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Zigbee和智能家居的关系

来源:站内   时间:2018-04-11   作者:umeinfo

本文收录于《物联网的趋势与当前特点(2017卷)》。

讲师介绍

张敏,上海雍敏信息科技有限公司董事长/CEO。来自硅谷的具有30年以上嵌入式系统、通信系统和产品研发生产经验的资深行业专家,行业Zigbee技术专家和技术讲师,上海雍敏信息科技有限公司首席技术架构师,教育部2017年-2020年 全国大学生物联网设计竞赛专家委员会委员。


  Zigbee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向的无线通讯技术。它可以工作在2.4GHz的频段,这个也是全球通用的频段。欧洲有868MHz、美国有915MHz等三个频道。Zigbee技术在2.4G工作的时候最高可以达到250KBps的传输速率。距离的话,根据厂商的芯片设计能力不同有差别,有百米左右的,也有几百米的。Zigbee技术目前是物联网和智能家居应用中主要的实用技术之一,它和wifi、蓝牙等一样,组成了整个物联网应用的一个丰富多彩的无线局域网的技术。


  Zigbee技术的特点在低功耗、低成本、短时延、高容量、高安全、自组织、低速率、可达百米以上距离,还有就是使用免执照频段。Zigbee技术目前是局域网技术里面安全的一种技术。Zigbee解决方案,在基于广受赞誉的Zigbee Pro的mesh网络协议,具备多项针对当今市场和不断演化的风险环境设计的安全新功能。比如包含了最初为Zigbee Smart energy智慧能源标准开发的安全功能,该功能已经在全球数以亿计的电表中得到应用,至今尚未发现存在安全漏洞。


  由于Zigbee传输速率比较低,带宽有限,其发射功率在的毫瓦级,而且采用睡眠、休眠模式,功耗比较低。因此Zigbee设备非常省电。


  Zigbee的网络容量非常大。它一级网络最多可以容纳254个从设备和1个主设备。单一网络区域里可以同时存在100多个Zigbee网络而且网络组成灵活。网状网结构的Zigbee网络结构理论上可以有65000多个节点。


  Zigbee技术里面采用了碰撞避免的策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开发送数据的竞争和冲突。它的Mac层使用了网点确认的数据传输发送模式,每一个发送数据包都必须等待对方确认信息。如果传输过程中出现问题可以申请重发,所以它形成了高可靠性。


  刚才讲了高安全性,Zigbee提供基于循环冗余校验的CRC的数据包完全检查的功能,并支持鉴权和认证,也才采用了AES-128加密的算法,各个应用可灵活地确定其安全的属性。


  Zigbee的一大特点就是自组网mesh。他的自组网功能无需人工干预,网络既能够感知其他节点的存在,并确定连接关系,组成结构化的网络。Zigbee的自愈功能:增加或者删除一个节点,节点发生变动、发生故障等等网络都能够自我修复,并对网络拓扑结构进行相应调整,无需人工干预,保证了整个系统仍能正常的工作。


  我们讲了那么多的就是Zigbee特点、优势、优点,他的缺点在什么地方?我们要辩证客观地看,它的缺点就是一个低速率,还有它不是一个同步的数据传输方式,而是异步通讯。所以说,在一些应用场景里面,你要是想有快速同步的话,除非以广播的方式外,其他的网状网方式节点间会有一些时差。


  Zigbee应用在智能家居行业自于无线传感器网与智能家具的基本属性所决定的。因为智能家居的基本属性包括:第一个全天候、第二个全区域、第三个全功能。Zigbee还有更强的整合能力,解决传统需求,最终达到优化生活方式的目的。智能家居的全天候工作都是要求我们整个系统,不受白天黑夜的限制,从唤醒用户到送出门上班,从迎接客户回家到陪伴用户入睡,智能家居一直在工作着,甚至当客户入睡也要随时听候吩咐。如果用户夜间起床,智能夜灯自动启动。Zigbee技术用在智能家居最大的优点就是全区域,Zigbee的节点数越多越多稳定,用户在家中任何区域都可以与智能家居进行交互并享受相应的功能,甚至不在家中的时候也可以进行远程查看和控制,其广泛的交互区域和互动能力也是一般传统家居功能不能比拟的。


  由于智能家居的很大一部分来自于传感器节点,所以说对传感器节点的低功耗要求是非常的高。一般就是用纽扣电池或者锂电池,而且需要长期的工作,得益于睡眠功能,可以运行一年、两年而不用换电池的特性。


  目前对智能家居和物联网行业,其实有很多的一些误解,比如说讲得最多的丢包问题。其实经典的TCP/IP协议,通过数据重发来应对数据丢包和不稳定连接问题。尽管单一的物联网设备通常相对很小,但针对整个一个物联网流来讲,其通讯量较大。对海量的非关键数据进行重发会造成非常大的不必要的冗余。对于绝大多数物联网设备来说,一个数据丢包,就是一串的数据丢失,有时并不能说明任何问题。不可否认。对于需要处理实时紧急任务的设备而言,传统的互联网的协议可能比目前的物联网应用协议更为契合。


  wifi、蓝牙都是基于IP base协议,TCP/IP协议已经广泛运用于大量设备,如智能手机设备。那我们会思考如此大规模部署成熟的协议,为什么移植到物联网上面。只是因为类似协议并不合适物联网终端设备的潜在应用。其根本问题在于互联网的协议都十分稳健,主要为高效运转、大数据流和高可靠的设计的。但这些原本值得称道的特性,对于物联网设备并不合适。我们要树立‘开销’的意识,稳健的协议并不是物联网所必须需要的。主要的原因在于其对网络开销的要求,而且对那些简易的物联网设备而言,其处理能力、存储容量和通信能力也是十分有限的。物联网还需要从边缘网络的角度出发来考虑。为何不提供一种新的思路?既能与现有的TCP/IP的这个终端设备共存,又能高效的管理所有非IP设备产生的海量数据。所以说在智能家居中有一个核心就是智能家居的网关。


  智能家具产品的技术结构包括了很多部分能力,其中有产品本身部分、互联的部分、云的部分、身份安全架构部分还有第三方的部分,就是数据源服务,如天气交通之类。智能家居的触角是传感器,传感器在智能家居中起到非常重要的作用。如亚马逊Alexa ,他现在作了我们全感中的两感——听和说,它已经可以达到这么高的一个应用程度。当我们做到全感:有眼睛,有鼻子,有舌头,有皮肤,有触觉,有耳朵,各方面全部有的时候,那智能家居真的是落地了。


  我们经常讲的智能家居发展的一个瓶颈是传感器太少,也就是神经太少了,所以要大脑发达还是有点困难。总而言之,Zigbee和智能家居形成了一种“你中有我,我中有你”的态势。从这个整个技术发展上讲,Zigbee技术本身的特性,是基于IEEE802.15.4的RF平台,目前现在就是往“dotdot”的方向发展,也就是说成为Iot language。我前阵子应许老师之邀写的就是关于“dotdot”的介绍,有兴趣的朋友可以去看一下。


   目前Zigbee 3.0等于是把原来之前Zigbee pro和其他一些Zigbee的特性全部绑在一块儿,这样就能更好地实现互操作。比如说你买了一个经过Zigbee联盟认证的网关,是和飞利浦的Hue,和其他的一些产品对接就可以进行互操作,进行互相控制。


  从Zigbee技术本身来讲的话,来自于无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN),这个可以用在像那个抄表系统啊,智能交通,电工照明,楼宇安全,楼宇油气生产的这一课遥控、通讯系统。比如农田、大棚、耕作环境监测、水利水文的监测的无线通信、工业制造、过程控制和遥测遥控,对医学的病患设备设施进行医疗和健康的监控、家庭监控、安防类的报警运用,有源RFID的应用,应用于产品运输,产品跟踪,产品管理,还有包括现在比较多的是军事应用,监测和机器人控制全体智能,汽车应用,比如车联网。


  这里再讲几个一般人们对Zigbee的几个认识误区?第一个,Zigbee价格真的很低吗?其实目前成本在30块左右的模块——这种市面上非常多的。像NB-iot都在70、80元,这个太贵了!第二个,通讯真的稳定吗?目前为止,Zigbee主要采用频段2.4G,它受限于频段的物理特性,所以说它的环境中可以网撞网的方式解决传输的问题。


  Zigbee主要特点是自组网能力强,自恢复能力强,因此对于像地下、井下定位、停车场地位、室外的温度采集、污染采集,非常有吸引力。在智能家居,我们就用最多的就像开关面板、插座窗帘、现在很火的智能门锁。这些就非常有特点。


  智能家居的一个发展趋势,我们可以从几个层面进行分析推断:首先是研发,从频率生产厂商层面,过去有十多年不断有这个厂商加入行业,经过这些年了发展积累智能家居技术已经趋于成熟,而且像这个天使投资、风险投资也纷纷进入到这行业,在资金的推动下,在不久的将来会有成熟稳定用户体验更好的智能家居系统推入市场。从智能家居的推广层面来讲,越来越多的个人与公司也愿意加入智能家居的推广。这从一个侧面反映大家推广智能家居的热清比较高涨,至于终端使用的层面,通过从事研发生产和市场推广的共同努力智能家居的概念正在深入人心,另外随着网络智能设备的普及使得智能家居硬环境、大环境已经成熟。再加上我们满足普通消费需求的智能家居产品推出。我们可以期待在不久的将来,三年之内,智能家居行业必定进入一个爆发式增长的阶段。


  Zigbee联盟最近推出“dotdot”的应用语言,目的也就是更好地为iot服务。将整个应用子层拿出来,将针对整个品类的描述的ZCL的cluster变成为一个 “dotdot” 语言。未来的zigbee会越来越轻,会脱离对IEEE802.15.4的平台的物理层与Mac层的依附性,未来Zigbee可以用在有线、无线、蓝牙等等物理平台上。


  现在一个趋势就是多协议网关,支持的就是将蓝牙、Zigbee还有wifi等集中在一起。例如你买一个插座,用蓝牙进对它进行配置,之后Zigbee会自动按蓝牙配置的能力进行入网。这就是多协议Multi-protocol的一些优点,更方便地使用智能家居产品。