智能家居行业六大趋势：对嵌入式开发影响几何？

人工智能正在超越简单的自动化，生成式人工智能（GenAI）系统将学习用户行为，以自动优化设备功能。由人工智能驱动的电器可以预测人类的需求，智能技术将实时适应个人偏好，从而调整设置以提高舒适度和效率。如睡眠追踪器、昼夜节律照明和智能空气质量监测仪等设备将成为标准配置；新的基于人工智能的营养助手也可能出现，与智能冰箱和厨房电器集成，根据饮食需求、保质期和健康目标建议食谱。人工智能驱动的个性化将为智能家居注入新的活力。

在人口老龄化和人们不断增强的健康意识的双重推动下，2025年到2030年，家庭医疗保健领域预计将出现超过32%的复合年增长率。智能家居技术可以帮助人们实现健康监测、紧急情况报警以及日常护理等任务。跌倒检测传感器、远程健康监测和智能药物提醒等设备将越来越受欢迎。

沿用多年的、离散的智能家居系统将成为过去式，取而代之的是统一的智能家居生态系统。Matter标准正在获得越来越多的关注，所有家居互联设备将无缝协作，从而极大地改善并增强整体智能家居体验。

预测性维护系统不再是工业界的专利，智能家居系统也将引入这一概念。面部识别、运动感应以及与应急响应服务的集成正在成为常态。未来的智能家居系统甚至可以通过分析历史数据和行为模式来预测并提前消除隐藏的安全漏洞。这些进步可以将家庭安全从被动服务转变为具有内置实时警报和紧急触发器的预防性人工智能解决方案。

语音和手势控制能极大地简化用户的操作，使之轻松自然地与智能家居系统进行交互。除此之外，增强现实（AR）和虚拟现实（VR）也将进入家庭，这些技术将重新定义我们与生活空间的互动方式和管理智能家居设备的方式。

安全和门禁在2024年以超过29%的大份额主导了整个智能家居市场。接下来，多模态威胁检测将让家庭安保和安全走向一体化。智能房间传感器网络创建了全面的安全生态系统，远远超出了传统的报警系统。

用于人体存在检测的红外运动传感、基于声学模式分析的玻璃破裂识别、通过磁性接触传感器监控门窗以及环境危害检测，包括烟雾和一氧化碳等，现代安全传感器结合了多种检测方法，全方位保障家庭的安全。

此外，智能安全传感器在响应之前首先会分析上下文，而不是对每个检测到的事件立即触发警报。在紧急情况下，传感器网络可以协调多个系统的响应，如火灾传感器会自动解锁智能锁，打开通道照明，并向紧急服务发送特定位置的信息，同时通过移动应用程序提醒房主。

智能家居嵌入式系统通常由微控制器/微处理器、传感器、通信接口、内存等核心组件构成。其中，微控制器和微处理器担任设备的“大脑”，运行专用软件来执行任务。传感器用来检测环境变化或用户输入，如收集运动、温度或气体泄漏等信息，并将数据发送到中央智能家居中心或控制器。集线器或控制器则使用这些信息执行预编程操作，例如打开灯、调节恒温器或锁上门等。这些硬件和软件共同构成了智能家居系统“感觉”→决定→行动”的循环。

在嵌入式系统中，连接和通信协议同样是重要的一环。在智能家居的世界里，连接就是一切。设备通过各种通信协议相互通信并响应命令，常见的例子包括Wi-Fi、蓝牙特别是低功耗蓝牙（BLE）、Zigbee、Z-Wave等通信系统。我们要从何处入手才能为智能传感器选择一种适合的无线协议以及对应的通信模块呢？对于智能传感器的设计师来说，下面这些信息可以帮助你做出准确的判断：

• Wi-Fi：其优点是带宽高，但功耗同样也很高。Wi-Fi具有高度的通用性和广泛的支持，这使其适用于各种智能家居设备，尤其是摄像头和环境监视器等数据丰富的传感器。但Wi-Fi会干扰在不同频率上运行的其他设备，墙壁或家具等障碍物也会影响信号强度和覆盖范围。此外，与低功耗协议相比，Wi-Fi的高功耗使其不太适合电池供电的智能家居设备。

• Zigbee/Z-Wave：超低功耗特性使其成为电池供电传感器的理想选择。因具有网状网功能，可在整个大家庭中扩展范围。该协议在设备之间建立了可靠的通信，但不太适合有重大物理障碍的大型家庭和空间。如果你打算开发智能照明或恒温器，可以使用它。

• 蓝牙和BLE：电池供电智能家居设备的首选通信协议，可实现高效的数据传输，并支持设备间的直接通信。虽然蓝牙和BLE非常适合低功耗应用，但不适用于需要广泛覆盖或高数据传输速率的设备，原因是它的短程特性限制了在用户家中的覆盖范围。如果开发智能锁、智能灯泡等，可以使用蓝牙和BLE。

• Thread/Matter：Thread确保了智能家居系统的可扩展性，允许将设备无缝添加到网络中，适用于电池供电的设备。与Wi-Fi或Zigbee等协议相比，Thread设备的可用性相对有限。Matter是一种新兴的标准，可在不同的通信协议之间建立通信，解决了智能家居生态系统中设备的兼容性问题。例如，如果你有一个灯泡和一个来自不同制造商的智能恒温器，Matter可以实现它们之间的数据传输，用户可以通过一个应用程序控制他们的Matter设备。需要注意的是，若要将Matter用于智能家居设备，相应的产品或模块需获得连接标准联盟（CSA）的认证。

这些传感器安装在智能恒温器等设备中，用户可以从任何地方控制家里的温度。这些设备还可以利用AI技术来分析和学习用户的日常习惯和偏好，先进的算法使传感器能够从历史数据和用户行为的学习中为用户选择并设置舒适的温度。借助地理围栏技术，在感知用户的手机位置后，可在用户到达之前为家预热或制冷。

一个值得注意的趋势是，温度传感器技术正变得越来越复杂，已从简单的恒温控制发展到预测性气候管理系统，可同时测量多个大气变量，包括高精度环境温度检测、影响舒适度和空气质量的相对湿度水平、表明天气模式变化的气压变化、室内空气质量评价中的二氧化碳浓度等。

自动照明控制是传感器集成明显的好处之一，但该技术远远超出了简单的开和关。智能照明传感器在调整照明时要考虑多种因素，包括：通过光电传感器检测自然光水平、通过运动和存在检测确定占用状态，为家庭创建一个自适应照明系统。在能源效率方面，这些传感器可实现复杂的能源管理策略，在舒适性和效率之间取得平衡。

运动传感器采用不同的技术、人工智能甚至摄像头来区分人类、宠物和环境变化。这项技术使用户免受误报的困扰，可提供更准确的警报。同时，用户还能自定义活动区域选项，而不是将家中所有区域都列为同等的监控水平，将监控重点放在更敏感的区域。一些智能运动传感器还提供了双向音频选项，此功能允许用户与触发该动作的人交谈，为家庭安全增加了一个保障。此外，运动传感器还可以与其他设备比如光传感器联动，当用户走进房间时，灯会自动打开。

门窗传感器是保证安全和节约能源的有效方法，它们是家庭的第一道防线。每当用户忘记锁门窗或有人试图闯入时，这些传感器都会向用户的智能手机发送实时警报。如果连接到智能灯，这些传感器会在有人进出时自动打开和关闭灯。

智能视频门铃通常配备有摄像头，它们可以让用户通过视频流看到访客、送货员或入侵者。大多数门铃传感器也提供双向音频功能，用户可与另一端的任何人进行通信。即使不在家中，也可以通过智能手机应用程序收到提醒，随时了解来访的是何人。当然，门铃传感器也可以连接到报警器、摄像头等其他智能设备上，增强家庭防护。

火灾对家庭具有毁灭性的破坏力，一提到它，人们就会不寒而栗。烟雾探测器一直是家庭的第一道防火线。现代的智能烟雾/CO传感器在功能上更是超越了传统的烟雾传感器，这些探测器不仅可以探测烟雾，还可以检测房间中的一氧化碳（CO）含量。一氧化碳是一种无色无味的气体，但对人来说却是致命的物质，传感器能在它上升到危险浓度之前检测出来。一些智能烟雾传感器还具有监测房间空气质量的能力，可以连续不停地检查灰尘和花粉含量，甚至其他污染。有了烟雾/CO传感器，我们可以随时家中的空气质量，并据此启动空气净化装置。

在实际应用中，一个传感器在单个外壳内通常包含多个检测单元，它们可以跟踪温度、湿度、空气质量和光照水平，识别人体存在和运动模式等，甚至内置连接模块，通过Wi-Fi、Zigbee等协议实现无线通信。这些智能传感器内置的处理能力使其能够过滤噪声，通过模式识别并触发适当的响应，无需完全依赖中央控制系统。

据MarketsandMarkets的数据，到2026年，智能传感器市场预计将以19%的复合年增长率增长，成为极赚钱的智能家居细分市场。

图：ST25DA-C安全NFC芯片简化了Matter设备架构（图源：STMicroelectronics）

在智能家居系统中，能耗是一个敏感话题，有效延长智能传感器的电池寿命取决于许多方面，如发射功率、接收器灵敏度、数据速率、范围、节点数量和电池容量等。

Silicon Labs的无线产品SiWx917 Wi-Fi 6 + BLE 5.4无线SoC是该公司Wi-Fi 6设备系列中具有极低功耗的产品，非常适合使用Wi-Fi、BLE、Matter和IP网络进行安全云连接的超低功耗物联网无线设备，也是开发需要延长电池寿命的电池供电设备的极佳选择。

SiWx917 SoC包括一个超低功耗Wi-Fi 6 Plus BLE 5.4无线CPU子系统和一个集成微控制器（MCU）应用子系统，以及安全、外围设备和电源管理子系统，所有这些都在一个7mm x 7mm的QFN封装中。其中，无线子系统包括一个运行频率高达160MHz的多线程处理器、基带数字信号处理、模拟前端、2.4GHz射频收发器和集成功率放大器。应用子系统包含一个运行频率高达180MHz的Arm Cortex-M4F、嵌入式SRAM、FLASH、AI/ML加速器和增强的PSA-L2可认证安全引擎，为嵌入式系统在智能家居中的应用提供了一个集成的解决方案。