作者簡介：宿為民(Wilma SU)，畢業于清華大學計算機系、復旦大學計算機系，工學博士。目前擔任飛利浦照明標準與法規部高級總監與Zigbee中國成員組主席。

在物聯網蓬勃發展的浪潮下，智能家居的熱度也隨之不斷升溫。由于智能家居的安全、節能、舒適、便利、高效等諸多特點，越來越多的客戶開始接受和開發智能家居單品和系統。在中國推廣Zigbee技術的這幾年里，我有幸看到來自中國的廠家在物聯網和智能家居領域實現“彎道超車”，中國的智能家居技術與市場發展極其迅猛，我們的產品和系統可以說是世界領先。

作為Zigbee中國技術組的主席，我很高興有這樣一個機會談談智能家居中的一個重要技術環節——無線連接技術。當然我不會刻意去講Zigbee，相反，我希望可以淡化技術隔閡，談一談智能家居這么一個特定的應用領域到底需要什么樣的無線連接。如文章的題目所示，我希望多從技術角度出發，以說明問題、解答疑惑。如果另有機會，我的同事們可以從市場的角度聊聊產品與應用。

請注意，本文不談技術細節，而是關注技術背后的共性問題。這是本文一以貫之的邏輯。

智能家居系統的技術界面

要分析智能家居的無線技術，首先要明確：智能家居的范圍是什么?系統架構什么樣?這是我們討論的基礎。下面以智能家居中的一個子系統——智能照明系統為例說明問題。

圖1、家庭智能照明系統及技術界面

如圖1所示，家庭智能照明系統大致可以分為三個技術界面：①基于云端的應用與服務;②家庭范圍的無線控制網絡;以及③智能照明產品內部的控制軟件與驅動電路。

在這三個技術界面中，最受人關注、討論最多也是最讓人迷惑的就是第二個界面：家庭無線控制網絡。市場上各種產品形態共存，網絡上各種觀點百家爭鳴。應當理解，技術本身無所謂優劣(拙劣的技術在其發展中自然而然地被淘汰了)，只有適合不適合。我們思考的是：什么樣的無線技術更適合智能家居網絡?或者說，智能家居系統對無線互聯技術有什么獨特的需求?

智能家居系統是怎么玩的?

個人消費者對新生事物的接受度往往超越工業界的預計，智能家居亦是一例。

智能家居范圍極廣，沒有統一的定義。其典型子系統——智能照明，可以簡單到只有一個獨立控制器(手機也是一個控制器)和一盞燈，也可以復雜到一個集成照明設備、傳感器、智能開關以及控制算法的完整照明系統。作為消費者接觸智慧照明的第一步，一個可以用手機控制的、安裝簡單的燈泡是很好的產品形式。這個燈泡可以不那么完美，功能也不豐富，但一定要像普通燈泡一樣，擰上去就好。幾分鐘的時間就可以操作起來。因此，對消費者來說，智能產品的第一個需求就是：低復雜度、易于安裝。

當消費者慢慢習慣了用手機控制家里的燈泡，新的需求出現了。這時，和燈泡無縫互聯的開關類設備可以提供更加自然、直觀的服務。如果配上合適的傳感器，比如運動、溫濕度、光照傳感器，通過設定特定的規則，一個小型的、自動運行的照明系統就出現了。這個照明子系統可以和其它的子系統比如安防、影音、廚衛、遮陽系統互動。這構成了典型的智能家居無線網絡。

因此，智能家居的無線網絡應當是一個大范圍、多設備的局域網絡。用技術語言來講——它應當是一個mesh網。

我們拋開讓人眼花繚亂的技術指標和市場宣傳，順著剛才的思路想一想，一個穩定可靠的智能家居無線網絡應當有哪些要素。

1、mesh網。智能家居系統的節點數可以從數個到數十個甚至上百個，這與點對點控制的智能單品截然不同，要求網絡可以提供更大的冗余度以利負載平衡和路徑選擇。要做到負載平衡，需要在路由協議上下功夫，合理創建路由和選擇路由，并進行持續的、動態的優化。

2、健壯性。在一個節點數較多的網絡中，健壯性至關重要。智能家居系統多部署在室內，空間結構上的遮擋、反射以及無線電環境上的干擾，都對系統的健壯性提出了更高的要求。路由的合理創建和設備的合理維護，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。在一個有限的頻譜中，怎樣與不同的技術進行合理的避讓和分配，也同樣對無線網絡的穩定性提出考驗。空間訪問機制，以及軟件和協議的協同配合在其中起了很大的作用。

Zigbee為什么要費盡心思做mesh網?

另一種同樣用于連接低功耗資源受限型設備的IoT無線技術——低功耗廣域網(LPWAN)是典型的集中式網絡結構(即星形網絡)。比較一下這兩種技術的特點會非常有意思，也有助于我們加深對IoT無線連接技術的理解。

LPWAN(如NB-IoT和Lora)是非常優秀的無線網絡，它將IoT設備長距離地直接連至基站，進而接入云端。這一網絡拓撲結構決定了，LPWAN在獲得低功耗、長距離連接的同時，放棄了一個對智能家居而言極其重要的特性——設備的本地互動。請看下面的例子。

這是一個極簡單的設備互動——當門被打開時點亮燈泡（當然也可以是傳感器）。在一個本地的mesh 網絡中，門鎖可以和燈泡直接互聯，通過應用層的邏輯綁定可一步實現這個功能。而在LPWAN的架構下，門鎖必須將消息上報給基站，通常基站是不實現應用邏輯的，需要進一步上報給云端。云端通過處理給燈泡下發指令——開燈或關燈。對這個應用而言，這一數據通路明顯過于復雜了。

當然在實際應用中，LPWAN的每次消息傳輸還意味著一筆費用，不過這是另外一個層面的事情。

進一步地，如果上百個設備都是這樣操作，系統的性能差異將非常明顯。

圖2、本地mesh網和LPWAN架構下的設備互動

也許有人會想，為什么不可以在LPWAN，比如NB-IoT設備上實現本地的通信呢?提出這個問題并不奇怪，甚至有些理所當然。我曾經在一個研討會上遇見一名物聯網從業者，他大篇幅地描述他在NB-IoT上提出的新應用，就是基于這個想法。

其實想一想，不管是NB-IoT還是Zigbee(名字并不重要)，幾乎所有（幾乎是為了避免絕對，其實就是所有的）低功耗無線技術均采用了一個共性技術——設備休眠。Zigbee, Thread, BLE, NB-IoT, Lora, Z-wave這些常用技術無一例外。想想這個問題——如何在兩個休眠的設備間(更加技術的，它們是異步的)建立起長期、穩定地通信呢?這是做不到地。

所以，這也印證了一個事實——Zigbee的終端設備(End Device)之間不可以直接通信而必須通過路由；LPWAN設備之間不可以直接通信而必須依賴基站。這兩者并不是巧合，背后有著共同的理念和通信機理。

這個例子也說明了為什么Zigbee (還有Thread等技術)花費巨大精力制定mesh網標準，為什么藍牙技術在進軍智能家居時必須開發出具備mesh功能的網絡技術。

Zigbee能夠保證認證的產品互聯互通嗎?

限于篇幅，我再談一個問題——產品的互操作。

首先，Zigbee聯盟宣稱通過認證的產品可以保證互操作。私有協議(在實踐中大量存在)的互操作問題不在討論之列。

也許有人會提出異議：“為什么Zigbee需要做認證?其它技術就不需要?”

(這話是誰說得?你站出來!我跟你談談人生。。。)

這完全是以訛傳訛。據我所知，所有的以“互操作”為目的的技術都有嚴格的測試和認證要求。最常見的Wi-Fi，藍牙，還有Zigbee都是要求對產品進行認證的。在Thread這個技術尚未完全標準化之時，Thread聯盟就提出要進行嚴格的認證程序(原文：rigorous certification program )。我當時在現場，記憶猶新。

不僅無線互聯技術需要認證，甚至智能家居的生態系統都會制定認證環節以保證產品間的互操作。大家可以自行搜索“華為Hilink認證產品”。

那么，Zigbee所說的“保證產品間的互操作”，它有沒有具體范圍或者條件呢?

首先回答：有的。Zigbee所宣稱的互操作和消費者感受到的互操作是有區分的。

下面進一步回答Zigbee的標準和測試環節所帶來的互操作性，以及市場上大家抱怨的“不能互操作”的差異在哪里。理解這些需要對Zigbee的標準和測試流程有基本了解，大家可以咨詢我們的Zigbee授權實驗室(CESI, TuV Rheinland, Element, UL, NTS)。

Zigbee作為一個物聯網開放標準，自標準定義到測試的方法與流程，其目標都是設備通信與行為層面的規范與互操作性，而不涉及產品本身的性能。換句話說，標準本身定義的是通信各層級(OSI 7層模型或簡化4層模型)的格式與規范;而測試本身關注空中數據包(over-the-air packet)的合規性。設備本身的性能差異交給廠商與市場，這也是平衡兼顧 “標準化” 與 “差異化” 的合理結果。

舉例來說，下述各項屬于Zigbee測試的內容，其互操作性由Zigbee標準保證：

1、設備網絡層的基本行為，包括網絡發現、加入/離開網絡、交互網絡參數等。
2、設備安全性的行為，包括安全模式的支持、密鑰的生成分發、密鑰的動態更新等。
3、設備功能性的行為，包括測試PICS文件中所列的所有Mandatary和Optional行為。

下述各項不屬于Zigbee測試的內容，亦不屬于Zigbee所保證的產品互操作的范圍：

1、功能參數在產品表達上的一致性。比如同一亮度和顏色參數在不同產品的光學表達不一致(色度差)。
2、命令在執行上的細微差異。比如設備執行“OFF”命令時設備斷開的時間不一致(有快有慢)。
3、設備RF性能上的差異。比如不同公司的產品在網絡中的性能表現不一致、不同的產品具有不同的信號強度和有效傳播距離。
4、設備自身的性能和穩定性。比如有些產品可以長時間穩定地存在于網絡中，有些產品有更高的斷網概率。

同時，在大范圍的網絡中，數量眾多的設備因網絡參數不一致帶來的網絡行為差異也是被頻繁提及的。比如路由設備的帶載能力，數據緩存時間與數據請求的頻率(Data Poll Rate)，廣播消息的頻率與次數，設備掉線后發起新入網請求的觸發條件，以及繁多的參數窗口的選擇帶來的行為差異，不一而足。

應當說明，產品性能的一致性并非Zigbee聯盟的訴求，也不應當是一項IoT國際開放標準的責任。工業界在追求互聯互通的技術的同時，亦需要足夠的空間追求產品的差異化與品牌附加值。

Zigbee聯盟始終正視來自產業界的需求，并積極給出方案以滿足消費者對于互操作的要求。聯盟目前的一些工作包括：

1) 認證過程中增加新的測試內容以提高產品互操作性;
2) 對已有的可選功能(optional cluster)進行梳理和優化;
3) 對已有的功能進行強化和擴展;

結束語

做Zigbee中國成員組主席的這兩年來，我深深地為我國物聯網和智能家居事業的蓬勃發展感到自豪。優秀的產品與系統引領著全球IoT行業的發展，中國速度也一次又一次的讓國際友商們感到驚訝、贊嘆。我希望通過這個平臺，可以和大家多多交流智能家居行業的技術、產品、市場、生態。也期待大家的反饋!