智能家居技术 - 一项协议控制全部家居设备？
Wi-Fi
Wi-Fi 是应用最广泛、最常见的智能家居设备连接技术。它采用与笔记本电脑、平板电脑或手机相同的无线网络，提供高速数据传输，实现大范围覆盖。Wi-Fi 与大多数智能家居设备和平台兼容，例如 Amazon Alexa、Google Assistant、Apple HomeKit 和 Samsung SmartThings。Wi-Fi 在 2.4 GHz 和 5 GHz 频段上运行，支持的数据速率高达每秒数千兆比特。
优点 |
缺点 |
数据速率和带宽较高，适用于流式传输视频和音频 |
功耗较高，需要频繁更换电池或外部电源 |
无处不在，与大量设备和平台兼容 |
容易受到其他 Wi-Fi 设备和网络的干扰且极易拥塞 |
易于设置和使用，符合现有基础设施和标准 |
区间和覆盖范围有限，在大型或多层建筑中表现尤为明显 |
支持云及远程访问和控制 |
面临黑客和未授权访问带来的潜在安全和隐私风险 |
Thread
Thread 是一种基于网状网络的低功耗智能家居协议。频段与 Wi-Fi 相同，但会创建单独的专用低功耗网状网络。Thread 设备采用强大的网状网络覆盖住宅乃至商业建筑。Thread 并未定义应用层，因此制造商需要自行开发应用层，或者可能需要支持类似 Apple HomeKit 的现有生态系统。
优点 |
缺点 |
Thread 网络的功耗低于 Wi-Fi，这意味着电池供电设备的续航时间可能会随之延长。 |
数据速率和带宽较低，不适合流式传输视频和音频 |
连接稳健，因为它可以自动适应网络拓扑或环境变化 |
依靠边界路由器或网关设备进行互联网和云访问 |
支持大量设备，因为每台设备均可充当路由器并扩展网络范围。 |
设备和产品的可用性和采用率有限 |
用例：
线路供电设备和电池供电设备（纽扣电池）
- 智能传感器，例如运动、温度、湿度和光传感器
- 智能开关、智能插座、智能灯
- 智能锁
超越 Door Thread 应用
- 传感器网络、资产跟踪和控制系统
- 街道照明控制、环境监测和交通管理
- 花园自动化、泳池监测和室外照明
Matter
Matter 是连接标准联盟于 2022 年发布的一项全新智能家居协议。连接标准联盟由包括 Amazon、Apple、Google、Samsung、Silicon Labs 等在内的一系列科技公司联合成立。Matter 旨在制定通用智能家居设备互操作标准，且不受品牌、平台或技术限制。
优点 |
缺点 |
支持多种无线技术和协议，辅助提高灵活性和多功能性。 |
新标准通常需要推行一段时间，以便制造商推出有力的产品组合。 |
支持建立基于 IP 的通信并与其他设备和平台实现互操作性。启用通用认证和徽标，实现互操作性。 |
可能面临多重挑战，处理供应商与不同生态系统之间的互操作性问题。 |
支持高安全性和高加密，采用公钥基础设施和设备身份验证。此外，Google、Apple、Amazon 和 Samsung 等公司的现有生态系统和产品也支持相关功能。 |
采用率不确定性 |
用例：
线路供电设备和电池供电设备
- 智能扬声器、智能显示器、智能电视和智能摄像头
- 智能恒温器、智能锁和智能门铃
- 智能插座、智能开关和智能灯泡
- 智能传感器、智能按钮和智能遥控器
- 智能设备和大型家用电器
下图展示了最适合使用 Matter over Thread 或 Matter over Wi-Fi 的应用。
Zigbee
Zigbee 是最原始、最成熟的智能家居协议之一，得到很多流行品牌的推崇和使用，包括飞利浦 Hue、宜家和霍尼韦尔。同时，它也是一种基于网状网络的低功耗协议，与 Wi-Fi 的运行频段一致，但使用的调制和编码方案有所不同。Zigbee 设备可以建立数百个节点的网络，节点与节点、节点与中心集线器或协调器之间能够相互通信。部分智能家居平台（包括 Amazon Echo 和 Samsung SmartThings 以及 Tuya）直接支持 Zigbee，而且还能通过 Actions 或 Skills 与其他平台（例如，谷歌 Nest 和苹果 HomeKit）合作。
优点 |
缺点 |
功耗极低，这意味着电池供电设备可以持续使用多年。 |
Zigbee 需要配备集线器/网关。某些生态系统设备和设备制造商具有这种原生配置。 |
支持各种设备类型和应用，例如传感器、开关、灯、锁、恒温器等。 |
不适合高速数据传输 |
Zigbee 网状网络搭配高输出功率和高灵敏度，可在室内和前门外实现有效网络覆盖。 |
Zigbee 技术的安装成本较高，定价因网络规模和范围、兼容产品可用性以及应用复杂性的不同而有所不同。 |
Amazon Sidewalk
Amazon Sidewalk 于 2021 年推出，提供智能家居协议，支持共享无线网络连接室内、前门外、社区和城市物联网设备。
它是一种长距离低带宽协议，使用 900 MHz（长距离）和 2.4 GHz 蓝牙低功耗 (LE)（室内）连接智能家居设备并扩展其网络覆盖范围。Amazon Sidewalk 采用两种调制技术通过 900 MHz 频段传输数据：频移键控 (FSK) 和线性调频扩频 (CSS)。FSK 是 Amazon Sidewalk 在 Amazon Sidewalk Bridge 设备（例如，Echo 或 Ring）与支持 Amazon Sidewalk 的设备之间开展中距离通信的工具。CSS 覆盖距离超过 FSK，但数据速率低得多。Amazon Sidewalk 可以使用 FSK 和 CSS 创建安全可靠的无线网络，覆盖面积较大，支持各种低功耗设备。
优点 |
缺点 |
改善智能家居设备连接和功能，特别是户外设备或远离路由器的设备，例如安全摄像头、智能灯或宠物跟踪器。 |
可能会占用部分互联网带宽并产生一定功耗，继而影响性能或增加费用。 |
启用新功能和新服务，例如查找丢失物品、接收通知或访问访客 Wi-Fi。 |
针对数据共享和许可提出一些担忧，因为您可能无法完全控制 Sidewalk 网络访客身份或者他们能够收集的数据。 |
增强智能家居设备的安全性和隐私性，因为它采用了加密、身份验证和匿名技术。 |
兼容性和可用性有限，因为它只适用于某些设备，且目前仅限在美国地区使用。 |
用例：
在家庭里 |
在前门外 （1 GHz 以下 FSK） |
在栅栏外 |
跟踪 防盗 访问控制 家庭自动化 |
户外照明 水资源危机缓解和控制 节能 设备预测性维护 |
公园管理 环境管理 建筑物和园区管理 机场 |
Z-Wave
Z-Wave 是一种低功耗网状网络协议，在 800-900 MHz 频段上运行，广泛应用于智能家居设备，特别是安全、照明和气候控制设备。它由 Z-Wave 联盟开发，该联盟包括 300 多家生产 Z-Wave 兼容设备的公司。
Z-Wave 可靠、可扩展且安全。它使用网状网络拓扑，这意味着每个设备都可以充当中继器并扩展网络的范围，它还使用加密和设备身份验证来防止未经授权的访问和黑客攻击。Z-Wave 网络可处理包括主控制器在内的最多 232 个设备（节点）。
优点 |
缺点 |
避免其他 Wi-Fi 设备造成干扰和拥塞，因为它使用完全不同的频段（868 MHz 或 908 MHz，具体取决于地区）。 |
经 Z-Wave 联盟认证的 Z-Wave 设备支持在全球范围内进行通信，但区域频率可能会影响兼容性，导致不同地区的设备在不同地区的运行方式有所不同，从而影响全球可用性。例如，美国购买的 Z-Wave 设备无法在欧洲使用，反之亦然。这会限制 Z-Wave 设备的全球可用性和兼容性。 |
确保实现高度兼容性和互操作性，因为它遵守 Z-Wave 联盟制定的标准化认证协议。 |
Z-Wave 设备的最大数据速率为 100 kbps，足以运行简单命令和状态更新，但不适用于流式传输音频或视频。同时，Z-Wave 设备单条消息的跳数限制为 4 跳，这意味着网络延迟会随着网络规模的扩大而增加。此外，Z-Wave 设备每次只能与一台设备进行通信，很可能导致大型网络发生拥塞和延迟。 |
提供高度安全防护和加密，因为它采用 128 位 AES 密钥和安全配对过程。 |
定价可能高于 Zigbee，因为它需要配备许可芯片和专用集线器或控制器。 |
蓝牙 LE
蓝牙 LE 也是一种常见技术，主要用于连接设备与手机。与 Wi-Fi 的运行频段一致，但传输距离较短且数据速率较低。蓝牙设备可以相互通信，也可以与智能手机或平板电脑通信。它们能够建立最多由七台设备组成的网络，称为微微网。通过手机实现室内控制的锁和照明设备是典型的智能家居设备。蓝牙需要通过集线器实现室外控制。
优点 |
缺点 |
设置和使用十分方便，只需将设备与智能手机或平板电脑进行配对即可。应用广泛且获得大范围支持，因为绝大多数智能手机、平板电脑、笔记本电脑和智能家居设备均具有蓝牙功能。 |
蓝牙 LE 更倾向于手机连接，而不适合大型智能家居应用。 |
用例：
- 无线耳机、扬声器和耳塞
- 无线键盘、鼠标和游戏控制器
- 智能手表、健身跟踪器和健康检测仪
- 智能标记、跟踪器和信标
蓝牙网状网络
蓝牙网状网络是一种网络拓扑结构，允许蓝牙设备相互传递消息，进而形成网状网络。这意味着蓝牙设备无需依赖中心集线器或路由器即可实现相互通信，而且可以覆盖更大的区域，支持更多的设备。蓝牙网状网络还具备自我修复、可扩展性、安全性和低功耗等优越特性。
优点 |
缺点 |
蓝牙网状网络属于自我修复型网络，如果发生故障或离开范围，则通过其他设备重新路由消息，保证不间断运行，确保消息传递可靠性。 |
蓝牙网状网络的复杂性高于传统网络，因为其中涵盖多种设备、层、协议和功能，开发和维护成本更高，需要具备更多的专业知识和资源。 |
蓝牙网状网络最多可在单个网络中支持 32,000 台设备，并可添加更多的设备或子网进行扩展。因此，蓝牙网状网络能够满足大规模复杂物联网应用的需求。 |
蓝牙网状网络的延迟高于传统蓝牙网络，因为需要经过多台设备才能将消息传输到指定目标。这可能会对某些需要实时通信的应用的性能和响应能力造成影响。 |
蓝牙网状网络采用发布订阅模式，允许设备根据需要发送和接收消息，降低功耗并延长电池寿命，支持安全配置。 |
与 Wi-Fi、Zigbee 和 Z-Wave 等其他无线技术一样，蓝牙网状网络也使用 2.4 GHz 频段。因此，很可能造成干扰和拥塞，降低通信质量和可靠性 |
专有（1 GHz 以下和 2.4 GHz）
专有无线技术可以在不同频段（例如，1 GHz 以下或 2.4 GHz）上运行，而且能够支持不同的数据速率和带宽，具体取决于供应商或制造商。专有无线设备可形成不同的网络拓扑结构，例如星形、树形或网状结构，具体取决于供应商或制造商。专有网络需要自带集线器或网关，避免直接连接生态系统。专有无线设备可以通过 Actions 或 Skills 与生态系统（例如，Google Nest 和 Apple HomeKit） 搭配使用。
优点 |
缺点 |
提供其他协议无法实现的独特或专属特性或功能。 |
很可能对智能家居设备的兼容性和选择性造成限制，因为可能无法与不同品牌或平台的产品混搭使用。 |
保证高质量和高性能，因为已针对其自身设备进行优化和定制。 |
智能家居设备的成本和复杂度可能会有所提高，因为很可能需要额外购买硬件或软件，以便将其连接到互联网或其他平台。 |
提供更卓越的客户服务和支持，因为它们与用户存在直接专属关系。 |
可能会面临过时或停产风险，因为未来制造商或平台可能不会继续更新，也不会为其提供支持。 |
用例：
- 专有智能传感器、智能按钮和智能遥控器
- 专有智能锁、智能门铃和智能安全系统
- 专有智能电表、智能插座和智能设备
如何确定最佳智能家居技术
如您所见，智能家居协议或标准并不唯一且难分高下，因为每种协议或标准都具有自身的优势和劣势，满足的需求和偏好也可能有所不同。下表对各项协议进行了简要总结。
回答以下问题，确定最适合您的智能家居的智能家居协议或标准。
如果希望未来添加更多的智能家居设备，应该使用哪一种智能家居技术？
- 为确保您的智能家居适应未来需求并与越来越多的设备兼容，Wi-Fi 技术是一个不错的选择。Wi-Fi 无处不在且与大量设备兼容，它是一种多功能可扩展方案。
如果必须考量智能家居设备与现有或首选平台、语音助手或应用的兼容性和互操作性，应该使用哪一种智能家居技术？
- Matter 是最佳选择。
如果希望延长传输距离并覆盖室内或室外智能家居设备，最好采用哪一种智能家居技术？
- Z-Wave 技术无疑是需要延长传输距离及扩大覆盖范围的智能家居技术的有力竞争者。Z-Wave 在 1 GHz 以下频段上运行，支持网状网络，其中每台设备均可充当路由器或中继器，从而延长网络传输距离并扩大覆盖范围。
- 也可以考虑采用 Amazon Sidewalk。
从智能家居设备的角度而言，哪一种智能家居技术的功耗更低、电池寿命更长？
- Zigbee 因低功耗和低数据速率无线技术而闻名，非常适合对电池寿命、网络可靠性和安全性要求较高的应用。Zigbee 设备可以形成网状网络，延长传输距离并扩大覆盖范围，同样有助于实现电源高效利用。
- 目标唤醒时间 (TWT) 和 BSS 最大空闲期等 Wi-Fi 6 功能有助于增加设备功耗，从而延长电池寿命。设备可以借助这些功能长时间保持睡眠状态，节约能源，最大限度延长电池寿命
- Z-Wave Long Range (LR) 旨在延长 Z-Wave 网络的传输距离，同时保持能效。它支持 Z-Wave LR，一枚纽扣电池最多可以使设备运行 10 年，因而成为低功耗及延长电池寿命的首选技术
从智能家居设备以及个人数据安全性和隐私性的角度而言，最好采用哪一种智能家居技术？
- Matter 因支持的设备类型较为广阔及提供端到端加密、设备认证和云集成而闻名，可增强智能家居设备的安全性和隐私性。Z-Wave 还提供加密和设备身份验证，但缺乏内置云服务。
哪一种智能家居技术的智能家居设备及其设置和维护的成本和复杂度最低？
- 如果说哪种智能家居设备（包括其设置和维护）的成本和复杂度最低，Matter 技术无疑独占鳌头。
