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智能家居市場終于開始獲得推動力。隨著制造商不斷推出創新的技術解決方案，以及消費者對互聯家庭便利性的青睞，專家預計未來幾年智能家居市場的發展勢頭將愈發強勁。
根據Statistica數據，2022-2026年間，全球智能家居市場的收入預計將以13.3%的年增長率增長；到2026年，市場規模預計將達到2,078億美元。IDC的預測也同樣令人期待：智能家居設備的出貨量預計將從2021年的8.957億臺增長到2026年的14億臺以上。
從大局的角度來看，這對智能設備和物聯網領域的傳統玩家和新來者來說都是好消息。然而，要在任何新興市場取得成功，開發人員都需要更深入地了解當今市場現狀，以及塑造未來市場的技術障礙和趨勢。
本文將解讀推動智能家居市場發展的一些主要技術趨勢、物聯網和智能設備工程師在市場轉變過程中必須克服的六大挑戰，以及Qorvo解決方案將如何幫助今天的設備為明天的市場做好準備。
塑造智能家居的新興技術趨勢 ?
有幾個因素推動著智能家居市場向前發展。盡管消費者對家庭自動化的興趣日益高漲，但三大技術變革也為市場的大幅增長奠定了基礎。 ?
Matter標準 ?
第一個轉變是Matter標準的制定——業內首個通用或統一的智能家居連接標準。一直以來，家庭網絡內部缺乏互操作性是該行業需要克服的最大障礙之一。如今，大多數家庭都配備了各種物聯網設備和集線器，而這些設備和集線器只能支持一種或兩種無線連接標準。這就造成了智能家居生態系統中設備間的脫節——對于希望創建全互聯智能家居的業主來說，這無疑是一個重大挫折；對于物聯網產品制造商來說，無論生態系統是否兼容，他們都在努力創造可行的產品。 ?
然而，Matter解決了“圍墻花園”的問題。從本質上講，任何帶有Matter標識的智能家居產品都能與其它Matter產品兼容，從而消除了兼容性問題，使用戶能夠將新的智能設備無縫連接至現有家庭網絡。制造商也將從Matter基于IP的開源方法中獲益；這將簡化開發過程，讓工程師將更多時間用于創新。
網狀網絡?
第二個轉變是網狀網絡越來越高的采用率。這種較新的拓撲結構是Wi-Fi演進過程中的一個重要進步，尤其是在智能家居領域，因為它允許用戶創建一個連接更緊密、通信更可靠的家居環境。
? 網狀網絡基礎設施中的智能家居設備?
Wi-Fi網狀系統包括一個連接至主互聯網連接的路由器和放置在家庭周圍多個類似衛星路由器的設備（或節點），以提供全面的Wi-Fi家庭物聯網覆蓋。Qorvo將此稱為“One Pod Per Room”。這種布局提供了充分的冗余，有助于最大限度提高網絡性能——簡單來說，節點越多，通信傳播得越遠。
網狀網絡或“One Pod Per Room”布局可有效擴展整個家庭的信號范圍，從而提高可靠性，實現與所有設備的實時通信。此外，Wi-Fi部署的進步還允許分離頻譜，并確保信息往返云端的專用回程數據路徑。網狀網絡可自我配置和自我修復：它們會自動將一個新節點并入現有網絡，無需網絡管理員進行調整，而且即使在節點被阻塞或失去信號的情況下，也能找到最快、最可靠的信號來傳輸數據。
?三頻Wi-Fi? ?
最后一個轉變是三頻Wi-Fi的使用率越來越高。該技術通常用于網狀網絡，利用2.4GHz、5GHz和6GHz頻段大大提高了數據容量及覆蓋范圍。
與雙頻相比，三頻技術具有多項優勢。首先，用戶可以使用速度更快的5GHz頻段或Wi-Fi 6E（5GHz 和6GHz頻段）將更多無線設備連接到互聯網。此外，在有多個路由器分散在家中的網狀系統中，較高頻段可作為網絡上兩個路由器間的專用通信線路；與舊式雙頻配置系統相比，整個系統的速度可提高180%。
? 技術挑戰與解決方案? ?
盡管這三項技術進步刺激著市場增長，并為物聯網和智能家居領域的企業帶來令人興奮的機遇，但它們也給開發人員和工程師帶來了一系列全新的挑戰。 以下是智能家居網絡和設備制造商在市場采用這些新技術時將面臨的六大障礙，以及Qorvo提供的一些解決方案。
挑戰1：互操作性 ?
智能家居網絡中物聯網設備和通信協議的激增給工程師和網絡架構師帶來了嚴峻的挑戰；讓保持多種標準間的網絡活動協調且最大限度地減少延遲這一工作，變得更為復雜。
盡管智能家居中的許多物聯網設備都包含針對多種協議的支持，但大多數都依賴于時分復用（TDM）進行通信。時分復用是一種在共用信道上傳輸兩個或多個流數字信號的通信過程。這種方法在設備數量較少的情況下效果很好，但在較為復雜的家庭網絡中，其固有的延遲和可能出現的通信中斷就會造成問題。當多臺設備同時競爭一段通信時間時，網絡活動就可能會中斷。
企業可以通過幾種方式應對這一挑戰。如前文所述，采用一種通用家庭連接標準（即 Matter）將有助于解決設備間的一些通信問題，并降低網狀網絡的復雜性。不過，隨著行業向Matter的過渡，將需要多標準無線電。這些無線電設備將面向未來的網絡，以支持向Matter的遷移，并提供向后兼容性，以連接使用傳統標準的節點。
Qorvo解決方案：QPG6100軟件開發包（SDK）采用Qorvo的ConcurrentConnect技術，利用獨特的方法確?？煽康耐ㄐ排c互操作性。市場上的其它多協議解決方案僅限于一次與所支持單個協議通信，而 Qorvo的ConcurrentConnect技術則可管理所有協議的數據流量，并將技術功能直接集成到芯片中。這樣，無論使用何種協議，物聯網設備之間都能進行流暢、持續的通信，并實現向后兼容。例如，可以在不犧牲響應速度的情況下控制一部Matter網絡上運行的電器、一臺ZigBee語音助手，或一個藍牙節點。
QPG6100系列SDK包括三個開發板，用于將Qorvo控制器集成到具有外設、LED、按鈕和電源的項目中；編程和調試接口也是套件的一部分。參考應用提供了構建并行ZigBee路由器和藍牙Mesh智能照明應用的起點。套件還包含其它幾個示例應用程序，用于控制多種不同的智能家居設備。
挑戰2：RF干擾 ?
伴隨每一代無線技術的發展，智能家居網絡中射頻（RF）的復雜性也在增加。許多家庭RF通信設備使用的標準頻段相互重疊或緊密相鄰。有時，這些頻段非常接近，會導致一個通信頻段干擾另一個頻段發射和接收的信號。
物聯網和5G增加了另一個層次的復雜性，且進一步加劇了設計工程師面臨的挑戰。如今的智能家居物聯網設備必須支持多RF路徑，有時還需要更大的帶寬，并保持低功耗——所有這些都不能在不同通信標準及其正在發射或接收的數據間產生干擾。在一個網絡上運行如此多的標準，減少干擾勢在必行。
幸運的是，RF濾波器技術的進步大大降低了不同協議標準相互干擾的可能性。復雜的多濾波器模塊——如體聲波（BAW）濾波器——正被用于解決RF系統中的共存、容量和范圍問題。此外，更小的濾波器外形尺寸有助于物聯網產品制造商將日益復雜的射頻前端（RFFE）架構壓縮到微小的設備中。
Qorvo解決方案：為滿足真正的網狀三頻段應用需求，需要設計精良的濾波器。Qorvo擁有三種BAW濾波器，可提升Wi-Fi的整體性能、最大限度地提高網絡容量、增加RF范圍，并減輕同時運行的多種不同家用無線電間的干擾。每種濾波器都針對不同類型的用例，解決不同的問題，并具有不同的優勢。
Qorvo的coexBoost濾波器可以添加到無線電發射或接收鏈路中，以便同時使用采用不同連接技術的其它無線電。
Qorvo的edgeBoost濾波器可添加到無線電發射鏈路中，以獲得更佳的性能，尤其是在接近頻帶邊緣的信道范圍內。
Qorvo的bandBoost濾波器是一種頻帶隔離濾波器，可實現特定無線電類型（如 Wi-Fi）的多頻段同時運行，從而成倍提高每個分頻的網絡容量與吞吐量。
挑戰3：保持無縫可靠的連接 ?
如前所述，當今大多數家庭網絡都包含使用多種不同標準和技術的設備。這些設備基本上必須在不同標準間來回切換，一次只與一種標準通信，由此造成了延遲并引發通信中斷。
Qorvo的ConcurrentConnect技術通過使用一種稱為并發監聽的技術來持續接收和轉換通信，從而幫助解決這一問題；它以更快、更可靠的方式進行協議切換，減少數據包丟失，同時仍能保持動態的多協議支持。
內置天線分集的物聯網解決方案還有助于實現更無縫、更可靠的連接。這可以確保始終使用最佳天線，從而最大限度地擴大設備的可靠范圍，并最大限度減少多徑干擾的影響，保持高質量的連接。
Qorvo解決方案：除ConcurrentConnect技術外，Qorvo的QPG6100系列解決方案和QPG7015M控制器還包括獲得專利的天線分集與隔離方案。這一集成功能利用雙天線將可靠范圍擴大一倍，并在擁擠的2.4GHz無線環境中提供了額外的穩健性。這同時減少了重傳，從而延長了電池壽命并最大限度地減少了延遲問題。
挑戰4：創建易于使用的物聯網網絡 ?
智能家居行業一直面臨的挑戰之一就是為業主創造一個即插即用的場景；最終目標是讓用戶在購買智能家居產品并將其帶回家后，僅需在手機上打開一個應用程序就能立即將其添加至自己的網絡中。然而，由于目前存在許多不同的技術、標準和用戶網絡，產品制造商很難實現這一功能。
隨著Matter的推出，即插即用的家庭網絡可能最終成為現實。隨著越來越多的制造商采用這一通用標準，進入市場的大多數新物聯網產品、智能設備，和集線器都將與之兼容。不過，伴隨行業的轉型，物聯網和智能設備制造商將需要配備向后兼容的產品，以確保市場生存能力。
網狀網絡還將幫助用戶和制造商實現易用、低維護的物聯網網絡。采用自愈算法的網狀網絡可以在某些節點不慎失去連接的情況下自動選擇發送數據的最佳路徑。換句話說，該算法可確保流量只通過可用且正常的連接進行路由，從而保持網絡持續運行。網狀網絡還能讓設備之間直接相互通信，而不必通過網關路由所有通信。
具備更強上傳和下載能力的三頻技術，是業界創造更好用戶體驗的另一種方式，尤其是在Wi-Fi視頻流應用領域。然而，使用較高頻段的代價是信號衰減，以及與其它緊密排列的頻譜發生干擾的可能性增大。這就要求設計中必須包含可靠的濾波器解決方案。然而，很少有濾波器供應商能夠滿足5.2GHz頻段抑制、插入損耗和功率處理的標準規范，這給開發人員帶來了一系列全新挑戰。
Qorvo解決方案：Qorvo為開發人員提供了幾種克服可用性挑戰的方法。首先，Qorvo 的通信控制器芯片設計面向未來，支持多種不同的通信協議，包括Matter、ZigBee、Thread和低功耗藍牙技術。這些芯片還具有終身電池和免維護傳感器，以及ConcurrentConnect技術，可使單個無線電同時在不同協議之間實現無縫操作，而不會造成性能損失。這將有助于工程師開發出一種可行的、即插即用的產品，而且能夠向后兼容。
為了解決與三頻技術相關的常見障礙，Qorvo為UNII 5GHz頻段提供了三種濾波器解決方案：QPQ1903、QPQ1904和QPQ2001器件。這三種解決方案均基于Qorvo的BAW濾波器設計和技術能力，可確保不斷增加的頻段間的隔離，并提供低插入損耗，以支持器件性能要求。Qorvo的濾波器不僅能滿足所需的關鍵監管規范，在大多數情況下，它們還能在高達95?C的較高溫度范圍內提供額外的裕量，從而進一步幫助客戶及系統設計人員滿足嚴格的最終產品熱管理要求。
挑戰5：網絡安全和隱私 ?
在物聯網部署過程中，實施適當的安全和隱私措施是一項重大挑戰。當今的物聯網網絡一般呈現碎片化形態，使用各種協議和技術，因此很難控制安全性和隱私性。
這一現實是智能家居市場實現標準化的有力論據。事實上，這也是行業向Matter過渡的一大好處。安全是該標準設計的關鍵要素，其架構基于“安全設計”和“零信任”等最佳實踐。每臺Matter設備都有一個唯一身份，每臺加入網絡的設備都要經過身份驗證，以確保其是獲得Matter認證的合法設備。這樣，應用程序和網絡管理員就可以阻止未經授權或未經認證的設備，帶來另一層保護。
網狀網絡還通過將控制和安全權力置于所有者的手中來提高安全性和隱私性。通常情況下，這些網狀系統借助一個應用程序進行設置、控制和監控。該應用程序可幫助進行網絡設置，并確保設置安全密碼。這一應用程序還允許用戶管理網絡問題、檢查數據速度、設置家長控制等。網狀網絡通常還會進行自動安全更新；許多還提供基于訂閱的安全功能，構建更強的防護，防止惡意軟件、病毒、黑客和網絡犯罪分子的威脅。
Qorvo解決方案：從產品開發的角度來看，安全和隱私功能不再是事后才想到的問題。相反，它們需要在設計流程的最前沿加以考慮，并在整個開發周期中加以解決。選擇像Qorvo的QPG6100系列解決方案和QPG7015M這樣支持Matter和網狀網絡等安全前向技術的產品，可以幫助企業在其物聯網和智能設備解決方案中增強安全性。 ?
挑戰6：功耗 ?
要求制造商降低功耗和開發更環保產品的呼聲不斷高漲。雖然智能設備可以幫助業主減少能耗，但物聯網行業的制造商和供應商仍然感受到了壓力；他們必須開發出能夠減少碳足跡的產品。
許多物聯網產品使用的紐扣電池壽命長達十年，但生產這些電池需要消耗化石燃料。此外，不使用電池的智能設備和物聯網產品仍需電網供電。而且大多數智能家居網絡都包括每周7天、每天24小時持續運行的設備，這意味著這些設備即使不被使用，也在消耗能源。
鑒于此，物聯網和智能設備制造商必須將效率和功耗作為設計的首要考慮因素，并且必須降低整個物聯網網絡的功耗。為了控制功耗要求，需要采用高效的睡眠模式等功能。設備還可以在需要更換電池時自動通知用戶，從而進一步確保高效運行。
Qorvo解決方案：Qorvo提供一系列超低功耗無線數據通信控制器芯片，支持智能家居和物聯網應用。例如，QPG6095J控制器為智能家居發送器設備的超低功耗無線通信提供了完全集成的解決方案，并專門針對照明應用進行了優化。
除了支持多協議和ConcurrentConnect技術等性能特點外，QPG6095J還具有先進的電源管理功能，可確保在活動和待機狀態下最大限度地降低功耗，從而實現免維護和超小型產品。為了降低功耗，集成的DC/DC降壓轉換器可與少量外部元件一起使用?；蛘?，也可以使用內部穩壓器代替集成的DC/DC轉換器，以最大限度地縮減物料清單。
為下一步做好準備? ?
包括全自動家居在內的未來圖景首次觸手可及。在經歷多年的“各自為政”后，智能家居行業正在不斷進步，并為大幅增長做好準備。Matter、網狀網絡和三頻Wi-Fi技術等關鍵技術的發展推動著市場前行，而物聯網領導企業們也正在以這種高度互聯的環境為目標，持續創新并開發新產品。 ?
與任何新興市場一樣，新的進步將為產品開發人員和工程師帶來全新的設計考量。不過，只要有正確的技術解決方案和設計策略，物聯網和智能設備制造商就能創造出不僅能在當今市場取得成功，而且能在未來智能家居中繼續蓬勃發展的產品。 ?
審核編輯：劉清
工商網監
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