許多無線協議選項可供智能家居和樓宇自動化產品的開發人員使用。Zigbee，Z-Wave和專有無線控制在當今的市場中占據主導地位，新進入者包括螺紋和藍牙網狀網絡。雖然低功耗藍牙（BLE）和Wi-Fi在這些市場中也很受歡迎，但它們不支持網狀網絡。無論底層協議如何，為物聯網部署的網絡都必須是健壯的，這種健壯性可以通過測量吞吐量、延遲和可靠性來量化。這些測量取決于安裝尺寸和其他系統級要求。

在網狀網絡協議方面，“一刀切并不適合所有人”。每種無線協議都具有獨特的特性和優勢，具體取決于用例和最終應用。了解網格技術的內部工作原理超出了關鍵功能的列表。更重要的是，開發人員需要了解這些網絡協議在功耗、吞吐量、延遲、可擴展性、安全性和 Internet 協議 （IP） 連接等關鍵領域的性能。Zigbee、Thread 和藍牙網狀網絡的設計都從頭開始不同，每個網狀網絡的實現方式都會對系統性能和穩健性產生影響。

豐富的無線連接選項

無線片上系統（SoC）設備已經變得足夠具有成本效益，可以添加到無數的“東西”中，為我們的日常生活提供便利，安全和舒適。當添加無線連接時，“事物”就變成了物聯網設備。今天的許多物聯網設備以前都是沒有無線互聯網連接的東西。不斷變化的法規和消費者的期望迫使產品制造商為無數產品和系統添加無線連接，以保持競爭力或創造新收入流的潛力。當開發人員選擇構建物聯網設備時，他們必須考慮如何使用最終產品以及這些產品將在其中運行的生態系統。

無線網絡的類型

在許多相互競爭的物聯網無線技術中存在兩種基本拓撲結構：網狀和星形。在家庭和樓宇自動化中，Mesh通常比星形網絡更受歡迎，因為它能夠擴展到多個節點并覆蓋長距離。星形網絡依賴于終端節點和中央設備之間的點對點連接。如果安裝網絡后環境發生變化，星形網絡可能會失敗。另一方面，網格是分布式和自我修復的。如果部署網絡后環境發生變化或節點發生故障，網狀網絡可以自我修復。

哪種網絡最適合家庭和樓宇自動化？

Zigbee通常用于建筑和家庭自動化。最近，Thread和藍牙網狀網絡正在考慮用于這些應用。Z-wave是另一種網狀技術，在智能家居和家庭安全應用中也很受歡迎。我們沒有將Z-Wave納入我們最初的網狀網絡性能分析中，因為它專注于使用硅實驗室的無線壁虎SoC作為測試的設備平臺的2.4 GHz頻段的協議比較。此外，在測試時，我們無法訪問可比較的測試網絡來驗證Z-Wave結果。

家庭和樓宇自動化包括能量收集設備、電池供電設備和線路供電設備的組合。照明和恒溫器通常是線路供電的，因為它們是基礎設施的一部分，但這并不意味著功耗可以忽略不計。作為基礎設施一部分并由交流供電的設備必須仔細管理，因為新的政府法規限制了“吸血鬼電源”。電池通常為遠程傳感器和控制元件供電。這意味著網格必須從功率角度理解兩個根本不同的用例。

使用案例

網狀網絡在家庭和樓宇自動化中有許多潛在的用例。

安慰

例如，考慮劇院或博物館的照明和環境控制。這些安裝通常具有數百到數千個節點。燈光、窗簾電機和百葉窗需要以精確和精心設計的方式進行控制。所有的燈都需要同時調暗，控制窗簾的電機應該協同工作。細微的差異是顯而易見的，會減損觀眾的體驗。

家庭有類似的要求。如果您正在創建具有燈光和窗簾的場景，則用戶期望獲得無縫且精心設計的體驗，其中所有燈光同時變暗，所有窗簾齊齊移動。

安全

像倉庫這樣的工業環境可能與劇院有不同的照明需求。通常，一個部分中的燈同時打開。但是，這些燈是否一起打開或者是否需要幾秒鐘才能全部亮起并不重要。用戶體驗和期望是不同的。另一方面，如果某些燈由于停電而需要快速打開，那么突然間時間確實很重要。

方便

例如，開發人員可能希望為倉庫中的無線控制燈添加其他服務。在裝置中，如果每盞燈都同時亮起，這可能并不重要。但是，如果開發人員想要添加其他服務，則網絡的穩健程度可能很重要。

在網格安裝中越來越受歡迎的一項服務是資產跟蹤。在這種情況下，設計人員依靠控制網絡來傳輸有關已安裝基礎設施所跟蹤的資產的數據。在此示例中，吞吐量和延遲對于資產信息在網絡中傳播的速度很重要。

哪種網格協議最好？

沒有簡單的答案。Zigbee、螺紋和藍牙網狀網絡之間存在根本的架構差異。Zigbee 和 Thread 可以在需要時使用泛洪，但通常使用路由網格來最小化可能干擾消息傳遞的網絡開銷。藍牙網狀網絡使用泛洪網狀網絡，但允許將設備配置為路由器，以減少泛洪的影響。藍牙特別興趣小組（SIG）稱之為“管理洪水”。

Zigbee 和線程網絡包括路由節點和終端節點。路由節點通常由線路供電，并充當網格的骨干。終端節點通常由電池供電，在網格的外圍運行，并使用路由器為其中繼消息。路由表是在創建網格時建立的。路由表是一個目錄，用于告訴每個設備如何與網格中的其他設備進行通信。通過這種方式，一個節點可以通過網格以精確的路由發送消息，從而有效地與另一個節點進行通信。這對網格的吞吐量有積極影響，并且可以隨著網格的增長減少延遲。

路由網格歷來優于泛洪網格，因為它提供更高效的通信和可預測的性能。另一方面，對于堆棧的開發人員來說，路由更難實現。

數據包結構

齊格比和螺紋包結構

Zigbee 和線程都使用 IEEE 802.15.4 和 127 字節數據包和 250 kbps 的基礎數據速率。雖然 PHY 報頭相同，但數據包結構不同，導致有效負載大小略有不同。Zigbee 數據包格式如圖 2 所示，并產生 68 字節的有效負載。對于超過 68 字節的有效負載，Zigbee 會分段為多個數據包。線程數據包格式如圖 3 所示，并產生 63 字節的有效負載。對于超過 63 字節的有效負載，線程堆棧將使用 6LoWPAN 進行分段。Silicon Labs 的網格性能數據基于有效負載大小，因為這是構建應用程序時關注的設計參數。

圖 2.Zigbee 數據包格式

圖 3.線程數據包格式

這些網絡中的每一個都將較大的消息分成較小的消息。對于 Zigbee，碎片發生在應用程序層，并從源到目標進行端到端執行。對于線程，碎片在 6LoWPAN 層以及從源到目標的層完成。

對于這些網絡中的單播轉發，只要設備準備好發送，就會轉發消息。對于多播轉發，對于如何轉發消息有網絡要求：

對于 Zigbee 設備，只有在發生長達 64 毫秒的抖動后，設備才會轉發多播消息。但是，在重新傳輸初始消息之前，啟動設備有 500 毫秒的間隔。

RFC 7731 MPL 轉發用于線程設備。涓流計時器設置為 64 毫秒，因此設備在重新傳輸之前會隨機回退到此時間。

藍牙 LE 數據包結構

低功耗藍牙具有以下數據包結構，以最大限度地減少空中時間和能耗。藍牙網狀網絡進一步完善了這種數據包結構，增加了網狀網絡和安全功能。

圖 4. 藍牙網狀網絡數據包格式

這意味著藍牙網狀網絡只有 12 或 16 個字節可用于有效負載，除此之外，數據包被分割成單獨的數據包并在目的地重新組裝。此分段數據包攜帶一個標識分段的標頭和 12 個字節的應用程序有效負載，但最后一個分段除外，后者可以更短。但是，藍牙網狀網絡規范中的額外退縮要求會超出這些分段數據包，從而增加延遲并降低吞吐量。由于我們所有的吞吐量和延遲分析都基于應用程序有效負載，我們可以看到藍牙網狀網絡需要比Zigbee或Thread更多的數據包，因為數據包有效負載大小較小。

路由與泛洪網格

Zigbee、螺紋和藍牙網狀網絡專為家庭和樓宇自動化而設計。Zigbee支持多種路由技術，包括用于路由發現或組消息的網格泛洪;網格中受控消息的下一跳路由;和到網關的多對一路由，然后網關使用源路由到設備。Zigbee網絡同時使用所有這些方法是正常的。

Thread 還支持下一躍點路由以及泛洪。但是，Thread 網絡維護到所有路由器的下一躍點路由作為正常網絡維護的一部分，而不是執行路由發現的設備。Thread 還最大限度地減少了活動路由器的數量，以解決大型網絡的可擴展性問題。以前，這被視為嵌入式 802.15.4 網絡的限制，因為在存在大量路由器的情況下，網絡泛濫限制了多播流量的頻率和可靠性。請注意，線程網絡管理活動路由器的數量和間距，不需要用戶干預或管理。

藍牙網狀網絡支持托管泛洪。這是對泛洪網格的輕微旋轉，因為用戶可以指定哪些供電設備參與泛洪。這將減少洪水的影響，但需要用戶確定其網絡中路由器的適當密度和拓撲，這可能很困難。隨著網絡條件隨時間而變化，哪些設備參與洪水可能也需要改變，這需要用戶干預。

藍牙還具有類似于Zigbee或Thread的終端設備，稱為“友誼”設備。友誼設備與相鄰的供電節點耦合，朋友的數據包由線路供電節點存儲。朋友會定期醒來，詢問鄰居是否有任何數據包。用電節點僅將數據包保存一段定義的時間段，因此“朋友”需要簽入其配對的中繼節點。

我們對網狀拓撲的研究分析了小型和大型網絡。這些網絡的行為可能非常不同，在考慮 10 節點網絡或 200 節點網絡時，路由和管理技術通常需要更改。

通常，在小型網絡中，設備位于一個或兩個躍點內，并且非常簡單的路由或泛洪可能是合適的。隨著網絡規模的增長，它增加了復雜性，例如設備之間的躍點更多;設備的密度，在發送消息時可能會相互干擾;以及對延遲和可靠性的更多擔憂。如果使用泛光類型消息打開 100 盞燈，則通常不能讓 100 盞燈中的 98 盞或 99 盞燈打開或關閉。這種類型的問題在 10 節點網絡中很少見，但在 100 節點網絡中可能會變得很常見。

功績數字

在前面提到的用例中，設計人員需要一個強大的應用網絡。在評估網絡的穩健性時要衡量的品質因數是吞吐量、延遲和可靠性。這三個測量可以準確地預測給定安裝的網絡魯棒性。

吞吐量定義了網絡的可擴展性（可以發送正常流量的設備數量），以及更高數據操作（例如將固件更新推送到設備）的行為。

延遲描述操作發生所需的時間。對于任何涉及最終用戶的交互（而不是機器對機器通信），它都是一個關鍵參數，因為大多數人可以檢測到耗時超過100毫秒的操作。對于需要同時操作的過程，例如打開多個燈，定時必須小于100 ms，以便最終用戶不會在燈連續打開時抱怨“爆米花”效應。

可靠性被認為是理所當然的，但是當與日常設備（如燈和開關）交互時，用戶期望接近100%的可靠性。在實踐中，硅實驗室測試的可靠性達到99.999%。無論使用何種底層無線技術，這些都是網狀網絡最關鍵的方面，需要測量并與設備和無線系統的設計目標密切相關。

測試設置

為了最大限度地減少器件測試的可變性，可以在固定拓撲中執行測試，其中RF路徑通過分路器和衰減器連接在一起，以確保拓撲結構不會隨時間和測試而變化。這用于七躍點測試，以確保網絡拓撲。MAC 濾波也可用于實現網絡拓撲。

大型網絡測試最好在露天環境中進行，其中設備行為基于現有和不同的RF條件。位于馬薩諸塞州波士頓的硅實驗室實驗室用于這種露天測試過程。

露天測試環境中的無線條件具有典型的Wi-Fi和Zigbee流量作為噪聲存在。這不是測試網絡的一部分，而是用作典型的樓宇控制系統，獨立于正在執行的任何測試。

圖 6. 延遲與躍點

圖 6 顯示了線程網絡與藍牙網狀網絡未分段和分段數據包的每次躍點平均延遲。不包括 Zigbee 數據，因為它類似于線程。在此示例中，我們可以看到對于這些較小的有效負載，藍牙未分段和線程延遲與六個躍點非常相似。當我們添加藍牙分段數據包并將有效負載增加到 16 字節時，由于傳輸了額外的數據包，延遲會大大增加。

圖 7.線程與藍牙網狀網絡延遲

如圖 7 所示，查看有效負載不斷增加的四躍點數據，藍牙網狀網絡具有更高的延遲，因為它必須使用分段消息。這表明了藍牙網狀網絡設備試圖將有效載荷保持在一個數據包內的重要性，以避免在作為重要因素的應用中增加延遲。

結論

網狀網絡的選擇取決于最終應用或生態系統。有許多已建立的生態系統，例如飛利浦Hue，亞馬遜Echo Plus和康卡斯特X無限。如果設備制造商希望與這些生態系統進行互操作，Zigbee是最佳選擇。如果尚未為應用程序指定生態系統，則可以使用許多其他協議選擇。

線程和藍牙網狀網絡都是可行的選擇，也是除了Zigbee之外最常考慮的選擇。IC供應商提供的開發工具對于網狀網絡的開發速度非常重要。數據包跟蹤和多節點能量分析等工具可以確保所選網狀網絡的設計穩健。最終，網絡規模、所需的延遲、期望的吞吐量和整體可靠性將推動網狀協議的選擇。

審核編輯：郭婷