2021年我回到长沙老家，第一件事是忙的装修。装修有很多遗憾，但电器方面主要是两点，一是精装房开发商送的厨电太垃圾（见《油烟机购买指南一文》，后面会单写一篇继续说）；二是没有狠狠心做全屋智能化，只做了照明和清洁两部分的智能，还主要用的是米家生态的Wi-Fi和蓝牙BLE Mesh方案设备，没有用功耗更低也更稳定的Zigbee以及其他生态的产品。
这周，小米正式发布了Home Assistant的米家集成插件，标志着HA在中国用户这一大突破。似乎我家一些非米家的大家电也可以逐渐通过搭建HA平台来实现统一管理，所以折腾的心思又回来了。不过今天暂且打住，先对比一下目前智能家居主要采用的各类通信协议和连接标准，看是不是需要增加智能家居中枢设备或者转发设备。
1. Wi-Fi
简介
Wi-Fi 是一种基于 IEEE 802.11 标准的无线局域网通信协议，广泛应用于智能家居设备中。它具有高传输速率和良好的互联网接入能力，但功耗较高，适合需要高速数据传输的设备。
不同版本
-
Wi-Fi 4 (802.11n)
支持 2.4GHz 和 5GHz 频段，最大传输速率可达 600Mbps，适合中低速智能家居设备。 -
Wi-Fi 5 (802.11ac)
仅支持 5GHz 频段，最大传输速率可达 1.3Gbps，适合高速设备如智能电视和流媒体设备。 -
Wi-Fi 6 (802.11ax)
支持 2.4GHz 和 5GHz 频段，最大传输速率可达 9.6Gbps，优化了多设备并发连接的性能，适合大规模智能家居场景。 -
Wi-Fi 6E
在 Wi-Fi 6 的基础上扩展到 6GHz 频段，提供更多信道和更低的干扰，适合高密度设备环境。 -
Wi-Fi 7
在Wi-Fi 6的基础上从1024 QAM提升到了4096 QAM，信道频宽从160MHz翻倍到了320MHz，传输速度最快可达46.12Gbps。
对比
- 对中枢设备的依赖：低，设备可直接连接路由器。
- 传输速率：高（Wi-Fi 7 可达 46.12Gbps）。
- 组网能力：支持 Mesh 网络，适合大规模组网。
- 接入互联网的能力：强，设备可直接接入互联网。
2. Zigbee
简介
Zigbee 是一种低功耗、低速率的无线通信协议，基于 IEEE 802.15.4 标准，广泛应用于智能家居中的传感器、开关和照明设备。
不同版本
- Zigbee 3.0
支持更广泛的设备类型和更强的互操作性，是当前主流版本。 - Zigbee HA (Home Automation)
专注于家庭自动化场景，支持多种智能家居设备。 - Zigbee Green Power
支持无电池设备，适合超低功耗应用。
对比
- 对中枢设备的依赖：高，需要网关或中枢设备进行数据转换。
- 传输速率：低（250kbps）。
- 组网能力：强，支持自组网（Mesh 网络），适合大规模设备互联。
- 接入互联网的能力：弱，需通过网关接入互联网。
3. Z-Wave
简介
Z-Wave 是一种专注于智能家居的低功耗无线通信协议，基于专有技术，具有良好的稳定性和安全性。
不同版本
- Z-Wave 500 系列
支持 908.42MHz 频段，传输速率为 100kbps。 - Z-Wave Plus
提升了设备兼容性和性能，支持更长的电池寿命和更强的安全性。 - Z-Wave Long Range
扩展了通信距离，适合大户型和复杂环境。
对比
- 对中枢设备的依赖：高，需要网关或中枢设备进行数据转换。
- 传输速率：低（100kbps）。
- 组网能力：强，支持 Mesh 网络，适合大规模设备互联。
- 接入互联网的能力：弱，需通过网关接入互联网。
4. Bluetooth (蓝牙)
简介
蓝牙是一种短距离无线通信协议，广泛应用于智能家居中的音频设备、传感器和控制器。
不同版本
- 蓝牙 4.0 (BLE)
低功耗版本，适合传感器和开关等设备。 - 蓝牙 5.0
提升了传输速率和通信距离，支持 Mesh 网络。 - 蓝牙 5.2
进一步优化了功耗和性能，支持更复杂的应用场景。
对比
- 对中枢设备的依赖：中，部分设备需要网关或中枢设备进行数据转换。
- 传输速率：中（蓝牙 5.0 可达 2Mbps）。
- 组网能力：中，支持 Mesh 网络，但规模较小。
- 接入互联网的能力：中，部分设备需通过网关接入互联网。
5. Thread
简介
Thread 是一种基于 IPv6 的低功耗无线通信协议，专为智能家居设计，具有高安全性和自修复能力。
不同版本
- Thread 1.x
当前主流版本，支持 IPv6 和 Mesh 网络。
对比
- 对中枢设备的依赖：中，部分设备需要网关或中枢设备进行数据转换。
- 传输速率：中（250kbps）。
- 组网能力：强，支持 Mesh 网络，适合大规模设备互联。
- 接入互联网的能力：强，设备可直接接入互联网。
6. Matter
简介
Matter 是一种基于现有协议（如 Wi-Fi、Thread 和 Zigbee）的统一通信协议，旨在解决智能家居设备之间的兼容性问题。
不同版本
- Matter 1.0
2022 年发布，支持多种智能家居设备类型。
对比
- 对中枢设备的依赖：中，部分设备需要网关或中枢设备进行数据转换。
- 传输速率：取决于底层协议（如 Wi-Fi 或 Thread）。
- 组网能力：强，支持 Mesh 网络，适合大规模设备互联。
- 接入互联网的能力：强，设备可直接接入互联网。
7. KNX
简介
KNX 是一种有线/无线通信协议，广泛应用于楼宇自动化和智能家居中的照明、安防和 HVAC 系统。
不同版本
- KNX IP
支持基于 IP 的通信，适合大规模楼宇自动化。 - KNX RF
支持无线通信，适合家庭自动化。
对比
- 对中枢设备的依赖：高，需要网关或中枢设备进行数据转换。
- 传输速率：低（9.6kbps）。
- 组网能力：强，支持大规模设备互联。
- 接入互联网的能力：中，需通过网关接入互联网。
8. PLC (Power Line Communication)
简介
PLC 是一种通过电力线传输数据的通信协议，适合无法布线的场景。
不同版本
- HomePlug AV
支持高速数据传输，适合家庭网络。 - G3-PLC
支持低功耗和长距离通信，适合智能家居。
对比
- 对中枢设备的依赖：中，部分设备需要网关或中枢设备进行数据转换。
- 传输速率：中（HomePlug AV 可达 200Mbps）。
- 组网能力：中，适合固定线路场景。
- 接入互联网的能力：中，需通过网关接入互联网。
总结对比表
| 协议 | 对中枢设备的依赖 | 传输速率 | 组网能力 | 接入互联网的能力 |
|---|---|---|---|---|
| Wi-Fi | 低 | 高 (46.12Gbps) | 强 (Mesh) | 强 |
| Zigbee | 高 | 低 (250kbps) | 强 (Mesh) | 弱 |
| Z-Wave | 高 | 低 (100kbps) | 强 (Mesh) | 弱 |
| Bluetooth | 中 | 中 (2Mbps) | 中 (Mesh) | 中 |
| Thread | 中 | 中 (250kbps) | 强 (Mesh) | 强 |
| Matter | 中 | 取决于底层协议 | 强 (Mesh) | 强 |
| KNX | 高 | 低 (9.6kbps) | 强 | 中 |
| PLC | 中 | 中 (200Mbps) | 中 | 中 |
9. NB-IoT（Narrowband IoT）技术规格简介
NB-IoT（窄带物联网）是一种低功耗广域网（LPWAN）技术，专为低功耗、低速率、广覆盖的物联网应用设计。它基于蜂窝网络技术，具有低成本、低功耗和高覆盖能力，广泛应用于智能抄表、环境监测、智能停车等场景。
1. 网络协议
NB-IoT 基于 3GPP 标准，使用 LTE（长期演进）技术的一个子集，工作在授权频段（如 700 MHz、800 MHz、900 MHz 等）。其网络架构与 LTE 类似，但进行了优化以适应低功耗和低速率需求。
2. 不同版本
NB-IoT 技术随着 3GPP 标准的演进不断升级，以下是其主要版本：
NB-IoT R13
-
发布时间：2016 年
-
特点：
- 支持单频段（如 900 MHz）。
- 传输速率较低，上行速率约为 60-250 kbps，下行速率约为 20-200 kbps。
- 支持 PSM（Power Saving Mode，省电模式）和 eDRX（扩展不连续接收），延长电池寿命。
NB-IoT R14
-
发布时间：2017 年
-
特点：
- 支持双频段（如 800 MHz 和 900 MHz）。
- 提升了覆盖能力（增强覆盖模式，覆盖深度可达地下室）。
- 提高了传输速率，上行速率提升至 150-500 kbps，下行速率提升至 100-300 kbps。
- 支持定位功能（基于 Cell ID 和 A-GNSS）。
NB-IoT R15
-
发布时间：2018 年
-
特点：
- 支持更高的传输速率，上行速率可达 660 kbps，下行速率可达 200 kbps。
- 支持多载波聚合，提升网络容量。
- 优化了定位功能，支持基于 TDOA（到达时间差）的定位。
NB-IoT R16
-
发布时间：2020 年
-
特点：
- 进一步优化了低功耗特性。
- 支持更高的网络容量和更低的延迟。
- 增强了与其他 5G 技术的兼容性。
3. 对中枢设备的依赖情况
NB-IoT 设备需要依赖基站（eNodeB）进行通信，但不需要传统意义上的网关或中枢设备。数据通过基站直接传输到核心网，最终接入互联网。因此，NB-IoT 对中枢设备的依赖较低，但需要依赖运营商的蜂窝网络基础设施。
4. 传输速率
NB-IoT 的传输速率较低，适合低速率、低功耗的应用场景。以下是不同版本的传输速率范围：
- R13：上行 60-250 kbps，下行 20-200 kbps。
- R14：上行 150-500 kbps，下行 100-300 kbps。
- R15：上行 660 kbps，下行 200 kbps。
5. 组网能力
NB-IoT 的组网能力较强，主要体现在以下几个方面：
- 广覆盖：NB-IoT 的覆盖范围比传统 LTE 更广，覆盖深度可达地下室和偏远地区。
- 高连接密度：单个基站可以支持多达 10 万个 NB-IoT 设备同时连接。
- 低功耗：支持 PSM 和 eDRX 模式，设备电池寿命可达 10 年。
6. 接入互联网的能力
NB-IoT 设备可以通过基站直接接入互联网，数据通过核心网传输到云端或服务器。由于 NB-IoT 基于蜂窝网络，因此其接入互联网的能力较强，适合需要广域覆盖和远程管理的物联网应用。
总结对比表
| 特性 | NB-IoT R13 | NB-IoT R14 | NB-IoT R15 | NB-IoT R16 |
|---|---|---|---|---|
| 传输速率 | 上行 60-250 kbps，下行 20-200 kbps | 上行 150-500 kbps，下行 100-300 kbps | 上行 660 kbps，下行 200 kbps | 进一步优化 |
| 覆盖能力 | 单频段，覆盖深度一般 | 双频段，增强覆盖 | 进一步增强 | 进一步优化 |
| 功耗 | 低（PSM 和 eDRX） | 更低 | 更低 | 更低 |
| 组网能力 | 高连接密度，广覆盖 | 更高连接密度，更广覆盖 | 更高连接密度，更广覆盖 | 更高连接密度，更广覆盖 |
| 接入互联网能力 | 强（基于蜂窝网络） | 强 | 强 | 强 |
结论
不同的智能家居通信协议在传输速率、组网能力、对中枢设备的依赖以及接入互联网的能力等方面各有优劣。选择合适的协议需要根据具体应用场景和需求进行权衡。例如，Wi-Fi 适合高速数据传输和互联网接入，而 Zigbee 和 Z-Wave 适合低功耗和大规模组网。Matter 作为一种统一协议，有望解决不同协议之间的兼容性问题，推动智能家居的进一步发展。
NB-IoT 则是一种专为低功耗、低速率、广覆盖物联网应用设计的通信技术，采用运营商网络传输，不需要依赖家庭网络即可连接互联网和工业物联网。其技术规格随着 3GPP 标准的演进不断优化，具有低功耗、广覆盖、高连接密度等优势。尽管传输速率较低，但 NB-IoT 非常适合智能抄表、环境监测、智能停车等场景，能够有效降低设备成本和功耗，同时提供稳定的互联网接入能力。
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