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文|九鵬舉
編輯|九鵬舉
如今，諸多行業已經擁有成熟的物聯網布局方案，如智能交通、智能安防等，隨着人們對品質生活的追求越來越高，智能家居行業逐漸興起，各類智能化應用滲透到人們的日常生活起居。
智能家居是物聯網快速發展背景下的產物，其融合了互聯網、無線通信、自動化等技術，實現了對家用電器、家居環境的智能化管理，為人們帶來了方便、舒適、節能的居家生活體驗，在智能家居中，設備無線通信方式會直接影響智能家居系統的安全性與穩定性。
無線通信技術中，ZigBee技術具有短距離、高速度、多節點、低功耗和低成本等優點，可以滿足智能家居系統對無線通信的需求，所以近年來ZigBee無線通信技術在智能家居行業中得到了廣泛應用。
本文研究針對大規模無線網絡在智能家居系統方案實施階段暴露出來的問題，對智能家居系統大型ZigBee無線傳感器網絡的穩定性與可靠性進行了深入思考，針對設備“假離線”問題提出了有效的解決方案。
目前，國內外研究主要是從ZigBee協議棧的角度發力，對協議棧MAC層、網絡層實現機制進行優化。
優化協議棧能夠解決大網絡穩定與安全性大部分的問題，但由於產品種類及使用環境的差異，仍有少部分的實施問題待解決。
如SiliconLab、NXP、泰凌微等國內外主流芯片開發廠商均在加大對通信算法優化的投入，對ZigBee協議棧進行優化，但這種方式的優化難度大、成本高。
同時，協議棧功能繁多且複雜，稍加修改便需對整個協議棧進行全面測試，故從工程角度出發，通過優化協議棧的方式來優化網絡的突出問題是投入大、周期長。
若將網絡優化方式比作交通工具，優化協議棧則為地鐵，本文解決方案則為共享單車，致力於解決最後一公里的問題。
智能家居物聯網設備假離線現象及其影響
智能家居設備按照供電類型劃分，可分為強電設備與弱電設備，強電設備一般在裝修期間會留好孔位，按照提前設計好的布局進行安裝，位置確定後一般不會輕易移動。
相對來說，弱電設備安裝會更加便捷，在大型家庭或辦公用戶中，一個ZigBee網絡中的設備節點數可高達120個，甚至更多。
WSN（WirelessSensorNetworks）設備間通過無線報文進行通信，每個設備將採集到的信息處理後通過自組多跳的無線網絡方式傳送給目標設備。
具備ZigBee無線通信功能的終端設備、與終端設備通信且能夠與雲端互聯網進行數據通信的網關設備、對收集到的設備端數據進行邏輯分析與存儲的互聯網大數據平台、精準監測及控制設備端運行狀態的手機APP端和電腦PC端。
以上共同構成一個智能家居網絡系統，終端設備間及終端設備與網關間通過ZigBee無線網絡進行數據交互，網關與大數據平台通過2.4G網絡進行數據交互，使用者可以通過手機或者電腦觀測、遙控設備運行狀態。
ZigBee無線傳感網絡中有三類網絡節點，分別為ZigBeecoordinator，ZigBeerouter和Zig- Beeenddevice。
本系統中智能網關為ZigBeecoor- dinator節點，牆壁開關、牆壁插座等強電終端設備為ZigBeerouter節點，無線開關、溫濕度傳感器等弱電設備為ZigBeeenddevice節點，智能家居系統架構拓撲圖如圖1所示。
設備端數據上報分為設備端主動上報和在APP界面觸發控制設備時的被動上報，設備端主動上報的報文從數據包內容上進行劃分，可以分為兩種。
第一，非周期性事件數據的上報，如開、關動作的報文以及功率值更新的報文；第二，周期性事件數據的上報和設備的心跳報文。
觸發條件：router節點設備7~8min上報一次，enddevice節點設備1h左右上報一次，網絡狀態良好情形下，控制端與設備端信息能夠實時同步，且能夠對設備端精準遙控。
如若設備端與雲端大數據平台長時間無數據交互，雲端將會判定該終端設備為離線，判定為離線的設備將不能被遠程控制，同時其實時狀態也不能與控制端進行同步。
對於大型ZigBee無線網絡，在實際應用場景中的環境干擾源較多，雜亂的家居、牆壁、金屬裝飾等，會對信號產生不良的影響，電器較多，也容易造成大功率電源干擾。
別墅、樓宇等大面積、多層的房屋，若無中繼器，信號衰減也非常明顯，在網絡規模大或者干擾源較多的環境中，設備報文丟失現象極其容易發生。
持續的報文丟失將會導致設備離線，影響設備聯動，甚至導致自動化系統癱瘓，影響智能家居使用體驗，而這些離線設備中有些屬於“假離線”。
“假離線”設備與其鄰居表設備連接正常，但報文上報給網關，需經過多級路由，傳輸途中報文丟失，導致報文無法正常到達網關，這種情況持續一段時間，APP便會出現設備離線，以上現象便稱“假離線”現象。
網絡節點較多時，會出現空中無線報文冗雜現象，使得信號差的設備無法將報文成功且及時發送給目標設備，具體表現為設備響應延遲、頻繁離線或無法正常聯動，影響智能家居體驗。
而對於那些由於安裝位置比較偏僻或者設備本身的信號較其他設備信號差，且位置不易於移動的設備表現極為突出。
為解決設備離線問題，當前的解決方案是，APP支持設備查找功能，設備離線後，使用者點擊APP上查找設備按鈕，雲端便會觸髮網關中ZigBeecoordinator下發identify命令給目標設備。
目標設備接收到identify報文後，閃爍指示燈告知用戶，並回復報文defaultresponse，告知ZigBeecoordinator無線鏈路通信正常。
隨後，網關立即將通信正常的消息上報雲端，雲端對設備狀態進行修改，設為在線，此設備遠程控制、自動化場景等功能恢復正常，設備恢復在線identify機制如圖2所示。
此方案較適用於ZigBeerouter節點的設備，但ZigBeeenddevice節點的設備由於絕大多數時間為睡眠狀態，發起查找設備能夠做出及時響應的概率極低，故針對ZigBeeenddevice節點設備方案還需做進一步完善。
為徹底解決問題，本文提出一種大規模ZigBee無線網絡“假離線”設備自恢復系統方案。
智能家居物聯網設備“假離線”恢復方案設計
Enddevice節點設備大部分時間處於休眠狀態，僅在喚醒瞬間會發起polling報文，向父節點詢問是否有本節點的緩存消息。
因此，enddevice節點設備與控制端發送信息與接收信息不同步，而前文所述設備恢復在線identify機制並不適用於enddevice節點設備，為解決enddevice節點特性導致的信息不同步問題，本文提出以下解決方案。
Enddevice節點設備需周期性上報設備心跳（為防止大型無線網絡報文高並發現象發生，採用錯峰算法觸發設備上報心跳），心跳周期1h左右，心跳報文發送伴隨3次polling，每次polling時間間隔為1s。
雲端大數據平台收集設備心跳的時間戳，模擬出每個enddevice節點設備未來24h內心跳上報時刻點圖，時刻點圖用來預測節點正常狀態下下一次發送心跳及polling的時刻。
若某一enddevice節點設備在某一時刻被判定為離線，大數據平台根據模擬心跳點圖，在模擬心跳前後時刻觸髮網關向目標節點設備發送iden-tify，每秒一次。
直到成功找回或者identify達到5次停止發送，若成功，設備恢復在線，生成日誌信息“自動查找成功”，用戶可通過APP中的日誌管理查詢設備的提示信息。
若未成功，生成日誌信息“自動查找未成功”，接下來雲端將等待下一次心跳時刻，做下一次設備查找。
為防止大型無線網絡報文繁雜，嘗試24個心跳仍未恢復的設備，將對其放棄設備找回操作，並推送“自動查找結束-未成功”的消息給使用者，提醒使用者進行現場確認，查看設備是否被帶離使用空間或者人為損壞等，並及時修復。
圖3所示為enddevice節點設備自動恢復在線機制，以enddevice節點設備無線開關為例，對雲端大數據模擬心跳時刻點圖實現方法，及其如何獲得未來時間段10:00到11:00期間里的心跳時刻進行說明。
設備正常在線狀態下，雲端大數據平台收集，連續數天從10:00到11:00時段內的心跳時間戳，以收集到的有效歷史數據為一個集合，取一個模擬時間戳X，使得此集合方差最小。
此模擬時間戳X即為模擬的該時間段內心跳時刻，按照此算法計算模擬出未來24個時段內的心跳時刻。
圖4為收集到的某enddevice節點設備歷史心跳時間戳，橫軸為日期，1~20分別代表20210201，20210202，20210203，…，20210220；縱軸為心跳上報時間戳，反映了近期連續20天內10：00~11：00心跳上報情況。
圖5為按照此算法模擬生成的未來24小時設備心跳上報時刻點圖（下方球體中的數字：表示時間段，如1即為北京時間00:00~01：00；上方球體中的數字：此時間段內心跳上報對應時刻，如球10上方數字3501，表示預計10:35:01時刻設備會上報心跳及發送polling。
需要特別說明的是：APP端與PC端功能大部分一致，PC端支持的功能更多，設備查找和設備查找方式設置兩個功能APP端與PC端均支持。
以牆壁插座router節點設備為例，如圖6所示為設備自動或手動恢復在線機制。
系統測試
本文方案經實驗室驗證後在某公司大型研發辦公區域進行部署，對部署前後設備離線率、設備控制成功率和自動化場景執行成功率進行對比。
圖7為方案部署前網絡設備狀態（在線/離線）統計圖，圖8為方案部署後網絡設備狀態（在線/離線）統計圖。
圖示表明，在大型複雜的ZigBee網絡環境下，節點設備數量高達120個，其中網關設備1個（ZigBeecoordinator節點）、強電設備（ZigBeerouter節點）80個、弱電設備（ZigBeeenddevice節點）39個。
且有較強的WIFI干擾、雜亂的物品、辦公桌椅及辦公人員等干擾因素的情況下，部署本文大規模無線網絡設備“假離線”自恢復系統方案前後，強電設備的離線率由10%下降至1%，弱電設備的離線率由8%下降至1%，系統離線率由18%降低至2%。
現場勘測證實其中2%的設備離線屬於真實離線，需要人為處理，由此可見，本系統方案可極大改善網絡設備離線率高的問題。
針對無線傳感器網絡特點，結合智能家居Zig- Bee網絡節點設備“假離線”的痛點，本文提出了一種大型ZigBee無線網絡“假離線”設備恢復系統設計方案。
經過現場部署測試，本方案解決所有設備“假離線”問題，設備離線率降低至2%，設備控制及場景自動化執行成功率提高到99.179%。
對於“假離線”設備，enddevice節點在5個polling周期內會自動恢復在線，router節點在半小時內會自動恢復在線。
方案的部署能夠極大改善大型ZigBee無線網絡設備離線問題，自動且及時將“假離線”設備恢復在線，維護系統正常運作，提升智能家居系統的使用體驗。
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