在点对点或星形网络中,信号范围是输出功率的函数。为了确保设备可以使用电池运行足够长的时间,或提高能源效率,理想的情况是降低功耗和输出功率。但是,尽管功耗降低,设备仍需能够与其他设备进行通信和交互。网状网络中每台设备的传输距离更短,因此功耗降低。由于通信通过网状网络上的设备中继,因此系统的总体通信距离可以得到改善。

网状网络还具有其他通信方面的益处,例如它们能够进行动态自愈。举例来说,如果网状网络中的一个节点发生故障,通信能够进行重路由,进而改善可靠性。网状网络的另一重要益处是设备能够直接相互通信。在很多情况下,例如灯泡对开关进行响应,这可以实现消费者期望的快速响应。

网状网络对应用的影响

使用网状网络,可以使总体系统性能和最终用户体验得到显著改善。借助于楼宇和家庭自动化,设备能够直接相互通信。灯泡开关的操作可直接通过本地网状网络发送至灯泡,无需通过网关与云端进行路由通信。

Networking18060601 图1:星形网络与Mesh网络的对比。

这种立即响应能够改善消费者体验。此外,对于一些用例,例如HVAC系统在发生火灾警报的情况下关闭通风,网状网络上的本地通信能够确保正确的系统运行,无需依赖云连接性。

照明系统的部署和管理可得到简化。网状网络提供的长距离连接性意味着互联电灯可部署在距离集线器较远的地方(和星形网络相比)。集线器或网关可部署在一地,然后再部署互联电灯。在部署每一盏灯时,通信距离扩大,使得一个网关能够有效覆盖更大面积。

管理用于零售市场或资产跟踪的信标会变得更加轻松,因为无需每个信标都在手机范围内。此外,还可以在这些区域和设备类型上结合功能。例如,互联电灯不仅可实现自动化,还可用作信标。这种方法能够通过增加位置服务和广告等功能增加电灯的功能和价值。

Networking18060602 图2:Mesh网络在零售市场中的应用。

多种无线协议的案例

与已经部署的系统的互操作是一条重要的考量因素。以住宅为例,大量设备可能使用 ZigBee或Thread构成网状网络。网关或集线器与网关的组合很可能已将这些设备连接到云端以实现更多服务。智能手机也可能与云端通信,然后返回到设备。

为了支持智能手机与设备直接通信,或支持Apple HomeKit等生态系统,需要蓝牙(Bluetooth)连接性。如果所有设备都支持该协议,则Bluetooth可以与另一网状网络结合使用或独自用作网状网络。在设备中添加对多种协议的支持也可带来诸多益处,例如使用智能手机设置或调试设备,而无需ZigBee或Thread网络上的显示。

借助于Silicon Labs多协议软件和硬件,可以设计出支持多种无线连接协议的单一产品。这可以是在现场同一设备进行多种协议的连接,也可以是能够在现场或工厂配置成多种不同无线协议之一的设备。通过在同一SoC 上,或者管脚兼容的SoC上支持多协议,公司用户可以灵活调整自己的市场策略。借助于安全的更新机制,这些设备能够在现场进行更新以增加其他功能,或对市场上的任何变化作出反应,例如需要特定网状网络的,人气彪升的某个生态系统。

确定合适的网状网络技术

对于大多数现有家庭自动化和照明系统,必须考虑现有生态系统和部署。例如,为了能够兼容Apple HomeKit,即使设备通过网状网络连接到其他设备,它也必须支持Bluetooth连接进行通信以支持Apple HomeKit。

许多现有设备使用 Zigbee;对于基于网状 Bluetooth 等技术的新设备,必须考虑通过终端设备或支持多种协议的网关所实现的互操作性策略。同样,不同服务提供商对特定协议或多协议支持有要求,在选择合适的连接性解决方案时必须予以考虑。

连接性要求应考虑整个生态系统,从终端设备到任何网关或集线器,再到应用层和服务提供商。本身不支持IP的网络技术,例如ZigBee和网状Bluetooth,必须首先在网关处适配IP。该过程涉及本地网络地址的映射以及将网络层有效荷载重新封装成IP数据报。相反,本身支持IP的本地网络,如Thread,可以在不需要介入的情况下转发和路由应用程序有效荷载。在本地网络中加密的数据包在端到端传输过程中仍能保持安全。

比较网状网络标准

每个网状网络标准为不同的设备类型和应用提供了基于标准的支持。ZigBee 为家庭自动化、照明和计量提供了成熟的应用层支持,而第一个网状Bluetooth规范主要侧重于照明和一些家庭自动化支持。Thread是三种网状网络技术中唯一一种基于IPv6的网状网络技术。这提供了一些独特的益处,例如同一网络或跨网络的端到端路由和可寻址性,而无需实施其他转换层。

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大多数连接设备得益于到云端的连接,从而实现数据聚合等用例。支持Bluetooth低功耗的网状Bluetooth设备能够通过智能手机或平板电脑提供到云端的连接性。这当然是一种临时连接,因为设备在手机或平板电脑不存在时将无法连接到云端以发送或接收信息,因此需要网关提供始终连接的体验。ZigBee需要用于云连接性的网关,而Thread具有基于IP的连接性,因此不需要全网关来在网状网络之间进行桥接。借助于Thread,边界路由器能够以更轻量的方式通过IP实现设备与云端的直接通信。

基于所用寻址方案的理论网络规模不能准确反映网络在实际实现中所需的节点数量。实际限制取决于许多因素,包括网络拓扑、数据包大小和性能要求,例如吞吐量和延迟。尽管可以用ZigBee部署一个极大的商业网络,例如位于拉斯维加斯的Aria Hotel的商业系统,它拥有超过80,000台联网ZigBee设备和多个子网,但实际应用中每个子网的ZigBee设备都限制在100多台。Thread 1.1协议针对每个网络大约250个节点的性能进行了优化,但是由于Thread基于IP,因此边界路由器能够使网络轻松得到扩展和分布。

借助于网状Bluetooth中的受控泛洪式模型,设备能够向许多设备进行广播而无需管理路由表,这样就变得非常简单,有利于网状节点可移动或频繁变化的动态用例。但是,对于大型网络,受控型中继需要在安装期间进行网络规划,因为并非每个节点都能配置为中继设备,那样会导致网络性能下降。ZigBee和Thread等技术具有路由和自动路由表管理功能,从而可实现更高效的网络通信并自动形成网络和节点角色。

协议的全面能力还取决于相应的应用层。虽然Thread协议不包括应用层,但可以使用任何基于IP的应用层,例如dotdot或OCF。网状Bluetooth包括一个被称为网状网络模型的本地应用层,它是一种全新的应用层,对不同设备类型的支持更有限(相比ZigBee或Thread的支持)。网状Bluetooth能够很好地支持照明模型,还能支持通用控制,例如开/关、传感器、滑动条、电源和电池状态,但缺少许多家居配件的专用模型,例如门锁、HVAC 或包含为互操作性定义的特定功能的窗户。

除了支持多种网状网络协议外,ZigBee等网状网络协议还能与Bluetooth低功耗相结合,从而使用针对ZigBee设备的智能手机通过Bluetooth调试来简化设备设置,或提供支持Apple Homekit所需的Bluetooth连接性。

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网状Bluetooth与Bluetooth低功耗相结合,提供了将信标融入网状系统的独特方式;Bluetooth SIG目前正在构建专用的信标管理模型。

当然可以扩展和构建自定义实现以支持特定的设备类型,但是在选择协议和应用层之前,必须意识到这样做所需的工作量和未来对设备互操作性的影响,这一点至关重要。

总结

每个网状网络协议都具有技术优势,但需要考虑它们在市场上的成熟度和已建立的部署。一种协议可能无法满足所有产品或市场的需求。

对于无线协议还必须考虑许多因素,尤其是已部署的系统,它们需要通过终端设备或支持多种协议的网关所实现的互操作性策略。一般来说,连接性要求应始终考虑整个生态系统,从终端设备到任何网关或集线器,再到应用层和服务提供商。

目前的大量选择能够解决当前市场需求,同时也有助于规划未来。如果在设计过程中使用多协议软件和硬件,可以设计支持多种无线连接性和协议的单一产品,使最终用户能够根据实时业务需求在现场自由调整和更新设备连接和用例。

本文来自《电子工程专辑》2018年6月刊,版权所有,谢绝转载