無線連接正在實現更智能的設備，可以與家中和互聯網上的其他設備進行通信。選擇正確的無線協議，你就有了一個良好的開端。

在廚房或浴室角落閑置的單調家用電器的日子已經結束。今天的家電是時尚，功能性的設計，是創新的，是大多數現代家庭的中心。智能家電是近年來獲得重要立足點的家電設計技術趨勢之一。這些設備采用尖端技術，包括通過家庭和網絡與其他設備進行無線通信的能力。

智能設備制造商看到了巨大的經濟機會，不僅可以直接與現場設備通信，還可以與這些設備的用戶。遠程診斷和固件升級等服務可以更加無縫地為用戶服務。通過消除通過無線連接重新布線家庭的成本和障礙，消費者也可以獲得經濟效益。

在當今的市場中，智能家電的綠色應用已經開始出現，以能源使用和監控為中心。 Google PowerMeter等服務使消費者能夠即時訪問其能源使用數據。反過來，獲得這些信息已經為消費者提供了動力，可以采取措施，例如簽署由其公用事業公司提供的節省成本的能源使用計劃。公用事業公司正在快速部署連接到家庭區域網絡（HAN）的支持無線功能的智能電表，這使他們能夠為智能電器提供負載控制功能。優點是公用事業公司可以更好地調節他們的能源需求，收集有價值的實時使用數據，并為他們的客戶提供更合適的服務層。利用所有這些信息，公用事業公司可以更準確地預測和規劃未來的基礎設施擴展。

制造商能夠通過將兩個關鍵構建模塊集成到他們的產品中 - 無線技術和高級微控制器，將無線智能設備快速推向市場。

圖1：智能家居。此外，大型科技公司最近聯手組建了聯盟，這些聯盟定義了這些智能無線設備如何相互通信的框架。這些發展的最終效果是在智能家電的應用領域內釋放出設計創新。我們正在迅速接近這樣一個時代，即生活在一個價格合理的智能家居中，這個家庭擁有許多無線連接的智能設備，如圖1所示。但是，這些創新并非沒有很多設計挑戰。本文將討論其中一些挑戰，以及在選擇智能設備中使用的技術時所涉及的權衡。它首先選擇使用哪種無線協議無線技術選擇

在無線網絡協議方面，智能設備制造商有許多可行的選擇可供選擇。其中一些選擇包括嵌入式Wi-Fi，ZigBee和專有協議，如Microchip的MiWi開發環境。

Wi-Fi是使用最廣泛的無線協議。它是有線以太網協議的無線等價物，構成了當今互聯網的支柱。通常，Wi-Fi在高性能計算機上運行，這些計算機可以處理數據密集型應用程序。與傳統的Wi-Fi相比，嵌入式Wi-Fi可以執行單個或非常有限的功能，例如傳輸靜態圖像，但數據速率相對較低。

嵌入式Wi-Fi在任何Wi-Fi中都具有明顯的優勢啟用的智能設備能夠通過Web輕松進行通信。支持1-5 Mbps的典型數據速率，這使其適用于控制和監控應用。嵌入式Wi-Fi在普遍可用的2.4 GHz頻譜中運行。該頻譜是一個開放的免許可頻段，因此正在被其他無線技術使用。

制造商可以使用的另一種無線選擇是ZigBee。雖然嵌入式Wi-Fi以大約Mbps的數據速率運行，但ZigBee的最大數據速率為250 kbps，符合IEEE 802.15.4無線電標準。 ZigBee將自己定位為無線傳感器網絡的低功耗和低數據速率無線協議。支持ZigBee的智能設備可以以極低的功耗運行，同時利用廉價的微控制器，如采用極低功耗（XLP）技術的Microchip PIC單片機。其他ZigBee優勢包括其強大的數據安全模型，互操作性以及其在許多應用領域的不斷擴展的應用。與Wi-Fi類似，ZigBee在2.4 GHz頻段內運行，利用16個定義的信道，在信道跳頻和頻率捷變方面具有靈活性，以避免噪聲和干擾。正如其與Wi-Fi聯盟和HomePlug聯盟的合作伙伴關系所證明的那樣，ZigBee聯盟正在繼續加強其互操作性憑證。 ZigBee與Wi-Fi一起被美國SmartGrid聯盟選為可行的網絡技術。

圖2：Microchip的FCC/ETSI認證IEEE 802.15.4/ZigBee模塊和XLP PIC單片機。

智能設備制造商可以使用的另一種選擇是使用專有的無線協議，例如Microchip的MiWi開發環境。專有協議提供許多優勢，包括易于定制特定目標應用程序;與開放標準協議相比，縮短了開發時間;復雜性較低;并且易于部署。它們還為創新和知識產權創造提供了許多機會。不需要開放標準協議通常要求的專業認證，這可以顯著節省成本。此外，所有這些都可以使設備成本更低，從而加快產品上市速度。但是，與其他制造商的產品缺乏互操作性可能會導致設備市場細分較窄，或者需要開發網關設備才能轉換為其他無線網絡。

您可以查看三個無線網絡的功能比較本文討論的技術見表1.

開放標準軟件復雜性數據速率Wi-Fi是高1-5 Mbps ZigBee是中250 kbps專有無低變量表1：智能家電三大無線技術的功能比較。結果數據安全性

網絡數據安全性至關重要，因為設備之間可能傳輸的信息具有敏感性。 Wi-Fi和ZigBee的安全性基于強大的AES-128算法，并且分別在IEEE 802.11和IEEE 802.15.4規范中描述的框架內操作。用于建立和傳輸安全密鑰的方法以及設備的認證都由每個規范定義。選擇專有無線協議的智能設備制造商在選擇適當的安全算法和服務時面臨著額外的挑戰。

獨立于所選擇的加密算法，每個制造商必須注意兩個重要的安全相關因素。首先是加密算法是否受出口管制法律的約束。包含軟件或硬件算法的產品必須限制其密鑰長度或獲取特定的導出授權。無論它們是基于硬件還是軟件，加密算法都具有相同的限制，并且必須遵守所有出口控制法則。其次，無論加密算法的魯棒性如何，如果密鑰被泄露，數據完整性將受到嚴重損害。因此，保護鑰匙本身至關重要。設備制造商應該設計一種適當的密鑰保護方法。

智能設備平臺

無線智能設備通常建立在一個包含三個主要子系統的平臺上：微控制器作為設備的大腦;無線協議棧，定義網絡中設備之間的邏輯連接;以及處理無線傳輸數據包的RF收發器。今天的制造商有各種各樣的微控制器可以圍繞這些微控制器設計他們的智能設備平臺。主要選擇標準之一是微控制器的成本。其他標準是其程序的大小和內存，功耗，外圍設備的可用性以及處理速度。

智能設備平臺的另一個重要子系統是無線協議棧。其操作決定了設備如何通信，單個家庭局域網（HAN）上可以有多少設備以及最大數據吞吐量。協議棧通常是應用程序固件中最復雜的軟件模塊。如果堆棧的軟件已經可用，則可以大大減少智能設備的開發時間。此外，供應商堆棧在其所有微控制器系列中的可移植性至關重要。這使開發人員能夠靈活地選擇最適合給定平臺的8位，16位或32位微控制器，同時保持相同的協議棧功能和特性。

RF收發器完善了主要組件。智能家電平臺，處理無線傳輸數據包的職責。 RF收發器與無線協議的選擇決定了智能設備可以運行的環境。如果低功率應用需要通過諸如墻壁之類的障礙物進行無線通信，那么Sub-GHz收發器可能更合適。相比之下，2.4 GHz等更高頻段可以在需要更高數據吞吐量的應用中做出更好的選擇。傳統上，RF收發器設計是一項非常復雜的工作。為了幫助緩解這種復雜性，制造商設計了完全集成的FCC/ETSI認證RF模塊，例如Microchip的MRF24WB0MA嵌入式Wi-Fi模塊。這些模塊包括RF收發器，功能天線和支持RF電路。設備制造商可能只是將這些模塊包含在他們的設計中，而不是從底層向上獲取RF專業知識來設計收發器。使用模塊可以縮短產品上市時間，風險和開發成本平臺的所有三個組件之間存在強烈的相互依賴性。 Microchip等OEM已經認識到這種相互依賴性，并開發了適用于智能設備開發的完整平臺。例如，Microchip的無線開發環境包括支持具有足夠MIPS和存儲器的8位，16位或32位微控制器的任意組合;射頻收發器均為2.4 GHz和Sub-GHz頻譜;多種無線協議，包括Wi-Fi，ZigBee，RF4CE和MiWi專有技術。

設計注意事項

設計人員在開發無線智能設備時遇到的一個常見缺陷是未能及時驗證其設備。例如，選擇無法向上擴展以滿足未來大型網絡需求的無線技術是一個問題。一個設計考慮因素即使這些智能設備采用最新技術，其界面應該干凈，直觀，并且對用戶來說簡單，否則這些設備可能無法在市場上獲得廣泛認可。

通常，設計師未能考慮其智能設備所在的物理和RF環境。因此，在設計器件時必須考慮諸如濕度，壁厚和微波存在等因素。設備的樣式及其功能應該具有凝聚力，這樣前者不會降低設備的性能。

還應考慮設備的認證，特別是那些采用開放標準協議的設備。產品的認證是必須在產品銷售之前完成的關鍵里程碑。

結論

在本文中，描述了構成無線智能設備平臺的主要組件。這些組件是微控制器，協議棧和RF收發器。每個子系統的創新使智能設備制造商能夠將無線通信功能集成到他們的產品中。隨著這些創新帶來了設計挑戰，例如選擇適當的加密算法并確保隨著設備需求的增長，這些設備運行的無線網絡可以向上擴展。消費者和制造商都將從這些新的無線智能設備中受益，因為公用事業公司等實體提供基于這些設備的有用，節省成本的產品和服務。 Google PowerMeter和負載控制服務就是兩個這樣的例子，每天都有更多此類服務可用。