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从万科到故宫,幻腾自研的无线通讯协议正在重新定义万物互联

2019-06-06 14:35
杨剑勇
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信息科技已进入物联网时代,以NB-IoT和LoRa等LPWAN低功耗广域网以及如火如荼的5G网络部署,并推动物联网规模应用落地。截至2018年末,Strategy Analytics数据显示全球联网设备数量达220亿台,并预测2025年将有386亿台联网设备,并指出智能家居将成为未来几年增长最快的细分市场。

万物互联机遇,无线通信协议助力智能家居落地

各种智能设备层出不穷,在AI与IoT融合下,智能家居正在加速普及,家庭自动化逐渐向智慧家庭转变。智能化大背景下,与房地产结合让科技生活渗透至家家户户,在房地产智慧转型大趋势下,也吸引了孙正义大肆押注。

从万科到故宫,幻腾自研的无线通讯协议正在重新定义万物互联

多年前筹集的具有千亿美元规模的愿景基金,面向AI、IoT、无人驾驶与智能家居等未来科技投资。在智能家居方向,孙正义联合其他投资机构向仅成立三年的Katerra(卡特拉)初创公司投资了8.65亿美元。卡特拉是一家智能家居建筑公司,主要利用智能化技术改变住宅和商业建筑,目标是将智能家居设计纳入所有建筑项目,以改善客户体验。这一轮融资后,估值高达30亿美元。

在国内,主要地产商纷纷向智能化转型升级,从智能家居厂商到系统集成商再到房地产商,整个产业链推动智能生活进入千家万户。但受制于生态平台及设备间通信协议限制等诸多因素,当前智能家居生活更多还处在智能控制阶段,不同玩家生态独立性,障碍了行业普及发展。但对于厂商来说,只是希望借助新概念与新方向,在日益竞争白热化当中,寻找销售机会。但要真正实现智能人居生活,互联互通的通信协议显得尤为重要。

物联网拥有多重标准和技术,物联网高级顾问杨剑勇指出,在智能人居涉及到跨品牌、跨平台、跨设备之间的互联互通,尽管在某一个生态平台下可以实现跨品牌和跨设备之间的互联,但跨平台依然困扰产业发展。当前,行业发展越来越清晰,在各垂直场景下,需要大家一起参与,需要第三方架设一个通信协议桥梁来解决跨平台、跨设备之间的互联互通。

作为消费科技巨头的苹果,在2014年就开始向智能家居延伸,推出HomeKit智能家居平台,通过接入第三方智能设备,利用iPhone等智能终端可以实现对家庭场景下各设备操控。然而苹果智能家居进程缓慢,并没有收割这一波红利,反而亚马逊产品和服务进入美国千万家庭。

竞争落后对手的苹果,在去年加入行业标准组织Thread Group,Thread目标为了家用物联网设备建立安全、可靠的协议,苹果加入后让更多设备厂商更容易加入HomeKit生态,有利于推动苹果智能家居战略向前迈进。

蓝牙Mesh以及zigbee3.0也在积极推动行业标准的建立,国内行业巨头,如阿里、华为等公司,也在积极向标准靠拢,但结合近期发生的行业大事件,一个需要思考的问题是,如果物联网通讯协议领域发生了一些不可抗力,我们是否可以有“备胎”?一个拥有自主知识产权的、稳定的、有了大规模实施验证的物联网无线通讯协议。

幻腾智能的Phantom mesh已经做了6年,这家致力于通过技术手段推动科技地产发展和地产行业数字化转型的公司,目前累计覆盖的空间面积达百万平米,控制的物联网设备节点超过两百万。通讯协议成为技术是否与能空间有效联结的重要因素,正在受到越来越多的关注。

自己做无线通讯协议的想法来自项目落地中,幻腾的技术人员发现,提及无线通讯技术在楼宇自控和人居空间领域的应用,很多地产行业实施一线人员的第一反应都是使用有线网络,因为在他们的经验中,与有线网络的通讯技术相比,主流的无线通讯技术似乎不够稳定。

但是,具体在房地产应用中,呈几何倍数上升的物联网设备数量,频繁的设备功能迭代所带来的对设备升级能力和成本要求的提升,以及越来越多的管理者开始主动要求由云端接入和管理,让有线系统无论是从技术能力还是成本上都开始无法适应这些变化。

基于这些原因,幻腾决定自主研发一款适应室内高密度短距离物联网无线通讯协议,由此,Phantom mesh得以诞生,在项目落地的过程中不断丰富完善,使其成为了一个在稳定性和可靠性上能够媲美有线的无线通讯协议。

降低维护复杂程度,适配住宅和商业地产

在对设备低延时和低功耗的权衡上,Phantom mesh和大部分物联网无线通讯协议一样,明确区分了全功能设备和低功耗设备。对于全功能设备,其接收机保持开机,因此控制延时极低。对于低功耗设备,Phantom mesh可以保持可定制或者自适应的唤醒间隔,从而保持双向通讯。

典型情况下,使用Phantom mesh的无线开关,使用一节纽扣电池可以正常工作5年。即使是需要低延时唤醒的应用,Phantom mesh同样出色。例如,完全由纽扣电池供电、瓶盖大小的红外遥控转发模块,可以连续工作6个月以上,红外转发平均延时小于1秒。

从万科到故宫,幻腾自研的无线通讯协议正在重新定义万物互联

在对高密度设备和高可靠通讯的权衡上,Phantom mesh使用了精心优化的可控泛洪式路由算法,可在设备密集、数据量接近极限的情况下避免拥塞。与泛洪式路由算法相比,单播的路由算法,看似高效,但需要付出维护路由表的通讯开销和存储资源开销,硬件、软件复杂度高,单个网络节点数少。这使其无法适配住宅与商业地产的应用。另一些采用树形或星形的路由算法,以经典Zigbee和WIFI为例,更是依赖唯一路径上所有节点都正常工作,这恐怕只有精心布置的实验室能达到。

高密度+高稳定的双向加持,支撑大区级智能化实施

Phantom mesh采用类似蓝牙mesh的预分配的地址,使用32bit的地址空间,能够在实践中达到几乎无上限的大规模网络。这让幻腾智能在对旭辉北京26街区实施智能化升级的过程中,让整个项目智能设备的密度达到了每2平米一个的程度。在面积不大的Loft小户型中,会有多达40个智能设备。而一个小规模的四层办公楼中,可能有多达1500个物联网设备。

与Phantom mesh所能支持的网络相比,Zigbee的动态地址分配方式,虽然有16bit地址空间,但由于对芯片存储资源的高需求,实际的设备量通常不超过数百个。此外,WIFI等星型网络,也无法承载大规模的网络。而家用的WIFI路由器,通常受限于硬件资源,只支持十几个同时连接的设备。

不仅如此,Phantom mesh还支持自适应的心跳算法,保证不论设备密度的高低,都能稳定地保持节点之间的邻居关系,进而释放协议超强的寻址能力。这让Phantom mesh在高设备密度情况下,能够保障每个设备周围既不会被全功能设备占满资源,导致低功耗设备无法接入;也不会被低功耗设备占满资源,导致全功能设备无法形成骨干网络。

无中心设计,打造媲美有线的稳定性

Phantom mesh采用无中心的设计,任意两个节点之间可以直接通讯。在实际项目中,通常需要网关设备来桥接Phantom mesh和互联网。而通过部署冗余的网关设备,Phantom mesh可以自适应选择合适的网关连接互联网,并实现负载均衡。这样的设计,让Phantom mesh在后装项目中,即使遭遇个别网关由于打扫卫生或急需插座等情况而意外下线时,也能自适应切换到仍然在线的网关上,进而让上下行双向数据均不受影响。

与之相反,包括Zigbee、蓝牙mesh、WIFI、LoRA在内的几乎所有的其它无线协议,因为带有很强的“一带多”逻辑(即一个网关或AP下带若干个设备),所以当遇到网关意外下线等情况时,其下所有的设备就会随之下线,无法自动恢复。

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跨越边缘网关,让控制策略下沉至末端,实现极速响应

基于Phantom mesh的数字人居系统,具有越过边缘网关,将策略下沉到末端设备的能力。这样的设计,不仅能够完全发挥出mesh网络在任意两个设备之间的通讯能力,将策略延时缩短到极限,更能将可靠性提高到让用户可以放弃传统控制方式的程度。

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此外,经过测试我们还发现,利用Phantom mesh,复杂逻辑的控制延时平均为69ms,最低可低于30ms。而使用传统边缘网关执行策略方式的竞品,即使网关处于单跳通讯距离内,平均延时高达179ms,最佳情况也需120ms。

基于普通单片机的巧妙设计,让无线更“低耗”

Phantom mesh不要求精确的无线时序,通常单片机的定时器即可满足要求。Phantom mesh包含链路层和网络层协议,可以基于任何单帧数据长度超过38字节的无线收发器芯片。

此外,通讯协议栈的实现,通常对于系统的内存(RAM)要求很高,而Phantom mesh精巧的设计,则使得使用普通低端单片机作为主控芯片成为了可能。通过采用大量零拷贝实现,Phantom mesh不仅能让实际内存的消耗低于15kB,更能让在Cortex-M3核心上编译后的代码量在25kB左右。而蓝牙mesh的实现,在类似处理器架构核心上编译后的代码量则在200kB左右。

支撑“无立管”设计,有效降低人力成本

在自主研发的无线通讯协议的支撑下,幻腾完成了在上海中心大厦的办公空间智能化升级解决方案的落地。在实施过程中,Phantom mesh所支持的“无立管”设计,不仅能保障门禁控制器、智能门磁、门禁键盘等硬件设备在内的智能门禁系统在完全不破坏建筑本身的前提下完成接入,更能通过缩短施工工期来帮助开发商有效降低人力成本。

本月,幻腾正式与故宫博物院合作,将运用这套成熟的无线通讯协议帮助故宫建筑室内空间进行电路智能化升级。改变了原来有线控制有可能产生的火灾风险,去除了墙面与立柱上外露的线,也使空间得到了极大的美化,得到了故宫博物院管理团队的极大认可。

从万科到故宫,幻腾自研的无线通讯协议正在重新定义万物互联

从现在到未来, Phantom mesh作为更适合应用于科技地产和智能家居的物联网无线通讯技术,一直努力将自有协议往通用协议上迁移,但同时也充满信心,在技术和应用能力上,能够成为替代权威的主流无线通讯协议,用开放的心态,把更加成熟、稳定的技术注入业界生态,为推动我国物联网无线通讯协议的核心技术研发和科技地产的加速发展持续贡献力量。

最后

智能家居作为物联网最具潜力细分领域,市场规模高达万亿,且呈现出高速增长态势,有数据显示,到2023年,全球智能家居市场规模将高达1550亿美元(人民币1.07万亿元),另依据IDC报告指出今年全球智能家居市场出货量将超过8亿台,到2023年,出货量将会增长至16亿台。各种报告可以看出智能家居行业高速发展。全球地产商积极拥抱,Katerra卡特拉将智能家居服务集成到建筑住宅中,在建筑项目中增加附加值,有数据现在,未来两年已积压高达13亿美元项目。

幻腾智能方案也成功落地50个商业地产,包括万科、华润置业、中海地产、龙湖地产等地产商,通过与智能设备无联动,实现人居空间智能升级,从健康、节能、安全等维度出发,有效促进人居环境的可持续发展。伴随智能家居技术与产品不断发展,房地产企业智能化升级转型已经成为必然。

人们的智慧生活值得期待,这主要得益于产业链共同努力,也预示着行业黄金发展时代到来,但互联互通的无线通信标准则是支撑用户智慧生活核心一环。

作者系物联网高级顾问杨剑勇,头条青云计划获奖者与月度优质作者、2017和2018年度网易最佳签约作者。全网粉丝近百万,累计阅读破2亿次,致力于深度解读5G、物联网经济和人工智能等前沿科技,基于对未来物联网洞察和对趋势判断,观点和研究策略被众多权威媒体和知名企业引用。


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