適合電動汽車和工業應用的逆變器綜合解決方案

在點對點或星形網路中，信號範圍是輸出功率的函數。為了確保設備可以使用電池運行足夠長的時間，或提高能源效率，理想的情況是降低功耗和輸出功率。但是，儘管功耗降低，設備仍需能夠與其他設備進行通信和交互。網狀網路中每台設備的傳輸距離更短，因此功耗降低。由於通信通過網狀網路上的設備中繼，因此系統的總體通信距離可以得到改善。

網狀網路還具有其他通信方面的益處，例如它們能夠進行動態自愈。舉例來說，如果網狀網路中的一個節點發生故障，通信能夠進行重路由，進而改善可靠性。網狀網路的另一重要益處是設備能夠直接相互通信。在很多情況下，例如燈泡對開關進行響應，這可以實現消費者期望的快速響應。

網狀網路對應用的影響

使用網狀網路，可以使總體系統性能和最終用戶體驗得到顯著改善。藉助於樓宇和家庭自動化，設備能夠直接相互通信。燈泡開關的操作可直接通過本地網狀網路發送至燈泡，無需通過網關與雲端進行路由通信。

圖1：星形網路與Mesh網路的對比。

這種立即響應能夠改善消費者體驗。此外，對於一些用例，例如HVAC系統在發生火災警報的情況下關閉通風，網狀網路上的本地通信能夠確保正確的系統運行，無需依賴雲連接性。

照明系統的部署和管理可得到簡化。網狀網路提供的長距離連接性意味著互聯電燈可部署在距離集線器較遠的地方(和星形網路相比)。集線器或網關可部署在一地，然後再部署互聯電燈。在部署每一盞燈時，通信距離擴大，使得一個網關能夠有效覆蓋更大面積。

管理用於零售市場或資產跟蹤的信標會變得更加輕鬆，因為無需每個信標都在手機範圍內。此外，還可以在這些區域和設備類型上結合功能。例如，互聯電燈不僅可實現自動化，還可用作信標。這種方法能夠通過增加位置服務和廣告等功能增加電燈的功能和價值。

圖2：Mesh網路在零售市場中的應用。

多種無線協議的案例

與已經部署的系統的互操作是一條重要的考量因素。以住宅為例，大量設備可能使用 ZigBee或Thread構成網狀網路。網關或集線器與網關的組合很可能已將這些設備連接到雲端以實現更多服務。智能手機也可能與雲端通信，然後返回到設備。

為了支持智能手機與設備直接通信，或支持Apple HomeKit等生態系統，需要藍牙(Bluetooth)連接性。如果所有設備都支持該協議，則Bluetooth可以與另一網狀網路結合使用或獨自用作網狀網路。在設備中添加對多種協議的支持也可帶來諸多益處，例如使用智能手機設置或調試設備，而無需ZigBee或Thread網路上的顯示。

藉助於Silicon Labs多協議軟體和硬體，可以設計出支持多種無線連接協議的單一產品。這可以是在現場同一設備進行多種協議的連接，也可以是能夠在現場或工廠配置成多種不同無線協議之一的設備。通過在同一SoC 上，或者管腳兼容的SoC上支持多協議，公司用戶可以靈活調整自己的市場策略。藉助於安全的更新機制，這些設備能夠在現場進行更新以增加其他功能，或對市場上的任何變化作出反應，例如需要特定網狀網路的，人氣彪升的某個生態系統。

確定合適的網狀網路技術

對於大多數現有家庭自動化和照明系統，必須考慮現有生態系統和部署。例如，為了能夠兼容Apple HomeKit，即使設備通過網狀網路連接到其他設備，它也必須支持Bluetooth連接進行通信以支持Apple HomeKit。

許多現有設備使用 Zigbee；對於基於網狀 Bluetooth 等技術的新設備，必須考慮通過終端設備或支持多種協議的網關所實現的互操作性策略。同樣，不同服務提供商對特定協議或多協議支持有要求，在選擇合適的連接性解決方案時必須予以考慮。

連接性要求應考慮整個生態系統，從終端設備到任何網關或集線器，再到應用層和服務提供商。本身不支持IP的網路技術，例如ZigBee和網狀Bluetooth，必須首先在網關處適配IP。該過程涉及本地網路地址的映射以及將網路層有效荷載重新封裝成IP數據報。相反，本身支持IP的本地網路，如Thread，可以在不需要介入的情況下轉發和路由應用程序有效荷載。在本地網路中加密的數據包在端到端傳輸過程中仍能保持安全。

比較網狀網路標準

每個網狀網路標準為不同的設備類型和應用提供了基於標準的支持。ZigBee 為家庭自動化、照明和計量提供了成熟的應用層支持，而第一個網狀Bluetooth規範主要側重於照明和一些家庭自動化支持。Thread是三種網狀網路技術中唯一一種基於IPv6的網狀網路技術。這提供了一些獨特的益處，例如同一網路或跨網路的端到端路由和可定址性，而無需實施其他轉換層。

大多數連接設備得益於到雲端的連接，從而實現數據聚合等用例。支持Bluetooth低功耗的網狀Bluetooth設備能夠通過智能手機或平板電腦提供到雲端的連接性。這當然是一種臨時連接，因為設備在手機或平板電腦不存在時將無法連接到雲端以發送或接收信息，因此需要網關提供始終連接的體驗。ZigBee需要用於雲連接性的網關，而Thread具有基於IP的連接性，因此不需要全網關來在網狀網路之間進行橋接。藉助於Thread，邊界路由器能夠以更輕量的方式通過IP實現設備與雲端的直接通信。

基於所用定址方案的理論網路規模不能準確反映網路在實際實現中所需的節點數量。實際限制取決於許多因素，包括網路拓撲、數據包大小和性能要求，例如吞吐量和延遲。儘管可以用ZigBee部署一個極大的商業網路，例如位於拉斯維加斯的Aria Hotel的商業系統，它擁有超過80,000台聯網ZigBee設備和多個子網，但實際應用中每個子網的ZigBee設備都限制在100多台。Thread 1.1協議針對每個網路大約250個節點的性能進行了優化，但是由於Thread基於IP，因此邊界路由器能夠使網路輕鬆得到擴展和分布。

藉助於網狀Bluetooth中的受控泛洪式模型，設備能夠向許多設備進行廣播而無需管理路由表，這樣就變得非常簡單，有利於網狀節點可移動或頻繁變化的動態用例。但是，對於大型網路，受控型中繼需要在安裝期間進行網路規劃，因為並非每個節點都能配置為中繼設備，那樣會導致網路性能下降。ZigBee和Thread等技術具有路由和自動路由表管理功能，從而可實現更高效的網路通信並自動形成網路和節點角色。

協議的全面能力還取決於相應的應用層。雖然Thread協議不包括應用層，但可以使用任何基於IP的應用層，例如dotdot或OCF。網狀Bluetooth包括一個被稱為網狀網路模型的本地應用層，它是一種全新的應用層，對不同設備類型的支持更有限(相比ZigBee或Thread的支持)。網狀Bluetooth能夠很好地支持照明模型，還能支持通用控制，例如開/關、感測器、滑動條、電源和電池狀態，但缺少許多家居配件的專用模型，例如門鎖、HVAC 或包含為互操作性定義的特定功能的窗戶。

除了支持多種網狀網路協議外，ZigBee等網狀網路協議還能與Bluetooth低功耗相結合，從而使用針對ZigBee設備的智能手機通過Bluetooth調試來簡化設備設置，或提供支持Apple Homekit所需的Bluetooth連接性。

網狀Bluetooth與Bluetooth低功耗相結合，提供了將信標融入網狀系統的獨特方式；Bluetooth SIG目前正在構建專用的信標管理模型。

當然可以擴展和構建自定義實現以支持特定的設備類型，但是在選擇協議和應用層之前，必須意識到這樣做所需的工作量和未來對設備互操作性的影響，這一點至關重要。

總結

每個網狀網路協議都具有技術優勢，但需要考慮它們在市場上的成熟度和已建立的部署。一種協議可能無法滿足所有產品或市場的需求。

對於無線協議還必須考慮許多因素，尤其是已部署的系統，它們需要通過終端設備或支持多種協議的網關所實現的互操作性策略。一般來說，連接性要求應始終考慮整個生態系統，從終端設備到任何網關或集線器，再到應用層和服務提供商。

目前的大量選擇能夠解決當前市場需求，同時也有助於規劃未來。如果在設計過程中使用多協議軟體和硬體，可以設計支持多種無線連接性和協議的單一產品，使最終用戶能夠根據實時業務需求在現場自由調整和更新設備連接和用例。

本文來自《電子工程專輯》2018年6月刊，版權所有，謝絕轉載

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