LED智能照明將極大地提升產品的附加值，其發(fā)展空間遠大于傳統照明產品。作為LED快速替換期過后的長期成長動能，不管是智能家居或者智能照明，無線技術都扮演著至關重要的角色。

　　今天，聯合德州儀器（中國）有限公司周怡颋、徐利明和飛利浦（中國）投資有限公司張宇寧三位技術專家為我們解讀Zigbee自組網的Mesh網絡。一起來關注一下吧~

　　在物聯網的大旗下，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。從巨無霸的跨國公司到雨后春筍般涌現的初創(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，從私有網絡向更廣闊系統邁進的重要一環(huán)。

　　在無線智能照明產品的開發(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。在現有的存量產品和系統中，ZigBee當仁不讓的獨占鰲頭。ZigBee的自組網的“Mesh”網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”互聯網的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)定可靠的照明網絡有哪些要素：

　　1. 平衡負載。

　　智能照明系統網絡的節(jié)點數可以從數個到數十個甚至上百個，這就要求網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。

　　在照明網絡，尤其是在一個節(jié)點數較多的網絡中，健壯性至關重要。相當多的智能照明系統部署在室內，空間結構上的遮擋、反射以及無線電環(huán)境上的干擾，都對系統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，都對網絡的健壯性產生決定性影響。

　　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絡穩(wěn)定性的考驗。頻譜的劃分，使用以及軟件和協議的協同配合在其中起了很大的作用。

　　4. 在智能照明系統里，往往會遇到不同廠家的產品和方案的互通互聯。

　　如果協議的互通互聯性在協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路由協議采用基于按需距離矢量 (AODV， Ad-hoc On Demand Vector) 路由算法。根據節(jié)點的需求發(fā)起路由發(fā)現過程，路由表信息也是按需建立的。

　　當需要發(fā)送數據包時，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)現來建立路由表，節(jié)省了一定的網絡資源。

　　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協議中，數據幀根據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據發(fā)送。單播使得通信更加快速有效，但是對于某些應用，需要對網絡中的所有設備進行控制，單播就會加大整個網絡流量，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，協調器和路由器可以在收到廣播數據包以后進行廣播轉發(fā)，使得網絡中的所有設備可以快速的收到數據包。但是長時間廣播數據包會使網絡協調器和路由器持續(xù)地轉發(fā)數據，造成數據包泛洪，嚴重影響網絡的功耗和單播通信。在ZigBee Pro協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據包從而節(jié)省電池供電設備的能量消耗。

　　另外ZigBee協議限制了設備單位時間內數據包的廣播數量，減輕網絡通信負擔。在單播和廣播之外，ZigBee協議又加入了組播通信實現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 (一般是協調器) 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)點根據保存的到集中節(jié)點的路由路徑，在發(fā)送數據幀前，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)現而引起的網絡流量，減少整個網絡的通信負擔。

　　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關實現對ZigBee設備的本地或者跨互聯網遠程控制。該網關就是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，自恢復

　　在ZigBee網絡中，路由器和終端設備在入網時，不需要人工干預即可自行完成網絡搜索和網絡加入過程。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絡中。實現網絡拓撲結構的自組織和自恢復功能。

　　5. 低功耗網絡

　　在ZigBee 網絡中，有協調器、路由器和終端設備三種設備類型。協調器負責一個ZigBee網絡的創(chuàng)建和初始化，并且一個ZigBee網絡中只有一個協調器。完成網絡創(chuàng)建以后，協調器以路由器的功能工作。

　　路由器負責路由的發(fā)現和維護工作，實現對數據包的轉發(fā)。終端設備不參與路由的發(fā)現和維護，也不進行數據包的轉發(fā)。終端只通過父設備（路由器）進行數據轉發(fā)。終端設備通過主動查詢方式從父設備獲取數據。所以在ZigBee網絡中，終端設備可以完全進入休眠狀態(tài)以節(jié)省設備功耗，實現整個網絡的低功耗。

　　當然，ZigBee在智能網絡上也遇到一些挑戰(zhàn)。比如：

　　1. 和智能終端的連接問題。手機和現代智能終端無法和ZigBee設備直接連接，需要通過網關或其它智能設備轉發(fā)。

　　2. ZigBee協議規(guī)范比較多。在遇到智能照明網絡和其它ZigBee網絡進行互通互聯的時候，現有的規(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絡和短距離，雖然某些公司推出了基于新版藍牙協議的“Mesh”協議，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網還有很長的一段路要走。

　　1. 標準的不統一。

　　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，中文網站上出現的都是“BLE MESH”，而英文網頁上寫的都是“C** Mesh”。

　　標準的不統一強烈地阻礙了產業(yè)的發(fā)展，使得互通互聯成為泡影。做出來的產品最多做到“獨門獨戶”，離一個應用標準還很遠。

　　2. 低效的“路由”。

　　BLE 因為從點對點網絡演變而來，所以在現有的mesh方案中并沒有真正有效的路由算法。每次的路由發(fā)現需要大量的網絡負荷。網絡的報文格式有限，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)點跳轉的“BLE Mesh”網絡，在應用層之上增加了一些變化來維護網絡和路由，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 作為連接互聯網最直接的無線連接技術，從一開始就被智能產品廠商所青睞。Wi-Fi技術的IP背景，以及企業(yè)推崇的“互聯網思維”，使得不談Wi-Fi，似乎企業(yè)就失去了自己的“互聯網基因”。

　　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. 互通互聯性。

　　由于Wi-Fi聯盟并沒有定義上層的Profile（互通互聯應用層標準），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，處理器的內存和處理開銷都少不了，對于簡單照明來講，實現相同的功能，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。絕大多數的路由器說明書，沒有提到這一項參數。因為在非物聯網的應用環(huán)境下，10臺左右的設備基本是一個Wi-Fi路由器覆蓋范圍內的設備數上限了。

　　絕大部分的路由器處理這些設備的上網數據都沒有問題。但在照明網絡，用戶設備數超過30個完全有可能。這時候對不起，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，但從現在技術的成熟度和特點來看， ZigBee更適合用在照明網絡的應用領域。ZigBee與生俱來的優(yōu)勢，與智能照明網絡相得益彰。