LED智能照明將極大地提升產(chǎn)品的附加值，其發(fā)展空間遠大于傳統(tǒng)照明產(chǎn)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(shù)都扮演著至關(guān)重要的角色。

　　今天，聯(lián)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(shù)專家為我們解讀Zigbee自組網(wǎng)的Mesh網(wǎng)絡(luò)。一起來關(guān)注一下吧~

　　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(lǐng)域占領(lǐng)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(shù)，他們承擔了智能照明從封閉到開放，從私有網(wǎng)絡(luò)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(shù)。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(luò)被照明界認為是最貼近實際場景的技術(shù)。

　　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(shù)也開始打著“Mesh”的招牌進行宣傳，希望引起業(yè)界關(guān)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(luò)有哪些要素：

　　1. 平衡負載。

　　智能照明系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)，尤其是在一個節(jié)點數(shù)較多的網(wǎng)絡(luò)中，健壯性至關(guān)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(luò)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(shù)標準進行合理的避讓和分配，也同樣是對一個照明網(wǎng)絡(luò)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(shù)能否體現(xiàn)這些要素。

　　ZigBee -- Mesh技術(shù)的集大成者

　　ZigBee技術(shù)從誕生的第一天起就把Mesh網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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(guān)的路由路徑進行通訊，不會干擾到其它的不相關(guān)路徑。這對于大網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(luò)中的所有設(shè)備進行控制，單播就會加大整個網(wǎng)絡(luò)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(luò)中的所有設(shè)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(luò)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(luò)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(shè)備的能量消耗。

　　另外ZigBee協(xié)議限制了設(shè)備單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)包的廣播數(shù)量，減輕網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(shè)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(luò)流量，減少整個網(wǎng)絡(luò)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(shè)備通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)對ZigBee設(shè)備的本地或者跨互聯(lián)網(wǎng)遠程控制。該網(wǎng)關(guān)就是Many-to-One 路由算法中的集中設(shè)備，需要跟所有的設(shè)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(lǐng)域有著獨特優(yōu)勢。

　　4. 自組網(wǎng)，自恢復

　　在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，路由器和終端設(shè)備在入網(wǎng)時，不需要人工干預即可自行完成網(wǎng)絡(luò)搜索和網(wǎng)絡(luò)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(shè)備可以重新選擇其它路由器作為父設(shè)備重新加入到網(wǎng)絡(luò)中。

　　同樣，如果終端設(shè)備因為移動而脫離父設(shè)備，該終端設(shè)備也會重新選擇其它路由器作為父設(shè)備加到網(wǎng)絡(luò)中。實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的自組織和自恢復功能。

　　5. 低功耗網(wǎng)絡(luò)

　　在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中，有協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備三種設(shè)備類型。協(xié)調(diào)器負責一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建和初始化，并且一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只有一個協(xié)調(diào)器。完成網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(shè)備（路由器）進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。終端設(shè)備通過主動查詢方式從父設(shè)備獲取數(shù)據(jù)。所以在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備可以完全進入休眠狀態(tài)以節(jié)省設(shè)備功耗，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的低功耗。

　　當然，ZigBee在智能網(wǎng)絡(luò)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(shè)備直接連接，需要通過網(wǎng)關(guān)或其它智能設(shè)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(luò)和其它ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(shè)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(shè)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(guān)注點之一。

　　無奈藍牙技術(shù)的基因是星型網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(guān)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(luò)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(luò)負荷。網(wǎng)絡(luò)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(luò)，在應用層之上增加了一些變化來維護網(wǎng)絡(luò)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(luò)，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(shù)，從一開始就被智能產(chǎn)品廠商所青睞。Wi-Fi技術(shù)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備基本是一個Wi-Fi路由器覆蓋范圍內(nèi)的設(shè)備數(shù)上限了。

　　絕大部分的路由器處理這些設(shè)備的上網(wǎng)數(shù)據(jù)都沒有問題。但在照明網(wǎng)絡(luò)，用戶設(shè)備數(shù)超過30個完全有可能。這時候?qū)Σ黄穑阋诵┑穆酚善?，（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(luò)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(shù)的成熟度和特點來看， ZigBee更適合用在照明網(wǎng)絡(luò)的應用領(lǐng)域。ZigBee與生俱來的優(yōu)勢，與智能照明網(wǎng)絡(luò)相得益彰。