宿为民:谈一谈智能家居中的无线技术

2018-01-23

本文作者:宿为民(Wilma SU),毕业于清华大学电脑系、复旦大学电脑系,工学博士。目前担任飞利浦照明标准与法规部高级总监与Zigbee中国成员组主席。 在物联网蓬 ...

在物联网蓬勃发展的浪潮下,智能家居的热度也随之不断升温。由于智能家居的安全、节能、舒适、便利、高效等诸多特点,越来越多的客户开始接受和开发智能家居单品和系统。在中国推广Zigbee技术的这几年里,我有幸看到来自中国的厂家在物联网和智能家居领域实现 “弯道超车”,中国的智能家居技术与市场发展极其迅猛,我们的产品和系统可以说是世界领先。

作为Zigbee中国技术组的主席,我很高兴有这样一个机会谈谈智能家居中的一个重要技术环节——无线连接技术。当然我不会刻意去讲Zigbee,相反,我希望可以淡化技术隔阂,谈一谈智能家居这么一个特定的应用领域到底需要什么样的无线连接。如文章的题目所示,我希望多从技术角度出发,以说明问题、解答疑惑。如果另有机会,我的同事们可以从市场的角度聊聊产品与应用。

请注意,本文不谈技术细节,而是关注技术背后的共性问题。这是本文一以贯之的逻辑。

智能家居系统的技术界面

要分析智能家居的无线技术,首先要明确:智能家居的范围是什么?系统架构什么样?这是我们讨论的基础。下面以智能家居中的一个子系统——智能照明系统为例说明问题。

图1 家庭智能照明系统及技术界面

如图1所示,家庭智能照明系统大致可以分为三个技术界面:①基于云端的应用与服务;②家庭范围的无线控制网络;以及③智能照明产品内部的控制软件与驱动电路。

在这三个技术界面中,最受人关注、讨论最多也是最让人迷惑的就是第二个界面:家庭无线控制网络。市场上各种产品形态共存,网络上各种观点百家争鸣。应当理解,技术本身无所谓优劣(拙劣的技术在其发展中自然而然地被淘汰了),只有适合不适合。我们思考的是:什么样的无线技术更适合智能家居网络?或者说,智能家居系统对无线互联技术有什么独特的需求?

智能家居系统是怎么玩的?

个人消费者对新生事物的接受度往往超越工业界的预计,智能家居亦是一例。

智能家居范围极广,没有统一的定义。其典型子系统——智能照明,可以简单到只有一个独立控制器(手机也是一个控制器)和一盏灯,也可以复杂到一个集成照明设备、传感器、智能开关以及控制算法的完整照明系统。作为消费者接触智慧照明的第一步,一个可以用手机控制的、安装简单的灯泡是很好的产品形式。这个灯泡可以不那么完美,功能也不丰富,但一定要像普通灯泡一样,拧上去就好。几分钟的时间就可以操作起来。因此,对消费者来说,智能产品的第一个需求就是:低复杂度、易于安装。

当消费者慢慢习惯了用手机控制家里的灯泡,新的需求出现了。这时,和灯泡无缝互联的开关类设备可以提供更加自然、直观的服务。如果配上合适的传感器,比如运动、温湿度、光照传感器,通过设定特定的规则,一个小型的、自动运行的照明系统就出现了。这个照明子系统可以和其它的子系统比如安防、影音、厨卫、遮阳系统互动。这构成了典型的智能家居无线网络。

因此,智能家居的无线网络应当是一个大范围、多设备的局域网络。用技术语言来讲——它应当是一个mesh网。

我们抛开让人眼花缭乱的技术指标和市场宣传,顺着刚才的思路想一想,一个稳定可靠的智能家居无线网络应当有哪些要素。

1、mesh网。智能家居系统的节点数可以从数个到数十个甚至上百个,这与点对点控制的智能单品截然不同,要求网络可以提供更大的冗余度以利负载平衡和路径选择。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,并进行持续的、动态的优化。

2、健壮性。在一个节点数较多的网络中,健壮性至关重要。智能家居系统多部署在室内,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。路由的合理创建和设备的合理维护,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。

3、空间的复用性。在一个有限的频谱中,怎样与不同的技术进行合理的避让和分配,也同样对无线网络的稳定性提出考验。空间访问机制,以及软件和协议的协同配合在其中起了很大的作用。

Zigbee为什么要费尽心思做mesh网?

另一种同样用于连接低功耗资源受限型设备的IoT无线技术——低功耗广域网(LPWAN)是典型的集中式网络结构(即星形网络)。比较一下这两种技术的特点会非常有意思,也有助于我们加深对IoT无线连接技术的理解。

LPWAN(如NB-IoT和Lora)是非常优秀的无线网络,它将IoT设备长距离地直接连至基站,进而接入云端。这一网络拓扑结构决定了,LPWAN在获得低功耗、长距离连接的同时,放弃了一个对智能家居而言极其重要的特性——设备的本地互动。请看下面的例子。

这是一个极简单的设备互动——当门被打开时点亮灯泡(当然也可以是传感器)。在一个本地的mesh 网络中,门锁可以和灯泡直接互联,通过应用层的逻辑绑定可一步实现这个功能。而在LPWAN的架构下,门锁必须将消息上报给基站,通常基站是不实现应用逻辑的,需要进一步上报给云端。云端通过处理给灯泡下发指令——开灯或关灯。对这个应用而言,这一数据通路明显过于复杂了。

当然在实际应用中,LPWAN的每次消息传输还意味着一笔费用,不过这是另外一个层面的事情。

进一步地,如果上百个设备都是这样操作,系统的性能差异将非常明显。

图2 本地mesh网和LPWAN架构下的设备互动

也许有人会想,为什么不可以在LPWAN,比如NB-IoT设备上实现本地的通信呢?提出这个问题并不奇怪,甚至有些理所当然。我曾经在一个研讨会上遇见一名物联网从业者,他大篇幅地描述他在NB-IoT上提出的新应用,就是基于这个想法。

其实想一想,不管是NB-IoT还是Zigbee(名字并不重要),几乎所有(几乎是为了避免绝对,其实就是所有的)低功耗无线技术均采用了一个共性技术——设备休眠。Zigbee, Thread, BLE, NB-IoT, Lora, Z-wave这些常用技术无一例外。想想这个问题——如何在两个休眠的设备间(更加技术的,它们是异步的)建立起长期、稳定地通信呢?这是做不到地。

所以,这也印证了一个事实——Zigbee的终端设备(End Device)之间不可以直接通信而必须通过路由;LPWAN设备之间不可以直接通信而必须依赖基站。这两者并不是巧合,背后有着共同的理念和通信机理。

这个例子也说明了为什么Zigbee (还有Thread等技术)花费巨大精力制定mesh网标准,为什么蓝牙技术在进军智能家居时必须开发出具备mesh功能的网络技术。

Zigbee能够保证认证的产品互联互通吗?

限于篇幅,我再谈一个问题——产品的互操作。

首先,Zigbee联盟宣称通过认证的产品可以保证互操作。私有协议(在实践中大量存在)的互操作问题不在讨论之列。

也许有人会提出异议:“为什么Zigbee需要做认证?其它技术就不需要?”

(这话是谁说得?你站出来!我跟你谈谈人生。。。)

这完全是以讹传讹。据我所知,所有的以“互操作”为目的的技术都有严格的测试和认证要求。最常见的Wi-Fi,蓝牙,还有Zigbee都是要求对产品进行认证的。在Thread这个技术尚未完全标准化之时,Thread联盟就提出要进行严格的认证程序(原文:rigorous certification program )。我当时在现场,记忆犹新。

不仅无线互联技术需要认证,甚至智能家居的生态系统都会制定认证环节以保证产品间的互操作。大家可以自行搜索“华为Hilink认证产品”。

那么,Zigbee所说的“保证产品间的互操作”,它有没有具体范围或者条件呢?

首先回答:有的。Zigbee所宣称的互操作和消费者感受到的互操作是有区分的。

下面进一步回答Zigbee的标准和测试环节所带来的互操作性,以及市场上大家抱怨的“不能互操作”的差异在哪里。理解这些需要对Zigbee的标准和测试流程有基本了解,大家可以咨询我们的Zigbee授权实验室(CESI, TuV Rheinland, Element, UL, NTS)。

Zigbee作为一个物联网开放标准,自标准定义到测试的方法与流程,其目标都是设备通信与行为层面的规范与互操作性,而不涉及产品本身的性能。换句话说,标准本身定义的是通信各层级(OSI 7层模型或简化4层模型)的格式与规范;而测试本身关注空中数据包(over-the-air packet)的合规性。设备本身的性能差异交给厂商与市场,这也是平衡兼顾 “标准化” 与 “差异化” 的合理结果。

举例来说,下述各项属于Zigbee测试的内容,其互操作性由Zigbee标准保证:

1、设备网络层的基本行为,包括网络发现、加入/离开网络、交互网络参数等。

2、设备安全性的行为,包括安全模式的支持、密钥的生成分发、密钥的动态更新等。

3、设备功能性的行为,包括测试PICS文件中所列的所有Mandatary和Optional行为。

下述各项不属于Zigbee测试的内容,亦不属于Zigbee所保证的产品互操作的范围:

1、功能参数在产品表达上的一致性。比如同一亮度和颜色参数在不同产品的光学表达不一致(色度差)。

2、命令在执行上的细微差异。比如设备执行“OFF”命令时设备断开的时间不一致(有快有慢)。

3、设备RF性能上的差异。比如不同公司的产品在网络中的性能表现不一致、不同的产品具有不同的信号强度和有效传播距离。

4、设备自身的性能和稳定性。比如有些产品可以长时间稳定地存在于网络中,有些产品有更高的断网概率。

同时,在大范围的网络中,数量众多的设备因网络参数不一致带来的网络行为差异也是被频繁提及的。比如路由设备的带载能力,数据缓存时间与数据请求的频率(Data Poll Rate),广播消息的频率与次数,设备掉线后发起新入网请求的触发条件,以及繁多的参数窗口的选择带来的行为差异,不一而足。

应当说明,产品性能的一致性并非Zigbee联盟的诉求,也不应当是一项IoT国际开放标准的责任。工业界在追求互联互通的技术的同时,亦需要足够的空间追求产品的差异化与品牌附加值。

Zigbee联盟始终正视来自产业界的需求,并积极给出方案以满足消费者对于互操作的要求。联盟目前的一些工作包括:

1) 认证过程中增加新的测试内容以提高产品互操作性;

2) 对已有的可选功能(optional cluster)进行梳理和优化;

3) 对已有的功能进行强化和扩展;

结束语

做Zigbee中国成员组主席的这两年来,我深深地为我国物联网和智能家居事业的蓬勃发展感到自豪。优秀的产品与系统引领着全球IoT行业的发展,中国速度也一次又一次的让国际友商们感到惊讶、赞叹。我希望通过这个平台,可以和大家多多交流智能家居行业的技术、产品、市场、生态。也期待大家的反馈!

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