物聯網（IoT）和智能家居，是近些年反復被提及的產業領域。根據Investor Presentation的數據，2021年，IoT全球市場規模已經超過了3000億美金。預計到2026年，這個市場規模會翻倍。而Statista 2023的數據表明：目前全球的物聯網設備已經超過100億臺，到2030年，設備數預計會達到300億臺。巨大的市場空間，同樣意味著巨大的誘惑。

巨大的利益誘惑，導致這個生態產業里，出現了太多的玩家，千差萬別的網絡和技術協議棧，讓互聯互通出現了巨大的障礙，也讓很多消費者在產品選擇上面臨嚴峻的選擇焦慮，特別是在近距離通信領域。今天，就讓我們聊聊這個話題。

在談論技術之前，讓我們首先就到底啥是近距離通信，先要有一個統一認識。因為各種專業詞匯層出不窮，已經到了眼花繚亂的程度：

無線局域網（WLAN）

無線局域網（Wireless Local area network，簡稱WLAN），這是我們聽到最多的一個詞兒了。這就是局域網的一種實現方式。WLAN在真實場景中的使用范圍，可能很靈活，從幾米，幾十米，甚至上百米都有可能。可能是覆蓋一個房間、樓宇建筑等等。WLAN是LAN的子集，或者說是一種實現途徑。WLAN談到最多的就是IEEE 802.11系列技術，也就是Wi-Fi為主。工作頻率不同，技術差異性、工作在室內還是室外，Wi-Fi的覆蓋范圍也會發生變化，可以從30米到250米不等。

近我網絡（NAN）

還有一個詞兒叫近我網絡（Near-me area network，簡寫NAN），這是一種應用概念，近我區域強調的是彼此一定距離內的設備之間的通信，但通常不關心設備的確切位置。近我的距離也根據業務場景不同，會有差異，但一般是十幾米或者幾十米的范圍。這里面常用的技術是基于位置敏感（比如GPS）的移動設備之間，再結合廣播技術和智能場景識別技術。比如：發現附近好友，在游樂場查詢附近設施的排隊狀況等等。

近場通信（NFC）

近場通信技術（Near-field communication，簡稱：NFC），通過漢語理解容易混淆，但是英文縮寫大家更能清楚理解。可在 4 厘米或更短的距離內實現兩個電子設備之間的通信。NFC和感應卡（公交卡）的技術類似。現在主要用在移動支付的場景中。

個域網（PAN）

個域網（Personal area network，簡稱：PAN），很多時候說的其實是無線個域網( WPAN ) ，這個應該更接近我們今天討論的概念，也就是連接個人工作生活空間內的電子設備的網絡。PAN 提供計算機、智能手機、平板電腦和個人數字助理等設備之間的數據傳輸。通常，這些設備中有一個會充當網關的角色。PAN可以是無線的，也可以是USB等有線接口傳輸信息。是一種承載低功耗、短距離無線網絡技術。PAN和智能家居，或者無線家庭網絡經常混淆，但后者應該是PAN的一個應用場景子集。

個人操作空間（POS）

個人操作空間（Personal Operating Space，簡稱：POS），是指圍繞靜止或運動的人的操作區域，一般POS 區域的半徑約為 10 米，很多時候，人們經常會把POS和PAN混淆，其實POS更像是一種交互概念。我理解，PAN包含POS，但反之，則不行。

體域網（BAN）

我們還會偶爾聽到體域網（body area network，簡寫：BAN）的概念。也稱為無線體域網（WBAN）或者醫療體域網（MBAN），是可穿戴設備的無線網絡。BAN可以植入物嵌入體內，也可以固定在身體上，或者佩戴在身體上。BAN在很多時候，也是PAN的一個子集和應用場景。

基于以上的分析，我覺得今天我們談論的近距離通信網絡，用PAN會更加契合一些。

現在活躍在在無線個域網（PAN）領域的技術標準規范五花八門。刀槍劍戟、斧鉞鉤叉，十八般武藝各顯神通，但是也確實晃花了我們的雙眼。包括：IrDA、NFC、Bluetooth、Z-Wave、Zigbee、6LoWPAN、Wi-Fi HaLow、CAP、MQTT、XMPP、UWB、Thread和Matter等等。但他們到底有什么差異呢？到底誰會我花開后百花殺，贏到最后呢？今天我們嘗試來分析一下。

IrDA是紅外線數據標準協會（Infrared Data Association）的縮寫，這是一家行業驅動的非營利組織。紅外通信的技術協議很多，很多廠家都有自己的協議，比如日本電氣的NEC格式，飛利浦的RC-5格式。IrDA是50多家公司共同組成的協會，希望針對紅外通信給出一整套統一的協議規范。協會在1994年成立。這個組織定義了完整的紅外協議棧：

IrDA把紅外波長范圍約束在850nm至900nm之內，波長相對較短，所以對障礙物衍射能力差，智能適合2米之內的短距離直線通信傳輸。

IrDA還在謀劃一統紅外通信的江湖，但是市場是殘酷的，人們的焦點已經從紅外，轉移到了另外一個技術。這個勁敵就是藍牙。

藍牙是1997年，由愛立信和IBM一起搞出來的技術。愛立信貢獻了短鏈路無線電技術，IBM 貢獻了邏輯層的專利。次年，Bluetooth SIG成立，IBM和愛立信又拉攏了英特爾、諾基亞和東芝，到現在會員已經發展超過了2萬。第一款藍牙設備于 1999 年問世。2021年，藍牙的年出貨量已經達到47億臺。

藍牙的傳播距離要比紅外要長，可以達到10米左右，而且是全方位的，對障礙物衍射能力比紅外強很多。藍牙用的是ISM頻段中的2.4GHz，使用跳頻擴頻技術，將傳輸的數據分成數據包，并在 79 個指定的藍牙通道之一上傳輸每個數據包。每個通道的帶寬為 1 MHz。它運用自適應跳頻(AFH) ，通常每秒執行 1600 跳。一般用于短距離內在兩個設備之間交換數據以及構建個域網(PAN)，通常是移動設備。

藍牙對應的標準是IEEE 802.15.1。目前藍牙由1998年成立的藍牙特殊興趣小組（Bluetooth Special Interest Group ，簡稱BSIG) 管理。IEEE 802.15.1定義了物理層 (PHY) 和媒體訪問控制(MAC) 規范。藍牙的協議棧如下：

藍牙具有主從架構，或者說是星型架構。主設備最多可以與7個設備進行通信，最高速率可以達到24 Mbit/s (Bluetooth v3.0 + HS技術)。在很多場合，藍牙取代了之前的紅外技術。

藍牙有幾個典型的缺陷：1. 藍牙的頻段在2.4G附近，這個頻段比較擁擠，容易出現干擾。2. 藍牙不支持Mesh互聯，在組網設備數量上面也不能超過8個。3. 藍牙的功耗不低，長時間運作還是挺耗電的。

上文提到的藍牙的幾個缺陷，使得在很多有心部署更為復雜的Mesh組網，房間大一些，數量繁多，但數據傳輸量又沒那么大的傳感器運用的智能家居場景中，使用藍牙就得不償失了。也是在這種背景下，Z-Wave孕育而生。

Z-Wave是丹麥公司 Zensys于 1999 年開發的。使用低能量無線電波在設備之間進行通信。允許無線控制智能家居設備，例如智能燈、安全系統、恒溫器、傳感器和智能門鎖。現在全球智能家居中有超過 1 億臺 Z-Wave 設備，目前有超過 3,300 種 Z-Wave 認證產品可用。

Z-Wave速度可以達到100kbit/s 的數據速率，提供可靠、低延遲的小數據包傳輸。傳輸距離室內50米，室外200米。工作頻段在900M附近，避免了和Wi-Fi、藍牙和其他在擁擠的2.4 GHz頻段上的干擾。

Z-Wave是Mesh組網架構。一個 Z-Wave 網絡最多可包含 232 個設備。具有Z-Wave LR （長距離）是星型架構，Z-Wave LR單個智能家居網絡上最多包含 4,000 個節點。Z-Wave允許橋接網絡。消息能夠在節點之間跳轉四次。

Z-Wave的功耗很低，僅僅是藍牙的1/10，甚至電池供電的長時間工作。

2005年，Z-Wave 聯盟成立，由300多家住宅和商業互聯技術市場公司組成，致力于市場開發、技術 Z-Wave 規范和設備認證。Z-Wave的協議棧如下：

為了應對其他技術的競爭，2020年8月，Z-Wave 聯盟正式成為一個獨立的非營利性標準制定組織，在其新的 SDO 結構下有七個創始成員：Alarm.com、Assa Abloy、Leedarson、Ring、Silicon Labs、StratIS 和 Qolsys。

在藍牙技術出現后，1998年3月，IEEE成立了IEEE 802.15工作組。致力于WPAN網絡的物理層(PHY)和媒體訪問層(MAC)的標準化工作。目標是為在個人操作空間(Personal Operating Space, 簡稱POS)內相互通信的無線通信設備提供通信標準。POS一般是指用戶附近10米左右的空間范圍，在這個范圍內用戶可以是固定的，也可以是移動的。802.15工作組又分為4個任務組。其中任務組TG4制定了IEEE 802.15.4標準。針對低速無線個人區域網絡(Low-Rate Wireless Personal Area Network, LR-WPAN)制定標準。該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標，旨在為個人或者家庭范圍內不同設備之音的低速互連提供統一標準。它規定了LR-WPAN 的物理層和媒體訪問控制。協議棧如下：

在網絡模型方面，IEEE 802.15.4定義了兩個角色，一個是全功能設備(FFD)，另外一個是縮減功能設備(RFD)。前者可以充當網絡協調器（Coodinator）的角色，后者不行。FFD是主干，RFD是枝葉。

IEEE 802.15.4首個版本于2003年發布。IEEE這個協議發布后，因為僅定義了物理層(PHY)和媒體訪問層(MAC)。在上面開始長出各種分支，也許是IEEE始料未及的。后面的Zigbee、 ISA100.11a、WirelessHART、MiWi、6LoWPAN、Thread和SNAP，都是基于IEEE 802.15.4在上層再進一步擴展標準IEEE 802.15.4 中未定義的層。

物聯網產業生態的迅猛發展，即便是Z-Wave的單個組網232個設備，50米的傳輸距離，也無法滿足更為復雜業務場景需求的大公司了。其中的四大巨頭：英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司在2002年，IEEE 802.15.4標準還在草案的時候，已經意識到沒有網絡層和業務層的定義，這個IEEE 802.15.4標準是沒有辦法去真正實施的，于是抱團取暖，成立了一個新的聯盟，取名“Zigbee 聯盟”。意圖研發下一代PAN的通信標準。Zigbee，顧名思義，源于蜜蜂回到蜂巢后的搖擺舞。Zigbee在組網能力和傳輸距離上有了質的突變：分別達到了單網最大65536個設備，傳輸距離最大1000m的指標。

Zigbee是基于IEEE 802.15.4的高級通信協議規范。Zigbee的規范在2005年推出1.0版本。Zigbee定義了物理層和媒體訪問控制之上的四個額外的關鍵組件：網絡層、應用層、Zigbee 設備對象(ZDO) 和制造商定義的應用對象。ZDO 負責某些任務，包括跟蹤設備角色、管理加入網絡的請求以及設備發現和安全性。Zigbee的協議棧定義如下：

Zigbee 網絡層本身支持星型、樹型網絡，以及通用Mesh網狀網絡。Zigbee設備分為三類：（1）Zigbee 協調器 (ZC)：功能最強大的設備，協調器構成網絡樹的根，可以橋接到其他網絡。（2）Zigbee 路由器 (ZR)：除了運行應用程序功能外，路由器設備還可以充當中間路由器，將數據傳遞給其他設備。（3）Zigbee 終端設備 (ZED)：僅包含與父節點（協調器或路由器）通信的功能；它無法中繼來自其他設備的數據。每個網絡都必須有一個協調器設備（ZC）。在星型網絡中，協調器（ZC）必須是中心節點。樹和網格都允許使用 Zigbee路由器（ZR）來擴展網絡級別的通信。

Zigbee有兩個硬傷：

1. 就是不支持IPv6，需要特殊的IPv6網關來進行互聯互通。

2. ZigBee從誕生開始就制訂了一套設備控制標準，叫ZCL（ZigBee Cluster Library）。在早期版本的ZigBee協議中，ZCL很不完善，被起步較早的智能家居廠商和其它應用方案商棄用。導致不同的設備廠商的產品互不兼容，甚至這些產品從一開始就要故意設計得互不兼容。隨著ZigBee 3.0的推出將ZCL作為必選項，而且芯片廠商也在芯片中強制使用ZCL，但是已經形成生態的設備廠商，仍然處于私利，投入額外花費和研發成本將自己產品做得和其它廠商不兼容，這就導致即便很多小的設備廠商用了ZCL，依然無法互聯互通。

在Zigbee技術開始起步之后，互聯網工程任務組（IETF）看到了它的不支持IPv6的硬傷，決定在IEEE 802.15.4基礎上重新設計。于是在2005年成立6LoWPAN工作組。6LoWPAN是“ IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks ”的首字母縮寫。創建它的目的是將互聯網協議(IP) 應用到最小的設備，使處理能力有限的低功耗設備能夠參與物聯網。6LoWPAN 組定義了封裝、報頭壓縮、鄰居發現和其他允許 IPv6 在基于IEEE 802.15.4的網絡上運行的機制。6LoWPAN的協議棧如下：

6LoWPAN技術底層采用IEEE 802.15.4規定的PHY層和MAC層。而在網絡層采用IPv6協議。由于IPv6中，MAC支持的載荷長度遠大干6LowPan底層所能提供的載荷長度，為了實現MAC層與網絡層的無縫鏈接，6Low-Pan工作組在網絡層和MAC層之間增加一個網絡適配層，用來完成包頭壓縮、分片與重組以及網狀路由轉發等工作。6LowPan支持無狀態自動地址配置。IPv6中當節點啟動時。可以自動讀取MAC地址，并根據相關規則配置好所需的IPv6地址。這個特性對傳感器網絡來說，非常具有吸引力，因為在大多數情況下，不可能對傳感器節點配置用戶界面，節點必須具備自動配置功能。6LoWPAN也不想完全和Zigbee隔離，畢竟物理層和鏈路層是一個協議，于是又做了特殊的網關的設計，以實現和Zigbee的互聯互通。

6LoWPAN標準推出后，并未立即在產業界引起波瀾。因為直到2011年2月，互聯網號碼分配機構(IANA)才將最后一個未分配的 1600 萬個 IPv4 地址塊分配給了五個地區互聯網注冊管理機構(RIR)。可以這樣說，6LoWPAN這個標準出臺過于超前了。直到了2010之后，很多企業才開始意識到Zigbee的局限，而必須要在6LoWPAN基礎上真正去鉆研開發下一代可實用的技術了。在這種背景下，Thread呼之欲出。2014 年 7 月，由Google旗下Nest Labs牽頭，成立Thread Group 聯盟，豈在開發和推進基于IPv6的低功耗網狀網絡技術的產業運用，三星、蘋果和高通等都加入了聯盟。蘋果在2020年，還發布了首款 Thread 產品HomePod Mini 。

和Zigbee相比，Thread 是IP 可尋址的，具有云訪問和AES 加密。由于它引入了邊緣路由器的技術，解決了互操作性挑戰。而且網狀網絡的路由特質，讓它沒有單點故障，并且具有自我修復的能力。

Thread的協議棧如下：

Thread 不規定任何特定的應用層協議，這個看似偷懶的做法，其實目的性很強。不去規定，也就意味著，Thread協議可以兼容多個產品制造商應用層的靈活性。比如：RFC 7252中規定的受限應用協議（Constrained Application Protocol，簡稱CAP），結構化信息標準促進組織OASIS發布的MQTT協議，以及RFC 6120中規定的可擴展消息與存在協議（Extensible Messaging and Presence Protocol，簡稱XMPP）。

Thread另一個吸引人的點就是BSD許可的開源屬性，因此也被稱為“OpenThread”。

2014年7月，Thread Group 聯盟作為一個行業組織成立，旨在開發、維護和推動采用 Thread 作為物聯網應用的行業網絡標準。

Zigbee聯盟開始慌了。但是冷靜下來后，他們明白，變革始終會到來，與其硬剛可能碰得頭破血流之外，還有一個辦法，就是結盟和主動示好！或者說主動去擁抱變革。

2019 年12月，由 Zigbee 聯盟、谷歌、亞馬遜、三星SmartThings和蘋果牽頭的Connected Home over IP 項目啟動了，后來項目直接改名為Matter（It does Matter！）。項目的目標就兩個字：和解。具體說來就是簡化智能家居產品品牌和制造商的開發，同時提高產品對混合組網的兼容性。

該項目的野心很大，已經不僅僅是拘泥于IEEE 802.15.4（尋找Zigbee和Thread的共識）。他們還向拉攏更多的競爭者入伙。于是底層協議除了IEEE 802.15.4之外，也涵蓋了IPv6協議（緊密團結Thread）、 IEEE 802.3（以太網標準）、IEEE 802.11（拉Wi-Fi入伙）、IEEE 802.15.1（拉藍牙入伙），大有一統江湖的意味。而且，Matter軟件開發工具包在Apache 許可證下是開源的。

2021年，Zigbee聯盟在拿到了Connected Home over IP 項目的運營權基礎上，也把自己改名了，叫連接標準聯盟（ConnectivityStandard Alliance，簡稱CSA），這是一次非常成功的品牌升級，實現了華麗轉身。

那么Matter的協議棧到底如何呢？

從OSI ( Open System Interconnection 開放式通信系統互聯參考模型 ) 來看，Matter 是基于傳輸層之上的應用層協議。各大巨頭參與Matter協議，也就意味著，未來：HomeKit、Google Home、Alexa和Samsung SmartThings等生態，可以實現兼容和互聯互通。這確實會給產業界注入一股強心劑。現在越來越多的物聯網和智能家居的玩家都開始拭目以待。

Matter現在的規范，可以從連接標準聯盟CSA的網站上直接下載。只要輸入個人全名、公司名稱、電子郵件地址并同意其隱私政策后，可根據要求免費收到Matter規范的郵件：

csa-iot .org /all-solutions /matter/

Matter的規范其實正在進行中：

• Matter 1.0在 2022 年 10 月 4 日發布。規范了照明產品（例如主電源插頭、電燈和開關）、門鎖、恒溫器和供暖、通風和空調控制器、百葉窗和窗簾的支持、家庭安全傳感器（例如門、窗和運動傳感器），以及電視和流媒體視頻播放器。

• Matter 2.0預計在 2024 年4 月發布。計劃包括對機器人真空吸塵器、環境運動和存在感測、煙霧和一氧化碳探測器、環境感測和控制、關閉傳感器的支持、能源管理、Wi-Fi接入點、相機和主要電器。

Matter講了一個很好的故事，呈現了一個美好的未來，也畫了一個很好的路標規劃。但Matter真的能一統江湖嗎？

• 首先，作為一個應用層協議，在IEEE802.15.4和IEEE802.11還沒有打通的情況下，Matter如果要打通Wi-Fi和藍牙的互通，還是需要兩個協議的橋接設備（邊緣網關）。截至2023年1月，只有Apple Home支持Matter橋接設備。如果沒有這個Matter Bridge，即便是支持Matter的設備，也無法接入Apple Home。而未來，可以預見到不同廠家的橋接設備之間必然會相互拼殺，因為橋接設備是Matter的關鍵控制點。

• 同樣邏輯，因為Matter在IP協議上是基于IPv6的，所以讓Zigbee和Thread互通，也需要橋接設備。

• 另外，作為一個應用層協議，是否真的能將應用一統江湖，其實還是存在大量的人機交互的細節需要考慮。以前Homekit有它的App，Google Home也有它的App，現在實現互聯互通了，是不是HomeKit上也需要支持所有的Google Home體系下的智能家居產品的交互，交互習慣如何做到相互兼容？反之亦然。如果研發投入和商業價值產出不對等，即便有了Matter，大家也很難真正去100%地擁抱它。邏輯上，可以用一個App完成所有的智能家居的設備控制，問題是，到底是哪一個？哪個廠商準備放棄自己智能家居管理App的開發了嗎？

• 很多大主流智能家居的大廠平臺中，都有自己的生態準入策略。有的嚴一些，有的寬松一些。Matter的認證如果比大廠的認證都嚴格的話，那生態很難普及開來。如果比很多大廠認證更為寬松，就需要這些嚴格的大廠，必然要面對，如何應對兼容Matter的問題，是降低身段，準許Matter的認真，還是繼續對Matter認證過的產品，繼續做自己的平臺認證，比如：對于典型的嚴格認證平臺HomeKit和HiLink。這是一個很難立即回答的問題。

• 還有，作為一個應用層協議，其實Matter目前還沒有辦法解決Zigbee本身的廠家之間ZCL“品牌壁壘”狀況。又或者說連接標準聯盟CSA已經完成了華麗轉身，并做好了放棄Zigbee的準備？

有太多的疑問還沒有被解答，現在就定論Matter一定會一統江湖，我覺得還為時尚早。但確實環視四周，Matter確實是當下最合適的選項。所以，Matter一統江湖的事情是否會真的發生，還是讓子彈再飛一會兒，大家拭目以待吧。