網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)在智能照明中的重要性

家庭和小型建筑的所有者可以接受智能技術(shù)的好處，例如自動(dòng)光激活和調(diào)光，這提供了改善的舒適性和便利性以及水電費(fèi)。到2019年，家庭自動(dòng)化市場(chǎng)的收入將超過160億美元。輕松升級(jí)，中斷最少或重新布線成本高，理想情況下可以作為DIY項(xiàng)目使用，或者使用不需要專業(yè)IT或智能建筑知識(shí)的本地安裝人員，這對(duì)于普及采用。標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)認(rèn)識(shí)到簡(jiǎn)化流程（如建立網(wǎng)絡(luò)和添加新設(shè)備）的重要性，并且正在引入標(biāo)準(zhǔn)，以最大限度地減少調(diào)試和維護(hù)所需的技術(shù)專業(yè)知識(shí)。

作為一個(gè)例子，ZigBee?Alliance引入了ZigBee Light Link（ZLL）配置文件，提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，可以更加專注于入門級(jí)智能照明機(jī)會(huì)，并且比其他配置文件更易于設(shè)置和使用例如ZigBee家庭自動(dòng)化（ZHA）。 ZLL實(shí)現(xiàn)了無協(xié)調(diào)器調(diào)試，簡(jiǎn)化了初始網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和額外節(jié)點(diǎn)的添加。支持常見的照明設(shè)備和控制器，例如可調(diào)光燈，彩色燈和彩色或場(chǎng)景控制器，而ZigBee集群庫(kù)的擴(kuò)展增強(qiáng)了對(duì)設(shè)置場(chǎng)景和控制顏色等操作的支持。在缺少可信協(xié)調(diào)設(shè)備的情況下，通過交換使用ZLL主密鑰加密的網(wǎng)絡(luò)密鑰，節(jié)點(diǎn)保持安全。

與家庭自動(dòng)化配置文件一樣，ZLL運(yùn)行在ZigBee PRO無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之上，具有家庭自動(dòng)化和智能照明的重要優(yōu)勢(shì)。這些功能包括低功耗，以及對(duì)對(duì)等網(wǎng)狀連接的支持，可在整個(gè)遠(yuǎn)距離擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的容錯(cuò)無線通信。

雖然低功耗以及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)固有的穩(wěn)健性和擴(kuò)展范圍為家庭或辦公室中的智能照明提供了明顯的優(yōu)勢(shì)，但另一個(gè)越來越受期待的功能是能夠使用移動(dòng)電話調(diào)整設(shè)置。在房屋內(nèi)或通過互聯(lián)網(wǎng)從遠(yuǎn)程位置。這不僅方便了那些傾向于輕松攜帶智能手機(jī)的用戶，而且還可以為產(chǎn)品供應(yīng)商節(jié)省構(gòu)建和運(yùn)送專用控制器的額外開銷。

要使用智能手機(jī)來控制連接到ZigBee網(wǎng)絡(luò)的燈光開關(guān)或驅(qū)動(dòng)程序等設(shè)備，目前需要將用戶的指令通過互聯(lián)網(wǎng)路由到ZigBee網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)。這可能會(huì)引起系統(tǒng)響應(yīng)的延遲，在更改恒溫器設(shè)定點(diǎn)等設(shè)置時(shí)可能不會(huì)引起注意，但在到達(dá)黑暗的房間時(shí)嘗試打開燈或在最喜歡的電視節(jié)目中及時(shí)優(yōu)化調(diào)光時(shí)可能是不可接受的。

Bluetooth?LowEnergy或Bluetooth Smart具有許多優(yōu)勢(shì)，可以提供合適的替代方案。支持藍(lán)牙的移動(dòng)設(shè)備可以連接到建筑物中的藍(lán)牙智能設(shè)備，無需通過網(wǎng)關(guān)。由于現(xiàn)場(chǎng)已有超過90％的智能手機(jī)支持藍(lán)牙，因此已存在大量潛在用戶群。這可能會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng)，因?yàn)锳BI Research預(yù)測(cè)到2018年市場(chǎng)上將有100億臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備。另一方面，藍(lán)牙的有限范圍和傳統(tǒng)的主從通信模式限制太多，無法讓用戶控制任何設(shè)備從建筑物內(nèi)的任何位置。在辦公室或工業(yè)場(chǎng)所等大型建筑物中，有限的范圍可能特別具有挑戰(zhàn)性。

多跳通信提供了一種擴(kuò)展有效無線范圍的方法，自4.1版本開始引入藍(lán)牙低功耗Scatternet就實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。 Scatternet允許設(shè)備在一個(gè)域中充當(dāng)主設(shè)備，同時(shí)在其他域中充當(dāng)從設(shè)備。因此，它可以從其主設(shè)備接收消息并將消息中繼到其自己的連接從設(shè)備。雖然這可以允許網(wǎng)絡(luò)延伸更長(zhǎng)的范圍，但是消息傳播仍然相對(duì)正式和繁瑣。

已經(jīng)出現(xiàn)了一些技術(shù)，可以使用藍(lán)牙技術(shù)建立網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。通過允許網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備在彼此之間中繼消息，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)能夠擴(kuò)展到遠(yuǎn)大于所選無線技術(shù)的最大點(diǎn)對(duì)點(diǎn)范圍的區(qū)域。其中，Cambridge Silicon Radio的CSRmesh?使設(shè)備能夠在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行交互，避免了許多與主從通信相關(guān)的開銷。

將網(wǎng)格添加到藍(lán)牙

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)許多原則運(yùn)行。消息可以沿著特定路徑從一個(gè)設(shè)備路由到另一個(gè)設(shè)備以到達(dá)期望的目的地。然而，雖然Bluetooth Smart被認(rèn)為是市場(chǎng)上功耗最低的無線電，但管理此路由所需的內(nèi)存和處理可能會(huì)增加功耗。這在智能照明和一般的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中是不希望的，這通常要求節(jié)點(diǎn)在沒有維護(hù)的情況下從小電池運(yùn)行數(shù)月或甚至數(shù)年。

CSRmesh通過使用泛洪方法避免了與路由相關(guān)的開銷。在這種情況下，每條消息都會(huì)發(fā)送到范圍內(nèi)的每個(gè)設(shè)備。反過來，這些設(shè)備將消息中繼到范圍內(nèi)的其他設(shè)備。與具有必須在大多數(shù)時(shí)間監(jiān)聽和接收的路由節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)的情況不同，泛洪網(wǎng)格的傳感器僅在它們具有要發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)被喚醒。雖然設(shè)備需要定期喚醒以進(jìn)行掃描，但是包含許多能夠重復(fù)消息的節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)可以容忍較低的掃描速率以最小化功耗。另外，一些設(shè)備可以作為網(wǎng)格的被動(dòng)成員存在。這可以為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃人員提供額外的靈活性，通過將這些設(shè)備配置為僅作為發(fā)起者并且從不監(jiān)聽消息來最大化節(jié)點(diǎn)（例如燈開關(guān)）的電池壽命。他們將無法轉(zhuǎn)發(fā)或轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的消息，但可以在硬幣小區(qū)上運(yùn)行多年。

由于CSRmesh網(wǎng)絡(luò)中沒有路由或協(xié)調(diào)設(shè)備的概念，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是使用藍(lán)牙智能SoC構(gòu)建，例如CSR1010無線收發(fā)器或其他CSR101x系列設(shè)備。這為節(jié)點(diǎn)提供了足夠的智能，以便在諸如專用傳感器等附加設(shè)備的價(jià)格或功率方面提供額外的功能而無需額外成本。例如，與用戶智能手機(jī)的直接連接使得可以通過接近來激活設(shè)備，而無需額外的傳感器。這可以在家庭環(huán)境中使用，例如當(dāng)房主接近前門時(shí)打開門廊燈，或者在商業(yè)建筑物中用于在公認(rèn)的用戶沿著走廊移動(dòng)時(shí)激活燈或門鎖。

由于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以在沒有網(wǎng)關(guān)或Internet連接的情況下運(yùn)行，因此智能手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)之間不會(huì)出現(xiàn)單點(diǎn)故障。此外，CSRmesh具有輕量級(jí)尋址功能，可減輕運(yùn)行更復(fù)雜固件的負(fù)擔(dān)。如果要求控制器遠(yuǎn)程操作燈，則需要與任何其他基于互聯(lián)網(wǎng)的控制策略一樣的網(wǎng)關(guān)。

自最初推出照明應(yīng)用協(xié)議以來，CSR最近推出了CSRmesh家庭自動(dòng)化系統(tǒng)，增加了傳感器和執(zhí)行器模型，使開發(fā)人員能夠創(chuàng)建可控制加熱，通風(fēng)，空調(diào)，門鎖和窗戶傳感器的解決方案除了照明。家庭自動(dòng)化還允許開發(fā)人員調(diào)整網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的掃描速率，以進(jìn)一步延長(zhǎng)電池壽命。包括加密網(wǎng)絡(luò)密鑰在內(nèi)的安全預(yù)防措施可以防止干擾和攻擊。

圖1：CSRmesh板有助于創(chuàng)建智能照明和其他家庭自動(dòng)化產(chǎn)品。

包含RGB LED和調(diào)光器的CSRmesh開發(fā)板按鈕（圖1）可以快速啟動(dòng)CSRmesh應(yīng)用，如照明，家庭自動(dòng)化或傳感器網(wǎng)絡(luò)。其中三個(gè)板包含在CSRmesh開發(fā)套件中，該套件還提供軟件開發(fā)環(huán)境，開發(fā)板的示例應(yīng)用程序以及帶有Android和iOS?源代碼的示例主機(jī)智能手機(jī)應(yīng)用程序。 CSR合作伙伴Avi-on創(chuàng)建的支持包的詳細(xì)信息為使用CSRmesh開發(fā)家庭自動(dòng)化產(chǎn)品提供了進(jìn)一步的見解。該軟件包包括即插即用固件，可從Apple App Store或Google Play下載的家庭自動(dòng)化智能手機(jī)應(yīng)用程序（圖2），以及基于CSR1010的預(yù)認(rèn)證模塊。

圖2：Avi-on應(yīng)用程序是最先通過CSRmesh技術(shù)直接控制家庭自動(dòng)化的應(yīng)用程序之一。

CEL（加州東部實(shí)驗(yàn)室）正在使用CSR1010收發(fā)器是其B1010SP0 MeshConnect?迷你模塊的核心，支持CSRmesh協(xié)議，并提供適用于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的低風(fēng)險(xiǎn)藍(lán)牙智能解決方案。這些模塊與CEL的ZigBee和基于線程的模塊尺寸兼容，可與CEL的Cortet?物聯(lián)網(wǎng)軟件和移動(dòng)應(yīng)用程序一起使用。這些模塊通過集成關(guān)鍵組件簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，如圖3所示。開發(fā)可以利用μEnergy入門開發(fā)套件，其中包含CSR的μEnergy平臺(tái)軟件和CEL的硬件組件和文檔，可以快速開始設(shè)計(jì)。

圖3：CEL的MeshConnect模塊簡(jiǎn)化了基于CSRmesh和CSR1010收發(fā)器的開發(fā)。

正在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化

藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的邏輯下一步是Bluetooth SIG標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議。這應(yīng)該有助于促進(jìn)藍(lán)牙在智能建筑應(yīng)用中的使用。 SIG自2015年起任命藍(lán)牙智能網(wǎng)狀工作組，一直致力于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。包括CSRmesh在內(nèi)的一些提案正在考慮之中，SIG很快就會(huì)準(zhǔn)備好采用配置文件。

或許期待行業(yè)對(duì)藍(lán)牙網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)化的有利回應(yīng)，ON World預(yù)計(jì)藍(lán)牙將會(huì)2014年7％的住宅銷售量激增，到2019年底成為第二大智能照明技術(shù)。