在本章中，我们将深入了解物联网(IoT)如何为智能家居供电，以及网状网络/每个房间一个pod通信如何实现物联网的连接。我们还将了解一些物联网挑战，以及新技术进步如何帮助应对这些挑战。
今天智能家居调查
在过去的几年里，随着制造商开发出越来越多可以连接到家庭网络的设备，智能家居的概念应运而生。智能家庭网络使房主能够有效地利用资源，通过使用语音命令控制设备和家用电器，并根据设备提供的数据做出决策。智能家居潜力巨大：可用于提高能效、舒适度、安全性、娱乐性和便利性。
今天大部分时间美国的智能家庭配备了各种物联网设备、集线器和传感器，可以通过家庭网络/网关进行通信，并最终与云进行通信。主人可以在家里的任何地方控制它，甚至可以通过互联网远程控制。
智能家居系统可以包括与家庭应用相关的多种无线连接标准。此外，这些家庭网络可以由在主网关下运行的几个互连网络组成。
现在很多智能家居都是由一些特殊的节点组成的。节点是一种硬件，在网络上有自己唯一的地址；节点可以是设备或集线器：
设备：设备(例如：恒温器或灯泡)通常只有一个网络连接点。该设备可能需要也可能不需要保持实时跟踪，这取决于其功能。
集线器：集线器是一个管理网络流量的盒子；它可能有许多连接点，因为它可以连接到多个设备。集线器必须保持实时跟踪，以便高效和有效地调度事件。
单个集线器网络由一个集线器节点和一个或多个设备节点组成。集线器管理网络中设备之间的事件和信息交换。多集线器网络包括多个集线器，如图3-1所示。图3-1中的网络布局包含两个集线器，每个集线器使用不同的网络协议(蓝牙和ZigBee)。每台设备都连接到其中一个集线器。然后，集线器连接到网关，网关可以与两个集线器通信。
网状网络/每个房间一个Pod
为了构建连接更紧密、通信更可靠的智能家居，消费产品开始采用一种新的拓扑结构，称为网状网络，有时也称为每个房间一个豆荚。网状网络可以轻松扩展无线设备的范围，并在办公室、家庭甚至户外等区域提供持续的高数据速率。此外，具有每个房间一个豆荚支持多种协议，可以降低家庭使用多个网格系统的成本。
网状网络是Wi-Fi演进的重要发展，尤其是在智能家居领域。Wi-Fi网格系统包括连接到主要互联网连接的路由器，以及放置在房屋周围的许多类似卫星路由器的设备(或节点)，以提供全面的Wi-Fi家庭物联网覆盖(见图3-2)。这种先进的网状网络可以提供完全冗余，并充分提高网络性能。
节点越多，连接点移动得越远，如图3-3所示。网状网络可以有效地将信号范围扩展到整个房子，从而提高可靠性，实现与所有设备的实时通信。Wi-Fi部署技术的进步支持频谱分离，并确保信息通过专用回程数据路径往返于云端。它们还可以为设备提供专用数据流。此外，一些设备可以存储数据。这些存储的数据可以节省用户成本，进一步提高网络可靠性，支持更智能的数据驱动应用。
网状网络也可以自己配置。因此，它可以自动将新节点集成到现有网络中，而无需网络管理员调整。这使得网络更具适应性和可扩展性。网状网还能自动寻找最快最可靠的信号传输数据，实现自我修复，即使在节点拥塞或信号丢失的情况下。
如今，许多网状网络使用所谓的三频带Wi-Fi网关和端节点。三频Wi-Fi通过在网关和终端节点使用2.4 GHz、5.2 GHz和5.6 GHz频段，可以提高数据容量和覆盖范围。在三频系统中，第二个5.6 GHz频段作为网络上两个路由器之间的专用通信线路，从而使整个系统的速度比旧的双频配置系统快180%。
所以Wi-Fi三频的优势很明显。首先，它可以通过使用更快的5 GHz频段和Wi-Fi 6E(5 GHz和6 GHz频段)将更多的无线设备连接到互联网。如果你的网络是一个网格系统，配备了分散在整个空间的多个路由器，那么可以使用较高的频段作为两个路由器之间的专用通信线路，以提高整个系统的速度。
三频带系统的第三无线电也可以用于网状网路由器之间的回程通信。这样，它就为路由器之间的数据流创建了一条专用线路。虽然双频系统使用相同的Wi-Fi带宽连接其他路由器和接入点，但在三频系统中，终端设备可以立即用于设备连接。这可以将效率提高50%，尤其是在添加更多网络设备时。
另外，由于无线电的传播速度更快，DSL/cable modem的连接速度会远不止于此。相反，它们可以被传输到整个网络。这对现在和未来智能家居中的智能电视和摄像头的Wi-Fi文章流非常有利。
为了确保您现有的家庭网络系统能够满足未来的发展需求，您需要使用三频段系统。千兆服务将很快呈现在世人面前，实施三频段系统是确保未来容量和速度的最佳解决方案。
网状系统的另一个重要发展是使用过滤技术来进一步提高容量和扩大每个房间一个Pod拓扑的范围。在三频带网格系统中，BandBoost滤波器可以通过增强频带隔离来最大化网络容量和覆盖范围。使用edgeBoost滤波器可以通过最大化频带边缘附近Wi-Fi信道的输出功率来增加容量和扩展范围。在下一节中，我们将详细阐述这些主题以及如何解决网状网络中的共存挑战。
如第1章所述，领先的制造商正在开发一种名为Matter的新标准，以提高设备的互操作性并降低网状网络的复杂性。在向Matter过渡期间，将需要多标准无线电。这些无线电将使网络能够满足未来向Matter迁移的需求，并提供向后兼容性以连接使用传统标准的节点。虽然Matter仍在最终确定中，预计将在2021年的某个时候推出，但标准机构和领先制造商之间的合作已经开始推动其在行业中的普及。
挑战
接下来，让讨论物联网智能家庭网络和设备制造商面临的一些挑战。
互用性
互操作性是系统、应用程序和服务可靠地、可预测地协同工作的能力。这有助于保证技术的易用性，进而快速普及。每个用户都希望他们的电子无线和有线设备能够轻松连接和协作，即即插即用。智能家庭网络也不例外，它将由许多不同制造商开发的各种设备组成。
互操作性和认证计划有助于确保使用多个关键物联网标准的设备之间的互操作性。Wi-Fi之所以如此成功，是因为Wi-Fi联盟实施的Wi-Fi互操作性计划，该计划拥有世界上最值得信赖的认证系统之一。目前已有数千台认证Wi-Fi设备可以实现无缝连接。
今天，Zigbee 3.0可以提供相同级别的互操作性，这要感谢合作伙伴和认证计划。因为他们之间的合作，使用ZigBee和Thread的产品之间的通信也得到了认证。蓝牙还有一个覆盖整个协议栈和应用配置文件的认证计划，帮助蓝牙和低功耗蓝牙(BLE)实现卓越的通信体验。
这些联盟和认证对于集成各种标准的分布式智能家居物联网设备环境至关重要。使用这些协议的设备制造商必须遵守这些认证和联盟标准，这样他们的产品才能在进入市场之前获得批准。只有这样，用户才能体验到预期的即插即用互操作性。
射频干扰
随着无线技术的更新，智能家居网络中射频(RF)的复杂度也在增加。许多家用射频通信设备采用重叠或紧密相关的标准。有时，由于两个频段之间的距离太近，一个通信频段会干扰另一个通信频段发送和接收的信号。
物联网和5G技术进一步增加了复杂性，从而加剧了智能家居设备设计工程师面临的挑战。如今，智能家居物联网设备必须支持许多射频路径，有时需要更大的带宽，并保持低功耗。同时，所有标准和它们发送或接收的数据之间没有干扰。随着越来越多的标准在网络上运行，减少干扰势在必行。
使用射频滤波器减少干扰
好在射频滤波技术的进步，大大降低了不同协议标准之间相互干扰的可能性。射频滤波器不断发展，以支持物联网、5G和工业4.0的扩展需求。诸如体声波(BAW)之类的复杂多滤波器模块越来越多地用于解决RF系统中的共存、容量和范围问题。
此外，通过促进集成模块的发展，具有更小外形的滤波器有助于物联网产品制造商将日益复杂的射频前端(RFFE)架构集成到微型设备中。与此同时，今天的滤波器技术有助于缓解与更高频率和更小外形相关的散热问题。
不同的过滤器满足不同的要求。
为了满足不同的过滤要求，需要使用不同的过滤器。一些滤波器可以优化与其他设备的共存特性；其他有助于改进系统、容量、范围和性能。
例如，针对需要同时处理信号的应用，可以在RF路径中使用共存滤波器(如Qorvo coexBoost滤波器)。这些共存滤波器都具有陡峭的带宽边缘。它们对于保持信号质量和确保信号能够与使用相邻频率的其他信号共存至关重要。
发射机和接收机路径必须保持这种共存。例如，必须保持频段40的蜂窝信号和2.4 GHz的Wi-Fi信号共存。频段40的频率范围是2300到400 MHz，而2.4 GHz Wi-Fi频段的频率范围是2412到484 MHz。
这意味着从2.4 GHz的Wi-Fi频段来看，频段40的高端只有12 MHz。因此，频带40和Wi-Fi频带都需要陡峭的滤波器边缘。这些共存滤波器可以通过抑制相邻频带的信号来保护每个频带免受干扰。
其他过滤器旨在帮助实现最大容量和范围性能。例如Qorvo edgeBoost和bandBoost滤波器。这些滤波器允许设计人员提高每个信道频带边缘的RFFE输出功率，同时满足联邦通信委员会(FCC)的功率谱密度要求。
它们还有助于降低频谱密度，从而提高输出功率性能。通过使用可能不可用的频谱，这些滤波器使运营商和制造商能够提供高速数据和更大的带宽。如图3-4所示，使用带边滤波器可以将功率密度提高几dB。
举个真实的例子，假设你房间里有很多人在用Wi-Fi和手机。2.4 GHz Wi-Fi频谱分为11个频道，从低频带的频道1到高频带的频道11。例如，假设您正在使用5频道的Wi-Fi观看足球文章，没有缓冲或中断。但就在这时，一个新的手机用户来了，开始占用你5频道的Wi-Fi容量。网关调整后，你会被转到通道1，释放通道5的容量。
如果Wi-Fi单元没有配备带边滤波器，其强度和流式传输速度将会降低，从而产生缓冲，打断您观看的文章，并导致您错过游戏的关键时刻。这是因为网关设备必须降低信道1的功率以符合FCC规定，从而不干扰相邻的蜂窝频带。但是，如果网关单元配备了带边滤波器，则不需要降低通道1和11的功率，这样您就可以继续在通道1上观看比赛，而不会出现缓冲和相关中断。
保持无缝、节能、可靠的连接。
一些制造商对他们的产品使用不同的标准。这些产品可以与更多其他设备通信，从而进一步增强物联网网络中产品的互操作性。通过动态多协议支持，节点可以使用不同的标准与多个设备通信。
例如，智能家庭网络可以包括ZigBee设备和BLE设备。在同时支持Zigbee/Matter和BLE设备的动态多协议mesh节点中，设备的通信部分可以自动在这些标准之间来回切换，一次支持一种标准的通信。
面向智能家居设备的Qorvo物联网通信产品通过支持ConcurrentConnect技术增加了另一项功能，即可以持续接收和转换通信，如图3-6所示。这项创新以更快、更可靠的方式实现了协议交换，减少了数据包丢失，同时仍然保持了动态多协议支持。
左边，物联网通信产品集成了动态多协议支持。这种多协议支持允许使用不同标准的多个物联网设备之间进行通信。这允许您在需要时从一种协议切换到另一种协议。然而，Qorvo在其物联网射频设备中采用了ConcurrentConnect技术，这进一步增加了复杂性。ConcurrentConnect技术使物联网设备能够同时持续接收和发送来自所有网络设备的设备通信，从而实现更加可靠和无缝的通信。这样，协议之间的通信可以无缝切换，从而减少重复ping操作的需要和掉线的可能性。
请想象一下实际的网络情况。如果不采用ConcurrentConnect技术，Zigbee/Matter和蓝牙低功耗(BLE)设备需要在标准之间来回切换，一次支持一种标准的通信。但是，协议之间的切换会造成延迟，导致通信掉线。
然而，采用ConcurrentConnect技术的设备允许从BLE到Zigbee/Matter的瞬时切换，几乎没有通信掉线。这是因为ConcurrentConnect技术可以消除协议切换的延迟。因此，通信将更快、更高效、更具可扩展性，并且可以在更短的时间内接收更多的数据包。
创建简单易用、自我管理的物联网网络
大多数物联网网络用户希望实现即插即用，只需很少或最少的设置或交互。我们都希望网络在通电后仍能工作。这样，产品制造商就需要解决产品简单性和可用性的问题。解决这个挑战并不容易，因为每个用户网就不一样了。为了帮助实现这一目标，家庭联网网络应该具有自我管理和自我修复的功能，从而在不参与网络管理的技术细节的情况下保证消费产品的连续运行。物联网网络应该能够运行和监控，并在网络完全关闭之前通知用户可能出现的问题。在适应网络故障和环境变化的同时，每个节点和网关必须具有互操作性和协调性。智能家庭网络中的子系统可以监控信号强度、电池寿命等。并时刻适应和告知用户，从而达到性能优化。
网状网络可以为物联网应用提供切实的优势，因为它始终可用且可访问。Mesh网络采用自愈算法，即使某些节点意外失去连接，也能自动选择最佳路径发送数据。该算法可以确保流量只能通过具有正常功能的可用连接进行路由。这样，即使有些节点不工作，网状网络可以继续运行。网状网络还允许设备直接相互通信，而无需通过网关路由所有通信。
网络安全和隐私
在物联网的部署中，实施足够的安全和隐私措施是一个巨大的挑战。现在的物联网网络通常比较分散，使用各种协议和技术，网络安全和隐私很难控制。
这也有力地证明了标准化对于帮助提高安全性和隐私性是必要的。它还可以提高可用性和可扩展性，使用户能够轻松地向网络添加设备。标准化可以帮助用户以安全的方式设计自己优化的物联网网络。
如前所述，使用网状网络可以将控制权和安全性掌握在所有者手中。通常，这些网格系统是由应用程序设置、控制和监视的。该应用程序有助于网络设置，并可以确保密码设置的安全性。此外，该应用程序还有助于管理网络问题、检查数据速率、设置家长控制功能等。有些系统可以帮助主人随时查看连接到系统网络的对象。
为了确保这些设备的安全，你必须不断更新你的电脑和智能手机。网状网络也不例外。然而，网状网络通常是自我更新的，因此所有者不会不必担心执行麻烦的操作更新。
一些网状网络还需要支付订阅费来获得增强的安全功能，例如防范黑客攻击、网站威胁和安全扫描。这些订阅还包括安全功能，以防止恶意软件，病毒，黑客，甚至网络罪犯。
如果你的智能家居配备了联网的安全摄像头、恒温器和其他物联网智能设备，那么电网系统将会有很大的帮助。网格功能可以帮助您保护整个网络(包括这些设备)免受网络攻击。
功率消耗
全球化石燃料的消耗正在加速。降低功耗和提供更环保产品的压力越来越大。如今，物联网设备的制造商和供应商也感受到了同样的压力。随着世界领导人推动越来越多的绿色倡议，这一趋势只会加剧。
一些物联网产品只使用纽扣电池(有些可以持续长达10年)，但这些电池的生产需要消耗化石燃料。此外，许多物联网设备不使用纽扣电池；相反，他们使用电网电力。因此，为了控制功耗需求，一些物联网设备有时会添加软件和硬件，以确保不通信时处于睡眠模式。
在制造环境中，物联网技术设备不仅可以进一步提高效率和自动化程度，还可以采用低功耗设计。物联网设备制造商已经开始生产低功耗产品。与此同时，我们开始生产更高效、更小巧、更轻薄的产品。通过尝试生产运行过程中能耗更低的设备，消费者、企业和制造商可以实现双赢。确保物联网在可再生能源领域的前沿地位，可以让很多公司受益。物联网传感器可用于发电、输电和配电设备，实现远程资产监控和管理。此外，在整个制造环境中安装物联网有助于降低与照明、加热、冷却和安全相关的成本。
智能家庭网络可以包括许多每周7天、每天7x24小时运行的通信设备。这些设备即使不主动通信也会消耗能量，因此效率和功耗始终是设计考虑因素。无论使用什么协议，物联网设备都必须经过优化才能实现节能运行。
以下是不同标准功耗的简要概述：
Wi-Fi和Matter(ZigBee，Thread)的信号范围差不多，但是因为Wi-Fi支持更高的数据传输速率，所以耗电更多。
Matter(ZigBee，Thread)和BLE功耗相同，都是为了节省电池电量而开发的。
Matter(ZigBee，Thread)的功耗差不多是Wi-Fi的1-3%，视应用而定。
随着全球环保倡议的实施，降低物联网网络的功耗势在必行。用户和制造商的目标是在不降低性能和整体物联网连接的情况下降低功耗。当需要更换电池时，设备会自动通知用户，以确保连续运行。
始终保持在线联系的重要性
在过去的几年中，家庭和工作场所的物联网(IoT)网络有了显著的发展。与此同时，我们对这些网络的依赖也在增加。越来越多的人在家工作。使用家庭网络进行文章聊天、玩游戏、看电视、监控健康和确保房屋安全。为了确保对这些使用情形的7x24支持，我们确实需要一个低延迟且始终在线的可靠连接。
幸运的是，所有领域的无线产品提供商都在推出新产品，包括向5G网络的过渡。我们赢了不必担心是否会有连接或快速数据连接。相反，随着智能家居、智慧城市、工业4.0、V2X等我们生活的方方面面越来越依赖物联网网络，我们的关注点将转向隐私、安全等更高层次的网络属性。这些新问题促使所有制造商和无线服务提供商将安全性作为网络和设备设计的首要考虑因素。
新的数字时代让企业和消费者保持联系。高度连接的物联网用户将大部分时间用于在线、工作、上学、玩游戏、玩社交媒体等。不仅我们平均每天上网时间超过8小时，我们的物联网设备也是如此。这些物联网与我们的传感器和摄像头7x24小时在线互动，这些传感器、摄像头和监视器将我们带入一种永远在线的状态，尤其是在物联网时代。
数字世界是一个动态的环境，它可以为我们提供许多不同的沟通渠道。最重要的渠道是互联网和物联网。现在的网上交流快捷、简单、实时。它确保我们可以随时访问信息和数据。
在企业环境下，7x24小时在线连接，让管理者、员工、利益相关者和供应链随时获取和查看实时更新的信息。当你不在办公室的时候，你可以及时了解最新的信息。行业特定的产品会率先使用物联网，但在工业4.0的帮助下，在制造效率和成本管理的驱动下，消费者也成为了物联网的重要组成部分。
消费者将购买数十亿台设备，安装在家中，并进行持续监控、自动更新和手动更新，这一切都是为了方便、安全、健康和降低成本。消费者物联网有望改善我们的环境、家庭和车辆的智能，并促进测量和通信。这样的物联网总是在线的，等待我们与之交流，比如亚马逊Alexa或Echo，或者总是监控正在发生的事情，以帮助我们对我们的家庭环境和相关活动做出更明智的决定。
通过连接到机器零件或环境传感器或我们客厅中的智能扬声器的传感器，物联网可以每周7天、每天7x24小时产生大量数据。这意味着物联网是大量数据分析的重要驱动力，以支持公司分析，提高智能事物的智能水平。
这些数据以许多不同的形式出现，包括语音请求、传感器读数、文章等。物联网的数据越来越多，将这些元数据输入数据库可以实现非结构化内容的结构化，或者输入认知系统可以给我们的环境带来新的决策、理解和智能水平。
我们身边的这种物联网决策、理解和智能水平，多少能让人大开眼界。比如，很多人对家庭网络中有这么多物联网设备感到惊讶。如果你的新家有新的家用电器和一两个亚马逊Alexa，那么你的网络中很快就会有15或20个互联设备。
简单调查一下手机上的app就能知道家里的物联网水平：前门、客厅、后院都安装了摄像头；另一个应用程序可用于你的新洗衣机和烘干机，也很可能用于冰箱，烤箱和微波炉；家里有一两个亚马逊Alexa。
另外，家里的一些照明设备可能还有一个应用，就是3-10个灯泡。你可能已经明白了。把它们加起来，周围可能有10-20个物联网设备，可能有两三个智能手表或Fitbit连接到几个手机和平板电脑上。
他们始终在线，并与您的网络和彼此通信。物联网设备始终开启，感知和监控，为我们并与我们一起做出决策。像这样简单的调查可能令人难以置信，但也令人着迷。说明物联网无处不在。
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标签：设备物联网网络