本篇將深入討論物聯網智能家居網絡和設備制造商面臨的挑戰。

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? ? 互操作性 ? ?

互操作性就是系統、應用和服務以可預測的方式可靠協同工作的能力。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作，也就是即插即用。智能家居網絡也沒有什么不同，它將由許多不同制造商開發的各種設備組成。

互操作性和認證計劃有助于確保使用多個關鍵物聯網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聯盟實施的 Wi-Fi互操作性計劃，該聯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過認證的Wi-Fi設備可以實現無縫連接。

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的產品間通信也經過了認證。藍牙也具有涵蓋整個協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)實現出色的通信體驗。

這些聯盟和認證對于在具有各種標準的分散型智能家居物聯網設備環境中實現整合至關重要。使用這些協議的設備制造商必須遵守這些認證和聯盟標準，使其產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換代，智能家居網絡的射頻(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送和接收的信號。

物聯網和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。如今，智能家居物聯網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送或接收的數據之間都不存在干擾。由于網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，以支持物聯網、5G和工業 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中的共存、容量和范圍問題。

此外，通過促進集成模塊的開發，外形更加小巧的濾波器有助于物聯網產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。一些濾波器可優化與其他設備的共存特性;其他一些則有助于改進系統、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據和更大帶寬。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。網關設備經過調整之后，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。這是因為網關設備為了遵守FCC的規定，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上繼續觀看比賽，且不會出現緩沖和相關中斷。

? ? 保持無縫、節能、可靠的連接 ? ?

一些制造商生產的產品使用多種標準。這些產品可以與更多的其他設備通信，從而進一步增強了產品在物聯網網絡中的互操作性。通過動態多協議支持，一個節點可以與使用不同標準的多個設備通信。

例如：智能家居網絡可能包括Zigbee設備和BLE設備。在同時支持Zigbee/Matter和BLE設備的動態多協議網狀節點中，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物聯網通信產品通過支持 ConcurrentConnect技術增加了另一項功能，即可以持續接收和轉換通信，如圖3-6所示。該創新以一種更快速、更可靠的方式實現協議切換，以減少數據包丟失，同時仍保持動態多協議支持。

圖 3-6:動態多協議支持和ConcurrentConnect集成電路

如圖3-6所示，左側顯示物聯網通信產品整合了動態多協議支持。這種多協議支持允許使用不同標準的多個物聯網設備之間進行通信。這樣就可以在需要時，從一個協議切換到另一個協議。但 Qorvo 在其物聯網射頻設備中采用 ConcurrentConnect 技術，進一步增加了復雜性。ConcurrentConnect技術使物聯網設備具有同時從所有網絡設備連續接收和發送設備通信的能力，從而實現更可靠、更無縫的通信。這樣，協議之間的通信可實現無縫切換，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，幾乎不會出現通信掉線的情況。這是因為ConcurrentConnect技術可消除協議切換的延遲。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接收更多數據包。

? ? 創建自主管理物聯網網絡 ? ?

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

為幫助實現這一目標，家庭的網狀物聯網網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品持續運行，而無需參與網絡管理的技術細節。物聯網網絡應該能夠進行操作和監控，并在網絡完全關閉之前通知用戶可能出現的問題。在適應網絡故障和環境變化的同時，各個節點和網關還必須具有互操作性和協同性。智能家居網絡中的子系統可監控信號強度、電池使用壽命等，始終適應并通知用戶，從而實現性能優化。

網狀網絡可為物聯網應用提供切實優勢，因為它始終可用且可訪問。網狀網絡采用一種自修復算法，即使某些節點意外失去連接，該算法也能自動選擇最佳路徑來發送數據。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，即使某些節點不工作，網狀網絡也能繼續運行。網狀網絡還允許設備彼此直接通信，無需通過網關路由所有通信。

? ? 網絡安全和隱私 ? ?

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

這也強有力地證明必須實現標準化，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絡。標準化可幫助用戶以安全的方式進行自己的優化物聯網網絡設計。

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

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

一些網狀網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、黑客甚至網絡罪犯攻擊的安全功能。

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

? ? 功耗 ? ?

全球的化石燃料正在加速消耗。降低功耗和提供更環保產品的壓力越來越大。如今，物聯網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。其中一些物聯網產品只使用紐扣電池(一些可持續使用長達10年)，但生產這些電池要消耗化石燃料。此外，許多物聯網設備并不使用紐扣電池；相反，它們使用電網電力。因此，為了控制功耗需求，某些物聯網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。

在制造環境中，物聯網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。物聯網設備制造商已經著手生產低功耗產品。同時還開始生產更高效、更小巧、更纖薄的產品。通過嘗試生產運行時能耗更低的裝置，消費者、企業和制造商可以實現共贏。確保物聯網在可再生能源領域的前沿地位，可使許多公司獲益。在發電、傳輸和配電設備上使用物聯網傳感器可實現遠程資產監控和管理。此外，在整個制造環境中安裝物聯網有助于降低照明、供暖、冷卻和安全相關成本。

智能家居網絡可能包括許多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。無論使用何種協議，都必須優化物聯網設備，以實現節能運行。

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支持更高的數據傳輸速率，所以功耗更高。

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

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

隨著環保倡議在全球范圍內實施，降低物聯網網絡的功耗勢在必行。用戶和制造商的目標是在不降低性能和整體物聯網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，以確保持續運行。