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兼具低延遲/低功耗/IP支援特色 ZigBee 3.0實現智慧家庭

52RD.com 2015年11月5日 我愛研發網            參與:4人 我來說兩句
  

  轉自臺灣新電子消息,ZigBee聯盟最新發布的ZigBee 3.0版標準,強化低延遲與低功耗優勢,并加入網際網路通訊協定(IP)支援能力,能大幅簡化家中各種裝置互連設計的復雜度,同時實現讓用戶以IP網路進行遠端操控,因而成為打造智慧家庭的理想技術。

  隨著市場加速發展,物聯網(IoT)概念變得更為普及,但也更加令人困惑。現在是時候面對現實情況,去鑒定現狀并且評估事情走向。

  卡位物聯網 無線技術各顯神通

  兩年前,產業界對可能有助于物聯網的不同無線電技術掀起討論熱潮。一些公司主張,Wi-Fi和藍牙的存在就已足夠,而其他公司則開始推動IEEE 802.15.4(即ZigBee和Thread的底層無線電技術)。如今大多數聯網技術決策者皆能坦然接受并完全明白,物聯網會針對不同的應用使用全部三種技術。

  為彌補Wi-Fi相對于ZigBee的劣勢,市場開始推行使低功耗Wi-Fi(IEEE 802.11ah)標準化活動;雖然該領域活動仍在如火如荼地進行,且可能會由此制訂出標準,但全球對此的接納程度卻難以預測。由于世界不同地區所用的規格和型號不同,該標準并非是放諸四海而皆準。

  即便這全新的低功耗標準被稱為Wi-Fi,但并不相容真正的Wi-Fi,而是一種完全不同的無線電和媒體存取控制(MAC)技術。既然如此,那為什么不采用IEEE 802.15.4呢?這已經是一個通用標準,且涵蓋新的低功耗Wi-Fi開發商為之奮斗的所有特性,而新類型的Wi-Fi并沒有多大意義。

  而藍牙作為物聯網標準而言,存在致命性缺陷,因其設計理念是替代點對點有線傳輸技術而非聯網技術。為解決該缺陷,一些公司開始針對藍牙研究網路層--藍牙網格(Bluetooth Mesh),但面臨著嚴峻挑戰(圖1)。以往許多業內聯網工程師已經見證類似的Mesh聯網所作出的努力均以失敗告終。例如IEEE 802.11s幾乎未曾使用,并只應用于單跳網格拓撲(中繼器)中,其主要問題是,在支援多跳時無法控制延時。因此,網路技術工程師對新藍牙Mesh情況持懷疑的態度也在意料中。

  圖1 Bluetooth Mesh概念圖

  現在全球無線市場已承認三大核心物聯網無線電技術(圖2),也就是目前熟悉的IEEE 802.11/Wi-Fi,適用于內容傳送;IEEE 802.15.4/ZigBee則適用于像智慧家居類的傳控器(Sentroller,即具備控制功能的感測器)網路;而藍牙,包括低功耗藍牙,則適用于連接個人區域網路(圍繞智慧手機)及可穿戴式設備。前兩種用于將家居設備連接到互聯網,最后一種主要使用智慧手機進行網路連接。

  圖2 目前已發布的短程物聯網標準

  許多供應商已經提供各式各樣交叉無線電產品:Wi-Fi/藍牙、ZigBee/藍牙和Wi-Fi/ZigBee/藍牙,目前這些產品的定價可能尚不太合理,卻傳達明確潛在資訊,也就是全球三大開放的統一無線電通訊標準奠定物聯網基礎,由此帶來福音。

  十多年前,相互競爭的無線電技術沖突隨著Wi-Fi出現而結束,Wi-Fi是最后的贏家(而HomeRF和其他幾種技術隨之銷聲匿跡);之后圍繞聯網和應用層爆發新技術革命。現在,所有人都熟悉TCP/IP,即使未曾聽聞該項技術,也會在通過網路和本地網路進行通訊時用到;然而為達到該階段,多個網路標準進行過殊死搏斗,網路作業系統Novell Netware、Bayan Vines、Microsoft LanManager、IBM SNA等。

  當時,幾乎各大型電子公司都覺得必須透過自行定義網路層技術,在歷史上留下個人專屬印記。

  這就是現在物聯網和智慧家居領域正在經歷的一切,許多公司再次重蹈覆轍,忘記標準戰爭會不利于且會減緩新技術采用,例如蘋果(Apple)的HomeKit、Google的Brillo、高通(Qualcomm)的AllJoyn、英特爾(Intel)的IoTivity及華為(Huawei)從中國家居層面提出的LiteOS。這些新興應用程式框架現在均在角逐獲取其他行業的精神支持,努力成為物聯網的佼佼者。

  ZigBee成智慧家庭系統制造商首選技術

  緊隨應用程式框架層步伐,聯網層面也是劍拔弩張之勢,其中ZigBee 3.0的挑戰者是Thread。然而,令人百思不得其解的是,Thread Group中幾個主力角色,如飛思卡爾(Freescale)、安謀國際(ARM)及芯科實驗室(Silicon Labs)等半導體公司,也在ZigBee Alliance占突出的領導地位。

  就目前來看,Thread要發展成為ZigBee 3.0強而有力的競爭對手有些難度。這也在意料中,因為ZigBee 3.0已整合許多應用領域(照明控制、家庭自動化、樓宇自動化、零售等)有多年的經驗。ZigBee的認證計畫已穩健啟動并開展,授權多家檢測中心,對一千多個ZigBee產品進行認證。ZigBee顯然已經成為世界上眾多物聯網和智慧家居系統制造商的首選技術。同時,ZigBee功能容易使用,支援強大安全協議。由于感測器和周邊設備通常未設有鍵盤來輸入安全碼,因此其實現正面臨著重大挑戰,故強而有力的安全協議顯得十分重要。

  最重要的是,ZigBee 3.0支援經歷過眾多反覆運算形成的應用程式庫。因此,Thread Group認真考慮采用ZigBee應用程式庫運行Thread也就不足為奇。但不僅限于此,ZigBee 3.0和ZigBee RF4CE在消費電子世界穩占一席之地,且ZigBee 3.0同時包括ZigBee Green Power功能。

  .ZigBee RF4CE

  最初是在消費電子領域開發,用于替代基于無線電遠端控制的紅外線(IR)遙控,因此毋須再使用瞄準后按一下模式。隨后其經歷明顯演變,最新版本ZRC(ZigBee Remote Control)2.0已完全整合ZigBee應用程式庫。這代表著針對電視和機上盒設計的遙控器同樣可控制家里的燈具、燈光、窗簾及遮陽罩等。隨著時間推移,消費電子領域和智慧家居領域有望繼續重疊及融合,而ZRC 2.0對此的定位恰到好處。

  ZigBee RF4CE依然完全相容傳統紅外線技術,ZigBee遠端控制可自動檢測并下載需要紅外線的傳統設備所需代碼集。由于具有以上所有功能及得到國際上認可,RF4CE使ZigBee成為智慧家居重要推動者也就不足為奇,而智慧家居又給有線電視運營商和電視運營商服務帶來重大新商機。

  除超低功耗需求外(可與低功耗藍牙媲美,且覆蓋范圍更好),ZigBee RF4CE關鍵增值特性就是低延時。用戶周邊設備能從低延時中受益,原因是這些周邊設備使得產品制造商能向使用者提供即時回饋。

  一般而言,網狀網路(包括Thread)傾向具有高達幾百毫秒或以上延時,造成用戶不愉悅的體驗,幾乎所有人都經歷過按下按鈕后沒有反應,然后再按下按鈕,燈光終于亮起,卻又立即關掉的情形。現在,采用有線照明開關不會產生類似情況,因此沒人僅因“現在是用無線的”作為理由而接受這種窘況。能夠在網路中新增低延時的人性化介面裝置對ZigBee而言非常關鍵。

  .ZigBee Green Power

  ZigBee 3.0還包括ZigBee Green Power,其最初是制定為超低功耗的無線標準,用以支援能量收集設備。能量收集設備是指不使用電池也能從環境中擷取能量(如運動、光線、壓電、帕爾貼效應等)的設備。最常見的應用是照明開關,其中,開關的拉動產生能量,然后向電燈傳送無線通訊包。Green Power對于只偶爾存在于網路中的設備而言十分有效,如此使得這些設備能夠安全進出網路,因此可在大部分時間處于關閉狀態。

  作為超低功耗的無線技術,Green Power對于使用電池供電的設備而言也是非常有效,這使得這些設備能用同一電池運行多年。Green Power同時還允許低成本端網點與網路中其他設備通訊,特別是在不需要Mesh情況下。

  ZigBee完全相容Wi-Fi/IP

  ZigBee 3.0完全相容IP。ZigBee設備與Wi-Fi設備類似,通常透過路由器、閘道或機上盒連接到互聯網,讓人可在世界其他地方利用連接互聯網的個人電腦、平板或智慧手機應用程式等任何其他設備實現即時控制(圖3)。由于ZigBee完全相容Wi-Fi和IP,因此沒必要在手機本身插入ZigBee晶片,從而發現和控制ZigBee連接的智慧家居和物聯網設備。只要通過任何聯網中心均可讓這一切實現,這意味著,透過Wi-Fi或蜂窩網進行聯網的個人電腦和智慧手機可以作為指示板,并可毫不費力發現并與其他ZigBee設備進行通訊。

  圖3 智慧家庭聯網應用概念

  ZigBee 3.0具有開放性、普遍性和完整性,可與現有的互聯網應用程式完全相容,此技術是智慧家居的最佳解決方案,應用范圍可涵蓋照明、安全、恒溫器、遙控器等。而且ZigBee 3.0十分安全,支援不使用電池的設備、網狀、低延時及能量收集。對于許多應用程式創造者而言,該技術是高于IEEE 802.15.4無線電技術的獨一聯網解決方案。將來許多物聯網傳感和控制網路及應用程式會把ZigBee 3.0視為低能耗的Wi-Fi。

 

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