无线连接新技术赋能智能家居应用创新

物联网无线连接技术出现高度重合

智能家居领域涉及到许多无线连接技术，比如主流的蓝牙、蓝牙Mesh、Zigbee、Thread、 Matter、2.4GHz，还有Wi-Fi、广域连接技术，以及基于蜂窝网络的无线连接技术。这些协议技术五花八门，给智能家居产业带来了一些问题 ——一个应用可以有非常多的技术选择，究竟大家会选择哪些技术？这面临一些均衡及综合的考虑因素。AnWesmc

当然，以上的这些技术最开始出现时，是为了满足一些独立的应用或者是单点应用的需求，其实这些术之间并无太多交集。比如，蓝牙最早是专注短距离无线数据传输和音频应用；Zigbee最初是针对家居或互联网应用的组网技术；Wi-Fi是起初专注高带宽局域信息的传输；蜂窝网络是为远距离通信而产生……这可称为1.0阶段，各项无线技术之间是独立发展、互相没有交集。AnWesmc

随着物联网应用的不断涌现，在需覆盖更多应用的驱动下，这些技术之间产生了交集。比如，最初的蓝牙没有组网能力，在2017年左右，蓝牙Mesh技术的推出，促使蓝牙多节点之间，可通过蓝牙Mesh来实现组网，这可满足智能家居的应用场景。AnWesmc

在观察Wi-Fi的发展路径，它最初只能满足局域内的无线数据传输，但随着Wi-Fi版本不断地更新换代，它慢慢地覆盖了更广域的通信场景。AnWesmc

也是在2015年之后，无线连接技术进入到2.0时代，其典型特征是各协议之间出现了高程度的重合，以及互相竞争的状态。这一趋势给整个产业带来了新的问题——大家选择技术时需要考虑更多的因素。AnWesmc

各类典型的低功耗无线连接技术特点如下：AnWesmc

• Zigbee，它支持Mesh组网能力，最新Zigbee标准支持通过手机直连，这解决了现有蓝牙主控设备无法直接控制Zigbee网络的难题；
• 低功耗蓝牙，该技术基于2010年推出的蓝牙4.0标准，其与经典蓝牙的发展路径并不相同，低功耗蓝牙推出后得到市场的广泛认可，该技术是蓝牙Mesh使用的无线通信协议栈；
• Thread，它支持IP网络，随着Matter标准的出现(Matter支持Thread作为底层的通信），Thread也有望成为智能家居领域(尤其是低功耗设备)的主要通信技术；
• Matter，这是一个跨底层的通信技术、跨生态平台应用层的统一标准，有望统一智能家居行业碎片化的局面；
• 2.4GHz，该协议并不跨平台兼容，它适用于私有化的应用，不是主流标准化的协议。

无线连接SoC是一个高度集成的芯片

开发智能家居无线设备，需要用到哪些底层硬件和协议栈？梁佳毅指出，智能家居典型设备内置了无线连接SoC芯片，这类无线连接SoC芯片典型的架构包括以下模块：AnWesmc

首先，无线连接SoC芯片内部的关键模块是处理器，它负责协议栈和应用的运行。该处理器有时是单核，有时也是多核，不同核负责处理不同的应用。同时，无线连接SoC也会附带其他更强算力的单元。AnWesmc

然后，无线连接SoC芯片中也会附带射频收发功能模块，该模块负责处理无线信号的收发，模块本身可是多模或多协议模块，不仅支持单一无线的通信模式，也可支持多种主流的通信模式。其中，多模SoC芯片在2015年左右开始出现，此前大家看到无线连接SoC芯片基本是单模。泰凌微电子是率先推出多模无线连接SoC产品的芯片公司之一，这些产品有受到市场的欢迎，已成为业内主流中高端产品配置。AnWesmc

其次，无线连接SoC芯片中还有电源管理模块。很多智能家居设备都需电池供电，消费者希望这类设备的续航能达到数月或数年，这对设备的整个系统功耗的要求非常苛刻，所以在SoC芯片中会有电源管理模块，来使整颗芯片保持低功耗运行的状态。AnWesmc

再次，无线连接SoC芯片内部还有存储单元，也会提供扩展外接存储器的能力。AnWesmc

最后，无线连接SoC芯片上还有各种外设接口，包括了GPIO、语音输入输出以及常用的串口等等，这些都是为了通过连接外部设备，从而实现更丰富的系统功能。AnWesmc

梁佳毅总结道，无线连接SoC是一个高度集成的芯片，它把许多外部器件和功能集成在一颗单芯片中，非常适合智能家居各种设备的开发。“大家只需在外围增加数量有限的被动器件就能实现产品功能。”AnWesmc

协议栈推动无线连接SoC多协议融合

除了上述硬件之外，软件也不可缺少。芯片是一个硬件平台，在该平台上还要执行各种协议栈。标准的协议栈及上层的应用，主要通过固件的形式来实现，该固件是分层的结构——从最下层的驱动，一直到协议栈，再到上层的应用。梁佳毅介绍称，泰凌微电子可提供完善的SDK软件开发包，以实现不同的连接协议应用开发。AnWesmc

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他还把这一阶段称之为2.0时代，他还分享了智能家居应用场景的最新动向。无线连接技术在2.0时代呈现初出碎片化的特点，这种碎片化主要体现为以下几点：一是底层通信技术有比较多的选择；二是在最上层的生态系统(智能家居生态平台层)，也会有碎片化或者割裂的状态。而每一个生态都有自己的那套应用标准，从而造成了不同生态、不同设备之间无法互联互通。AnWesmc

近几年来，业界正在努力解决这一系列问题。这需要对底层的芯片，最上层的软件层，甚至一整条路径，都要进行一些调整。梁佳毅在前面也强调了，底层的芯片层需要在单芯片基础上，来支持多种通信的标准和协议。目前，许多从业者都已经往这一方向努力，并在单芯片中集成了低功耗蓝牙、802.15.4、Wi-Fi等技术。对开发人员而言，硬件投入其实是一次性的，后续他们可再通过更新软件，来灵活切换和进行调整。AnWesmc

以上做法只是针对硬件层面，其实在协议栈层也要相应的配套支持，比如支持不同的标准、不同的协议，这些协议栈要做对应的开发。现如今，芯片原厂基本都提供对协议栈的支持。AnWesmc

最上层的部分涉及到了生态和平台，这两者之间要形成一套标准。应用层面的规范涉及到统一标准，在过去两三年里，全球多个联盟和组织都在推动标准的统一。截至目前，Matter 1.1标准已经发布，Matter设备也开始问世。在整个系统完善的过程中，可能还需花费一些的时间，未来也许会有更新的标准，但其整体趋势会趋向统一。这也意味着，无论底层通信的技术怎样，至少在上层应用层面的标准会越来越统一。这就打破了各种生态之间无法互联互通的困境，最终也会促进智能家居市场的发展。AnWesmc

在这一环节，梁佳毅还演示了泰凌微电子的Matter over Thread方案，该方案模拟了灯泡的开和关，主要搭载了泰凌微电子的TLSR9 SoC和开发板。在多生态支持方面，泰凌微电子Matter方案可支持各主流智能家居平台，比如Apple HomeKit，Google Home，Amazon Alexa，Samsung SmartThings，Tuya Smart等。另外，多款采用泰凌Matter方案的终端设备已经通过了Matter认证，并已经或即将陆续上市。AnWesmc

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今年上半年，Zigbee PRO 2023新版本发布，这包括了Zigbee Direct的功能。早先Zigbee无法直连智能手机、平板等设备，它需要通过网关来实现连接功能。Zigbee Direct引入了Zigbee Direct Device(ZDD)，至此Zigbee设备可与Zigbee网络中的其他节点直接通信。这使ZDD设备的入网控制过程更流畅，进一步提升了用户的使用体验。在梁佳毅看来，这是协议融合的典型案例，“不同的标准、不同的协议，在最新标准额基础上互相融合，从而带来更好的用户体验，服务于最终市场的发展。”AnWesmc

更多无线连接SoC集成了AI功能

随着越来越多的物联网智能设备(包括智能家居设备)集成本地化的人工智能功能，在这一过程中也有多种选择路径。AnWesmc

第一种是在现有SoC芯片MCU上，直接运行一些简单的算法，即利用现有的硬件平台。当然，由于受限于算力问题，只能进行一些简单的指令。第二种是采用单独的AI芯片作为系统上独立的芯片，这个芯片本身的功能更强大，对于算法执行效率可达到最高，其额外成本也会更大。第三种是在SoC芯片内部加一个单独的AI引擎，扩展SoC芯片在AI范围内的处理能力。比如，泰凌微电子有部分高端SoC芯片产品搭载了单独AI模块。AnWesmc

此外，梁佳毅还通过一个演示来体现具备AI能力之后如何实现具体的应用场景。这是一个客厅灯、吊灯、卧室灯的演示，其芯片内部有麦克风的输入接口，在输入语音信息之后，会先在本地对语音指令进行识别，通过Mesh的指令去控制相应的节点，从而来进行操作。对应用进行智能化的提升，不一定都采用语音输入的方式，也可以由其他环境音触发或者传感器的数据触发。AnWesmc

泰凌微电子在物联网无线连接方面的成绩

最后，梁佳毅介绍说，泰凌微电子支持目前市面上主流的物联网无线连接协议，比如低功耗蓝牙、经典蓝牙、Zigbee、Thread、Matter等等，底层的通信、上层的云、应用层的标准，都是其产品和方案支持的方向。同时，其目标应用方向包括智能家居、智能设备，以及涉及到低功耗无线连接的所有场景。AnWesmc

泰凌微电子也是蓝牙技术联盟董事会成员公司，在蓝牙社群中发挥较大的影响力。此外，泰凌微电子也是CSA连接标准联盟(前Zigbee联盟）、Thread Group、HomeKit 和 Apple MFi、WiFi Alliance、开放智联联盟(OLA)的成员。同时，泰凌微电子也一直在跟进国际和国内最新的无线协议标准演进，包括Bluetooth 4.0/4.2/5.0/5.1/5.2/5.3/5.4、Zigbee 3.0、Zigbee PRO2023、RF4CE、Zigbee Direct、Matter 1.1、Thread 1.3、Apple HomeKit、Apple Find-My等。AnWesmc