智能家居中的無線技術(shù)解析

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談智能家居中的一個重要技術(shù)環(huán)節(jié)——無線連接技術(shù)。當然我不會刻意去講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)品與應用。

請注意，本文不談技術(shù)細節(jié)，而是關(guān)注技術(shù)背后的共性問題。這是本文一以貫之的邏輯。

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。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。

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基于云端的應用與服務;②家庭范圍的無線控制網(wǎng)絡;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。市場上各種產(chǎn)品形態(tài)共存，網(wǎng)絡上各種觀點百家爭鳴。應當理解，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？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，也可以復雜到一個集成照明設備、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：低復雜度、易于安裝。

當消費者慢慢習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)類設備可以提供更加自然、直觀的服務。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。

因此，智能家居的無線網(wǎng)絡應當是一個大范圍、多設備的局域網(wǎng)絡。用技術(shù)語言來講——它應當是一個mesh網(wǎng)。

我們拋開讓人眼花繚亂的技術(shù)指標和市場宣傳，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)絡應當有哪些要素。

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)絡可以提供更大的冗余度以利負載平衡和路徑選擇。要做到負載平衡，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)建和設備的合理維護，以及不同的通訊報文類型，都對網(wǎng)絡的健壯性產(chǎn)生決定性影響。

3、空間的復用性。在一個有限的頻譜中，怎樣與不同的技術(shù)進行合理的避讓和分配，也同樣對無線網(wǎng)絡的穩(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)絡結(jié)構(gòu)（即星形網(wǎng)絡）。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，它將IoT設備長距離地直接連至基站，進而接入云端。這一網(wǎng)絡拓撲結(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——設備的本地互動。請看下面的例子。

這是一個極簡單的設備互動——當門被打開時點亮燈泡（當然也可以是傳感器）。在一個本地的mesh 網(wǎng)絡中，門鎖可以和燈泡直接互聯(lián)，通過應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)應用邏輯的，需要進一步上報給云端。云端通過處理給燈泡下發(fā)指令——開燈或關(guān)燈。對這個應用而言，這一數(shù)據(jù)通路明顯過于復雜了。

當然在實際應用中，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。

進一步地，如果上百個設備都是這樣操作，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)下的設備互動

也許有人會想，為什么不可以在LPWAN，比如NB-IoT設備上實現(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上提出的新應用，就是基于這個想法。

其實想一想，不管是NB-IoT還是Zigbee（名字并不重要），幾乎所有（幾乎是為了避免絕對，其實就是所有的）低功耗無線技術(shù)均采用了一個共性技術(shù)——設備休眠。Zigbee， Thread， BLE， NB-IoT， Lora， Z-wave這些常用技術(shù)無一例外。想想這個問題——如何在兩個休眠的設備間（更加技術(shù)的，它們是異步的）建立起長期、穩(wěn)定地通信呢？這是做不到地。

所以，這也印證了一個事實——Zigbee的終端設備（End Device）之間不可以直接通信而必須通過路由;LPWAN設備之間不可以直接通信而必須依賴基站。這兩者并不是巧合，背后有著共同的理念和通信機理。

這個例子也說明了為什么Zigbee （還有Thread等技術(shù)）花費巨大精力制定mesh網(wǎng)標準，為什么藍牙技術(shù)在進軍智能家居時必須開發(fā)出具備mesh功能的網(wǎng)絡技術(shù)。

Zigbee能夠保證認證的產(chǎn)品互聯(lián)互通嗎？

限于篇幅，我再談一個問題——產(chǎn)品的互操作。

首先，Zigbee聯(lián)盟宣稱通過認證的產(chǎn)品可以保證互操作。私有協(xié)議（在實踐中大量存在）的互操作問題不在討論之列。

也許有人會提出異議：“為什么Zigbee需要做認證？其它技術(shù)就不需要？”

（這話是誰說得？你站出來！我跟你談談人生。。。）

這完全是以訛傳訛。據(jù)我所知，所有的以“互操作”為目的的技術(shù)都有嚴格的測試和認證要求。最常見的Wi-Fi，藍牙，還有Zigbee都是要求對產(chǎn)品進行認證的。在Thread這個技術(shù)尚未完全標準化之時，Thread聯(lián)盟就提出要進行嚴格的認證程序（原文：rigorous certification program ）。我當時在現(xiàn)場，記憶猶新。

不僅無線互聯(lián)技術(shù)需要認證，甚至智能家居的生態(tài)系統(tǒng)都會制定認證環(huán)節(jié)以保證產(chǎn)品間的互操作。大家可以自行搜索“華為Hilink認證產(chǎn)品”。

那么，Zigbee所說的“保證產(chǎn)品間的互操作”，它有沒有具體范圍或者條件呢？

首先回答：有的。Zigbee所宣稱的互操作和消費者感受到的互操作是有區(qū)分的。

下面進一步回答Zigbee的標準和測試環(huán)節(jié)所帶來的互操作性，以及市場上大家抱怨的“不能互操作”的差異在哪里。理解這些需要對Zigbee的標準和測試流程有基本了解，大家可以咨詢我們的Zigbee授權(quán)實驗室（CESI， TuV Rheinland， Element， UL， NTS）。

Zigbee作為一個物聯(lián)網(wǎng)開放標準，自標準定義到測試的方法與流程，其目標都是設備通信與行為層面的規(guī)范與互操作性，而不涉及產(chǎn)品本身的性能。換句話說，標準本身定義的是通信各層級（OSI 7層模型或簡化4層模型）的格式與規(guī)范;而測試本身關(guān)注空中數(shù)據(jù)包（over-the-air packet）的合規(guī)性。設備本身的性能差異交給廠商與市場，這也是平衡兼顧 “標準化” 與 “差異化” 的合理結(jié)果。

舉例來說，下述各項屬于Zigbee測試的內(nèi)容，其互操作性由Zigbee標準保證：

1、設備網(wǎng)絡層的基本行為，包括網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)、加入/離開網(wǎng)絡、交互網(wǎng)絡參數(shù)等。

2、設備安全性的行為，包括安全模式的支持、密鑰的生成分發(fā)、密鑰的動態(tài)更新等。

3、設備功能性的行為，包括測試PICS文件中所列的所有Mandatary和Optional行為。

下述各項不屬于Zigbee測試的內(nèi)容，亦不屬于Zigbee所保證的產(chǎn)品互操作的范圍：

1、功能參數(shù)在產(chǎn)品表達上的一致性。比如同一亮度和顏色參數(shù)在不同產(chǎn)品的光學表達不一致（色度差）。

2、命令在執(zhí)行上的細微差異。比如設備執(zhí)行“OFF”命令時設備斷開的時間不一致（有快有慢）。

3、設備RF性能上的差異。比如不同公司的產(chǎn)品在網(wǎng)絡中的性能表現(xiàn)不一致、不同的產(chǎn)品具有不同的信號強度和有效傳播距離。

4、設備自身的性能和穩(wěn)定性。比如有些產(chǎn)品可以長時間穩(wěn)定地存在于網(wǎng)絡中，有些產(chǎn)品有更高的斷網(wǎng)概率。

同時，在大范圍的網(wǎng)絡中，數(shù)量眾多的設備因網(wǎng)絡參數(shù)不一致帶來的網(wǎng)絡行為差異也是被頻繁提及的。比如路由設備的帶載能力，數(shù)據(jù)緩存時間與數(shù)據(jù)請求的頻率（Data Poll Rate），廣播消息的頻率與次數(shù)，設備掉線后發(fā)起新入網(wǎng)請求的觸發(fā)條件，以及繁多的參數(shù)窗口的選擇帶來的行為差異，不一而足。

應當說明，產(chǎn)品性能的一致性并非Zigbee聯(lián)盟的訴求，也不應當是一項IoT國際開放標準的責任。工業(yè)界在追求互聯(lián)互通的技術(shù)的同時，亦需要足夠的空間追求產(chǎn)品的差異化與品牌附加值。

Zigbee聯(lián)盟始終正視來自產(chǎn)業(yè)界的需求，并積極給出方案以滿足消費者對于互操作的要求。聯(lián)盟目前的一些工作包括：

1） 認證過程中增加新的測試內(nèi)容以提高產(chǎn)品互操作性;

2） 對已有的可選功能（optional cluster）進行梳理和優(yōu)化;

3） 對已有的功能進行強化和擴展;

結(jié)束語

做Zigbee中國成員組主席的這兩年來，我深深地為我國物聯(lián)網(wǎng)和智能家居事業(yè)的蓬勃發(fā)展感到自豪。優(yōu)秀的產(chǎn)品與系統(tǒng)引領(lǐng)著全球IoT行業(yè)的發(fā)展，中國速度也一次又一次的讓國際友商們感到驚訝、贊嘆。我希望通過這個平臺，可以和大家多多交流智能家居行業(yè)的技術(shù)、產(chǎn)品、市場、生態(tài)。也期待大家的反饋！