本篇將深入討論物聯(lián)網(wǎng)智能家居網(wǎng)絡和設備制造商面臨的挑戰(zhàn)。

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? ? 互操作性 ? ?

互操作性就是系統(tǒng)、應用和服務以可預測的方式可靠協(xié)同工作的能力。這有助于確保技術的易用性，進而快速推廣普及。每個用戶都希望其電子無線和有線設備能夠輕松連接和協(xié)作，也就是即插即用。智能家居網(wǎng)絡也沒有什么不同，它將由許多不同制造商開發(fā)的各種設備組成。

互操作性和認證計劃有助于確保使用多個關鍵物聯(lián)網(wǎng)標準的設備之間的互操作性。Wi-Fi之所以如此成功，是因為Wi-Fi聯(lián)盟實施的 Wi-Fi互操作性計劃，該聯(lián)盟擁有世界上最值得信賴的認證制度之一。目前已有成千上萬個經(jīng)過認證的Wi-Fi設備可以實現(xiàn)無縫連接。

如今，Zigbee 3.0也可提供同樣級別的互操作性，而這也得益于合作伙伴關系和認證計劃。由于兩者之間的合作關系，使用Zigbee和Thread的產(chǎn)品間通信也經(jīng)過了認證。藍牙也具有涵蓋整個協(xié)議堆棧和應用配置文件的認證計劃，從而有助于藍牙和低功耗藍牙(BLE)實現(xiàn)出色的通信體驗。

這些聯(lián)盟和認證對于在具有各種標準的分散型智能家居物聯(lián)網(wǎng)設備環(huán)境中實現(xiàn)整合至關重要。使用這些協(xié)議的設備制造商必須遵守這些認證和聯(lián)盟標準，使其產(chǎn)品在進入市場之前獲得批準。這樣方可確保用戶體驗到期望的即插即用互操作性。

? ? 射頻干擾 ? ?

由于無線技術的更新?lián)Q代，智能家居網(wǎng)絡的射頻(RF)復雜性也不斷提高。許多家用射頻通信設備采用頻段重疊或密切相關的標準。有時候，由于兩個頻段之間的距離太近，導致一個通信頻段會干擾另一個通信頻段發(fā)送和接收的信號。

物聯(lián)網(wǎng)和5G技術進一步增加了復雜性，從而加劇了智能家居設備設計工程師面臨的挑戰(zhàn)。如今，智能家居物聯(lián)網(wǎng)設備必須支持許多射頻路徑，有時需要更大的帶寬，并保持低功耗，同時所有標準及其所發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)之間都不存在干擾。由于網(wǎng)絡上運行的標準越來越多，所以減少干擾勢在必行。

利用RF濾波器減少干擾

幸運的是，射頻濾波器技術的進步大大降低了不同協(xié)議標準之間相互干擾的可能性。射頻濾波器不斷演變，以支持物聯(lián)網(wǎng)、5G和工業(yè) 4.0的擴展需求。體聲波(BAW)等復雜的多濾波器模塊開始越來越多地用于解決射頻系統(tǒng)中的共存、容量和范圍問題。

此外，通過促進集成模塊的開發(fā)，外形更加小巧的濾波器有助于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品制造商將日益復雜的RF前端(RFFE)架構整合到微型設備中。與此同時，當今的濾波器技術有助于緩解與更高頻率和更小外形尺寸相關的散熱問題。

不同濾波器滿足不同需求

為滿足不同的濾波需求，需要使用不同的濾波器。一些濾波器可優(yōu)化與其他設備的共存特性;其他一些則有助于改進系統(tǒng)、容量、范圍和性能。

例如：共存濾波器(如Qorvo coexBoost濾波器)可用于射頻路徑，針對需要同時操作信號的應用。這些共存濾波器都具有陡峭的帶緣裙邊(bandedge skirt)。它們對于保持信號質(zhì)量和確保信號能夠與使用相鄰頻率的其他信號共存至關重要。射頻發(fā)射器和接收器路徑必須保持這種共存性。例如，需要在頻段40蜂窩信號和2.4 GHz Wi-Fi頻段之間保持共存性。頻段40的工作頻率范圍為2,300至2,400MHz，而2.4GHz Wi-Fi頻段的工作頻率范圍為2,412至2,484MHz。這意味著，從2.4GHz Wi-Fi頻段來看，頻段40的高端僅為12MHz。所以，頻段40和Wi-Fi頻段都需要陡峭的濾波器裙邊。這些共存濾波器可通過拒絕相鄰頻帶的信號來保護每個頻帶不受干擾。

其他濾波器旨在幫助實現(xiàn)最大容量和范圍性能。例如Qorvo edgeBoost和bandBoost濾波器。這些濾波器允許設計師提高每個信道頻段邊緣的RFFE 輸出功率，同時滿足聯(lián)邦通信委員會(FCC)的功率譜密度要求。它們還有助于降低頻譜密度，以幫助提高輸出功率性能，如圖3-4所示。通過使用可能無法使用的頻譜，這些濾波器使得運營商和制造商能夠提供高速數(shù)據(jù)和更大帶寬。如圖3-4中所示，使用頻帶邊緣濾波器可將功率密度提高幾個dB。

舉個真實的示例，假設您所在的房間內(nèi)有多人使用Wi-Fi和手機，如圖3-5所示。2.4GHz Wi-Fi頻譜被分為11個信道，從低頻段的信道1到高頻段的信道11。例如，假設您正在使用信道5的Wi-Fi觀看足球比賽直播，沒有緩沖也沒有中斷。可這時，來了一個新的手機用戶，開始占用您信道5的Wi-Fi容量。網(wǎng)關設備經(jīng)過調(diào)整之后，將您轉移至信道1，以便釋放信道5的容量。

圖3-4:采用BAW濾波器(Qorvo edgeBoost 濾波器)前后的

FCC限制頻帶邊緣。

圖 3-5:可以盡可能擴大覆蓋范圍和

提高吞吐量的濾波器(Qorvo edgeBoost 濾波器)

如果Wi-Fi單元未配備帶緣濾波器，那么其強度和流傳輸速度就會降低，從而發(fā)生緩沖，中斷您觀看的視頻，并導致您錯過比賽的關鍵時刻。這是因為網(wǎng)關設備為了遵守FCC的規(guī)定，必須降低信道1的功率，以免干擾相鄰的蜂窩頻段。然而，如果網(wǎng)關單元配備了帶緣濾波器，就不需要降低信道1和11的功率，這樣您就可以在信道1上繼續(xù)觀看比賽，且不會出現(xiàn)緩沖和相關中斷。

? ? 保持無縫、節(jié)能、可靠的連接 ? ?

一些制造商生產(chǎn)的產(chǎn)品使用多種標準。這些產(chǎn)品可以與更多的其他設備通信，從而進一步增強了產(chǎn)品在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡中的互操作性。通過動態(tài)多協(xié)議支持，一個節(jié)點可以與使用不同標準的多個設備通信。

例如：智能家居網(wǎng)絡可能包括Zigbee設備和BLE設備。在同時支持Zigbee/Matter和BLE設備的動態(tài)多協(xié)議網(wǎng)狀節(jié)點中，設備的通信部分可自動在這些標準之間來回切換，每次支持以一個標準通信。

用于智能家居設備的Qorvo物聯(lián)網(wǎng)通信產(chǎn)品通過支持 ConcurrentConnect技術增加了另一項功能，即可以持續(xù)接收和轉換通信，如圖3-6所示。該創(chuàng)新以一種更快速、更可靠的方式實現(xiàn)協(xié)議切換，以減少數(shù)據(jù)包丟失，同時仍保持動態(tài)多協(xié)議支持。

圖 3-6:動態(tài)多協(xié)議支持和ConcurrentConnect集成電路

如圖3-6所示，左側顯示物聯(lián)網(wǎng)通信產(chǎn)品整合了動態(tài)多協(xié)議支持。這種多協(xié)議支持允許使用不同標準的多個物聯(lián)網(wǎng)設備之間進行通信。這樣就可以在需要時，從一個協(xié)議切換到另一個協(xié)議。但 Qorvo 在其物聯(lián)網(wǎng)射頻設備中采用 ConcurrentConnect 技術，進一步增加了復雜性。ConcurrentConnect技術使物聯(lián)網(wǎng)設備具有同時從所有網(wǎng)絡設備連續(xù)接收和發(fā)送設備通信的能力，從而實現(xiàn)更可靠、更無縫的通信。這樣，協(xié)議之間的通信可實現(xiàn)無縫切換，從而減少了重復進行ping操作的需求以及通信掉線的可能性。

請試想一下實際的網(wǎng)絡情況。如果未采用ConcurrentConnect技術，Zigbee/Matter和藍牙低功耗(BLE)設備就需要在標準之間來回切換，每次支持以一個標準通信。但協(xié)議之間的切換會造成延遲，從而導致通信掉線。而采用ConcurrentConnect技術的設備則允許從BLE到Zigbee/Matter的瞬時切換，幾乎不會出現(xiàn)通信掉線的情況。這是因為ConcurrentConnect技術可消除協(xié)議切換的延遲。因此，通信將更快速、更有效、更具可擴展性，并且能夠在更短的時間內(nèi)接收更多數(shù)據(jù)包。

? ? 創(chuàng)建自主管理物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡 ? ?

大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡用戶都希望實現(xiàn)即插即用，只需很少或最少的設置或交互。我們都希望該網(wǎng)絡在通電后工作。這樣產(chǎn)品制造商就需要解決產(chǎn)品的簡單易用性問題。解決這項挑戰(zhàn)并不是件易事，因為每個用戶的網(wǎng)絡都是不同的。

為幫助實現(xiàn)這一目標，家庭的網(wǎng)狀物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡應具有自我管理和自我修復功能，這樣就可以確保消費類產(chǎn)品持續(xù)運行，而無需參與網(wǎng)絡管理的技術細節(jié)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡應該能夠進行操作和監(jiān)控，并在網(wǎng)絡完全關閉之前通知用戶可能出現(xiàn)的問題。在適應網(wǎng)絡故障和環(huán)境變化的同時，各個節(jié)點和網(wǎng)關還必須具有互操作性和協(xié)同性。智能家居網(wǎng)絡中的子系統(tǒng)可監(jiān)控信號強度、電池使用壽命等，始終適應并通知用戶，從而實現(xiàn)性能優(yōu)化。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡可為物聯(lián)網(wǎng)應用提供切實優(yōu)勢，因為它始終可用且可訪問。網(wǎng)狀網(wǎng)絡采用一種自修復算法，即使某些節(jié)點意外失去連接，該算法也能自動選擇最佳路徑來發(fā)送數(shù)據(jù)。這種算法可確保流量只能通過功能正常的可用連接進行路由。這樣，即使某些節(jié)點不工作，網(wǎng)狀網(wǎng)絡也能繼續(xù)運行。網(wǎng)狀網(wǎng)絡還允許設備彼此直接通信，無需通過網(wǎng)關路由所有通信。

? ? 網(wǎng)絡安全和隱私 ? ?

在物聯(lián)網(wǎng)部署中，實施足夠的安全和隱私措施是一項巨大挑戰(zhàn)。當今的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡通常是分散的，且使用各種協(xié)議和技術，這樣就難以控制網(wǎng)絡安全和隱私。

這也強有力地證明必須實現(xiàn)標準化，以幫助提高安全和隱私。它還可以提高易用性和可擴展性，使用戶能夠輕松地將設備添加至網(wǎng)絡。標準化可幫助用戶以安全的方式進行自己的優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡設計。

如前所述，使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡可以將控制權和安全保障掌控在所有者手中。通常，這些網(wǎng)格系統(tǒng)使用應用進行設置、控制和監(jiān)控。應用有助于網(wǎng)絡設置，并可確保設置密碼的安全性。此外，應用還有助于管理網(wǎng)絡問題、檢查數(shù)據(jù)速率、設置家長控制功能等。一些系統(tǒng)可幫助所有者隨時查看連接到系統(tǒng)網(wǎng)絡的對象。

為確保這些設備的安全，必須持續(xù)更新您的電腦和智能手機。網(wǎng)狀網(wǎng)絡亦不例外。然而，網(wǎng)狀網(wǎng)絡通常都是自行更新，這樣所有者就無需擔心執(zhí)行令人煩心的可操作更新。

一些網(wǎng)狀網(wǎng)絡還需要支付訂閱費來獲得增強的安全功能，比如防范黑客攻擊、網(wǎng)站威脅和安全掃描。這些訂閱還包括防范惡意軟件、病毒、黑客甚至網(wǎng)絡罪犯攻擊的安全功能。

如果您的智能家居帶有聯(lián)網(wǎng)的安保攝像頭、恒溫器以及其他物聯(lián)網(wǎng)智能設備，那么網(wǎng)格系統(tǒng)將會大有幫助。網(wǎng)格系統(tǒng)功能可幫助您保護整個網(wǎng)絡(包括這些設備)免受網(wǎng)絡攻擊。

? ? 功耗 ? ?

全球的化石燃料正在加速消耗。降低功耗和提供更環(huán)保產(chǎn)品的壓力越來越大。如今，物聯(lián)網(wǎng)設備的制造商和供應商也感受到了同樣的壓力。隨著世界各國領導人推進越來越多的綠色倡議，這一趨勢只會加劇。其中一些物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品只使用紐扣電池(一些可持續(xù)使用長達10年)，但生產(chǎn)這些電池要消耗化石燃料。此外，許多物聯(lián)網(wǎng)設備并不使用紐扣電池；相反，它們使用電網(wǎng)電力。因此，為了控制功耗需求，某些物聯(lián)網(wǎng)設備有時會添加軟件和硬件，以確保在不通信時處于睡眠模式。

在制造環(huán)境中，物聯(lián)網(wǎng)技術設備不僅能進一步提高效率和自動化程度，還必須采用低功耗設計。物聯(lián)網(wǎng)設備制造商已經(jīng)著手生產(chǎn)低功耗產(chǎn)品。同時還開始生產(chǎn)更高效、更小巧、更纖薄的產(chǎn)品。通過嘗試生產(chǎn)運行時能耗更低的裝置，消費者、企業(yè)和制造商可以實現(xiàn)共贏。確保物聯(lián)網(wǎng)在可再生能源領域的前沿地位，可使許多公司獲益。在發(fā)電、傳輸和配電設備上使用物聯(lián)網(wǎng)傳感器可實現(xiàn)遠程資產(chǎn)監(jiān)控和管理。此外，在整個制造環(huán)境中安裝物聯(lián)網(wǎng)有助于降低照明、供暖、冷卻和安全相關成本。

智能家居網(wǎng)絡可能包括許多7x24小時全天候運行的通信設備。這些設備即使在不主動通信的情況下也會消耗能源，所以效率和功耗一直都是設計考慮因素。無論使用何種協(xié)議，都必須優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)設備，以實現(xiàn)節(jié)能運行。

下面簡要概述了不同標準的功耗:

Wi-Fi和Matter(Zigbee、Thread)的信號范圍類似，但因為Wi-Fi支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，所以功耗更高。

Matter(Zigbee、Thread)和BLE的功耗相當，都是為了節(jié)省電池電量而開發(fā)。

Matter(Zigbee、Thread)的功耗差不多是Wi-Fi的1-3%，具體取決于應用。

隨著環(huán)保倡議在全球范圍內(nèi)實施，降低物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的功耗勢在必行。用戶和制造商的目標是在不降低性能和整體物聯(lián)網(wǎng)連接的情況下降低功耗。當需要更換電池時，設備會自動通知用戶，以確保持續(xù)運行。