早在2010年,當智慧家庭概念尚處於起步階段時,先驅者宣稱能源效率是推動智慧家庭產品開發和消費者採用的「殺手級應用」。

當時,北美不到0.5%的家庭擁有連網設備。但到了2017年,根據市場分析機構IHS的資料,該地區近7%的家庭已經至少有一個可連網的智慧家庭設備;預測到2025年,全球數字將達到10%。減少電費確實是增長的催化劑,此外,便利性、安全性和娛樂也已經成為同樣重要的驅動因素。

然而,業界還必須克服一些障礙,才能實現智慧家庭解決方案廣受採納的預測,尤其是要消除一些連線性和互通性問題。

當設計連網產品時,智慧家庭設備製造商目前有幾種低功耗無線協定可供選擇,比如低功耗藍牙(BLE)無線技術、ANT、Thread、Z-Wave、ZigBee,以及其他幾種專有的解決方案,它們各有其支持者:但無論是何種協定和應用,要使它們具有真正的「智慧」,都需要網際網路連接。在發展的同時,大多數商用型低功耗無線解決方案均不能直接連接到網際網路,這意味著要使用閘道器(通常是配有處理器和韌體的複雜設備)來提供連接。

20180502TA01P1 圖1 Squid.link Gateway為多種智慧家庭設備和雲端提供多種無線通訊技術。

智慧型手機選項

在智慧家庭設備連接的市場上,Thread和低功耗藍牙無線技術正一馬當先。Thread於2015年首次發佈,是一款低功耗、易於使用且安全的無線家庭自動化網路開放標準協定。Thread比同樣瞄準智慧家庭應用的大多數其他協定具有優勢,因為它支援網際網路通訊協定(IP),而能夠與所有其他IP可定址設備進行通訊,無需依賴昂貴而複雜的閘道器。因此,它只須使用相對便宜的「邊界路由器」來將短距無線個人區域網路(WPAN)訊號中繼到網際網路本身。

低功耗藍牙無線技術與目前大多數 智慧型手機和平板電腦具有互通性,遠超過其他技術,因而獲得市場優勢。這些設備可以作為智慧家庭設備和網際網路之間的閘道器,是現成的解決方案。Pew Research Center分析師認為,大約四分之三的美國人現在擁有一部智慧型手機,差不多同樣多的人在家中也有寬頻連線,所以行動解決方案是有效的——但僅此而已。

20180502TA01P2 圖2 低功耗藍牙獲益於智慧型手機的互通性。

智慧型手機不僅昂貴,而且十分耗電,但更重要的是,它們並不總是放在家裡。在家中使用智慧型手機或平板電腦開啟和關閉燈光是一回事,然而,能夠從任何地方遠端控制燈光或上鎖或解鎖房門,才是智慧家庭真正發揮潛力之處;而這就需要智慧型手機以外的其他設備來實現網際網路和雲端連接,才可以讓用戶帶著智慧型手機外出時,也能控制家用設備。

還欠缺什麼?

今天,專用閘道器提供了一個答案。閘道器收集來自多個智慧家庭感測器的資料,並將資料直接轉發到網際網路(透過有線連結或Wi-Fi連接),使用者無論身在何處,都可以從雲端檢索有關其智慧設備的資訊。重要的是,該連接是雙向的,允許從智慧型手機或平板電腦或利用雲端平台,從遠端操作智慧家庭設備。

20180502TA01P3 圖3 專有閘道器將智慧家庭設備連結到雲端。

一些先進的閘道器支援多種協定以進一步確保採用不同無線技術的設備能夠互相配合操作,從而為智慧家庭產品開發人員提供了設計靈活性,而智慧家庭市場則會擺脫困境,留強汰弱,這意味著最終使用者不需要孤注一擲於單一的無線區域網路(WLAN)技術上。

Nordic Semiconductor銷售與行銷總監Geir Langeland指出:「智慧家庭將採用低功耗藍牙等多種無線技術。因此,市場需要可透過Wi-Fi和蜂巢網路來支援多種WLAN技術和雲端連接的閘道器。」

丹麥企業Develco Products最近推出的Squid. link Gateway就是一個例子。該閘道器是一個開放式Linux平台,為多種智慧家庭設備和雲端提供多種無線通訊技術。除了由Nordic的nRF52832系統單晶片(SoC)提供的低功耗藍牙無線連接之外,Squid.link閘道器還支援蜂巢2/3G、Wi-Fi、無線M-Bus、專有的1GHz以下技術、ZigBee和Z-Wave。此外,它還支援乙太網路有線網路。

Develco Products技術長Henning Markedahl表示:「在Squid.link Gateway中加入低功耗藍牙技術是非常重要的,因為它是越來越受歡迎的智慧家庭無線技術,已受許多感測器廠商所採用。然而,這個閘道器是模組化的,可以同時處理許多不同的無線協定,所以,解決方案供應商不必再依賴和受制於單一供應商。」

對於更複雜的應用,例如以mesh網路為基礎的智慧照明網路,可以在一個裝置中使用超過一個閘道器。去年,挪威無線網路解決方案公司Vitir推出了MergeRF系統,這是一個1GHz以下的自我形成和癒合的mesh網路,可支援低功耗藍牙設備之間的長距離通訊。每個Vitir「橋」均包括一個Nordic SoC,在其他閘道器、低功耗藍牙設備和採用藍牙4.0(及更高版本)的智慧型手機和平板電腦之間提供低功耗藍牙連接。

該閘道器可充當任何有效載荷的路由器,不管網路的源頭,也不管原始的RF協定。配合中央單元(CU),使用任何RF協定的設備也可以互通。CU充當通向雲端的閘道器,具有指向mesh的單個RF連接點,允許將新的閘道器或新的協定添加到mesh,而不需要重新認證CU的特性。

放眼未來

雖然專用閘道器和橋接器為智慧家庭網際網路連接和互通性難題提供了一個不錯的權宜之計,但長遠來看,相信將會出現更好的解決方案。

Wi-Fi也是一種好選擇,因為許多家庭已經採用Wi-Fi路由器作為閘道器。然而,目前Wi-Fi路由器還未能直接與通常用於智慧家庭應用的協定進行通訊。雖然很多企業路由器已經內建了低功耗藍牙無線技術,但是Wi-Fi路由器廠商在這方面的步伐仍然很緩慢。不過,如果這些廠商也願意將低功耗藍牙無線連接納入家家戶戶也擁有的家庭Wi-Fi路由器,那麼就不需要在大量家庭中使用現在的專有解決方案了。

20180502TA01P4 圖4 作為雲端閘道器的Vitir中央單元成為了指向mesh的單一RF連接點,並且能夠輕鬆地添加新的橋接器。

另一種解決方案是將IPv6整合到低功耗藍牙設備中,以便它們可以直接連接到網際網路上的任何其他IP位址設備(例如雲端伺服器),並且此舉符合Thread的發展路徑。由於低功耗藍牙無線技術並非原生使用IPv6進行通訊,因此實現此目標的最佳方法是將網路適配層和6LoWPAN層合併到藍牙RF軟體協定中。這可透過低功耗藍牙IPv6(IPv6 over Bluetooth LE)技術實現,而方法類似於在Thread協定中導入IPv6。

Nordic為開發人員提供了適用於物聯網的nRF5軟體發展工具套件(SDK),但IPv6 over Bluetooth LE仍然未成為大眾普及的方式。實際上,我們將更接近的終極目標是可以直接互相通訊、或直接與網際網路通訊的低功耗智慧家庭設備,中間不需要透過專用閘道器或智慧型手機,而這些智慧家庭設備可採用標準方式進行通訊。這樣的技術將構成真正的物聯網,最終使得智慧家庭產品真正具有智慧性。