalk 網絡訪客身份或者他們能夠收集的數據。 |
增強智能家居設備的安全性和隱私性，因為它采用了加密、身份驗證和匿名技術。 |
兼容性和可用性有限，因為它只適用于某些設備，且目前僅限在美國地區使用。 |
用例：
在家庭里 |
在前門外 （1 GHz 以下 FSK） |
在柵欄外 |
跟蹤 防盜 訪問控制 家庭自動化 |
戶外照明 水資源危機緩解和控制 節能 設備預測性維護 |
公園管理 環境管理 建筑物和園區管理 機場 |
Z-Wave
Z-Wave 是一種低功耗網狀網絡協議，在 800-900 MHz 頻段上運行，廣泛應用于智能家居設備，特別是安全、照明和氣候控制設備。它由 Z-Wave 聯盟開發，該聯盟包括 300 多家生產 Z-Wave 兼容設備的公司。
Z-Wave 可靠、可擴展且安全。它使用網狀網絡拓撲，這意味著每個設備都可以充當中繼器并擴展網絡的范圍，它還使用加密和設備身份驗證來防止未經授權的訪問和黑客攻擊。Z-Wave 網絡可處理包括主控制器在內的最多 232 個設備（節點）。
優點 |
缺點 |
避免其他 Wi-Fi 設備造成干擾和擁塞，因為它使用完全不同的頻段（868 MHz 或 908 MHz，具體取決于地區）。 |
經 Z-Wave 聯盟認證的 Z-Wave 設備支持在全球范圍內進行通信，但區域頻率可能會影響兼容性，導致不同地區的設備在不同地區的運行方式有所不同，從而影響全球可用性。例如，美國購買的 Z-Wave 設備無法在歐洲使用，反之亦然。這會限制 Z-Wave 設備的全球可用性和兼容性。 |
確保實現高度兼容性和互操作性，因為它遵守 Z-Wave 聯盟制定的標準化認證協議。 |
Z-Wave 設備的最大數據速率為 100 kbps，足以運行簡單命令和狀態更新，但不適用于流式傳輸音頻或視頻。同時，Z-Wave 設備單條消息的跳數限制為 4 跳，這意味著網絡延遲會隨著網絡規模的擴大而增加。此外，Z-Wave 設備每次只能與一臺設備進行通信，很可能導致大型網絡發生擁塞和延遲。 |
提供高度安全防護和加密，因為它采用 128 位 AES 密鑰和安全配對過程。 |
定價可能高于 Zigbee，因為它需要配備許可芯片和專用集線器或控制器。 |
藍牙 LE
藍牙 LE 也是一種常見技術，主要用于連接設備與手機。與 Wi-Fi 的運行頻段一致，但傳輸距離較短且數據速率較低。藍牙設備可以相互通信，也可以與智能手機或平板電腦通信。它們能夠建立最多由七臺設備組成的網絡，稱為微微網。通過手機實現室內控制的鎖和照明設備是典型的智能家居設備。藍牙需要通過集線器實現室外控制。
優點 |
缺點 |
設置和使用十分方便，只需將設備與智能手機或平板電腦進行配對即可。應用廣泛且獲得大范圍支持，因為絕大多數智能手機、平板電腦、筆記本電腦和智能家居設備均具有藍牙功能。 |
藍牙 LE 更傾向于手機連接，而不適合大型智能家居應用。 |
用例：
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- 無線耳機、揚聲器和耳塞
- 無線鍵盤、鼠標和游戲控制器
- 智能手表、健身跟蹤器和健康檢測儀
- 智能標記、跟蹤器和信標
藍牙網狀網絡
藍牙網狀網絡是一種網絡拓撲結構，允許藍牙設備相互傳遞消息，進而形成網狀網絡。這意味著藍牙設備無需依賴中心集線器或路由器即可實現相互通信，而且可以覆蓋更大的區域，支持更多的設備。藍牙網狀網絡還具備自我修復、可擴展性、安全性和低功耗等優越特性。
優點 |
缺點 |
藍牙網狀網絡屬于自我修復型網絡，如果發生故障或離開范圍，則通過其他設備重新路由消息，保證不間斷運行，確保消息傳遞可靠性。 |
藍牙網狀網絡的復雜性高于傳統網絡，因為其中涵蓋多種設備、層、協議和功能，開發和維護成本更高，需要具備更多的專業知識和資源。 |
藍牙網狀網絡最多可在單個網絡中支持 32,000 臺設備，并可添加更多的設備或子網進行擴展。因此，藍牙網狀網絡能夠滿足大規模復雜物聯網應用的需求。 |
藍牙網狀網絡的延遲高于傳統藍牙網絡，因為需要經過多臺設備才能將消息傳輸到指定目標。這可能會對某些需要實時通信的應用的性能和響應能力造成影響。 |
藍牙網狀網絡采用發布訂閱模式，允許設備根據需要發送和接收消息，降低功耗并延長電池壽命，支持安全配置。 |
與 Wi-Fi、Zigbee 和 Z-Wave 等其他無線技術一樣，藍牙網狀網絡也使用 2.4 GHz 頻段。因此，很可能造成干擾和擁塞，降低通信質量和可靠性 |
專有（1 GHz 以下和 2.4 GHz）
專有無線技術可以在不同頻段（例如，1 GHz 以下或 2.4 GHz）上運行，而且能夠支持不同的數據速率和帶寬，具體取決于供應商或制造商。專有無線設備可形成不同的網絡拓撲結構，例如星形、樹形或網狀結構，具體取決于供應商或制造商。專有網絡需要自帶集線器或網關，避免直接連接生態系統。專有無線設備可以通過 Actions 或 Skills 與生態系統（例如，Google Nest 和 Apple HomeKit） 搭配使用。
優點 |
缺點 |
提供其他協議無法實現的獨特或專屬特性或功能。 |
很可能對智能家居設備的兼容性和選擇性造成限制，因為可能無法與不同品牌或平臺的產品混搭使用。 |
保證高質量和高性能，因為已針對其自身設備進行優化和定制。 |
智能家居設備的成本和復雜度可能會有所提高，因為很可能需要額外購買硬件或軟件，以便將其連接到互聯網或其他平臺。 |
提供更卓越的客戶服務和支持，因為它們與用戶存在直接專屬關系。 |
可能會面臨過時或停產風險，因為未來制造商或平臺可能不會繼續更新，也不會為其提供支持。 |
用例：
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- 專有智能傳感器、智能按鈕和智能遙控器
- 專有智能鎖、智能門鈴和智能安全系統
- 專有智能電表、智能插座和智能設備
如何確定最佳智能家居技術
如您所見，智能家居協議或標準并不唯一且難分高下，因為每種協議或標準都具有自身的優勢和劣勢，滿足的需求和偏好也可能有所不同。下表對各項協議進行了簡要總結。
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回答以下問題，確定最適合您的智能家居的智能家居協議或標準。
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如果希望未來添加更多的智能家居設備，應該使用哪一種智能家居技術？
- 為確保您的智能家居適應未來需求并與越來越多的設備兼容，Wi-Fi 技術是一個不錯的選擇。Wi-Fi 無處不在且與大量設備兼容，它是一種多功能可擴展方案。
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如果必須考量智能家居設備與現有或首選平臺、語音助手或應用的兼容性和互操作性，應該使用哪一種智能家居技術？
- Matter 是最佳選擇。
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如果希望延長傳輸距離并覆蓋室內或室外智能家居設備，最好采用哪一種智能家居技術？
- Z-Wave 技術無疑是需要延長傳輸距離及擴大覆蓋范圍的智能家居技術的有力競爭者。Z-Wave 在 1 GHz 以下頻段上運行，支持網狀網絡，其中每臺設備均可充當路由器或中繼器，從而延長網絡傳輸距離并擴大覆蓋范圍。
- 也可以考慮采用 Amazon Sidewalk。
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從智能家居設備的角度而言，哪一種智能家居技術的功耗更低、電池壽命更長？
- Zigbee 因低功耗和低數據速率無線技術而聞名，非常適合對電池壽命、網絡可靠性和安全性要求較高的應用。Zigbee 設備可以形成網狀網絡，延長傳輸距離并擴大覆蓋范圍，同樣有助于實現電源高效利用。
- 目標喚醒時間 (TWT) 和 BSS 最大空閑期等 Wi-Fi 6 功能有助于增加設備功耗，從而延長電池壽命。設備可以借助這些功能長時間保持睡眠狀態，節約能源，最大限度延長電池壽命
- Z-Wave Long Range (LR) 旨在延長 Z-Wave 網絡的傳輸距離，同時保持能效。它支持 Z-Wave LR，一枚紐扣電池最多可以使設備運行 10 年，因而成為低功耗及延長電池壽命的首選技術
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從智能家居設備以及個人數據安全性和隱私性的角度而言，最好采用哪一種智能家居技術？
- Matter 因支持的設備類型較為廣闊及提供端到端加密、設備認證和云集成而聞名，可增強智能家居設備的安全性和隱私性。Z-Wave 還提供加密和設備身份驗證，但缺乏內置云服務。
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哪一種智能家居技術的智能家居設備及其設置和維護的成本和復雜度最低？
- 如果說哪種智能家居設備（包括其設置和維護）的成本和復雜度最低，Matter 技術無疑獨占鰲頭。
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