《智能家居》第141期 无线组网专题之技术应用(上篇):Zigbee、蓝牙Mesh

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Zigbee技术

技术简介

由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位和远近信息的,也就是所蜜蜂依靠着这样的方式构成了群体中的通信“网络”,因此Zigbee的发明者们形象地利用蜜蜂的这种行为来形象地描述这种无线信息传输技术。

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它是基于IEEE802.15.4协议发展起来的一种短距离无线通信技术,功耗低,被业界认为是最有可能应用在工控场合的无线方式。Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台,在整个网络范围内,每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信,每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。其它Zigbee认证设备或系统进行无缝互联或互操作,并且无需进行对接开发。

Zigbee联盟

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始建于2002年的Zigbee联盟是一家开放型的非盈利组织,其成员构成了一个生机勃勃的完整生态圈。来自全球的公司、大学和政府机构都可以加入,成为联盟的成员。而成员们为了应对这个飞速发展的世界和不断变化的需求所作出的种种应对也决定了联盟的主要活动和发展方向。这个联盟正不断创建着一系列创新、可靠、且易于使用的Zigbee标准。

该联盟大约已有百余家成员企业,并在迅速发展壮大。其中涵盖了半导体生产商、IP 服务提供商、消费类电子厂商及OEM 商等。

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Zigbee联盟的董事会包括来自以下成员企业的高层管理人员:康卡斯特有线、华为、克罗格公司、兰吉尔、立达信、罗格朗、MMB Networks、恩智浦半导体、施耐德电子、昕诺飞 (原名飞利浦照明)、芯科科技、三星SmartThings、尚飞、德州仪器和物联传感等。

Zigbee3.0

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Zigbee协议的诞生源于对工业物联网的需求。Zigbee联盟推出Zigbee3.0主要的任务就是为了统一各种Zigbee 应用层协议,解决了不同应用层协议之间的互联互通问题,用户只要购买任意一个经过Zigbee3.0的网关就可以控制不同厂家基于Zigbee3.0的智能设备。

Zigbee协议介绍

2012年4月,国际Zigbee联盟推出了Zigbee Light Link,设定了共同标准,通过全球主要照明设备制造商的共同开发,ZLL不仅定义了一种先进的灯控应用信息传递协议,而且还纳入了简单的配置机制。Zigbee Light Link具有所有Zigbee网络的固有技术优势,实现了基于IEEE 802.15.4的低功率、低成本、健壮、安全的无线网络。

芯片

多家芯片厂商都有在华推广Zigbee的解决方案,比如Atmel, Texas Instrument, NXP, Marvell等。

ZLL标准和ZHA

Zigbee Light Link是基于照明推出的协议,而Zigbee HA是基于智能家居推出来的协议,Zigbee 3.0将ZLL与ZHA都囊括其中。ZLL是ZLL是Zigbee Light Link的简称。

Zigbee Light Link的总体特点

家庭领域的低成本无线灯控解决方案。

·安装简单直观、无需额外工具和专业知识

·系统易于扩展,产品具有互操作性

·可靠、稳健的网络技术,且与其它Zigbee标准与设备兼容

·主要照明设备制造商构建全球生态系统,为终端用户创造价值

·遍布全球的成熟产业链——低成本、高性能的SoC解决方案

·经认证的货架软件解决方案

芯片数

Zigbee芯片的销量截止目前已达到5亿个。该公司分析师还预测,到2023年,802.15.4网状网络芯片的销量将猛增至45亿,而其中大部分芯片将基于Zigbee联盟的技术标准。

Zigbee 的技术特点和性能

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Zigbee具有如下特点:

低功耗

由于Zigbee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此Zigbee设备非常省电。据估算,Zigbee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。

成本低

Zigbee模块的初始成本在6美元左右,估计很快就能降到1.5—2.5美元, 并且Zigbee协议是免专利费的。低成本对于Zigbee也是一个关键的因素。

低复杂性

Zigbee协议的大小一般在4-32KB,而蓝牙和Wi-Fi一般都超过100KB。

时延短

通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此Zigbee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。

网络容量大

一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备, 一个区域内可以同时存在最多100个Zigbee网络, 而且网络组成灵活。 并且在一个网络中最多可以有65000个节点连接。

网络建立

Zigbee能够自动建立其所想要的网络。

可靠

采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式, 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息,如果传输过程中出现问题可以进行重发。

安全

Zigbee提供了基于循环沉余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证, 采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。

Zigbee技术的安全性

因为完全了解安全环境的不断变化,所以Zigbee为成员提供了整套的安全工具应用于其产品。随着Zigbee 3.0标准(现简称Zigbee)在2016年初发布,Zigbee为产品开发者和IoT生态系统中的不同厂商提供了增强版的安全工具,以便构建更为牢固的网络,及在网络安全和部署便捷之间做适当的权衡取舍。Zigbee联盟密切关注行业安全趋势,并与研究人员和 “白客”们一起不断作出更新,以确保领先于那些新兴的威胁。

Zigbee技术应用场景

Zigbee技术的目标就是针对工业,家庭自动化,遥测遥控,例如灯光自动化控制,传感器的无线数据采集和监控,油田,电力,矿山和物流管理等应用领域。

实际应用举例如下:照明控制、环境控制、自动读表系统、各类窗帘控制、烟雾传感器、医疗监控系统、大型空调系统、内置家居控制的机顶盒及万能遥控器、暖气控制、家 庭安防、工业和楼宇自动化。另外它还可以对局部区域内移动目标例如城市中的车辆进行定位。

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智能交通控制系统应用

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医疗监控系统应用

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智能家居场景应用

尽管国内不少人已经开始关注Zigbee这项新技术,而且也有不少企业开始涉足Zigbee技术的开发,然而,考虑到Zigbee本身是一种新的系统集成技术,应用软件的开发必须用网络传输,射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起,所以对于初期开发的企业来说具有一定的技术难度。由于各方面的制约,Zigbee技术的大规模商业应用还有待时日。

Zigbee3.0升级的互操作墙事件

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40个产品中绝大多数是Zigbee 3.0的认证(或认证中)ZHA和ZLL的产品,来自飞利浦Hue、美的、宜家和海曼等产品都接入了顺舟的3.0(待认证)网关和APP,以智能家居系统为例,能够实现灯光控制、无线环境监控、智能安防和电机控制等场景。

BLE Mesh

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技术简介

蓝牙一直以来被作为一种无线通信技术,蓝牙技术是全世界应用最为普遍的无线通信技术之一。从2000年到现在,蓝牙技术已经广泛应用于数十亿台设备。就2016年而言,制造商的蓝牙设备出货量更是超过30亿台,
集成到几乎每一部手机以及个人电脑里。作为一种较早的通信技术,一经出台就引起了全世界的关注,曾被美国《网络计算》杂志评为“十年来十大热门技术”之一。蓝牙从最开始推出的的一对一传播机制,到推出低功耗蓝牙,再到推出一对多的广播(beacon)机制,一直都在完善自身技术以便满足日益丰富的应用场景,适应市场的需求,而去年推出的蓝牙Mesh正在进一步丰富其使用场景,大规模应用可能在明年。

Mesh的诞生

蓝牙 Mesh脱胎于CSR倡导的私有协议-CSR Mesh,该技术诞生于2014年。

蓝牙技术联盟于去年7月19日正式宣布,蓝牙(Bluetooth)技术开始全面支持Mesh网状网络。全新的Mesh功能提供设备间多对多传输,并特别提高构建大范围网络覆盖的通信能力,适用于楼宇自动化、无线传感器网络等需要让数以万计个设备在可靠、安全的环境下传输的物联网解决方案。

Silicon Labs Infographic

在2015年,高通收购了蓝牙Mesh协议的拥有者CSR,小米MIX2S包括有小爱同学唤醒的功能,此功能的实现需要一颗低功耗的协处理器来进行长时间的麦克风待机,而这个协处理器,内置的高通845芯片是自带此功能,高通一直都在智能家居方面有布局和推动。

BLE Mesh网络是用于建立多对多(many:many)设备通信的低能耗BLE(Bluetooth Low Energy,也称为Bluetooth LE)新的网络拓扑。允许创建基于多个设备的大型网络,网络可以包含数十台,数百甚至数千台BLE Mesh设备,这些设备之间可以相互进行信息的传递。

目前,科大讯飞魔飞智能麦克风已实现了BLE Mesh功能,开发者可以通过魔飞,快速接入BLE Mesh设备,将新技术快速落地智能家居、智慧酒店等应用场景。

蓝牙技术联盟

蓝牙技术联盟是一个以制定蓝牙规范,以推动蓝牙技术为宗旨的跨国组织。它拥有蓝牙的商标,负责认证制造厂商,授权他们使用蓝牙技术与蓝牙标志,但是它本身不负责蓝牙装置的设计、生产及贩售。

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2017年7月19日, 蓝牙技术联盟正式宣布,蓝牙(Bluetooth)技术开始全面支持Mesh网状网络。全新的Mesh功能提供多对多设备传输,并特别提高构建大范围网络覆盖的通信效能,适用于楼宇自动化、无线传感器网络等需要让数以万计个设备在可靠、安全的环境下传输的物联网解决方案。

蓝牙Mesh的兼容性

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蓝牙Mesh网络运行于低功耗蓝牙之上并且与蓝牙4.0及以上版本前向兼容, 因此市面上现有的低功耗蓝牙产品都可能通过固件升级(尤其以OTA为主)的方式升级为具有蓝牙Mesh功能的产品,但是否具有升级的可能性,还需要考量多个因素,例如程序存储器(ROM)的容量,内存(RAM)的容量,是否具有OTA升级的功能,MCU的处理能力是否满足Provisioning对于非对称加密的运算需求等。

蓝牙Mesh规范

与蓝牙核心规范一样,蓝牙Mesh也有自己的规范文档,其作用和蓝牙核心规范类似,详细定义了蓝牙Mesh相关的技术细节。

蓝牙Mesh术语表

由于Mesh的概念对于蓝牙技术来说是一个非常新的领域,因此在蓝牙Mesh规范中有很多新的技术术语,关于这些新的术语,蓝牙技术联盟早有所准备,我们开辟了专门的网页为大家进行解释。蓝牙Mesh词汇表中所述可以达到32,767个节点。

蓝牙Mesh技术特点

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蓝牙Mesh基于核心标准(core spec)4.0,从设计之初就严格遵循工业级的可靠性、可扩展性和安全性的要求,汇集了低功耗、支持手机/平板直连、互操作性等特点。

蓝牙Mesh可在单一网络中支持多达上万个节点,其采用可控的flooding(网络泛洪)的方式进行信息转发,将信息从网络当中的某一个节点转发至目的节点,不需要创建和管理复杂的路由表,由于其广播的特性,因此网络中任何一个单点出现故障,消息都可通过其他路径传递到目的节点,保证了网络的健壮性。

低功耗

低功耗是蓝牙技术的一大优点,这一优点在蓝牙Mesh技术当中也得以继承。在蓝牙Mesh网络中有一类节点支持低功耗特性(Low Power Feature),也可以称为低功耗节点。这一类节点可以通过减少射频收发机(RF transceiver)开启的占空比来达到低功耗的目的,也就是说这一类节点只有在需要进行消息收发的时候才会打开射频收发器,其他时间都处于休眠状态。

Friendship

在蓝牙Mesh网络中还有一类节点是专门为低功耗节点服务的,其具有Friend特性,也可以称为Friend节点。Friend节点与低功耗节点可以建立Friendship关系。建立此种关系之后,Friend节点可以暂存发往低功耗节点的信息,待低功耗节点退出休眠模式之后,再从Friend节点取回相关信息。

在实际应用中,Friend节点可以是灯泡、机顶盒、路由器,这些设备都是通过市电供电的,对于功耗不是很敏感;低功耗节点可以是由电池供电的设备,如传感器、门锁等。

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关于安全性

蓝牙Mesh网络是一种真正的工业级解决方案,用经过验证的安全算法对添加到网络的设备进行配置(Provisioning);所有通信信息都需要使用128-bit AES-CCM进行加密和认证,蓝牙Mesh网络中的所有消息都需要进行加密和认证;加密和认证应用于网络层(Network layer)和应用层(Application layer)两层,分别有两组密钥等等。

蓝牙Mesh产品认证

截止目前,已有65款经认证具有Mesh网络功能的蓝牙产品,而且新产品数量在持续以惊人的速度增长。

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首批获得认证的产品是较低级别的赋能技术产品,比如带有Mesh网络功能的蓝牙软件堆栈和模块。它们来自主流蓝牙堆栈和模块供应商,包括笙科电子、赛普拉斯、晶讯、中易腾达、美满、MindTree、北欧半导体、芯科科技、Silvair、泰凌微电子、东芝、小米和高通等。

在过去的六个月中,你可以发现来自络达科技、阿里巴巴、Danlers、台达电子、朗德万斯和村田制作所等公司的最终产品也开始获得认证。

蓝牙Mesh相比其他网状网络的四大优势

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①能够提供全球多品牌的互通性,不同品牌的产品都能顺利互相搭配运作。

②支持智能手机直连,部署蓝牙Mesh网络需要有一个把设备变为节点的过程,也就是配置(provisioning)。这个过程只需要用智能手机作为管理者的角色,授权设备即可连入Mesh网络,非常简便灵活,同时又确保了蓝牙Mesh网络的安全性。

③较低的功耗。蓝牙Mesh继承了低功耗蓝牙的功率很低的特点,在蓝牙Mesh当中有两种设备的特性:一个是Friend,一个是Low power node,可以保证节点的低功耗性能,比Zigbee等协议的功耗都要低。

④蓝牙模组成本较低。虽然当前种种协议模块成本都在下降,如Zigbee模块、Wi-Fi模块等,但相比较而言,蓝牙模块平均成本相对较低。

蓝牙Mesh的发展困境

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现在公布的协议是1.0,还是不完善的,比如还是在3个通道上去广播,接点数量多了通信就容易打架。协议里面有规定LPN和Friend,也能满足一部分低功耗的需求,芯片厂商 release 出来的sdk版本中,都没有这部分功能。如新版1.1协议一更改,芯片厂商又要投入人力去改sdk。

蓝牙Mesh刚推出不久,公众接受还需要一段时间,就像低功耗蓝牙,也是经历了2年的潜伏期然后才爆发的。所以说蓝牙Mesh应该会在2019年才会爆发,其次,蓝牙Mesh毕竟是一门新的技术,当前的1.0版规格书还有很多需要完善的地方,比如基于蓝牙Mesh的固件升级(DFU)如何实现,远程配网如何实现等。

目前蓝牙Mesh开发还是比较难,开发难首先体现在市场上的蓝牙Mesh协议栈功能还不完善,比如蓝牙Mesh中的低功耗节点和朋友节点,绝大部分厂商都没有做好。另外蓝牙Mesh有一个非常好的特性:通过手机完成Mesh配网和部署,但大部分厂商目前都没有推出相应的配网app及对应的库。当蓝牙Mesh框架技术都没有准备好的情况下,让应用开发者去开发蓝牙Mesh应用无异于“无米之炊”,因此目前蓝牙Mesh还没有大规模商用案例。

国内熟悉蓝牙协议栈的开发人员为数不多,对于他们而言,熟悉蓝牙SDK工具,是需要时间的,毫无疑问,这严重减缓了产品上市时间,从而让企业丧失占据市场的最佳有利时机。同时支持蓝牙5和蓝牙Mesh的产品,使设计人员更有信心地构建具有蓝牙5认证协议栈的产品。

BLE Mesh应用场景

蓝牙Mesh主要应用于楼宇自动化、无线传感器网络和物资追踪等方面。自蓝牙Mesh技术发布之后,Mesh技术已在车联网、照明、教育领域的智能解决方案中进行测试和应用。

灯光照明应用

目前,灯泡就可能成为未来家庭中最主要的Mesh网络设备之一,因为在每个家庭或建筑里几乎任何角落都需要被光线覆盖,灯泡一般都会按照一定的距离连续安装,由此用户就能控制全家设备。而且蓝牙Mesh网络具备工业级安全防护,以及全球互通性,不论是蓝牙4.0、4.1还是4.2设备通过安装蓝牙Mesh都能直接获得“多对多”连接功能。

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在2018年的国际消费电子展(CES)上,阿里巴巴与联发科宣布携手推动蓝牙Mesh技术,签署合作协议,打造首款支持蓝牙Mesh技术的Smartmesh无线连接方案。

无独有偶,全球照明行业的领导者LEDVANCE近期也宣布将采用赛普拉斯获得蓝牙技术联盟(SIG)认证的蓝牙Mesh 连接技术,领先业内发布首款认证蓝牙Mesh产品:SYLVANIA SMART+蓝牙照明设备。

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智能家居应用

阿里人工智能实验室在今年1月的美国CES上,发布了基于蓝牙mesh的IoTConnect协议,阿里+MTK的蓝牙Mesh方案已经应用在智能音箱天猫精灵上。

其他领域应用

目前,已有相关的蓝牙Mesh解决方案正在车联网上进行测试。在车联网上,一辆汽车上面有上千种传感器,需要用一个网关对这些传感器的数据进行收集。另外,车与车之间的通信,以前主要是通过通信网络,如3G/4G等方式来实现。

在教育领域的应用上,Mesh技术除了多点连接,还可以覆盖边角位置。蓝牙Mesh智慧校园解决方案已在全国几十所学校应用,实现全校的蓝牙无缝连接。今后,这种方案还可以应用到养老院、医疗、运动健康、工业自动化等多个领域。

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蓝牙Mesh是一个软件级的解决方案,运行于低功耗蓝牙之上并且与蓝牙4.0及以上版本前向兼容,因此市面上现有的低功耗蓝牙产品都可能通过固件升级(尤其以OTA为主)的方式升级为具有蓝牙Mesh功能的产品,所以它的产品化的速度相对蓝牙5会更快一些。

蓝牙Mesh及其应用的三个重点领域

目前市场上还是存在不少基于私有蓝牙Mesh协议的产品,但大多还是集中在照明以及智能楼宇领域。

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蓝牙Mesh网络的主要目标市场是楼宇自动化、无线传感器网络和资产追踪领域。为什么会预期在这三个领域呢?有相关专业人士分析,这三个领域大概都是室内空间,避开了需要在室外建立基站可进行远距离传输的低功耗广域网络,如NB-IoT、LoRa、Sigfox等,并且因为可以部署上千个节点,解决了传统无线网络传输距离不够的问题,所以可以部署在大型室内空间如楼宇大厦、工厂、医院、球场等。

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蓝牙Mesh网络可跨越办公室和停车场

根据ABI Research预测,到2022年,蓝牙在智能楼宇市场的设备年出货量将达到11亿。

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总而言之,蓝牙Mesh技术或许不会颠覆智能家居,但是在应用层面上,目前蓝牙的普及率最高,标准化水平也最高,足以打开物联网互联互通新局面,并带动蓝牙耳机、蓝牙音箱、可穿戴、智能家居等应用市场的再次爆发,推动IoT场景多样化。

本文刊载于《智能家居》杂志2018年8月刊第141期,点击即可获得详细订购信息!

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