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智能家居的现状和未来(上)

在本章中,我们将深入了解物联网 (IoT) 如何为智能家居提供动力,以及网状网络/每间房一个 pod 通信如何实现物联网连接。我们还将了解一些物联网挑战,以及新的技术进步如何帮助应对这些挑战。 


当今智能家居调查


过去几年,随着制造商开发出越来越多可连接至家庭网络的设备,智能家居概念随之兴起。智能家居网络使房主能够有效地利用资源,使用语音命令控制设备和家用电器,并根据设备提供的数据做出决策。智能家居的潜力巨大:它可用于提高能效、舒适度、安全性、娱乐性和便利性。


当今大多数智能家居都配备了各种物联网设备、集线器和传感器,它们可通过家庭网络/网关进行通信,并最终与云端通信。房主可在家里的任意位置进行控制,甚至可以通过互联网进行远程控制。 


智能家居系统可能包括多个与家居应用相关的无线连接标准。表 3-1 显示了其中一些标准的特性及相互之间的区别。此外,这些家庭网络可能由几个在主网关下运行的互连网络组成。



当今的许多智能家居都是由一些特殊节点组成。节点是一种在网络上拥有自己唯一地址的硬件;节点可以是设备,也可以是集线器: 


  • 设备:设备(例如:恒温器或灯泡)通常只有一个网络连接点。设备可能需要也可能不需要保持实时跟踪,具体取决于其功能。


  • 集线器:集线器是一个管理网络流量的盒子;它可能有许多连接点,因为可以连接至多个设备。集线器必须保持实时跟踪,以便高效和有效地分派事件。


单集线器网络由一个集线器节点和一个或多个设备节点组成。集线器管理网络中设备之间的事件和信息交换。多集线器网络包含多种集线器,如图 3-1 中所示。图 3-1 中的网络布局包含两个集线器,每个集线器使用不同的网络协议(蓝牙和 ZigBee)。各个设备连接至其中一个集线器。然后,集线器连接至网关,网关可与两个集线器通信。



网状网络/每间房一个 Pod


为了打造一个连接更紧密、通信更可靠的智能家居,消费类产品开始采用新型拓扑结构,名为网状网络,有时候也称为“每间房一个 Pod”。网状网络可以轻松地扩大无线设备的范围,并在办公室、住宅甚至户外等区域提供一致的高数据速率。此外,使用“每间房一个 Pod”的网状网络支持多种协议,可减少家庭中使用多个网格系统的开销。 


网状网络是 Wi-Fi 演变过程中的一次重要发展,尤其是在智能家居领域。Wi-Fi 网格系统包括连接至主要互联网连接的路由器,以及放置在住宅周围的多个类似卫星路由器的设备(或节点),以提供全面的 Wi-Fi 家居物联网覆盖(参见图 3-2)。这种先进的网状网络可提供完全冗余,并充分提高网络性能。



节点越多,连接点传播的距离就越远,如图 3-3 中所示。网状网络可以有效地将信号范围扩展到整个住宅,从而提高了可靠性,可实现与所有设备的实时通信。Wi-Fi 部署技术的进步支持频谱分离,并可确保信息通过专用回传数据路径往返于云端。它们还可为设备提供专用数据流。此外,一些设备可以存储数据。这些存储的数据可以节省用户成本,进一步提高网络可靠性,并且支持更智能的数据驱动应用。



网状网络还可自行配置。因此,它可以自动将新节点整合到现有网络中,无需网络管理员进行调整。这使得网络更具适应性和可扩展性。网状网络还可以通过自动寻找最快速且最可靠的信号来传输数据,实现自我修复,即使在节点阻塞或信号丢失的情况下亦是如此。


当今许多网状网络使用所谓的三频段 Wi-Fi 网关和终端节点。三频段 Wi-Fi 可通过在网关和终端节点中使用 2.4 GHz、5.2 GHz 和 5.6 GHz 频段来提高数据容量和覆盖范围。在三频段系统中,第二个 5.6 GHz 频段充当网络上两台路由器之间的专用通信线路,从而使整个系统的速度比旧的双频段配置系统快 180%。 


因此,Wi-Fi 三频段的优势显而易见。首先,它可以通过使用更快的 5 GHz 频带以及 Wi-Fi 6E(5 GHz 和 6 GHz 频段),将更多的无线设备连接至互联网。如果您的网络是一个网格系统,配备多个分散在整个空间内的路由器,那么更高频段可充当两个路由器之间的专用通信线路,以提高整个系统的速度。 


三频段系统的第三个无线电还可用于网格路由器之间的回传通信。这样一来,它就创建了一条专用线路,仅供路由器之间的数据流使用。尽管双频段系统使用相同的 Wi-Fi 带宽来连接至其他路由器和接入点,但在三频段系统中,终端设备可立即用于设备连接。这可将效率提高 50%,特别是添加了更多网络设备的情况下。


此外,由于该无线电传播速度更快,因此DSL/电缆调制解调器的连接速度将远不止于此。相反,它们可以传送至整个网络。这对于当今和未来智能家居中的智能电视和摄像头的 Wi-Fi 视频流非常有益。


为了确保您现有家居网络系统能够适应未来发展需求,您需要使用三频段系统。千兆服务将很快呈现在世人面前,而且实施三频段系统是确保未来容量和速度的最佳解决方案。


网状网络系统的另一个重要发展就是采用滤波器技术,以进一步提高容量和扩大每间房一个 Pod 拓扑的范围。使用 bandBoost 滤波器可通过增强三频段网格系统中的频段隔离,最大限度地提高网络容量和覆盖范围。使用 edgeBoost 滤波器可通过最大限度地提高靠近频带边缘的 Wi-Fi 通道的输出功率来提高容量和扩大范围。在下一节中,我们将详细阐述这些主题及其如何解决网状网络中的共存挑战。


正如第 1 章所述,领先制造商正在开发一种名为 Matter 的新标准,以提高设备的互操作性,降低网状网络的复杂性。在过渡至 Matter 期间,将需要多标准无线电。这些无线电将使网络能够满足未来向 Matter 迁移的需求,并可提供向后兼容性,以连接使用传统标准的节点。虽然 Matter 仍在最后敲定中,预计将于 2021 年的某个时候推出,但标准机构和领先制造商之间的合作已开始推动其在行业中的普及。 


应对挑战


接下来,我们来讨论一下物联网智能家居网络和设备制造商面临的一些挑战。 


互操作性


互操作性就是系统、应用和服务以可预测的方式可靠协同工作的能力。这有助于确保技术的易用性,进而快速推广普及。每个用户都希望其电子无线和有线设备能够轻松连接和协作,也就是即插即用。智能家居网络也没有什么不同,它将由许多不同制造商开发的各种设备组成。


互操作性和认证计划有助于确保使用多个关键物联网标准的设备之间的互操作性。Wi-Fi 之所以如此成功,是因为 Wi-Fi 联盟实施的 Wi-Fi 互操作性计划,该联盟拥有世界上最值得信赖的认证制度之一。目前已有成千上万个经过认证的 Wi-Fi 设备可以实现无缝连接。


如今,Zigbee 3.0 也可提供同样级别的互操作性,而这也得益于合作伙伴关系和认证计划。由于两者之间的合作关系,使用 ZigBee 和 Thread 的产品间通信也经过了认证。蓝牙也具有涵盖整个协议堆栈和应用配置文件的认证计划,从而有助于蓝牙和低功耗蓝牙 (BLE) 实现出色的通信体验。


这些联盟和认证对于在具有各种标准的分散型智能家居物联网设备环境中实现整合至关重要。使用这些协议的设备制造商必须遵守这些认证和联盟标准,使其产品在进入市场之前获得批准。这样方可确保用户体验到期望的即插即用互操作性。 


射频干扰


由于无线技术的更新换代,智能家居网络的射频 (RF) 复杂性也不断提高。许多家用射频通信设备采用频段重叠或密切相关的标准。有时候,由于两个频段之间的距离太近,导致一个通信频段会干扰另一个通信频段发送和接收的信号。 


物联网和 5G 技术进一步增加了复杂性,从而加剧了智能家居设备设计工程师面临的挑战。如今,智能家居物联网设备必须支持许多射频路径,有时需要更大的带宽,并保持低功耗,同时所有标准及其所发送或接收的数据之间都不存在干扰。由于网络上运行的标准越来越多,所以减少干扰势在必行。 


利用 RF 滤波器减少干扰


幸运的是,射频滤波器技术的进步大大降低了不同协议标准之间相互干扰的可能性。射频滤波器不断演变,以支持物联网、5G 和工业 4.0 的扩展需求。体声波 (BAW) 等复杂的多滤波器模块开始越来越多地用于解决射频系统中的共存、容量和范围问题。 


此外,通过促进集成模块的开发,外形更加小巧的滤波器有助于物联网产品制造商将日益复杂的 RF 前端 (RFFE) 架构整合到微型设备中。与此同时,当今的滤波器技术有助于缓解与更高频率和更小外形尺寸相关的散热问题。


不同滤波器满足不同需求


为满足不同的滤波需求,需要使用不同的滤波器。一些滤波器可优化与其他设备的共存特性;其他一些则有助于改进系统、容量、范围和性能。 


例如:共存滤波器(如 Qorvo coexBoost 滤波器)可用于射频路径,针对需要同时操作信号的应用。这些共存滤波器都具有陡峭的带缘裙边(bandedge skirt)。它们对于保持信号质量和确保信号能够与使用相邻频率的其他信号共存至关重要。射频发射器和接收器路径必须保持这种共存性。例如,需要在频段 40 蜂窝信号和 2.4 GHz Wi-Fi 频段之间保持共存性。频段 40 的工作频率范围为 2,300 至 2,400 MHz,而 2.4 GHz Wi-Fi 频段的工作频率范围为 2,412 至 2,484 MHz。这意味着,从 2.4 GHz Wi-Fi 频段来看,频段 40 的高端仅为 12 MHz。所以,频段 40 和 Wi-Fi 频段都需要陡峭的滤波器裙边。这些共存滤波器可通过拒绝相邻频带的信号来保护每个频带不受干扰。 


其他滤波器旨在帮助实现最大容量和范围性能。例如 Qorvo edgeBoost 和 bandBoost 滤波器。这些滤波器允许设计师提高每个信道频段边缘的 RFFE 输出功率,同时满足联邦通信委员会 (FCC) 的功率谱密度要求。它们还有助于降低频谱密度,以帮助提高输出功率性能,如图 3-4 所示。通过使用可能无法使用的频谱,这些滤波器使得运营商和制造商能够提供高速数据和更大带宽。如图 3-4 中所示,使用频带边缘滤波器可将功率密度提高几个 dB。 


举个真实的示例,假设您所在的房间内有多人使用 Wi-Fi 和手机,如图 3-5 所示。2.4 GHz Wi-Fi 频谱被分为 11 个信道,从低频段的信道 1 到高频段的信道 11。例如,假设您正在使用信道 5 的 Wi-Fi 观看足球比赛直播,没有缓冲也没有中断。可这时,来了一个新的手机用户,开始占用您信道 5 的 Wi-Fi 容量。网关设备经过调整之后,将您转移至信道 1,以便释放信道 5 的容量。




如果 Wi-Fi 单元未配备带缘滤波器,那么其强度和流传输速度就会降低,从而发生缓冲,中断您观看的视频,并导致您错过比赛的关键时刻。这是因为网关设备为了遵守 FCC 的规定,必须降低信道 1 的功率,以免干扰相邻的蜂窝频段。然而,如果网关单元配备了带缘滤波器,就不需要降低信道 1 和 11 的功率,这样您就可以在信道 1 上继续观看比赛,且不会出现缓冲和相关中断。


保持无缝、节能、可靠的连接


一些制造商生产的产品使用多种标准。这些产品可以与更多的其他设备通信,从而进一步增强了产品在物联网网络中的互操作性。通过动态多协议支持,一个节点可以与使用不同标准的多个设备通信。 


例如:智能家居网络可能包括 ZigBee 设备和 BLE 设备。在同时支持 Zigbee/Matter 和 BLE 设备的动态多协议网状节点中,设备的通信部分可自动在这些标准之间来回切换,每次支持以一个标准通信。 


用于智能家居设备的 Qorvo 物联网通信产品通过支持 ConcurrentConnect 技术增加了另一项功能,即可以持续接收和转换通信,如图 3-6 所示。该创新以一种更快速、更可靠的方式实现协议切换,以减少数据包丢失,同时仍保持动态多协议支持。



如图 3-6 所示,左侧显示物联网通信产品整合了动态多协议支持。这种多协议支持允许使用不同标准的多个物联网设备之间进行通信。这样就可以在需要时,从一个协议切换到另一个协议。但 Qorvo 在其物联网射频设备中采用 ConcurrentConnect 技术,进一步增加了复杂性。ConcurrentConnect 技术使物联网设备具有同时从所有网络设备连续接收和发送设备通信的能力,从而实现更可靠、更无缝的通信。这样,协议之间的通信可实现无缝切换,从而减少了重复进行 ping 操作的需求以及通信掉线的可能性。 


请试想一下实际的网络情况。如果未采用 ConcurrentConnect 技术,Zigbee/Matter 和蓝牙低功耗 (BLE) 设备就需要在标准之间来回切换,每次支持以一个标准通信。但协议之间的切换会造成延迟,从而导致通信掉线。而采用 ConcurrentConnect 技术的设备则允许从 BLE 到 Zigbee/Matter 的瞬时切换,几乎不会出现通信掉线的情况。这是因为 ConcurrentConnect 技术可消除协议切换的延迟。因此,通信将更快速、更有效、更具可扩展性,并且能够在更短的时间内接收更多数据包。