LED智能照明將極大地提升產(chǎn)品的附加值，其發(fā)展空間遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)照明產(chǎn)品。作為L(zhǎng)ED快速替換期過(guò)后的長(zhǎng)期成長(zhǎng)動(dòng)能，不管是智能家居或者智能照明，無(wú)線技術(shù)都扮演著至關(guān)重要的角色。

　　今天，聯(lián)合德州儀器（中國(guó)）有限公司周怡颋、徐利明和飛利浦（中國(guó)）投資有限公司張宇寧三位技術(shù)專家為我們解讀Zigbee自組網(wǎng)的Mesh網(wǎng)絡(luò)。一起來(lái)關(guān)注一下吧~

　　在物聯(lián)網(wǎng)的大旗下，智能照明的熱度也隨之不斷升溫。加之其安全、節(jié)能、舒適、高效的特點(diǎn)，越來(lái)越多的客戶開(kāi)始開(kāi)發(fā)和接受智能照明單品和系統(tǒng)。從巨無(wú)霸的跨國(guó)公司到雨后春筍般涌現(xiàn)的初創(chuàng)公司，都希望在這一新興領(lǐng)域占領(lǐng)先機(jī)。

　　說(shuō)到智能照明，除了光源部分的不斷進(jìn)步之外，不能不提到各種無(wú)線通訊技術(shù)，他們承擔(dān)了智能照明從封閉到開(kāi)放，從私有網(wǎng)絡(luò)向更廣闊系統(tǒng)邁進(jìn)的重要一環(huán)。

　　在無(wú)線智能照明產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中，最常見(jiàn)的問(wèn)題莫過(guò)于到底應(yīng)該選擇哪種無(wú)線技術(shù)。在現(xiàn)有的存量產(chǎn)品和系統(tǒng)中，ZigBee當(dāng)仁不讓的獨(dú)占鰲頭。ZigBee的自組網(wǎng)的“Mesh”網(wǎng)絡(luò)被照明界認(rèn)為是最貼近實(shí)際場(chǎng)景的技術(shù)。

　　但不得不提的是，在無(wú)線智能照明市場(chǎng)一片大好的形勢(shì)下，其它無(wú)線連接技術(shù)也開(kāi)始打著“Mesh”的招牌進(jìn)行宣傳，希望引起業(yè)界關(guān)注進(jìn)而擴(kuò)大自己的市場(chǎng)份額。于是很多廠商手中握著ZigBee，看著低功耗藍(lán)牙，再想想“擁抱”互聯(lián)網(wǎng)的Wi-Fi，實(shí)在是拿不定主意。

　　讓我們暫時(shí)拋下“Mesh”這個(gè)名字的外衣，先認(rèn)真想一想，一個(gè)穩(wěn)定可靠的照明網(wǎng)絡(luò)有哪些要素：

　　1. 平衡負(fù)載。

　　智能照明系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)可以從數(shù)個(gè)到數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)，這就要求網(wǎng)絡(luò)可以提供更大的冗余度以利負(fù)載平衡。要做到負(fù)載平衡，需要在路由協(xié)議上下功夫，合理創(chuàng)建路由和選擇路由，并持續(xù)的優(yōu)化。

　　2. 健壯性。

　　在照明網(wǎng)絡(luò)，尤其是在一個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)較多的網(wǎng)絡(luò)中，健壯性至關(guān)重要。相當(dāng)多的智能照明系統(tǒng)部署在室內(nèi)，空間結(jié)構(gòu)上的遮擋、反射以及無(wú)線電環(huán)境上的干擾，都對(duì)系統(tǒng)的健壯性提出了更高的要求。路由的合理創(chuàng)建和維護(hù)，以及不同的通訊報(bào)文類型，都對(duì)網(wǎng)絡(luò)的健壯性產(chǎn)生決定性影響。

　　3. 空間的復(fù)用性。

　　在一個(gè)有限的射頻頻譜中，怎樣與不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合理的避讓和分配，也同樣是對(duì)一個(gè)照明網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的考驗(yàn)。頻譜的劃分，使用以及軟件和協(xié)議的協(xié)同配合在其中起了很大的作用。

　　4. 在智能照明系統(tǒng)里，往往會(huì)遇到不同廠家的產(chǎn)品和方案的互通互聯(lián)。

　　如果協(xié)議的互通互聯(lián)性在協(xié)議制定之初就給予充分考慮，可以極大地簡(jiǎn)化應(yīng)用難度和提高應(yīng)用和開(kāi)發(fā)過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化。

　　有了上述的特點(diǎn)和需求，我們?cè)賮?lái)看看不同的技術(shù)能否體現(xiàn)這些要素。

　　ZigBee -- Mesh技術(shù)的集大成者

　　ZigBee技術(shù)從誕生的第一天起就把Mesh網(wǎng)絡(luò)作為最大的招牌來(lái)研究和推廣，當(dāng)然毋容置疑的也把做好Mesh作為最重要的使命之一。

　　1. 低開(kāi)銷路由算法

　　ZigBee路由協(xié)議采用基于按需距離矢量 (AODV， Ad-hoc On Demand Vector) 路由算法。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的需求發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程，路由表信息也是按需建立的。

　　當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，如果找不到目的節(jié)點(diǎn)的路由表信息，該節(jié)點(diǎn)就需要開(kāi)始路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程建立路由表信息。不需要路由在沒(méi)有需求情況下，發(fā)起大量的路由發(fā)現(xiàn)來(lái)建立路由表，節(jié)省了一定的網(wǎng)絡(luò)資源。

　　另外路由表中不需保存完整的路由信息，只需要保存到目的節(jié)點(diǎn)的下一跳地址，對(duì)應(yīng)目的節(jié)點(diǎn)地址和鏈路狀態(tài)信息，大大節(jié)省了路由維護(hù)的開(kāi)銷。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)既保證了路由的簡(jiǎn)單快捷，也減少了不必要的開(kāi)銷。

　　當(dāng)進(jìn)行通訊的時(shí)候，只有相關(guān)的路由路徑進(jìn)行通訊，不會(huì)干擾到其它的不相關(guān)路徑。這對(duì)于大網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用尤其適合。

　　2. 豐富的報(bào)文格式類型

　　ZigBee有著豐富的報(bào)文格式。在ZigBee協(xié)議中，數(shù)據(jù)幀根據(jù)不同的應(yīng)用需求分為單播，組播和廣播。

　　應(yīng)用中需要對(duì)某個(gè)特定設(shè)備進(jìn)行控制，或者需要對(duì)做出快速響應(yīng)時(shí)就可以通過(guò)單播方式，直接指定目標(biāo)地址進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。單播使得通信更加快速有效，但是對(duì)于某些應(yīng)用，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備進(jìn)行控制，單播就會(huì)加大整個(gè)網(wǎng)絡(luò)流量，并且會(huì)造成較大的時(shí)延問(wèn)題。

　　針對(duì)此類應(yīng)用需求，ZigBee加入了廣播機(jī)制，協(xié)調(diào)器和路由器可以在收到廣播數(shù)據(jù)包以后進(jìn)行廣播轉(zhuǎn)發(fā)，使得網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備可以快速的收到數(shù)據(jù)包。但是長(zhǎng)時(shí)間廣播數(shù)據(jù)包會(huì)使網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器持續(xù)地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)包泛洪，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的功耗和單播通信。在ZigBee Pro協(xié)議中加入某些特定的廣播地址，例如只有路由器可以收到廣播數(shù)據(jù)包從而節(jié)省電池供電設(shè)備的能量消耗。

　　另外ZigBee協(xié)議限制了設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)包的廣播數(shù)量，減輕網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)擔(dān)。在單播和廣播之外，ZigBee協(xié)議又加入了組播通信實(shí)現(xiàn)對(duì)某一組設(shè)備的通信。

　　3. 更進(jìn)一步的多對(duì)一路由算法

　　ZigBee Pro路由協(xié)議還采用了多對(duì)一 (Many-to-One) 路由算法。該算法主要應(yīng)用于一個(gè)集中節(jié)點(diǎn) (一般是協(xié)調(diào)器) 跟其它所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的場(chǎng)景。算法通過(guò)集中節(jié)點(diǎn)定期廣播AODV路由發(fā)現(xiàn)幀，使所有設(shè)備保存并更新到集中節(jié)點(diǎn)的路由路徑。

　　節(jié)點(diǎn)根據(jù)保存的到集中節(jié)點(diǎn)的路由路徑，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀前，通過(guò)Router Record命令將整條路徑上的節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送到集中節(jié)點(diǎn)處。所有節(jié)點(diǎn)完成Router Record命令后，使得集中節(jié)點(diǎn)有了到所有節(jié)點(diǎn)的路由路徑。

　　該路由算法針對(duì)集中節(jié)點(diǎn)和其它所有節(jié)點(diǎn)通信的應(yīng)用場(chǎng)景，可以大大減少因大量AODV路由發(fā)現(xiàn)而引起的網(wǎng)絡(luò)流量，減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信負(fù)擔(dān)。

　　在智能家居和智能照明應(yīng)用場(chǎng)景中，往往需要通過(guò)智能手機(jī)等設(shè)備通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)ZigBee設(shè)備的本地或者跨互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制。該網(wǎng)關(guān)就是Many-to-One 路由算法中的集中設(shè)備，需要跟所有的設(shè)備進(jìn)行通信。由此可見(jiàn)該路由算法在智能家居和智能照明等領(lǐng)域有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

　　4. 自組網(wǎng)，自恢復(fù)

　　在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，路由器和終端設(shè)備在入網(wǎng)時(shí)，不需要人工干預(yù)即可自行完成網(wǎng)絡(luò)搜索和網(wǎng)絡(luò)加入過(guò)程。另外路由器因發(fā)生故障而無(wú)法工作，該路由器下的終端設(shè)備可以重新選擇其它路由器作為父設(shè)備重新加入到網(wǎng)絡(luò)中。

　　同樣，如果終端設(shè)備因?yàn)橐苿?dòng)而脫離父設(shè)備，該終端設(shè)備也會(huì)重新選擇其它路由器作為父設(shè)備加到網(wǎng)絡(luò)中。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自組織和自恢復(fù)功能。

　　5. 低功耗網(wǎng)絡(luò)

　　在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中，有協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備三種設(shè)備類型。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建和初始化，并且一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)協(xié)調(diào)器。完成網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建以后，協(xié)調(diào)器以路由器的功能工作。

　　路由器負(fù)責(zé)路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。終端設(shè)備不參與路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，也不進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。終端只通過(guò)父設(shè)備（路由器）進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。終端設(shè)備通過(guò)主動(dòng)查詢方式從父設(shè)備獲取數(shù)據(jù)。所以在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備可以完全進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省設(shè)備功耗，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的低功耗。

　　當(dāng)然，ZigBee在智能網(wǎng)絡(luò)上也遇到一些挑戰(zhàn)。比如：

　　1. 和智能終端的連接問(wèn)題。手機(jī)和現(xiàn)代智能終端無(wú)法和ZigBee設(shè)備直接連接，需要通過(guò)網(wǎng)關(guān)或其它智能設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)。

　　2. ZigBee協(xié)議規(guī)范比較多。在遇到智能照明網(wǎng)絡(luò)和其它ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互通互聯(lián)的時(shí)候，現(xiàn)有的規(guī)范無(wú)法做到全兼容，而且應(yīng)用兼容性上比其它技術(shù)也要復(fù)雜。這一局面等到ZigBee3.0之后相信會(huì)有所改變。

　　BLE（低功耗藍(lán)牙） -- 開(kāi)了手機(jī)直控互聯(lián)的一扇小窗

　　Bluetooth Low Energy（低功耗藍(lán)牙）從2013年開(kāi)始徹底引爆了手機(jī)智能單品外設(shè)市場(chǎng)。從防丟器，遙控器到“養(yǎng)花神器”，各種凡是能和手機(jī)外設(shè)沾上邊的地方都有BLE的身影。手機(jī)控制的智能照明自然也是關(guān)注點(diǎn)之一。

　　無(wú)奈藍(lán)牙技術(shù)的基因是星型網(wǎng)絡(luò)和短距離，雖然某些公司推出了基于新版藍(lán)牙協(xié)議的“Mesh”協(xié)議，但更應(yīng)該看做是一次技術(shù)和市場(chǎng)的嘗試，離真正可商用的智能照明所需要的穩(wěn)定Mesh網(wǎng)還有很長(zhǎng)的一段路要走。

　　1. 標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一。

　　藍(lán)牙SIG沒(méi)有說(shuō)過(guò)任何關(guān)于“BLE mesh”的標(biāo)準(zhǔn)，唯一可查的是成立了一個(gè)小組開(kāi)始研究這個(gè)問(wèn)題。有意思的是，中文網(wǎng)站上出現(xiàn)的都是“BLE MESH”，而英文網(wǎng)頁(yè)上寫(xiě)的都是“C** Mesh”。

　　標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一強(qiáng)烈地阻礙了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使得互通互聯(lián)成為泡影。做出來(lái)的產(chǎn)品最多做到“獨(dú)門獨(dú)戶”，離一個(gè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)還很遠(yuǎn)。

　　2. 低效的“路由”。

　　BLE 因?yàn)閺狞c(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)演變而來(lái)，所以在現(xiàn)有的mesh方案中并沒(méi)有真正有效的路由算法。每次的路由發(fā)現(xiàn)需要大量的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文格式有限，大多從廣播包演變過(guò)來(lái)，沒(méi)有真正的路由維護(hù)。有些采用節(jié)點(diǎn)跳轉(zhuǎn)的“BLE Mesh”網(wǎng)絡(luò)，在應(yīng)用層之上增加了一些變化來(lái)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)和路由，效率大打折扣。

　　3. 射頻通道的局限。

　　支持泛洪的BLE mesh網(wǎng)絡(luò)，僅僅使用3個(gè)BLE廣播信道。對(duì)信令的準(zhǔn)確傳輸和其它廣播業(yè)務(wù)的正確響應(yīng)造成了干擾。

　　Wi-Fi -- 離規(guī)模智能照明的應(yīng)用非“一步之遙”

　　Wi-Fi 作為連接互聯(lián)網(wǎng)最直接的無(wú)線連接技術(shù)，從一開(kāi)始就被智能產(chǎn)品廠商所青睞。Wi-Fi技術(shù)的IP背景，以及企業(yè)推崇的“互聯(lián)網(wǎng)思維”，使得不談Wi-Fi，似乎企業(yè)就失去了自己的“互聯(lián)網(wǎng)基因”。

　　之前也有不同的公司提到Wi-Fi Mesh，但多多少少還有些限制也沒(méi)有形成氣候，包括幾年前一度很熱的IEEE802.11s，也很久都沒(méi)有更新了。

　　那讓我們來(lái)看看Wi-Fi在智能燈控上遇到的困難：

　　1. 互通互聯(lián)性。

　　由于Wi-Fi聯(lián)盟并沒(méi)有定義上層的Profile（互通互聯(lián)應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)），絕大部分的Wi-Fi應(yīng)用使用的都是IP報(bào)文，但是由于不同廠商的報(bào)文格式不盡相同，造成Wi-Fi設(shè)備的互通互聯(lián)一直是個(gè)大問(wèn)題。

　　2. 照明處理器的成本問(wèn)題。

　　Wi-Fi芯片本身的高價(jià)錢，加上要處理IP報(bào)文，處理器的內(nèi)存和處理開(kāi)銷都少不了，對(duì)于簡(jiǎn)單照明來(lái)講，實(shí)現(xiàn)相同的功能，成本相對(duì)偏高。

　　3. 路由器的最大用戶支持問(wèn)題。

　　這里討論的不是不同路由器和設(shè)備的兼容問(wèn)題（雖然這一定會(huì)是個(gè)問(wèn)題），而是每個(gè)路由器最大可以支持的設(shè)備數(shù)。絕大多數(shù)的路由器說(shuō)明書(shū)，沒(méi)有提到這一項(xiàng)參數(shù)。因?yàn)樵诜俏锫?lián)網(wǎng)的應(yīng)用環(huán)境下，10臺(tái)左右的設(shè)備基本是一個(gè)Wi-Fi路由器覆蓋范圍內(nèi)的設(shè)備數(shù)上限了。

　　絕大部分的路由器處理這些設(shè)備的上網(wǎng)數(shù)據(jù)都沒(méi)有問(wèn)題。但在照明網(wǎng)絡(luò)，用戶設(shè)備數(shù)超過(guò)30個(gè)完全有可能。這時(shí)候?qū)Σ黄?，便宜些的路由器，（甭管這路由器上有幾根天線，或者有個(gè)什么霸氣的名字），上線掉線會(huì)是很常見(jiàn)的問(wèn)題。

　　描述完了這些，我們整理了一個(gè)表格方便大家理解：

　　大家可以很清楚地看到，不同的無(wú)線連接的標(biāo)準(zhǔn)與智能照明網(wǎng)絡(luò)的契合度是大不相同的。藍(lán)牙和Wi-Fi雖然做出了很大的努力，但從現(xiàn)在技術(shù)的成熟度和特點(diǎn)來(lái)看， ZigBee更適合用在照明網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域。ZigBee與生俱來(lái)的優(yōu)勢(shì)，與智能照明網(wǎng)絡(luò)相得益彰。