Thread和IPv6:為未來智慧建築而生

作者 : Lorenzo Amicucci,Nordic Semiconductor

建築自動化安裝專案需要針對受限物聯網裝置進行無線網際網路協定(IP) mesh網路最佳化。這極其適合使用Thread網路,因為它不僅適用所有基礎設施且易於部署,還能夠在全球各種頻率上運行,可簡化裝置的設計和生產...

建築自動化管理解決方案有助於減少建築物的碳排放量、最佳化能源消耗、改進維護計畫,並能更善加利用有效空間,減少浪費和節省運營成本。

智慧建築物聯網(IoT)技術正大受歡迎。根據市場分析機構Emergen Research顯示,到2028年智慧建築感測器市場預計將達到近320億美元。然而,市場機遇興起的同時也帶來了新的挑戰,特別是對於尋求萬能連接解決方​​案的工程師和系統整合商而言。

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無線互通性的需求

例如,在建築物中安裝暖通空調系統需要多個節點和元件的互連,即溫度、濕度和二氧化碳(CO2)感測器、恆溫器、感應開關和可調節通風系統。這些都是收集資料所必需的裝置,以幫助中央系統在任何特定的房間或指定的樓層自動執行特定操作。有些感測器節點使用主電源供電,有些則使用電池。

與此同時,建築物業主還希望這些裝置能快速安裝、價格低廉且經久耐用。所有這些要求都指向了可擴展的隨插即用無線解決方案,它無需佈線,當場地規劃改變時能隨時隨地移動感測器到其他位置。

互通性也是關鍵。一旦安裝了物聯網裝置的無線網路,便可方便管理和加入來自任何供應商的無線協定相容裝置。

Thread滿足所有要求

一些建築自動化安裝專案需要針對受限物聯網裝置進行無線網際網路協定(IP) mesh網路最佳化。這極其適合使用Thread網路,因為它不僅適用所有基礎設施且易於部署,還能夠在全球各種頻率上運行,可簡化裝置的設計和生產。

Thread是2.4GHz IPv6無線mesh網路技術,適合在家庭和建築物中連接產品。Thread網路中的每個電源供電裝置形成mesh拓撲,從而擴展覆蓋範圍增強操作靈活性。Thread同時支援低功耗裝置,確保電池供電的裝置高效、安全地運行。Thread最初針對智慧家庭,Thread 1.2版本的推出加入了新功能,目標直接針對智慧建築,使這些網路的規模進一步擴大。

除了可擴展性之外,Thread還提供出色的互通性,這要歸功於IP支援和設定的配置機制,可將任何符合Thread規範的裝置輕鬆加入網路。

最近,Thread Group發佈了1.3.0版本規範,可為Thread網路帶來「IP 路由和服務發現的全部功能」,並且準備好支援建築自動化協定(KNX IoT、DALI+等規範)的未來標準。

Thread前景光明

Thread擁有強大功能,因而獲得消費者和產業界等各界領導者的支持。最重要的是,Thread已經被連接標準聯盟(CSA)選為可在Matter上運行的核心技術之一。Matter是亞馬遜(Amazon)、蘋果(Apple)、Google和包括Nordic Semiconductor在內的其他公司於2019年發起的一項倡議,目的在於將家庭連網物品達成統一的應用層標準。

因此,Thread將成為未來好幾年受到廣泛採用的技術;而對於要選擇標準協定以在建築自動化領域實現物聯網裝置互連的公司來說,這是關鍵因素。這些企業現在可以專注於核心業務,不用開發成本高昂的客製化無線mesh解決方案。Thread確保每個裝置都以無線方式互連,具有IP位址,並且可以與其他Thread裝置共存、甚至是來自不同供應商的裝置也可以共存。

這些特性推動其他正在增加IP支援的傳統建築自動化協定(例如KNX、DALI規範)選擇Thread作為無線mesh協定,以滿足某些連接需求。

設置和部署Thread網路

在智慧建築中部署暖通空調系統或物聯網裝置時,快速而簡便的安裝極為重要。使用Thread的公司或機構可以決定如何最好地使用Thread以滿足需求。例如,Matter定義了利用智慧型手機的低功耗藍牙功能將新的Matter裝置加入Thread網路。對於家庭用戶來說,優點之一是直接在智慧型手機上接取本地Wi-Fi連線。

對於更多的工業應用來說,Thread的標準規範有助於企業在建築物內建置和快速部署大規模物聯網裝置網路。企業可以利用這些規範來建置獨立的Thread網路,類似於今天使用Wi-Fi的方式。

設置Thread網路,應從Thread邊界路由器開始部署,Thread相當於家中的Wi-Fi路由器,主要作用是將Thread網路連接到其他基於IP的網路(顧名思義,它位於「邊界」)。在某些情況下,暖通空調系統和感測器供應商可能會提供邊界路由器,但最靈活的方法是選擇標準的現成協力廠商解決方案。邊界路由器可以部署在建築物一處,並用乙太網路/Wi-Fi/LTE連接到本地網路或網際網路。如果沒有預先存在的Thread網路可加入,透過配置可以形成新的Thread網路。

有許多配置機制能將裝置加入Thread網路中,一種是使用每個加入網路的物聯網裝置附帶的「裝置預共用密鑰」(PSKd)。安裝人員使用智慧型手機的應用程式(App)掃描裝置上的QR二維碼,或者將密鑰直接加入邊界路由器介面,就可以輕鬆地將新裝置加入網路。通訊將受到加密。隨著新裝置加入網路,無線mesh會根據每台裝置的作用進行調整和擴展覆蓋範圍。

對於更廣泛的部署運作,明智的做法是在建築物的關鍵位置部署一些節點,擴展mesh網路以覆蓋整個規劃場地。這些節點稱為路由器節點(它們會「路由」mesh內的流量),由電源供電。它們既可以是暖通空調使用的物聯網產品(如恆溫器),也可以只是簡單的低成本擴展器,唯一目的是將無線網路擴展到整個建築物。

一旦準備就位,用戶就擁有了覆蓋整個建築物範圍的無線基礎設施,未來就可以在此基礎上添加其他Thread裝置,而不用進行重大的網路部署。如果網路容量或覆蓋範圍不足,則可以選擇添加新的邊界路由器並與現有mesh互連。

使用Thread事半功倍

首先安裝邊界路由器和擴展器,可以大幅簡化部署工作。在網路中添加其他裝置時,安裝人員無需擔心覆蓋範圍。它實際上是隨插即用的。一旦將節點添加到網路後,每台裝置都有一個IP位址,可以通過IP技術進行通訊。

某些節點可以在本地進行通訊,例如溫度感測器向執行器發送指令以打開或關閉閥門。其他裝置可以與雲端通訊,例如透過UDP,正如Golioth或Nordic設計合作夥伴Hoorii所做的示範。Thread網路對應用層沒有限定,只要使用Thread支援的IP傳輸協定,無需理會如何進行通訊以及每個節點將與誰互通。可能有兩個Matter裝置相互通訊,而其他節點直接與不同的雲端通訊。

這與今天在智慧建築和辦公室中建置Wi-Fi網路的使用相差不多,首先鋪設網路以確保網路的覆蓋無所不在,接著是添加不同供應商的裝置,例如PC、平板電腦、印表機、安全IP攝影機等,所有這些裝置都共同存在,每個裝置都透過IP與不同的雲端或伺服器進行通訊。IP技術實現了真正的端到端互通性,這就是其美妙之處。

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