摘要：
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,越來越多的客戶開始開發(fā)和接受智能照明單品和系統(tǒng)。從巨無霸的跨國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域占領先機。
說到智能照明，除了光源部分的不斷進步之外，不能不提到各種無線通訊技術，他們承擔了智能照明從封閉到開放，從私有網(wǎng)絡向更廣闊系統(tǒng)邁進的重要一環(huán)。
在無線智能照明產(chǎn)品的開發(fā)和應用中，最常見的問題莫過于到底應該選擇哪種無線技術。在現(xiàn)有的存量產(chǎn)品和系統(tǒng)中，ZigBee當仁不讓的獨占鰲頭。ZigBee的自組網(wǎng)的“Mesh”網(wǎng)絡被照明界認為是最貼近實際場景的技術。
但不得不提的是，在無線智能照明市場一片大好的形勢下，其它無線連接技術也開始打著“Mesh”的招牌進行宣傳，希望引起業(yè)界關注進而擴大自己的市場份額。于是很多廠商手中握著ZigBee，看著低功耗藍牙，再想想“擁抱”互聯(lián)網(wǎng)的Wi-Fi，實在是拿不定主意。
讓我們暫時拋下“Mesh”這個名字的外衣，先認真想一想，一個穩(wěn)定可靠的照明網(wǎng)絡有哪些要素：
1. 平衡負載。
智能照明系統(tǒng)網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)可以從數(shù)個到數(shù)十個甚至上百個，這就要求網(wǎng)絡可以提供更大的冗余度以利負載平衡。要做到負載平衡，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，尤其是在一個節(jié)點數(shù)較多的網(wǎng)絡中，健壯性至關重要。相當多的智能照明系統(tǒng)部署在室內(nèi)，空間結(jié)構(gòu)上的遮擋、反射以及無線電環(huán)境上的干擾，都對系統(tǒng)的健壯性提出了更高的要求。路由的合理創(chuàng)建和維護，以及不同的通訊報文類型，都對網(wǎng)絡的健壯性產(chǎn)生決定性影響。
3. 空間的復用性。
在一個有限的射頻頻譜中，怎樣與不同的技術標準進行合理的避讓和分配，也同樣是對一個照明網(wǎng)絡穩(wěn)定性的考驗。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，可以極大地簡化應用難度和提高應用和開發(fā)過程的標準化。
有了上述的特點和需求，我們再來看看不同的技術能否體現(xiàn)這些要素。
ZigBee -- Mesh技術的集大成者
ZigBee技術從誕生的第一天起就把Mesh網(wǎng)絡作為最大的招牌來研究和推廣，當然毋容置疑的也把做好Mesh作為最重要的使命之一。
1. 低開銷路由算法
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)點的需求發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程，路由表信息也是按需建立的。
當需要發(fā)送數(shù)據(jù)包時，如果找不到目的節(jié)點的路由表信息，該節(jié)點就需要開始路由發(fā)現(xiàn)過程建立路由表信息。不需要路由在沒有需求情況下，發(fā)起大量的路由發(fā)現(xiàn)來建立路由表，節(jié)省了一定的網(wǎng)絡資源。
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)點的下一跳地址，對應目的節(jié)點地址和鏈路狀態(tài)信息，大大節(jié)省了路由維護的開銷。整個網(wǎng)絡既保證了路由的簡單快捷，也減少了不必要的開銷。
當進行通訊的時候，只有相關的路由路徑進行通訊，不會干擾到其它的不相關路徑。這對于大網(wǎng)絡的應用尤其適合。
2. 豐富的報文格式類型
ZigBee有著豐富的報文格式。在ZigBee協(xié)議中，數(shù)據(jù)幀根據(jù)不同的應用需求分為單播，組播和廣播。
應用中需要對某個特定設備進行控制，或者需要對做出快速響應時就可以通過單播方式，直接指定目標地址進行數(shù)據(jù)發(fā)送。單播使得通信更加快速有效，但是對于某些應用，需要對網(wǎng)絡中的所有設備進行控制，單播就會加大整個網(wǎng)絡流量，并且會造成較大的時延問題。
針對此類應用需求，ZigBee加入了廣播機制，協(xié)調(diào)器和路由器可以在收到廣播數(shù)據(jù)包以后進行廣播轉(zhuǎn)發(fā)，使得網(wǎng)絡中的所有設備可以快速的收到數(shù)據(jù)包。但是長時間廣播數(shù)據(jù)包會使網(wǎng)絡協(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，嚴重影響網(wǎng)絡的功耗和單播通信。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)省電池供電設備的能量消耗。
另外ZigBee協(xié)議限制了設備單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)包的廣播數(shù)量，減輕網(wǎng)絡通信負擔。在單播和廣播之外，ZigBee協(xié)議又加入了組播通信實現(xiàn)對某一組設備的通信。
3. 更進一步的多對一路由算法
ZigBee Pro路由協(xié)議還采用了多對一 (Many-to-One) 路由算法。該算法主要應用于一個集中節(jié)點 (一般是協(xié)調(diào)器) 跟其它所有節(jié)點進行通信的場景。算法通過集中節(jié)點定期廣播AODV路由發(fā)現(xiàn)幀，使所有設備保存并更新到集中節(jié)點的路由路徑。
節(jié)點根據(jù)保存的到集中節(jié)點的路由路徑，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀前，通過Router Record命令將整條路徑上的節(jié)點信息發(fā)送到集中節(jié)點處。所有節(jié)點完成Router Record命令后，使得集中節(jié)點有了到所有節(jié)點的路由路徑。
該路由算法針對集中節(jié)點和其它所有節(jié)點通信的應用場景，可以大大減少因大量AODV路由發(fā)現(xiàn)而引起的網(wǎng)絡流量，減少整個網(wǎng)絡的通信負擔。
在智能家居和智能照明應用場景中，往往需要通過智能手機等設備通過網(wǎng)關實現(xiàn)對ZigBee設備的本地或者跨互聯(lián)網(wǎng)遠程控制。該網(wǎng)關就是Many-to-One路由算法中的集中設備，需要跟所有的設備進行通信。由此可見該路由算法在智能家居和智能照明等領域有著獨特優(yōu)勢。
4. 自組網(wǎng)，自恢復
在ZigBee網(wǎng)絡中，路由器和終端設備在入網(wǎng)時，不需要人工干預即可自行完成網(wǎng)絡搜索和網(wǎng)絡加入過程。另外路由器因發(fā)生故障而無法工作，該路由器下的終端設備可以重新選擇其它路由器作為父設備重新加入到網(wǎng)絡中。
同樣，如果終端設備因為移動而脫離父設備，該終端設備也會重新選擇其它路由器作為父設備加到網(wǎng)絡中。實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的自組織和自恢復功能。
5. 低功耗網(wǎng)絡
在ZigBee網(wǎng)絡中，有協(xié)調(diào)器、路由器和終端設備三種設備類型。協(xié)調(diào)器負責一個ZigBee網(wǎng)絡的創(chuàng)建和初始化，并且一個ZigBee網(wǎng)絡中只有一個協(xié)調(diào)器。完成網(wǎng)絡創(chuàng)建以后，協(xié)調(diào)器以路由器的功能工作。
路由器負責路由的發(fā)現(xiàn)和維護工作，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。終端設備不參與路由的發(fā)現(xiàn)和維護，也不進行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。終端只通過父設備（路由器）進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。終端設備通過主動查詢方式從父設備獲取數(shù)據(jù)。所以在ZigBee網(wǎng)絡中，終端設備可以完全進入休眠狀態(tài)以節(jié)省設備功耗，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡的低功耗。
當然，ZigBee在智能網(wǎng)絡上也遇到一些挑戰(zhàn)。比如：
1. 和智能終端的連接問題。手機和現(xiàn)代智能終端無法和ZigBee設備直接連接，需要通過網(wǎng)關或其它智能設備轉(zhuǎn)發(fā)。
2. ZigBee協(xié)議規(guī)范比較多。在遇到智能照明網(wǎng)絡和其它ZigBee網(wǎng)絡進行互通互聯(lián)的時候，現(xiàn)有的規(guī)范無法做到全兼容，而且應用兼容性上比其它技術也要復雜。這一局面等到ZigBee3.0之后相信會有所改變。
BLE（低功耗藍牙） -- 開了手機直控互聯(lián)的一扇小窗
Bluetooth Low Energy（低功耗藍牙）從2013年開始徹底引爆了手機智能單品外設市場。從防丟器，遙控器到“養(yǎng)花神器”，各種凡是能和手機外設沾上邊的地方都有BLE的身影。手機控制的智能照明自然也是關注點之一。
無奈藍牙技術的基因是星型網(wǎng)絡和短距離，雖然某些公司推出了基于新版藍牙協(xié)議的“Mesh”協(xié)議，但更應該看做是一次技術和市場的嘗試，離真正可商用的智能照明所需要的穩(wěn)定Mesh網(wǎng)還有很長的一段路要走。
1. 標準的不統(tǒng)一。
藍牙SIG沒有說過任何關于“BLE mesh”的標準，唯一可查的是成立了一個小組開始研究這個問題。有意思的是，中文網(wǎng)站上出現(xiàn)的都是“BLE MESH”，而英文網(wǎng)頁上寫的都是“C** Mesh”。
標準的不統(tǒng)一強烈地阻礙了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使得互通互聯(lián)成為泡影。做出來的產(chǎn)品最多做到“獨門獨戶”，離一個應用標準還很遠。
2. 低效的“路由”。
BLE因為從點對點網(wǎng)絡演變而來，所以在現(xiàn)有的mesh方案中并沒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)絡負荷。網(wǎng)絡的報文格式有限，大多從廣播包演變過來，沒有真正的路由維護。有些采用節(jié)點跳轉(zhuǎn)的“BLE Mesh”網(wǎng)絡，在應用層之上增加了一些變化來維護網(wǎng)絡和路由，效率大打折扣。
3. 射頻通道的局限。
支持泛洪的BLE mesh網(wǎng)絡，僅僅使用3個BLE廣播信道。對信令的準確傳輸和其它廣播業(yè)務的正確響應造成了干擾。
Wi-Fi -- 離規(guī)模智能照明的應用非“一步之遙”
Wi-Fi作為連接互聯(lián)網(wǎng)最直接的無線連接技術，從一開始就被智能產(chǎn)品廠商所青睞。Wi-Fi技術的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有形成氣候，包括幾年前一度很熱的IEEE802.11s，也很久都沒有更新了。
那讓我們來看看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)盟并沒有定義上層的Profile（互通互聯(lián)應用層標準），絕大部分的Wi-Fi應用使用的都是IP報文，但是由于不同廠商的報文格式不盡相同，造成Wi-Fi設備的互通互聯(lián)一直是個大問題。
2. 照明處理器的成本問題。
Wi-Fi芯片本身的高價錢，加上要處理IP報文，處理器的內(nèi)存和處理開銷都少不了，對于簡單照明來講，實現(xiàn)相同的功能，成本相對偏高。
3. 路由器的最大用戶支持問題。
這里討論的不是不同路由器和設備的兼容問題（雖然這一定會是個問題），而是每個路由器最大可以支持的設備數(shù)。絕大多數(shù)的路由器說明書，沒有提到這一項參數(shù)。因為在非物聯(lián)網(wǎng)的應用環(huán)境下，10臺左右的設備基本是一個Wi-Fi路由器覆蓋范圍內(nèi)的設備數(shù)上限了。
絕大部分的路由器處理這些設備的上網(wǎng)數(shù)據(jù)都沒有問題。但在照明網(wǎng)絡，用戶設備數(shù)超過30個完全有可能。這時候?qū)Σ黄?，便宜些的路由器，（甭管這路由器上有幾根天線，或者有個什么霸氣的名字），上線掉線會是很常見的問題。
描述完了這些，我們整理了一個表格方便大家理解：
大家可以很清楚地看到，不同的無線連接的標準與智能照明網(wǎng)絡的契合度是大不相同的。藍牙和Wi-Fi雖然做出了很大的努力，但從現(xiàn)在技術的成熟度和特點來看，ZigBee更適合用在照明網(wǎng)絡的應用領域。ZigBee與生俱來的優(yōu)勢，與智能照明網(wǎng)絡相得益彰。
作者：周怡颋、徐利明，德州儀器（中國）有限公司；張宇寧，飛利浦（中國）投資有限公司
來源：《新世紀LED》
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