『这个知识不太冷』智能家居是如何改变我们的生活的?

原创 Qorvo半导体 2024-05-23 10:20

『这个知识不太冷』系列,旨在帮助小伙伴们唤醒知识的记忆,将挑选一部分Qorvo重点的知识点,结合产业现状解读,以此温故知新、查漏补缺。本篇将深入介绍物联网(IOT)如何为智能家居提供动力,以及网状网络/每间房一个pod通信如何实现物联网连接。




当今智能家居调查


过去几年,随着制造商开发出越来越多可连接至家庭网络的设备,智能家居概念随之兴起。智能家居网络使房主能够有效地利用资源,使用语音命令控制设备和家用电器,并根据设备提供的数据做出决策。智能家居的潜力巨大:它可用于提高能效、舒适度、安全性、娱乐性和便利性。


当今大多数智能家居都配备了各种物联网设备、集线器和传感器,它们可通过家庭网络/网关进行通信,并最终与云端通信。房主可在家里的任意位置进行控制,甚至可以通过互联网进行远程控制。


智能家居系统可能包括多个与家居应用相关的无线连接标准。表3-1显示了其中一些标准的特性及相互之间的区别。此外,这些家庭网络可能由几个在主网关下运行的互连网络组成。


表3-1:智能家居开放标准和一些关键特性


当今的许多智能家居都是由一些特殊节点组成。节点是一种在网络上拥有自己唯一地址的硬件;节点可以是设备,也可以是集线器:


  • 设备设备(例如:恒温器或灯泡)通常只有一个网络连接点。设备可能需要也可能不需要保持实时跟踪,具体取决于其功能。

  • 集线器集线器是一个管理网络流量的盒子;它可能有许多连接点,因为可以连接至多个设备。集线器必须保持实时跟踪,以便高效和有效地分派事件。


单集线器网络由一个集线器节点和一个或多个设备节点组成。集线器管理网络中设备之间的事件和信息交换。多集线器网络包含多种集线器,如图3-1中所示。图3-1中的网络布局包含两个集线器,每个集线器使用不同的网络协议(蓝牙和ZigBee)。各个设备连接至其中一个集线器。然后集线器连接至网关,网关可与两个集线器通信。


图3-1:采用ZigBee和蓝牙集线器的智能家居




网状网络/每间房一个Pod


为了打造一个连接更紧密、通信更可靠的智能家居,消费类产品开始采用新型拓扑结构,名为网状网络,有时候也称为“每间房一个 Pod”。网状网络可以轻松地扩大无线设备的范围,并在办公室、住宅甚至户外等区域提供一致的高数据速率。此外,使用“每间房一个 Pod”的网状网络支持多种协议,可减少家庭中使用多个网格系统的开销。


网状网络是Wi-Fi演变过程中的一次重要发展,尤其是在智能家居领域。Wi-Fi网格系统包括连接至主要互联网连接的路由器,以及放置在住宅周围的多个类似卫星路由器的设备(或节点),以提供全面的Wi-Fi家居物联网覆盖(参见图3-2)。这种先进的网状网络可提供完全冗余,并充分提高网络性能。


图3-2:网状网络基础设施中的智能家居设备


节点越多,连接点传播的距离就越远,如图3-3中所示。网状网络可以有效地将信号范围扩展到整个住宅,从而提高了可靠性,可实现与所有设备的实时通信。Wi-Fi部署技术的进步支持频谱分离,并可确保信息通过专用回传数据路径往返于云端。它们还可为设备提供专用数据流。此外,一些设备可以存储数据。这些存储的数据可以节省用户成本,进一步提高网络可靠性,并且支持更智能的数据驱动应用。


图3-3:分布式“每间房一个Pod”物联网连接网络


网状网络还可自行配置。因此,它可以自动将新节点整合到现有网络中,无需网络管理员进行调整。这使得网络更具适应性和可扩展性。网状网络还可以通过自动寻找最快速且最可靠的信号来传输数据,实现自我修复,即使在节点阻塞或信号丢失的情况下亦是如此。


当今许多网状网络使用所谓的三频段Wi-Fi网关和终端节点。三频段Wi-Fi可通过在网关和终端节点中使用2.4GHz、5.2GHz和5.6 GHz频段来提高数据容量和覆盖范围。在三频段系统中,第二个5.6 GHz频段充当网络上两台路由器之间的专用通信线路,从而使整个系统的速度比旧的双频段配置系统快180%


因此,Wi-Fi三频段的优势显而易见。首先,它可以通过使用更快的5GHz频带以及Wi-Fi 6E(5GHz和6GHz频段)、Wi-Fi 7(支持2.5G、5G、6G三频段同时工作),将更多的无线设备连接至互联网。如果您的网络是一个网格系统,配备多个分散在整个空间内的路由器,那么更高频段可充当两个路由器之间的专用通信线路,以提高整个系统的速度。


三频段系统的第三个无线电还可用于网格路由器之间的回传通信。这样一来,它就创建了一条专用线路,仅供路由器之间的数据流使用。尽管双频段系统使用相同的Wi-Fi带宽来连接至其他路由器和接入点,但在三频段系统中,终端设备可立即用于设备连接。这可将效率提高50%,特别是添加了更多网络设备的情况下。


此外,由于该无线电传播速度更快,因此DSL/电缆调制解调器的连接速度将远不止于此。相反,它们可以传送至整个网络。这对于当今和未来智能家居中的智能电视和摄像头的Wi-Fi视频流非常有益。


为了确保您现有家居网络系统能够适应未来发展需求,您需要使用三频段系统。实施三频段系统是确保未来容量和速度的最佳解决方案


网状网络系统的另一个重要发展就是采用滤波器技术,以进一步提高容量和扩大每间房一个Pod拓扑的范围。使用bandBoost滤波器可通过增强三频段网格系统中的频段隔离,最大限度地提高网络容量和覆盖范围。使用edgeBoost滤波器可通过最大限度地提高靠近频带边缘的Wi-Fi通道的输出功率来提高容量和扩大范围。在后续的章节中,我们将详细阐述这些主题及其如何解决网状网络中的共存挑战。


正如《『这个知识不太冷』物联网的前世今生》一篇所述,在一个原本碎片化的智能家居设备市场,Matter标准现已成为有力的推动力量;其有助于管理智能家居中各种标准的无线网关、房间间扩展设备和智能设备。Matter在全屋范围设置网状网络,帮助协调多种连接标准的智能家居生态系统、设备及应用。它将整合包括照明、电气设备(如灯泡和插座)、HVAC温度控制器、门锁和安全传感器、窗帘、电视等在内的各种应用。Matter降低了复杂性,并消除对支持何种标准以及支持级别的不确定性,使智能家居的开发更加顺畅。


我们将在后续的章节中继续讨论物联网所面对的挑战,以及技术的进步如何帮助应对这些挑战请继续关注~



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