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[原创] 【专访】Zigbee:为智能家居的互联互通而生

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    发表于 2018-5-15 16:13:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
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    【专访】Zigbee:为智能家居的互联互通而生
    2018年6月9-12日,广州国际建筑电气技术及智能家居展览会(GEBT)将如期在中国进出口商品交易会展馆拉开帷幕。GEBT一直以促进行业建筑技术为交流目标,通过结合展示区和论坛的形式,令参展商在展示新产品亮点及显示核心竞争力的同时,亦能获得有关行业未来发展的新思路。
    值展会即将举办之际,GEBT广州国际建筑电气技术展览会对Zigbee联盟进行一次特别专访,共同来探讨Zigbee技术在智能建筑及智能家居中的应用。
    当我们谈到物联网或智能家居时,总是会提到WiFi、Zigbee、NB-IoT、LoRa等一系列无线物联网技术,请问,这些技术分别有哪些差异?为什么说Zigbee更符合智能家居的场景需求?
    无线物联网技术可以按不同的方式加以区别,比较主要的有按通信距离划分,比如远距离的5G,eMTC, NB-IoT;较远距离的LoRa;和近距离的WiFi, Bluetooth和Zigbee; 也可以以网络拓扑结构划分,比如点对点的网络Bluetooth Classic;星状网络WiFi;和网状网络Zigbee, Thread等等;另外也有按功耗、传输速率等等划分方式。
    实现智能家居的场景需要一个系统:有智能设备组成的“端”;由有线和无线技术将设备与设备连接为家庭网络,以及将家庭网络与因特网连接的“管”;和实现基本应用与服务场景的本地控制中心,乃至进一步深化和丰富应用场景的“云端”平台。而各种无线技术主要应用于设备之间的互联互通。我们熟悉的智能家居场景包括家庭安防、智能照明、环境控制、影音娱乐等等,而通过众多传感器收集环境和任的信息,然后通过预设逻辑或者更高端的深度学习和人工智能对信息进行处理后对设备进行控制是实现智能家居场景的基础机制。Zigbee特别适合搭建智能家居所需的传感控制网络,主要在于:
    多节点的网状网络:典型的智能家居环境往往需要50-100个设备,单个Zigbee网络就可以连接成百到几百个设备,并通过自组网自修复的网状网络保证即便在某些节点故障的时候,网络通信也能不受影响;
    适当的传输距离:室内单跳传输距离为75-100米,通过网状网络的路由机制可以轻松覆盖几百米的范围,满足智能家居所需;
    多样的设备类型:与工业和商业应用不同的是,智能家居涉及的设备种类多样,而Zigbee全栈标准所定义的设备类型达到40多种,涉及照明、安防、暖通、闭合等多个类别,能够满足家庭所需;
    低功耗:无线网络的一个很大的优势就是可以节约布线的成本和便于在各个位置安装电池供电设备,低功耗的网络可以延长电池使用寿命,减少维护成本。而Zigbee更具备Green Power功能,使得那些不用换电池或者根本不需电池的传感和开关设备可以加入网络,无需维护;
    成熟开放标准,全球市场:Zigbee使用全球通用无需授权的2.4G频段,且标准问世已有十多年,经过多次迭代,并经过已经部署在全球的成亿设备的检验。通过测试认证程序造就了各个环节都有多个供应商(既包括名牌企业也有众多初创公司)的生态圈,为降低成本,促进创新提供良好的市场环境。
    Zigbee所采用的自组网是怎么回事?为什么要采用这种方式通信?
    首先跳出Zigbee,谈谈为什么要自组网。
    自组网并不是一项“让人开心”的技术。相比点对点网络,自组网网络增加了大量的通信机制和管理工作,比如设备的组网、离网、参数分配、节点管理、路径选择、路径恢复等等等等。这些操作在点对点通信中都是不需要的。但是为什么要开发如此复杂的网状网协议呢?原因是低功耗和大网络的矛盾。
    物联网设备的功耗要求极其严格,而应用规模常常又很大(想一想大规模部署的传感器)。低功耗必然限制设备的发射功率,进而限制RF有效传播距离;而大规模应用通常意味着巨大的地理空间和巨大的设备数量。如何使小能量的设备在巨大网络中正常工作呢?我们(不得不)选择实现网状网。可以说,网状网络是“短胳膊、大网络”的无奈之举,是任何低功耗通信进入物联网应用的必然选择。Zigbee和Thread天生如此,BLE mesh是适应性进化的范例。
    下面回答Zigbee的网状网: Zigbee设备可分为三种类型:终端设备、路由器和协调器,和两种安全模型:含协调器(信任中心)的集中式网络和只有路由器和终端设备的分布式网络。Zigbee 设备同时支持这两种模式,在未发现Zigbee网络时,路由器或协调器设备自行组网生成路由,或在已经存在Zigbee网络时自动识别网络模式,加入网络。
    网状网络首先可以在保证低功耗的情况下扩展网络覆盖面积,通过路由机制,设备可以与原先不在其通信范围的设备通信,其次可以增加网络的稳定性,即自修复的功能,当出现某个节点被移动或断电等无法通信的情况下,路由可以自动更新,不影响其他节点的通信。
    为什么说Zigbee的抗干扰性能要高于Wi-Fi和蓝牙技术?
    Zigbee包含IEEE 802.15.4定义的载波监测多路访问(CSMA-CA)协议和直序扩频技术(DSSS),包括冲突避免、接收能量检测、链路质量指示、空闲信道评估、消息确认、安全性、支持保障时隙模式和数据包时效性等功能,可降低干扰其他用户的可能性,另外Zigbee还使用数据的自动重传来确保网络的稳健性。
    和其它常见的个域网技术相比,Zigbee采用了DSSS,这极大地降低了对信噪比的要求,进而提高了通信的抗干扰性和有效传输距离。DSSS的技术代价是降低了数据率,但这在Zigbee的应用中并非关键指标(这也解释了为什么数据率优先的通信协议不会采用扩频通信)。
    Zigbee也采用一些动态管理机制,比如频道的切换和功率测量功能以减少功率输入。后者可以确保用所需的精确功耗实现通信。在由多个节点组成的网状网格中,这样做能够减少节点之间的干扰
    目前,Zigbee技术有哪些应用领域?
    Zigbee标准已经发布超过10年,联盟也已经认证了2,400多种产品,为今天众所周知的物联网IoT铺设了道路,并被广泛应用在各个领域和场景中,包括智能家居(照明,关闭,暖通空调)、商业建筑(办公室,工作区,会议室,连锁酒店)、制造业(工业小区,工厂)、智能城市(大型或小型城市、公民服务,应急服务),以及大型的网格化运营和多式联运等。
    2016年,Zigbee联盟就已经推出了Zigbee (3.0),请问,Zigbee (3.0)目前在我国的应用情况怎样?未来的发展战略是什么?
    Zigbee 3.0是Zigbee联盟以前发布的针对不同垂直行业的应用层标准的整合,使我们能用一个应用层的标准,令多样化的设备和应用可以在同一个网络协同工作,同时确保其向前和向后兼容性以保证已经大量被部署的设备和现有生态系统的平稳过渡。
    通过认证的支持3.0产品的兼容性平台已经达到近70款,来自多家芯片供应商,联盟还推出了自动化测试工具,这些都有助于3.0产品加速开发和进入市场。我们也确实看到3.0认证开放以来,认证产品的数量正加速增长,超过了以往针对特定垂直行业的标准。特别另人感到高兴的是,来自中国成员所认证的产品占了其中不小的份额,立达信、九州光电、飞比、实益达、生迪、Ledvance都有了3.0认证产品,而立达信不仅认证了3.0的第一款灯泡和传感器产品,而且认证产品的数量已达到13款。
    Zigbee联盟的使命是创建和推广通用开放标准,促进物联网的发展。我们将专注于技术工具的更新和强化方便和简化产品的开发、推动产品认证和促进跨生态圈的应用,并与更多标准组织开展合作,共同致力于物联网的开放和整合。
    想了解更多的产品和技术,记得来2018年6月9-12日即将开幕的广州国际建筑电气技术及智能家居展览会.

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