智能家居低功耗无线连接解决方案

智能家居指的是一种生活方式，家庭设备和系统通过先进的信息技术实现互联与通信，从而提升生活的便利性、安全性、能源效率和舒适性。它已成为当今最热门的应用之一。其中，用于设备之间互联的低功耗无线连接技术，在智能家居应用中变得至关重要。本文将介绍低功耗无线连接技术的当前发展情况，以及Nordic提供的相关解决方案。

低功耗无线连接技术将智能设备连接在一起

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、智能安防系统、智能电器控制、智能暖通空调系统、语音助手和智能音箱、智能窗帘和窗户、智能家居娱乐系统、健康监测系统以及智能厨房。   这些智能设备通常需要低功耗的无线连接技术将它们连接起来，以实现便捷的通信与互联。目前，智能家居的主要无线连接协议包括Matter、Thread、蓝牙低功耗（Bluetooth LE）、Wi-Fi、Zigbee、蜂窝物联网（Cellular IoT）和NR+，每种协议都有其自身特点以适应不同的应用需求。以下是一些主要无线连接技术的简要概览、发展及其特性。

物质

Matter提供了一个共享的基础，用于构建应用程序，旨在实现设备和生态系统之间的互操作性，其目标是使开发者能够轻松创建安全可靠的解决方案。Matter最初于2019年12月以CHIP（基于IP的连接家庭）项目启动。创始公司包括亚马逊、苹果、谷歌，以及像Nordic这样的其他公司，旨在建立一个用于家庭互联设备的统一应用层标准。   Matter解决方案将能够与主要的智能家居生态系统互操作，如苹果的Siri、谷歌的Assistant以及亚马逊的Alexa。Matter使用Thread、Wi-Fi和以太网进行传输，使用低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy）进行设备调试。所有基于Thread的Matter设备都需要低功耗蓝牙功能，以便将新设备添加到网络中。

Wi-Fi

Wi-Fi（无线保真）是一种用于设备之间数据传输的无线通信技术。Wi-Fi技术使设备能够通过无线信号进行通信并连接到互联网，而无需传统的有线连接。它目前是应用最广泛的无线通信技术之一。   Wi-Fi联盟制定了一系列Wi-Fi标准，例如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技术以提升速度、可靠性和性能。最新版本Wi-Fi 6在需要快速、可靠以及高容量无线连接的应用中特别有优势。此外，智能家居设备如恒温器、安防摄像头和照明系统也可以受益于Wi-Fi 6的改进范围和覆盖能力，以及其支持在单个网络上连接更多设备和基于IP通信的能力。

蓝牙低功耗（BLE）

蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy，简称 BLE）是一种专为低功耗环境中短距离通信而设计的蓝牙技术变种。蓝牙低功耗技术的一个最显著特点是其低功耗设计，使其非常适合需要长期运行的设备，例如传感器、可穿戴设备和健康监测仪。   蓝牙低功耗的设计重点是提供通常在 10 米至 100 米范围内的短距离通信，从而有效减少不必要的能量消耗。蓝牙低功耗旨在快速建立连接并快速传输少量数据。这在诸如在移动设备之间共享小型文件或在传感器和移动设备之间传输数据的场景中特别有用。

线程

Thread是一种低功耗的基于IPv6（互联网协议第6版）的无线通信协议，专为物联网（IoT）设计。它是一种低功耗协议，适用于连接大量低功耗设备的场景。通过采用低功耗休眠模式、快速唤醒以及灵活的数据传输机制，Thread有效降低了设备的能耗。   Thread支持自组织功能，允许设备无需中心控制器即可自动形成网络。这使得网络扩展变得更加简单，因为新设备可以轻松加入并参与网络。基于IPv6，Thread为设备提供全球唯一的地址，使它们能够直接与互联网通信，并支持端到端通信。

Zigbee

Zigbee 是一种无线通信协议，专门为低功耗、低数据速率、短距离通信而设计，非常适合需要长期运行的电池供电设备，如传感器和智能家居设备。Zigbee 的设计目标之一是提供短距离通信，通常范围在10米到100米之间，使其非常适合设备之间的近场通信，应用于智能家居和工业控制等领域。   Zigbee 支持自组织功能，允许设备动态地加入和离开网络，而无需中央控制器。这使得网络能够适应变化，并具备一定的弹性。Zigbee 的数据传输速率相对较低，非常适合传输少量数据，例如传感器数据和控制命令，从而帮助降低功耗。

蜂窝物联网（LTE-M和NB-IoT）

在评估为您的物联网 (IoT) 应用选择最合适的低功耗广域网 (LPWAN) 技术时，除了技术规范之外，还必须考虑多种因素，因为实际性能可能与技术规范有显著差异。以下是为什么蜂窝物联网（包括 NB-IoT 和 LTE-M）相比 LoRaWAN、Sigfox、Wi-SUN 或其他 LPWAN 技术可能更适合您的物联网项目的一些关键原因。   蜂窝物联网通过授权频率频段运行，利用现有的全球基础设施。虽然它们需要支付订阅费用，但可以确保广泛的覆盖范围、可扩展性、内置的服务质量、可靠性以及无与伦比的安全性。NB-IoT 和 LTE-M 技术的发展旨在支持低功耗、大规模机器通信应用。

革命性多协议SoC支持物联网应用

Nordic 提供了种类丰富的无线多协议 SoC 产品，其中包括具有突破性意义的紧凑型超低功耗多协议 SoC（系统级芯片）nRF54H20。该产品拥有卓越的处理能力、充足的内存、出色的效率、先进的多协议射频功能以及尖端的安全特性，使开发人员能够构建创新的物联网产品。   nRF54H20 通过高度集成的 SoC 替代多个组件，从而缩小设计尺寸，并且可以延长电池寿命或减少电池尺寸，其支持高效处理、超低功耗射频和极低的休眠电流。它支持长距离传输，具有 10 dBm 的发射功率、针对蓝牙低功耗 (Bluetooth Low Energy) 的 -100 dBm 接收灵敏度，以及针对 802.15.4 的 -104 dBm 接收灵敏度。nRF54H20 还能够有效降低安全威胁，通过安全启动、安全固件更新、安全存储以及防御物理攻击等顶级安全特性提供全方位的保护。   nRF54L15 是下一代多协议 SoC，它是一款超低功耗的蓝牙 5.4 SoC，具备先进的多协议射频和安全特性。nRF54L 系列具有出色的处理能力和效率，扩展的内存以及全新的外围设备，并且都集成在尺寸更紧凑的封装内。

蓝牙低功耗旗舰级SoC满足复杂物联网应用的需求

除了前面提到的 nRF54H20 和 nRF54L15 SoC，Nordic 还推出了一款 Bluetooth 低功耗旗舰产品 nRF5340 SoC。这是 nRF53 系列中的首款 SoC，也是全球首个配备两个 Arm® Cortex®-M33 处理器的无线 SoC。这两个灵活的处理器与先进的功能集相结合，使其成为低功耗音频、先进可穿戴设备以及其他复杂物联网应用的理想选择。   nRF5340 是一款集成的 SoC，包含 nRF52® 系列最显著功能的超集。它支持 Bluetooth® 5.4、高速 SPI、QSPI、USB，并可在高达 105 °C 的温度下运行。它将这些功能与更高的性能、更大的存储和更强的集成能力相结合，同时将电流消耗降到最低。此外，它还提供了安全功能，例如可信执行、信任根以及安全密钥存储。   此外，Nordic 还提供 nRF52 系列，该系列包含七种支持多协议的 Bluetooth 5.4 SoC。这些 SoC 集成了高效的 64 MHz Arm Cortex-M4 CPU。其闪存容量从 192 KB 到 1024 KB 不等，而 RAM 容量则从 24 KB 到 256 KB 不等。nRF52 系列提供了从简单、成本效益高的选项到功能高度先进的选项，其全部产品均具有超低功耗特性。   nRF52 和 nRF53 系列均基于全闪存架构 SoC，为您的产品提供完全的灵活性和可升级性。它们可以在工厂或通过空中设备固件升级（OTA DFU）在现场重新编程，实现随时随地的产品更新和功能添加。   针对物联网应用，Nordic 还推出了 nRF91 系列 LPWAN 技术。该系列通过将所有相关组件集成到完整的通信和应用模块中，达到了前所未有的集成水平。这些模块以超小型系统级封装 (SiP) 提供：nRF9160 SiP 和 nRF9161 SiP 的尺寸为 10x16 mm，nRF9151 SiP 为 11x12 mm，nRF9131 Mini SiP 为 7x11 mm。这种集成能够实现竞争解决方案难以企及的成本效益和紧凑设计。例如，它可以实现重量仅为 2.5 克的轻量化太阳能供电动物追踪器的创造。

提供全面的IC系列和软件开发工具包

除了多协议的SoC，Nordic还提供互补的IC和软件开发套件，以加速客户的产品开发。例如，nRF7002是一款低功耗、高安全性、无缝共存的Wi-Fi 6伴侣芯片（companion IC），能够提供无缝的Wi-Fi连接以及基于Wi-Fi的位置服务（本地Wi-Fi热点SSID嗅探）。这款芯片设计用来与Nordic现有的nRF52®和nRF53®系列的蓝牙SoC以及nRF91®系列的蜂窝物联网SiP搭配使用。nRF7002还可以与非Nordic的主机设备一起使用。   nRF7001是Nordic nRF70系列Wi-Fi伴侣芯片中的第二款产品，它设计用于轻松与Nordic现有的超低功耗技术集成。nRF7001具有低功耗的2.4 GHz射频特性，确保延长电池寿命，并无缝支持各种应用场景中的Wi-Fi 6连接。另外，还有nRF7000这款Wi-Fi 6伴侣芯片，这是nRF7002的一种简化版本，特别针对基于SSID的Wi-Fi定位进行了优化开发。这种伴侣芯片主要面向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高效的能源解决方案。   Nordic还提供nRF Connect SDK，这是一款用于构建蓝牙低功耗、Wi-Fi、蜂窝物联网、蓝牙Mesh网络、Thread、Zigbee和Matter产品的软件开发套件。该SDK是一个可扩展且统一的软件包，用于基于Nordic所有无线设备（包括nRF52、nRF53、nRF70和nRF91系列）构建产品。它为开发人员提供了一个可扩展的框架，用于构建针对内存受限设备的尺寸优化软件，以及针对更高级设备和应用的高复杂性且健壮的软体。结合了Zephyr RTOS，它包含各种示例、应用协议、协议栈、库和硬件驱动程序，从而缩短客户的产品开发时间。

结论

智能家居可以提升人们的生活质量，提高家庭的智能化水平，这使其成为应用开发的热门方向。为了确保智能设备和系统的可靠性与安全性，选择稳定且安全的无线通信技术来连接所有智能家居设备是至关重要的。Nordic推出的多协议SoC产品系列能够显著简化智能家居产品的设计，同时增强系统的稳定性和安全性。因此，Nordic可以成为您开发智能家居相关产品的最佳合作伙伴。