許多無線協(xié)議選項可供智能家居和樓宇自動化產(chǎn)品的開發(fā)人員使用。Zigbee，Z-Wave和專有無線控制在當今的市場中占據(jù)主導地位，新進入者包括螺紋和藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡。雖然低功耗藍牙（BLE）和Wi-Fi在這些市場中也很受歡迎，但它們不支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡。無論底層協(xié)議如何，為物聯(lián)網(wǎng)部署的網(wǎng)絡都必須是健壯的，這種健壯性可以通過測量吞吐量、延遲和可靠性來量化。這些測量取決于安裝尺寸和其他系統(tǒng)級要求。

在網(wǎng)狀網(wǎng)絡協(xié)議方面，“一刀切并不適合所有人”。每種無線協(xié)議都具有獨特的特性和優(yōu)勢，具體取決于用例和最終應用。了解網(wǎng)格技術(shù)的內(nèi)部工作原理超出了關(guān)鍵功能的列表。更重要的是，開發(fā)人員需要了解這些網(wǎng)絡協(xié)議在功耗、吞吐量、延遲、可擴展性、安全性和 Internet 協(xié)議 （IP） 連接等關(guān)鍵領(lǐng)域的性能。Zigbee、Thread 和藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡的設計都從頭開始不同，每個網(wǎng)狀網(wǎng)絡的實現(xiàn)方式都會對系統(tǒng)性能和穩(wěn)健性產(chǎn)生影響。

豐富的無線連接選項

無線片上系統(tǒng)（SoC）設備已經(jīng)變得足夠具有成本效益，可以添加到無數(shù)的“東西”中，為我們的日常生活提供便利，安全和舒適。當添加無線連接時，“事物”就變成了物聯(lián)網(wǎng)設備。今天的許多物聯(lián)網(wǎng)設備以前都是沒有無線互聯(lián)網(wǎng)連接的東西。不斷變化的法規(guī)和消費者的期望迫使產(chǎn)品制造商為無數(shù)產(chǎn)品和系統(tǒng)添加無線連接，以保持競爭力或創(chuàng)造新收入流的潛力。當開發(fā)人員選擇構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)設備時，他們必須考慮如何使用最終產(chǎn)品以及這些產(chǎn)品將在其中運行的生態(tài)系統(tǒng)。

無線網(wǎng)絡的類型

在許多相互競爭的物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)中存在兩種基本拓撲結(jié)構(gòu)：網(wǎng)狀和星形。在家庭和樓宇自動化中，Mesh通常比星形網(wǎng)絡更受歡迎，因為它能夠擴展到多個節(jié)點并覆蓋長距離。星形網(wǎng)絡依賴于終端節(jié)點和中央設備之間的點對點連接。如果安裝網(wǎng)絡后環(huán)境發(fā)生變化，星形網(wǎng)絡可能會失敗。另一方面，網(wǎng)格是分布式和自我修復的。如果部署網(wǎng)絡后環(huán)境發(fā)生變化或節(jié)點發(fā)生故障，網(wǎng)狀網(wǎng)絡可以自我修復。

哪種網(wǎng)絡最適合家庭和樓宇自動化？

Zigbee通常用于建筑和家庭自動化。最近，Thread和藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡正在考慮用于這些應用。Z-wave是另一種網(wǎng)狀技術(shù)，在智能家居和家庭安全應用中也很受歡迎。我們沒有將Z-Wave納入我們最初的網(wǎng)狀網(wǎng)絡性能分析中，因為它專注于使用硅實驗室的無線壁虎SoC作為測試的設備平臺的2.4 GHz頻段的協(xié)議比較。此外，在測試時，我們無法訪問可比較的測試網(wǎng)絡來驗證Z-Wave結(jié)果。

家庭和樓宇自動化包括能量收集設備、電池供電設備和線路供電設備的組合。照明和恒溫器通常是線路供電的，因為它們是基礎設施的一部分，但這并不意味著功耗可以忽略不計。作為基礎設施一部分并由交流供電的設備必須仔細管理，因為新的政府法規(guī)限制了“吸血鬼電源”。電池通常為遠程傳感器和控制元件供電。這意味著網(wǎng)格必須從功率角度理解兩個根本不同的用例。

使用案例

網(wǎng)狀網(wǎng)絡在家庭和樓宇自動化中有許多潛在的用例。

安慰

例如，考慮劇院或博物館的照明和環(huán)境控制。這些安裝通常具有數(shù)百到數(shù)千個節(jié)點。燈光、窗簾電機和百葉窗需要以精確和精心設計的方式進行控制。所有的燈都需要同時調(diào)暗，控制窗簾的電機應該協(xié)同工作。細微的差異是顯而易見的，會減損觀眾的體驗。

家庭有類似的要求。如果您正在創(chuàng)建具有燈光和窗簾的場景，則用戶期望獲得無縫且精心設計的體驗，其中所有燈光同時變暗，所有窗簾齊齊移動。

安全

像倉庫這樣的工業(yè)環(huán)境可能與劇院有不同的照明需求。通常，一個部分中的燈同時打開。但是，這些燈是否一起打開或者是否需要幾秒鐘才能全部亮起并不重要。用戶體驗和期望是不同的。另一方面，如果某些燈由于停電而需要快速打開，那么突然間時間確實很重要。

方便

例如，開發(fā)人員可能希望為倉庫中的無線控制燈添加其他服務。在裝置中，如果每盞燈都同時亮起，這可能并不重要。但是，如果開發(fā)人員想要添加其他服務，則網(wǎng)絡的穩(wěn)健程度可能很重要。

在網(wǎng)格安裝中越來越受歡迎的一項服務是資產(chǎn)跟蹤。在這種情況下，設計人員依靠控制網(wǎng)絡來傳輸有關(guān)已安裝基礎設施所跟蹤的資產(chǎn)的數(shù)據(jù)。在此示例中，吞吐量和延遲對于資產(chǎn)信息在網(wǎng)絡中傳播的速度很重要。

哪種網(wǎng)格協(xié)議最好？

沒有簡單的答案。Zigbee、螺紋和藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡之間存在根本的架構(gòu)差異。Zigbee 和 Thread 可以在需要時使用泛洪，但通常使用路由網(wǎng)格來最小化可能干擾消息傳遞的網(wǎng)絡開銷。藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡使用泛洪網(wǎng)狀網(wǎng)絡，但允許將設備配置為路由器，以減少泛洪的影響。藍牙特別興趣小組（SIG）稱之為“管理洪水”。

Zigbee 和線程網(wǎng)絡包括路由節(jié)點和終端節(jié)點。路由節(jié)點通常由線路供電，并充當網(wǎng)格的骨干。終端節(jié)點通常由電池供電，在網(wǎng)格的外圍運行，并使用路由器為其中繼消息。路由表是在創(chuàng)建網(wǎng)格時建立的。路由表是一個目錄，用于告訴每個設備如何與網(wǎng)格中的其他設備進行通信。通過這種方式，一個節(jié)點可以通過網(wǎng)格以精確的路由發(fā)送消息，從而有效地與另一個節(jié)點進行通信。這對網(wǎng)格的吞吐量有積極影響，并且可以隨著網(wǎng)格的增長減少延遲。

路由網(wǎng)格歷來優(yōu)于泛洪網(wǎng)格，因為它提供更高效的通信和可預測的性能。另一方面，對于堆棧的開發(fā)人員來說，路由更難實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

齊格比和螺紋包結(jié)構(gòu)

Zigbee 和線程都使用 IEEE 802.15.4 和 127 字節(jié)數(shù)據(jù)包和 250 kbps 的基礎數(shù)據(jù)速率。雖然 PHY 報頭相同，但數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)不同，導致有效負載大小略有不同。Zigbee 數(shù)據(jù)包格式如圖 2 所示，并產(chǎn)生 68 字節(jié)的有效負載。對于超過 68 字節(jié)的有效負載，Zigbee 會分段為多個數(shù)據(jù)包。線程數(shù)據(jù)包格式如圖 3 所示，并產(chǎn)生 63 字節(jié)的有效負載。對于超過 63 字節(jié)的有效負載，線程堆棧將使用 6LoWPAN 進行分段。Silicon Labs 的網(wǎng)格性能數(shù)據(jù)基于有效負載大小，因為這是構(gòu)建應用程序時關(guān)注的設計參數(shù)。

圖 2.Zigbee 數(shù)據(jù)包格式

圖 3.線程數(shù)據(jù)包格式

這些網(wǎng)絡中的每一個都將較大的消息分成較小的消息。對于 Zigbee，碎片發(fā)生在應用程序?qū)樱脑吹侥繕诉M行端到端執(zhí)行。對于線程，碎片在 6LoWPAN 層以及從源到目標的層完成。

對于這些網(wǎng)絡中的單播轉(zhuǎn)發(fā)，只要設備準備好發(fā)送，就會轉(zhuǎn)發(fā)消息。對于多播轉(zhuǎn)發(fā)，對于如何轉(zhuǎn)發(fā)消息有網(wǎng)絡要求：

對于 Zigbee 設備，只有在發(fā)生長達 64 毫秒的抖動后，設備才會轉(zhuǎn)發(fā)多播消息。但是，在重新傳輸初始消息之前，啟動設備有 500 毫秒的間隔。

RFC 7731 MPL 轉(zhuǎn)發(fā)用于線程設備。涓流計時器設置為 64 毫秒，因此設備在重新傳輸之前會隨機回退到此時間。

藍牙 LE 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

低功耗藍牙具有以下數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，以最大限度地減少空中時間和能耗。藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡進一步完善了這種數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，增加了網(wǎng)狀網(wǎng)絡和安全功能。

圖 4. 藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包格式

這意味著藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡只有 12 或 16 個字節(jié)可用于有效負載，除此之外，數(shù)據(jù)包被分割成單獨的數(shù)據(jù)包并在目的地重新組裝。此分段數(shù)據(jù)包攜帶一個標識分段的標頭和 12 個字節(jié)的應用程序有效負載，但最后一個分段除外，后者可以更短。但是，藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡規(guī)范中的額外退縮要求會超出這些分段數(shù)據(jù)包，從而增加延遲并降低吞吐量。由于我們所有的吞吐量和延遲分析都基于應用程序有效負載，我們可以看到藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡需要比Zigbee或Thread更多的數(shù)據(jù)包，因為數(shù)據(jù)包有效負載大小較小。

路由與泛洪網(wǎng)格

Zigbee、螺紋和藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡專為家庭和樓宇自動化而設計。Zigbee支持多種路由技術(shù)，包括用于路由發(fā)現(xiàn)或組消息的網(wǎng)格泛洪;網(wǎng)格中受控消息的下一跳路由;和到網(wǎng)關(guān)的多對一路由，然后網(wǎng)關(guān)使用源路由到設備。Zigbee網(wǎng)絡同時使用所有這些方法是正常的。

Thread 還支持下一躍點路由以及泛洪。但是，Thread 網(wǎng)絡維護到所有路由器的下一躍點路由作為正常網(wǎng)絡維護的一部分，而不是執(zhí)行路由發(fā)現(xiàn)的設備。Thread 還最大限度地減少了活動路由器的數(shù)量，以解決大型網(wǎng)絡的可擴展性問題。以前，這被視為嵌入式 802.15.4 網(wǎng)絡的限制，因為在存在大量路由器的情況下，網(wǎng)絡泛濫限制了多播流量的頻率和可靠性。請注意，線程網(wǎng)絡管理活動路由器的數(shù)量和間距，不需要用戶干預或管理。

藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡支持托管泛洪。這是對泛洪網(wǎng)格的輕微旋轉(zhuǎn)，因為用戶可以指定哪些供電設備參與泛洪。這將減少洪水的影響，但需要用戶確定其網(wǎng)絡中路由器的適當密度和拓撲，這可能很困難。隨著網(wǎng)絡條件隨時間而變化，哪些設備參與洪水可能也需要改變，這需要用戶干預。

藍牙還具有類似于Zigbee或Thread的終端設備，稱為“友誼”設備。友誼設備與相鄰的供電節(jié)點耦合，朋友的數(shù)據(jù)包由線路供電節(jié)點存儲。朋友會定期醒來，詢問鄰居是否有任何數(shù)據(jù)包。用電節(jié)點僅將數(shù)據(jù)包保存一段定義的時間段，因此“朋友”需要簽入其配對的中繼節(jié)點。

我們對網(wǎng)狀拓撲的研究分析了小型和大型網(wǎng)絡。這些網(wǎng)絡的行為可能非常不同，在考慮 10 節(jié)點網(wǎng)絡或 200 節(jié)點網(wǎng)絡時，路由和管理技術(shù)通常需要更改。

通常，在小型網(wǎng)絡中，設備位于一個或兩個躍點內(nèi)，并且非常簡單的路由或泛洪可能是合適的。隨著網(wǎng)絡規(guī)模的增長，它增加了復雜性，例如設備之間的躍點更多;設備的密度，在發(fā)送消息時可能會相互干擾;以及對延遲和可靠性的更多擔憂。如果使用泛光類型消息打開 100 盞燈，則通常不能讓 100 盞燈中的 98 盞或 99 盞燈打開或關(guān)閉。這種類型的問題在 10 節(jié)點網(wǎng)絡中很少見，但在 100 節(jié)點網(wǎng)絡中可能會變得很常見。

功績數(shù)字

在前面提到的用例中，設計人員需要一個強大的應用網(wǎng)絡。在評估網(wǎng)絡的穩(wěn)健性時要衡量的品質(zhì)因數(shù)是吞吐量、延遲和可靠性。這三個測量可以準確地預測給定安裝的網(wǎng)絡魯棒性。

吞吐量定義了網(wǎng)絡的可擴展性（可以發(fā)送正常流量的設備數(shù)量），以及更高數(shù)據(jù)操作（例如將固件更新推送到設備）的行為。

延遲描述操作發(fā)生所需的時間。對于任何涉及最終用戶的交互（而不是機器對機器通信），它都是一個關(guān)鍵參數(shù)，因為大多數(shù)人可以檢測到耗時超過100毫秒的操作。對于需要同時操作的過程，例如打開多個燈，定時必須小于100 ms，以便最終用戶不會在燈連續(xù)打開時抱怨“爆米花”效應。

可靠性被認為是理所當然的，但是當與日常設備（如燈和開關(guān)）交互時，用戶期望接近100%的可靠性。在實踐中，硅實驗室測試的可靠性達到99.999%。無論使用何種底層無線技術(shù)，這些都是網(wǎng)狀網(wǎng)絡最關(guān)鍵的方面，需要測量并與設備和無線系統(tǒng)的設計目標密切相關(guān)。

測試設置

為了最大限度地減少器件測試的可變性，可以在固定拓撲中執(zhí)行測試，其中RF路徑通過分路器和衰減器連接在一起，以確保拓撲結(jié)構(gòu)不會隨時間和測試而變化。這用于七躍點測試，以確保網(wǎng)絡拓撲。MAC 濾波也可用于實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲。

大型網(wǎng)絡測試最好在露天環(huán)境中進行，其中設備行為基于現(xiàn)有和不同的RF條件。位于馬薩諸塞州波士頓的硅實驗室實驗室用于這種露天測試過程。

露天測試環(huán)境中的無線條件具有典型的Wi-Fi和Zigbee流量作為噪聲存在。這不是測試網(wǎng)絡的一部分，而是用作典型的樓宇控制系統(tǒng)，獨立于正在執(zhí)行的任何測試。

圖 6. 延遲與躍點

圖 6 顯示了線程網(wǎng)絡與藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡未分段和分段數(shù)據(jù)包的每次躍點平均延遲。不包括 Zigbee 數(shù)據(jù)，因為它類似于線程。在此示例中，我們可以看到對于這些較小的有效負載，藍牙未分段和線程延遲與六個躍點非常相似。當我們添加藍牙分段數(shù)據(jù)包并將有效負載增加到 16 字節(jié)時，由于傳輸了額外的數(shù)據(jù)包，延遲會大大增加。

圖 7.線程與藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡延遲

如圖 7 所示，查看有效負載不斷增加的四躍點數(shù)據(jù)，藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡具有更高的延遲，因為它必須使用分段消息。這表明了藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡設備試圖將有效載荷保持在一個數(shù)據(jù)包內(nèi)的重要性，以避免在作為重要因素的應用中增加延遲。

結(jié)論

網(wǎng)狀網(wǎng)絡的選擇取決于最終應用或生態(tài)系統(tǒng)。有許多已建立的生態(tài)系統(tǒng)，例如飛利浦Hue，亞馬遜Echo Plus和康卡斯特X無限。如果設備制造商希望與這些生態(tài)系統(tǒng)進行互操作，Zigbee是最佳選擇。如果尚未為應用程序指定生態(tài)系統(tǒng)，則可以使用許多其他協(xié)議選擇。

線程和藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡都是可行的選擇，也是除了Zigbee之外最常考慮的選擇。IC供應商提供的開發(fā)工具對于網(wǎng)狀網(wǎng)絡的開發(fā)速度非常重要。數(shù)據(jù)包跟蹤和多節(jié)點能量分析等工具可以確保所選網(wǎng)狀網(wǎng)絡的設計穩(wěn)健。最終，網(wǎng)絡規(guī)模、所需的延遲、期望的吞吐量和整體可靠性將推動網(wǎng)狀協(xié)議的選擇。

審核編輯：郭婷