Zigbee費(fèi)盡心思做mesh網(wǎng)究竟在智能家居中有什么用？

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(diǎn)，越來(lái)越多的客戶開(kāi)始接受和開(kāi)發(fā)智能家居單品和系統(tǒng)。在中國(guó)推廣Zigbee技術(shù)的這幾年里，我有幸看到來(lái)自中國(guó)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(guó)的智能家居技術(shù)與市場(chǎng)發(fā)展極其迅猛，我們的產(chǎn)品和系統(tǒng)可以說(shuō)是世界領(lǐng)先。

作為Zigbee中國(guó)技術(shù)組的主席，我很高興有這樣一個(gè)機(jī)會(huì)談?wù)勚悄芗揖又械囊粋€(gè)重要技術(shù)環(huán)節(jié)——無(wú)線連接技術(shù)。當(dāng)然我不會(huì)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(gè)特定的應(yīng)用領(lǐng)域到底需要什么樣的無(wú)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(shuō)明問(wèn)題、解答疑惑。如果另有機(jī)會(huì)，我的同事們可以從市場(chǎng)的角度聊聊產(chǎn)品與應(yīng)用。

要分析智能家居的無(wú)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(gè)子系統(tǒng)——智能照明系統(tǒng)為例說(shuō)明問(wèn)題。

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(gè)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(wú)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(dòng)電路。

在這三個(gè)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(gè)界面：家庭無(wú)線控制網(wǎng)絡(luò)。市場(chǎng)上各種產(chǎn)品形態(tài)共存，網(wǎng)絡(luò)上各種觀點(diǎn)百家爭(zhēng)鳴。應(yīng)當(dāng)理解，技術(shù)本身無(wú)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(wú)線技術(shù)更適合智能家居網(wǎng)絡(luò)？或者說(shuō)，智能家居系統(tǒng)對(duì)無(wú)線互聯(lián)技術(shù)有什么獨(dú)特的需求？

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

智能家居范圍極廣，沒(méi)有統(tǒng)一的定義。其典型子系統(tǒng)——智能照明，可以簡(jiǎn)單到只有一個(gè)獨(dú)立控制器（手機(jī)也是一個(gè)控制器）和一盞燈，也可以復(fù)雜到一個(gè)集成照明設(shè)備、傳感器、智能開(kāi)關(guān)以及控制算法的完整照明系統(tǒng)。作為消費(fèi)者接觸智慧照明的第一步，一個(gè)可以用手機(jī)控制的、安裝簡(jiǎn)單的燈泡是很好的產(chǎn)品形式。這個(gè)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(shí)間就可以操作起來(lái)。因此，對(duì)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，智能產(chǎn)品的第一個(gè)需求就是：低復(fù)雜度、易于安裝。

當(dāng)消費(fèi)者慢慢習(xí)慣了用手機(jī)控制家里的燈泡，新的需求出現(xiàn)了。這時(shí)，和燈泡無(wú)縫互聯(lián)的開(kāi)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(yùn)動(dòng)、溫濕度、光照傳感器，通過(guò)設(shè)定特定的規(guī)則，一個(gè)小型的、自動(dòng)運(yùn)行的照明系統(tǒng)就出現(xiàn)了。這個(gè)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(yáng)系統(tǒng)互動(dòng)。這構(gòu)成了典型的智能家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

因此，智能家居的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)是一個(gè)大范圍、多設(shè)備的局域網(wǎng)絡(luò)。用技術(shù)語(yǔ)言來(lái)講——它應(yīng)當(dāng)是一個(gè)mesh網(wǎng)。

我們拋開(kāi)讓人眼花繚亂的技術(shù)指標(biāo)和市場(chǎng)宣傳，順著剛才的思路想一想，一個(gè)穩(wěn)定可靠的智能家居無(wú)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(diǎn)數(shù)可以從數(shù)個(gè)到數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)，這與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(dòng)態(tài)的優(yōu)化。

2、健壯性。在一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(wú)線電環(huán)境上的干擾，都對(duì)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(bào)文類型，都對(duì)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(gè)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(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性提出考驗(yàn)。空間訪問(wèn)機(jī)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。

另一種同樣用于連接低功耗資源受限型設(shè)備的IoT無(wú)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(diǎn)會(huì)非常有意思，也有助于我們加深對(duì)IoT無(wú)線連接技術(shù)的理解。

LPWAN（如NB-IoT和Lora）是非常優(yōu)秀的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，它將IoT設(shè)備長(zhǎng)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(zhǎng)距離連接的同時(shí)，放棄了一個(gè)對(duì)智能家居而言極其重要的特性——設(shè)備的本地互動(dòng)。請(qǐng)看下面的例子。

這是一個(gè)極簡(jiǎn)單的設(shè)備互動(dòng)——當(dāng)門被打開(kāi)時(shí)點(diǎn)亮燈泡（當(dāng)然也可以是傳感器）。在一個(gè)本地的mesh 網(wǎng)絡(luò)中，門鎖可以和燈泡直接互聯(lián)，通過(guò)應(yīng)用層的邏輯綁定可一步實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。而在LPWAN的架構(gòu)下，門鎖必須將消息上報(bào)給基站，通常基站是不實(shí)現(xiàn)應(yīng)用邏輯的，需要進(jìn)一步上報(bào)給云端。云端通過(guò)處理給燈泡下發(fā)指令——開(kāi)燈或關(guān)燈。對(duì)這個(gè)應(yīng)用而言，這一數(shù)據(jù)通路明顯過(guò)于復(fù)雜了。

當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用中，LPWAN的每次消息傳輸還意味著一筆費(fèi)用，不過(guò)這是另外一個(gè)層面的事情。

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

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

也許有人會(huì)想，為什么不可以在LPWAN，比如NB-IoT設(shè)備上實(shí)現(xiàn)本地的通信呢？提出這個(gè)問(wèn)題并不奇怪，甚至有些理所當(dāng)然。我曾經(jīng)在一個(gè)研討會(huì)上遇見(jiàn)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(gè)想法。