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Zigbee費盡心思做mesh網(wǎng)究竟在智能家居中有什么用?

2018-09-13 13:55 電子發(fā)燒友工程師

導(dǎo)讀:在中國推廣Zigbee技術(shù)的這幾年里,我有幸看到來自中國的廠家在物聯(lián)網(wǎng)和智能家居領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn) “彎道超車”,中國的智能家居技術(shù)與市場發(fā)展極其迅猛,我們的產(chǎn)品和系統(tǒng)可以說是世界領(lǐng)先。

  在物聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展的浪潮下,智能家居的熱度也隨之不斷升溫。由于智能家居的安全、節(jié)能、舒適、便利、高效等諸多特點,越來越多的客戶開始接受和開發(fā)智能家居單品和系統(tǒng)。在中國推廣Zigbee技術(shù)的這幾年里,我有幸看到來自中國的廠家在物聯(lián)網(wǎng)和智能家居領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn) “彎道超車”,中國的智能家居技術(shù)與市場發(fā)展極其迅猛,我們的產(chǎn)品和系統(tǒng)可以說是世界領(lǐng)先。

  作為Zigbee中國技術(shù)組的主席,我很高興有這樣一個機會談?wù)勚悄芗揖又械囊粋€重要技術(shù)環(huán)節(jié)——無線連接技術(shù)。當(dāng)然我不會刻意去講Zigbee,相反,我希望可以淡化技術(shù)隔閡,談一談智能家居這么一個特定的應(yīng)用領(lǐng)域到底需要什么樣的無線連接。如文章的題目所示,我希望多從技術(shù)角度出發(fā),以說明問題、解答疑惑。如果另有機會,我的同事們可以從市場的角度聊聊產(chǎn)品與應(yīng)用。

  智能家居系統(tǒng)的技術(shù)界面

  要分析智能家居的無線技術(shù),首先要明確:智能家居的范圍是什么?系統(tǒng)架構(gòu)什么樣?這是我們討論的基礎(chǔ)。下面以智能家居中的一個子系統(tǒng)——智能照明系統(tǒng)為例說明問題。

Zigbee費盡心思做mesh網(wǎng)究竟在智能家居中有什么用?

  圖1 家庭智能照明系統(tǒng)及技術(shù)界面

  如圖1所示,家庭智能照明系統(tǒng)大致可以分為三個技術(shù)界面:①基于云端的應(yīng)用與服務(wù);②家庭范圍的無線控制網(wǎng)絡(luò);以及③智能照明產(chǎn)品內(nèi)部的控制軟件與驅(qū)動電路。

  在這三個技術(shù)界面中,最受人關(guān)注、討論最多也是最讓人迷惑的就是第二個界面:家庭無線控制網(wǎng)絡(luò)。市場上各種產(chǎn)品形態(tài)共存,網(wǎng)絡(luò)上各種觀點百家爭鳴。應(yīng)當(dāng)理解,技術(shù)本身無所謂優(yōu)劣(拙劣的技術(shù)在其發(fā)展中自然而然地被淘汰了),只有適合不適合。我們思考的是:什么樣的無線技術(shù)更適合智能家居網(wǎng)絡(luò)?或者說,智能家居系統(tǒng)對無線互聯(lián)技術(shù)有什么獨特的需求?

  智能家居系統(tǒng)是怎么玩的?

  個人消費者對新生事物的接受度往往超越工業(yè)界的預(yù)計,智能家居亦是一例。

  智能家居范圍極廣,沒有統(tǒng)一的定義。其典型子系統(tǒng)——智能照明,可以簡單到只有一個獨立控制器(手機也是一個控制器)和一盞燈,也可以復(fù)雜到一個集成照明設(shè)備、傳感器、智能開關(guān)以及控制算法的完整照明系統(tǒng)。作為消費者接觸智慧照明的第一步,一個可以用手機控制的、安裝簡單的燈泡是很好的產(chǎn)品形式。這個燈泡可以不那么完美,功能也不豐富,但一定要像普通燈泡一樣,擰上去就好。幾分鐘的時間就可以操作起來。因此,對消費者來說,智能產(chǎn)品的第一個需求就是:低復(fù)雜度、易于安裝。

  當(dāng)消費者慢慢習(xí)慣了用手機控制家里的燈泡,新的需求出現(xiàn)了。這時,和燈泡無縫互聯(lián)的開關(guān)類設(shè)備可以提供更加自然、直觀的服務(wù)。如果配上合適的傳感器,比如運動、溫濕度、光照傳感器,通過設(shè)定特定的規(guī)則,一個小型的、自動運行的照明系統(tǒng)就出現(xiàn)了。這個照明子系統(tǒng)可以和其它的子系統(tǒng)比如安防、影音、廚衛(wèi)、遮陽系統(tǒng)互動。這構(gòu)成了典型的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)。

  因此,智能家居的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)是一個大范圍、多設(shè)備的局域網(wǎng)絡(luò)。用技術(shù)語言來講——它應(yīng)當(dāng)是一個mesh網(wǎng)。

  我們拋開讓人眼花繚亂的技術(shù)指標(biāo)和市場宣傳,順著剛才的思路想一想,一個穩(wěn)定可靠的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)有哪些要素。

  1、mesh網(wǎng)。智能家居系統(tǒng)的節(jié)點數(shù)可以從數(shù)個到數(shù)十個甚至上百個,這與點對點控制的智能單品截然不同,要求網(wǎng)絡(luò)可以提供更大的冗余度以利負(fù)載平衡和路徑選擇。要做到負(fù)載平衡,需要在路由協(xié)議上下功夫,合理創(chuàng)建路由和選擇路由,并進(jìn)行持續(xù)的、動態(tài)的優(yōu)化。

  2、健壯性。在一個節(jié)點數(shù)較多的網(wǎng)絡(luò)中,健壯性至關(guān)重要。智能家居系統(tǒng)多部署在室內(nèi),空間結(jié)構(gòu)上的遮擋、反射以及無線電環(huán)境上的干擾,都對系統(tǒng)的健壯性提出了更高的要求。路由的合理創(chuàng)建和設(shè)備的合理維護(hù),以及不同的通訊報文類型,都對網(wǎng)絡(luò)的健壯性產(chǎn)生決定性影響。

  3、空間的復(fù)用性。在一個有限的頻譜中,怎樣與不同的技術(shù)進(jìn)行合理的避讓和分配,也同樣對無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性提出考驗??臻g訪問機制,以及軟件和協(xié)議的協(xié)同配合在其中起了很大的作用。

  Zigbee為什么要費盡心思做mesh網(wǎng)?

  另一種同樣用于連接低功耗資源受限型設(shè)備的IoT無線技術(shù)——低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)是典型的集中式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(即星形網(wǎng)絡(luò))。比較一下這兩種技術(shù)的特點會非常有意思,也有助于我們加深對IoT無線連接技術(shù)的理解。

  LPWAN(如NB-IoT和Lora)是非常優(yōu)秀的無線網(wǎng)絡(luò),它將IoT設(shè)備長距離地直接連至基站,進(jìn)而接入云端。這一網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了,LPWAN在獲得低功耗、長距離連接的同時,放棄了一個對智能家居而言極其重要的特性——設(shè)備的本地互動。請看下面的例子。

  這是一個極簡單的設(shè)備互動——當(dāng)門被打開時點亮燈泡(當(dāng)然也可以是傳感器)。在一個本地的mesh 網(wǎng)絡(luò)中,門鎖可以和燈泡直接互聯(lián),通過應(yīng)用層的邏輯綁定可一步實現(xiàn)這個功能。而在LPWAN的架構(gòu)下,門鎖必須將消息上報給基站,通?;臼遣粚崿F(xiàn)應(yīng)用邏輯的,需要進(jìn)一步上報給云端。云端通過處理給燈泡下發(fā)指令——開燈或關(guān)燈。對這個應(yīng)用而言,這一數(shù)據(jù)通路明顯過于復(fù)雜了。

  當(dāng)然在實際應(yīng)用中,LPWAN的每次消息傳輸還意味著一筆費用,不過這是另外一個層面的事情。

  進(jìn)一步地,如果上百個設(shè)備都是這樣操作,系統(tǒng)的性能差異將非常明顯。

Zigbee費盡心思做mesh網(wǎng)究竟在智能家居中有什么用?

  圖2 本地mesh網(wǎng)和LPWAN架構(gòu)下的設(shè)備互動

  也許有人會想,為什么不可以在LPWAN,比如NB-IoT設(shè)備上實現(xiàn)本地的通信呢?提出這個問題并不奇怪,甚至有些理所當(dāng)然。我曾經(jīng)在一個研討會上遇見一名物聯(lián)網(wǎng)從業(yè)者,他大篇幅地描述他在NB-IoT上提出的新應(yīng)用,就是基于這個想法。