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Zigbee费尽心思做mesh网究竟在智能家居中有什么用?

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发表时间:2018-10-24 17:09作者:云海物联来源:云海物联智能家居


在物联网蓬勃发展的浪潮下,智能家居的热度也随之不断升温。由于智能家居的安全、节能、舒适、便利、高效等诸多特点,越来越多的客户开始接受和开发智能家居单品和系统。在中国推广Zigbee技术的这几年里,我有幸看到来自中国的厂家在物联网和智能家居领域实现 “弯道超车”,中国的智能家居技术与市场发展极其迅猛,我们的产品和系统可以说是世界领先。

成都亿佰特电子科技有限公司是一家专注于物联网通信的高新企业,拥有数百项自主研发产品,并获得客户的一致认可。公司拥有强大的研发技术实力,具备完善的售后体制,为客户提供完善的解决方案和技术支持,缩短研发周期,减少研发成本,更为全新的产品研发思路提供一个强大的平台。

智能家居系统的技术界面

要分析智能家居的无线技术,首先要明确:智能家居的范围是什么?系统架构什么样?这是我们讨论的基础。下面以智能家居中的一个子系统——智能照明系统为例说明问题。


如图所示,家庭智能照明系统大致可以分为三个技术界面:①基于云端的应用与服务;②家庭范围的无线控制网络;以及③智能照明产品内部的控制软件与驱动电路。

在这三个技术界面中,最受人关注、讨论最多也是最让人迷惑的就是第二个界面:家庭无线控制网络。市场上各种产品形态共存,网络上各种观点百家争鸣。应当理解,技术本身无所谓优劣(拙劣的技术在其发展中自然而然地被淘汰了),只有适合不适合。我们思考的是:什么样的无线技术更适合智能家居网络?或者说,智能家居系统对无线互联技术有什么独特的需求?

智能家居系统是怎么玩的?

个人消费者对新生事物的接受度往往超越工业界的预计,智能家居亦是一例。

智能家居范围极广,没有统一的定义。其典型子系统——智能照明,可以简单到只有一个独立控制器(手机也是一个控制器)和一盏灯,也可以复杂到一个集成照明设备、传感器、智能开关以及控制算法的完整照明系统。作为消费者接触智慧照明的第一步,一个可以用手机控制的、安装简单的灯泡是很好的产品形式。这个灯泡可以不那么完美,功能也不丰富,但一定要像普通灯泡一样,拧上去就好。几分钟的时间就可以操作起来。因此,对消费者来说,智能产品的第一个需求就是:低复杂度、易于安装。

当消费者慢慢习惯了用手机控制家里的灯泡,新的需求出现了。这时,和灯泡无缝互联的开关类设备可以提供更加自然、直观的服务。如果配上合适的传感器,比如运动、温湿度、光照传感器,通过设定特定的规则,一个小型的、自动运行的照明系统就出现了。这个照明子系统可以和其它的子系统比如安防、影音、厨卫、遮阳系统互动。这构成了典型的智能家居无线网络。

因此,智能家居的无线网络应当是一个大范围、多设备的局域网络。用技术语言来讲——它应当是一个mesh网。

我们抛开让人眼花缭乱的技术指标和市场宣传,顺着刚才的思路想一想,一个稳定可靠的智能家居无线网络应当有哪些要素。

1、mesh网。智能家居系统的节点数可以从数个到数十个甚至上百个,这与点对点控制的智能单品截然不同,要求网络可以提供更大的冗余度以利负载平衡和路径选择。要做到负载平衡,需要在路由协议上下功夫,合理创建路由和选择路由,并进行持续的、动态的优化。

2、健壮性。在一个节点数较多的网络中,健壮性至关重要。智能家居系统多部署在室内,空间结构上的遮挡、反射以及无线电环境上的干扰,都对系统的健壮性提出了更高的要求。路由的合理创建和设备的合理维护,以及不同的通讯报文类型,都对网络的健壮性产生决定性影响。

3、空间的复用性。在一个有限的频谱中,怎样与不同的技术进行合理的避让和分配,也同样对无线网络的稳定性提出考验。空间访问机制,以及软件和协议的协同配合在其中起了很大的作用。

Zigbee为什么要费尽心思做mesh网?

另一种同样用于连接低功耗资源受限型设备的IoT无线技术——低功耗广域网(LPWAN)是典型的集中式网络结构(即星形网络)。比较一下这两种技术的特点会非常有意思,也有助于我们加深对IoT无线连接技术的理解。

LPWAN(如NB-IoT和Lora)是非常优秀的无线网络,它将IoT设备长距离地直接连至基站,进而接入云端。这一网络拓扑结构决定了,LPWAN在获得低功耗、长距离连接的同时,放弃了一个对智能家居而言极其重要的特性——设备的本地互动。请看下面的例子。

这是一个极简单的设备互动——当门被打开时点亮灯泡(当然也可以是传感器)。在一个本地的mesh 网络中,门锁可以和灯泡直接互联,通过应用层的逻辑绑定可一步实现这个功能。而在LPWAN的架构下,门锁必须将消息上报给基站,通常基站是不实现应用逻辑的,需要进一步上报给云端。云端通过处理给灯泡下发指令——开灯或关灯。对这个应用而言,这一数据通路明显过于复杂了。

当然在实际应用中,LPWAN的每次消息传输还意味着一笔费用,不过这是另外一个层面的事情。

进一步地,如果上百个设备都是这样操作,系统的性能差异将非常明显。

也许有人会想,为什么不可以在LPWAN,比如NB-IoT设备上实现本地的通信呢?提出这个问题并不奇怪,甚至有些理所当然。我曾经在一个研讨会上遇见一名物联网从业者,他大篇幅地描述他在NB-IoT上提出的新应用,就是基于这个想法。