怎么选择最合适的智能照明互联技术?

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当下智能照明产品种类繁多,各具特色的智能照明产品充斥着我们的市场,那么如何选择适合自己的智能照明产品至关重要。

说到智能照明,除了光源部分的不断进步之外,不能不提到各种无线通讯技术,他们承担了智能照明从封闭到开放,从私有网络向更广阔系统迈进的重要一环。

在无线智能照明产品的开发和应用中,最常见的问题莫过于到底应该选择哪种无线技术。在现有的存量产品和系统中,ZigBee当仁不让的独占鳌头。ZigBee的自组网的“Mesh”网络被照明界认为是最贴近实际场景的技术。

但不得不提的是,在无线智能照明市场一片大好的形势下,其它无线连接技术也开始打着“Mesh”的招牌进行宣传,希望引起业界关注进而扩大自己的市场份额。于是很多厂商手中握着ZigBee,看着低功耗蓝牙,再想想“拥抱”互联网的Wi-Fi,实在是拿不定主意。

让我们暂时抛下“Mesh”这个名字的外衣,先认真想一想,一个稳定可靠的照明网络有哪些要素:

  1. 平衡负载。

智能照明系统网络的节点数可以从数个到数十个甚至上百个,这就要求网络可以提供更大的冗余度以利负载平衡。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,并持续的优化。

  1. 健壮性。

在照明网络,尤其是在一个节点数较多的网络中,健壮性至关重要。相当多的智能照明系统部署在室内,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。

  1. 空间的复用性。

在一个有限的射频频谱中,怎样与不同的技术标准进行合理的避让和分配,也同样是对一个照明网络稳定性的考验。频谱的划分,使用以及软件和协议的协同配合在其中起了很大的作用。

  1. 在智能照明系统里,往往会遇到不同厂家的产品和方案的互通互联。

如果协议的互通互联性在协议制定之初就给予充分考虑,可以极大地简化应用难度和提高应用和开发过程的标准化。

有了上述的特点和需求,我们再来看看不同的技术能否体现这些要素。

ZigBee — Mesh技术的集大成者

ZigBee技术从诞生的第一天起就把Mesh网络作为最大的招牌来研究和推广,当然毋容置疑的也把做好Mesh作为最重要的使命之一。

  1. 低开销路由算法

ZigBee路由协议采用基于按需距离矢量 (AODV, Ad-hoc On Demand Vector) 路由算法。根据节点的需求发起路由发现过程,路由表信息也是按需建立的。

当需要发送数据包时,如果找不到目的节点的路由表信息,该节点就需要开始路由发现过程建立路由表信息。不需要路由在没有需求情况下,发起大量的路由发现来建立路由表,节省了一定的网络资源。

另外路由表中不需保存完整的路由信息,只需要保存到目的节点的下一跳地址,对应目的节点地址和链路状态信息,大大节省了路由维护的开销。整个网络既保证了路由的简单快捷,也减少了不必要的开销。

当进行通讯的时候,只有相关的路由路径进行通讯,不会干扰到其它的不相关路径。这对于大网络的应用尤其适合。

  1. 丰富的报文格式类型

ZigBee有着丰富的报文格式。在ZigBee协议中,数据帧根据不同的应用需求分为单播,组播和广播。

应用中需要对某个特定设备进行控制,或者需要对做出快速响应时就可以通过单播方式,直接指定目标地址进行数据发送。单播使得通信更加快速有效,但是对于某些应用,需要对网络中的所有设备进行控制,单播就会加大整个网络流量,并且会造成较大的时延问题。

针对此类应用需求,ZigBee加入了广播机制,协调器和路由器可以在收到广播数据包以后进行广播转发,使得网络中的所有设备可以快速的收到数据包。但是长时间广播数据包会使网络协调器和路由器持续地转发数据,造成数据包泛洪,严重影响网络的功耗和单播通信。在ZigBee Pro协议中加入某些特定的广播地址,例如只有路由器可以收到广播数据包从而节省电池供电设备的能量消耗。

另外ZigBee协议限制了设备单位时间内数据包的广播数量,减轻网络通信负担。在单播和广播之外,ZigBee协议又加入了组播通信实现对某一组设备的通信。

  1. 更进一步的多对一路由算法

ZigBee Pro路由协议还采用了多对一 (Many-to-One) 路由算法。该算法主要应用于一个集中节点 (一般是协调器) 跟其它所有节点进行通信的场景。算法通过集中节点定期广播AODV路由发现帧,使所有设备保存并更新到集中节点的路由路径。

节点根据保存的到集中节点的路由路径,在发送数据帧前,通过Router Record命令将整条路径上的节点信息发送到集中节点处。所有节点完成Router Record命令后,使得集中节点有了到所有节点的路由路径。

该路由算法针对集中节点和其它所有节点通信的应用场景,可以大大减少因大量AODV路由发现而引起的网络流量,减少整个网络的通信负担。

在智能家居和智能照明应用场景中,往往需要通过智能手机等设备通过网关实现对ZigBee设备的本地或者跨互联网远程控制。该网关就是Many-to-One 路由算法中的集中设备,需要跟所有的设备进行通信。由此可见该路由算法在智能家居和智能照明等领域有着独特优势。

  1. 自组网,自恢复

在ZigBee网络中,路由器和终端设备在入网时,不需要人工干预即可自行完成网络搜索和网络加入过程。另外路由器因发生故障而无法工作,该路由器下的终端设备可以重新选择其它路由器作为父设备重新加入到网络中。

同样,如果终端设备因为移动而脱离父设备,该终端设备也会重新选择其它路由器作为父设备加到网络中。实现网络拓扑结构的自组织和自恢复功能。

  1. 低功耗网络

在ZigBee 网络中,有协调器、路由器和终端设备三种设备类型。协调器负责一个ZigBee网络的创建和初始化,并且一个ZigBee网络中只有一个协调器。完成网络创建以后,协调器以路由器的功能工作。

路由器负责路由的发现和维护工作,实现对数据包的转发。终端设备不参与路由的发现和维护,也不进行数据包的转发。终端只通过父设备(路由器)进行数据转发。终端设备通过主动查询方式从父设备获取数据。所以在ZigBee网络中,终端设备可以完全进入休眠状态以节省设备功耗,实现整个网络的低功耗。

当然,ZigBee在智能网络上也遇到一些挑战。比如:

  1. 和智能终端的连接问题。手机和现代智能终端无法和ZigBee设备直接连接,需要通过网关或其它智能设备转发。
  2. ZigBee协议规范比较多。在遇到智能照明网络和其它ZigBee网络进行互通互联的时候,现有的规范无法做到全兼容,而且应用兼容性上比其它技术也要复杂。这一局面等到ZigBee3.0之后相信会有所改变。

BLE(低功耗蓝牙) — 开了手机直控互联的一扇小窗

Bluetooth Low Energy(低功耗蓝牙)从2013年开始彻底引爆了手机智能单品外设市场。从防丢器,遥控器到“养花神器”,各种凡是能和手机外设沾上边的地方都有BLE的身影。手机控制的智能照明自然也是关注点之一。

无奈蓝牙技术的基因是星型网络和短距离,虽然某些公司推出了基于新版蓝牙协议的“Mesh”协议,但更应该看做是一次技术和市场的尝试,离真正可商用的智能照明所需要的稳定Mesh网还有很长的一段路要走。

  1. 标准的不统一。

蓝牙SIG没有说过任何关于“BLE mesh”的标准,唯一可查的是成立了一个小组开始研究这个问题。有意思的是,中文网站上出现的都是“BLE MESH”,而英文网页上写的都是“C** Mesh”。

标准的不统一强烈地阻碍了产业的发展,使得互通互联成为泡影。做出来的产品最多做到“独门独户”,离一个应用标准还很远。

  1. 低效的“路由”。

BLE 因为从点对点网络演变而来,所以在现有的mesh方案中并没有真正有效的路由算法。每次的路由发现需要大量的网络负荷。网络的报文格式有限,大多从广播包演变过来,没有真正的路由维护。有些采用节点跳转的“BLE Mesh”网络,在应用层之上增加了一些变化来维护网络和路由,效率大打折扣。

  1. 射频通道的局限。

支持泛洪的BLE mesh网络,仅仅使用3个BLE广播信道。对信令的准确传输和其它广播业务的正确响应造成了干扰。

Wi-Fi — 离规模智能照明的应用非“一步之遥”

Wi-Fi 作为连接互联网最直接的无线连接技术,从一开始就被智能产品厂商所青睐。Wi-Fi技术的IP背景,以及企业推崇的“互联网思维”,使得不谈Wi-Fi,似乎企业就失去了自己的“互联网基因”。

之前也有不同的公司提到Wi-Fi Mesh,但多多少少还有些限制也没有形成气候,包括几年前一度很热的IEEE802.11s,也很久都没有更新了。

那让我们来看看Wi-Fi在智能灯控上遇到的困难:

  1. 互通互联性。

由于Wi-Fi联盟并没有定义上层的Profile(互通互联应用层标准),绝大部分的Wi-Fi应用使用的都是IP报文,但是由于不同厂商的报文格式不尽相同,造成Wi-Fi设备的互通互联一直是个大问题。

  1. 照明处理器的成本问题。

Wi-Fi芯片本身的高价钱,加上要处理IP报文,处理器的内存和处理开销都少不了,对于简单照明来讲,实现相同的功能,成本相对偏高。

  1. 路由器的最大用户支持问题。

这里讨论的不是不同路由器和设备的兼容问题(虽然这一定会是个问题),而是每个路由器最大可以支持的设备数。绝大多数的路由器说明书,没有提到这一项参数。因为在非物联网的应用环境下,10台左右的设备基本是一个Wi-Fi路由器覆盖范围内的设备数上限了。

绝大部分的路由器处理这些设备的上网数据都没有问题。但在照明网络,用户设备数超过30个完全有可能。这时候对不起,便宜些的路由器,(甭管这路由器上有几根天线,或者有个什么霸气的名字),上线掉线会是很常见的问题。

我们可以了解到,不同的无线连接的标准与智能照明网络的契合度是大不相同的。蓝牙和Wi-Fi虽然做出了很大的努力,但从现在技术的成熟度和特点来看, ZigBee更适合用在照明网络的应用领域。ZigBee与生俱来的优势,与智能照明网络相得益彰。

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