《智能家居产品 从设计到运营》——2.3 智能设备互联的语言：通信协议

本节书摘来异步社区《智能家居产品 从设计到运营》一书中的第2章，第2.3节，作者：邢袖迪，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看

2.3 智能设备互联的语言：通信协议

产品在经过了部分智能化升级之后，设备拥有了一定的感知能力。而实现这些设备之间的互联，则像是让其可以互相通话。本节将首先介绍三种无线互联的语言，也就是通信协议，并对比每种协议的优缺点。此外，还介绍了iBeacon这种新兴技术。

2.3.1 点对点通信

点对点通信协议，即两个设备之间的连接协议，其代表是蓝牙协议。蓝牙，是一种基于2.4GHz频段的、短距离通信技术，能在手机、笔记本电脑、蓝牙耳机等智能设备之间进行无线信息交换。通过蓝牙技术，可以将原本没有连网能力的设备间接地连入互联网。基于其低功耗的特点和智能手机的普及，蓝牙依然是很多智能产品的首选，例如智能秤、运动手环、水杯、音箱等。

在实际应用中，如图2-3所示，蓝牙协议可以实现一种简单的设备连接方案。智能产品通过蓝牙协议与智能手机相连，进而通过互联网与产品云相连。不过，该连接过程需要手机保持蓝牙功能的开启。通过图2-3也可以看出，由于受蓝牙协议的通信距离的限制，用户只能在家中对产品进行查看与控制，所以该方案不支持远程控制。

2.3.2 星状通信网络

在星状结构中，通常以一个设备为中心，向其他设备节点辐射。其中，Wi-Fi作为一种代表性的通信协议，已经被广泛地使用。值得一提的是，Wi-Fi一词是“Wireless Fidelity”的缩写，意思是“无线高保真”。基于其广泛普及度和传输速率，Wi-Fi是很多智能产品的首选，例如安防摄像头、电视、智能插
座等。

在实际应用中，如图2-4所示，Wi-Fi可以实现一定规模的设备连接方案。家中的智能产品通过Wi-Fi与路由器相连，进而通过互联网接入产品云。用户也可以在手机有网络的地方，通过互联网去控制智能产品，包括远程查看和控制。不过，由于路由器的限制，智能产品必须位于路由器的信号范围内，且数量不能过多。此外，由于一些智能产品交互界面的限制，把其接入Wi-Fi网络的设置过程始终有着一定的操作门槛。

2.3.3 网状通信网络

网状结构，顾名思义是指设备之间能组成一个网络，更多的设备可以直接互相通信，具有更强的稳定性和拓展性。所以这种协议可以在智能家居中很好地发挥作用，进而也涌现出了多种协议，如Zigbee、Zwave以及后起之秀Thread等。在网状结构中，通常有一个中心设备——网关，它创建并管理着这个网络。有的设备不仅是一个节点，还可以参与数据的转发。转发路径是唯一的，并且需要一定的算法去确定。而有的设备则只是接收数据的节点，大多数时候处于休眠状态，以实现设备的低功耗。在完成组网后，为了进一步把设备接入互联网，还需要把网关和路由器相连。

在实际应用中，如图2-5所示，网状结构也可以实现一定规模的设备连接方案。家中的智能产品首先通过自组网，直接或间接地与网关连接，而网关又与路由器相连，进而实现了智能产品和产品云的相连。进一步讲，用户也可以通过手机去进行远程控制。此外，值得一提的是，图中的智能产品3通过智能产品2，也接入了智能网络，这也是网状结构的一大优势。

2.3.4 通信协议的对比

在分别介绍了三种通信协议之后，本节将对其做一个对比。这种对比，也是厂商在自我宣传时和用户在选购产品时常要做的。但其实一种协议就像一门语言，有其丰富各异的特点，而没有绝对的优劣之分。

首先，简单地对比一下两种广泛使用的通信协议：星状结构和网状结构。如图2-6所示，星状结构对其中心设备的依赖度较高，该设备必须保持连接状态，且其他设备需要在中心设备的信号范围内。其实，这正是普遍使用的以Wi-Fi为通信协议的智能家居方案，而这里的中心设备就是路由器。当房屋面积过大时，若想使全家设备都实现连接，则需要通过其他途径扩大Wi-Fi的信号范围。

而相比之下，网状结构则具有较强的抗灾性和可扩展性。设备之间可以自组网，所以即使某设备出现故障，其他设备依然可以互相通信。虽然网状结构依然需要一个中心设备与外界相
连，但基于强大的自组网能力，其通信范围可以无限拓展。此外，星状结构中的设备数量容易受通信效果的限制，而网状结构则具有“设备越多、信号越强”的特点。

下面将通过一些客观的数据去对比这三种通信协议，下表整理自Jin-Shyan Lee的一份研究报告[10]。从表中可以看出，每种协议都有在特定情形下的优点：如果只是简单快捷地尝试一下智能产品，蓝牙协议是一种选择；如果产品对带宽要求较高（如安防摄像头），Wi-Fi便是最好的选择；如果智能家居系统中有很多设备，且部分设备需要考虑功耗问题，则Zigbee是一种不错的选择。

综上所述，不同的协议，就像风格迥异的语言，共同丰富着智能设备的互联技术。在设计产品时，需要针对不同的产品需求，去选择相应的通信协议，以充分发挥其技术特性，并达到产品性能的提升。

2.3.5 iBeacon技术

iBeacon技术是由苹果公司提出的一种基于低功耗蓝牙（BLE）的室内定位技术，具有低功耗、低成本的特点。通过这种技术，可以检测到iBeacon基站附近智能设备的出现，然后该设备可以根据收到的iBeacon信息执行一些任务[11]。除了苹果的iOS设备外，也支持部分安卓4.3及以上的机型。

iBeacon的传输距离分为3个范围：几厘米、几米和大于10米。因此，可以根据设备与iBeacon之间距离的变化，判断设备携带者的的行为。但是，其局限性是设备必须保持蓝牙功能开启。幸运的是，像智能手环之类的智能设备，在推广的过程中也在一起教育市场，培养用户保持蓝牙开启的习惯。

自2013年该技术提出以来，在零售业中已经有了很成熟的应用。例如，当你在商场内路过某家店铺时，可能通过该商场的APP收到一条该店铺的打折消息。再如，iBeacon技术已经整合到了微信的“摇一摇—周边”功能里，用户可以在商家附近通过摇取折扣券，以实现更多的消费。

此外，这一室内定位技术，可以在商店之外发挥更多的作用[12]。比如识别到用户在家中走动；比如嵌入到孩子的棒球手套里，可以确定孩子与家的距离，甚至还可以通过宠物佩戴定位产品，确保其不会走丢。

如图2-7所示，iBeacon在自行车安防方面的应用[13]，也能带来一些启发。采用了iBeacon技术的自行车，可以被接入物联网，进而提供一些基于位置的服务。例如，当你走近自行车时，自行车会自动解锁，这省去了繁琐的开
锁操作。例如，当自行车位于其他iBeacon基站时，你可以很容易定位自行车。而当自行车被盗时，也会及时向你的手机推送警报消息。