学会选择合适的物联网协议，满足网络架构的需求！

Granite River Labs, GRL Stanislas Charles

选择合适的物联网协议就像雕琢理想室内设计一样——百分之百的完美选项或许不存在，而准确的答案则取决于您的独特需求。Thread、Zigbee、蓝牙、Wi-Fi、Matter等物联网协议各有各特性，例如功耗、拓扑结构、通信延迟、可扩展性、互操作性，甚至成本。要为您的运营做出最佳选择，就必须深入了解不同物联网协议的特点。

如果您还在为选择物联网协议而感到犹豫，本篇内容的分析可以帮你更深入了解各类物联网的优缺点，它们与叠加在其上的 Matter 应用层的交互方式以及与其他联网设备之间的兼容性。

物联网协议如何影响功耗和设备适用性

随着物联网的迅速普及，由电池供电的传感器和物联网设备的使用量与日俱增。因此，对既能提供卓越性能，又能节约电能的物联网协议的需求也越来越旺盛。物联网协议的设计会直接影响功耗量，进而对设备性能产生重大影响。因此，根据设备的具体使用情况选择合适的物联网协议对于保证最佳性能和延长电池寿命至关重要。

Thread 能量消耗

Thread 是一种低功耗协议，适用于电池驱动的物联网设备。它使用低占空比、休眠节点和节能路由等机制来降低功耗量。Thread 设备可通过优化睡眠周期减少待机状态的能源使用来延长电池寿命。

Zigbee 能量消耗

Zigbee 也是低功耗运行的协议。但由于其软件栈比 Thread 大，能量消耗也会偏多。Zigbee 主要用于使用电池供电的设备，通过低占空比和睡眠模式以及高效网络路由以延长电池寿命。通过正确的设计和应用，工程师也可以优化 Zigbee 较高的功耗量。

Wi-Fi 能量消耗

与 Thread 或 Zigbee 等低功耗物联网相比，Wi-Fi 是相对高功耗的协议。这是因为 Wi-Fi 设备需要通过更频繁的通信和主动连接来传输数据。不过，Wi-Fi 协议的节能模式（PSM）等省电功能有助于优化 Wi-Fi 设备的功耗。

蓝牙能量消耗

蓝牙，尤其是低功耗蓝牙（BLE），旨在实现高能效并适用于低功耗物联网应用。BLE 设备利用睡眠模式、高效数据传输和低功耗状态节约电能消耗。蓝牙的可扩展性以及低功耗特点使它成为依赖短距离连接的电池驱动物联网设备的热门选择。

物联网拓扑结构如何影响数据流量

物联网拓扑是指不同节点设备和通信介质在物联网网络中的连接方式。拓扑结构影响流量、可扩展性、功耗等众多因素，甚至可以决定恶意软件能不能侵入您的网络。因此，了解各种类型的拓扑结构及其运作方式对于部署和维护网络至关重要。

Thread 和 Zigbee 的网状网络拓扑

Thread 和 Zigbee 利用的网状网络拓扑以非等级方式于节点设备之间进行连接。这样，节点设备不仅能接收数据，还能作为中介向其他节点设备进行传输。因此，网状网络拓扑协议可建立覆盖范围广泛的高可靠网络。这样就不需要像其他无线协议使用额外的中继器来向更远的节点设备转播无线信号。

Wi-Fi 的星型拓扑结构

在 Wi-Fi 采用的星型拓扑结构，所有节点设备都连接到中央交换机或路由器，中央交换机或路由器就执行如服务器的角色，而节点设备就像客户端。当中心节点收到来自节点设备的数据包时，它可以将收到的数据包传递给网络中的其他节点设备。虽然星型拓扑结构相对不固定，维护成本高，但其集中式设计使其便于使用。即使一个设备或电缆产生故障，也能继续运行。

Matter 的混合拓扑结构

Matter 在 Thread 的网状网络拓扑和 Wi-Fi 的星形拓扑之上运行，并结合了两种物联网架构。Matter 网络用户可通过 Thread 边界路由器创建混合网络并享受两种拓扑类型的优势。

图 1：Matter 物联网网络拓扑

常见物联网协议的范围和数据速率

对于大多数智能家居用例，Zigbee、Thread、蓝牙和 Wi-Fi 等流行的物联网协议所提供的工作距离足以满足一般家庭环境的中短距离要求。这些网络甚至可以穿透楼层，有效地进行通信。虽然环境因素会影响绝对网络范围，但这不会对传输数据量较少的多数家庭形成问题。换句话说，所有的主流物联网协议足够用于控制智能设备、监控传感器和管理家庭自动化系统。

图 2：Wi-Fi、蓝牙、Zigbee 和 Thread 之间的数据速率和工作距离比较图

常见物联网协议的信号延迟性

Silicon Labs 比较了 24 种家用设备在网状网络蓝牙、Thread 和 Zigbee 的连接性并给出了基准。根据该基准，Thread 在小型和中等负载下表现最佳，具有较小的峰值和较小的转播时间（<100ms）。 对于小量负载，三个网络的传播时间均为 90 毫秒，远低于 200 毫秒的市场目标。 对于中等负载，Zigbee 表现则最好，大多数数据包接收延迟为 80 毫秒，传播时间高达 130 毫秒。 蓝牙传输的延迟则展现出最大的差异范围，为 20 到 200 毫秒。

图 3：Zigbee、Thread 和蓝牙多播延迟 24 节点网络 – 小量负载

图 4：Zigbee、Thread 和蓝牙多播延迟 24 节点网络 – 中量负载

原文: Silicon Labs

各种物联网协议的扩展性

可扩展性是安装物联网网络的首要考虑因素之一。 除了工作距离之外，真正有效的扩展必须具备安全、有效地蜂窝覆盖范围以及设备连接可靠性。 此外，网络的灵活性是另一个关键因素，无论是在扩大网络规模时还是在缩小规模时，都需要预见到可能出现的挑战。

Thread 网状网络

Thread 的网状网络结构优点在于可扩展性。通过允许节点设备充当中继，可以轻松扩展网络覆盖范围。Thread网络可以容纳多达数百甚至数千个节点设备，使其适合大规模物联网部署。

Zigbee

Zigbee 使用 IEEE 802.15.4 无线网状协议，该协议的主要特点同样为可扩展性，因此也适用于部署大量设备。和 Thread 相同，Zigbee 的网状网络功能和高效协议让它支持容纳数百千台节点设备。

Wi-Fi

Wi-Fi 网络因基础设施的广泛可用性具有较高的可扩展性，所以经常部署于家庭环境中。但是，Wi-Fi 必须通过额外的接入点或其他 Wi-Fi 网状网络选项来扩展其网络才能处理大量设备。此外，Wi-Fi 网络平均会比 Zigbee 和 Thread 消耗更多电量。

蓝牙

蓝牙和低功耗蓝牙（BLE）在连接大量设备进行大规模部署方面存在一定的限制。这并不代表蓝牙没有支持多设备连接的潜力。但是，想要充分发挥蓝牙技术的最佳应用还是将蓝牙网络的连接限制在数量较少的个人手机、传感器、配件等近距离设备之间。

物联网兼容性

物联网互操作性是指不同系统之间传输有意义且可操作的信息能力。 要实现真正的互操作性，物联网网络必须具备用于传输数据的物理通信基础设施（技术互操作性）、用于共享特定类型数据的共享语法（语法互操作性）以及用于解释传输数据的物联网语义部署。

Thread

Thread 旨在为所有 Thread 认证设备提供通用的连接和通信协议，实现 Thread 网络内设备之间的互操作性。 然而，实现与 Thread 生态系统之外的设备的互操作性往往需要额外的网关。

Zigbee

与 Thread 类似，Zigbee 网络允许 Zigbee 认证的设备在网络内协同工作。 认证是根据 Zigbee 规范的遵守情况颁发。 归根结底，Thread 和 Zigbee 网络的可行性还要取决于各自生态系统的市场渗透率以及终端消费者所需的支持设备类型。

Wi-Fi

Wi-Fi 拥有最广泛的互操作性，适用于多种设备和各种制造商的需求。符合 Wi-Fi 标准的所有产品，即使来自不同制造商，也能够保持互操作性。这也为智能手机、电脑和其他物联网设备创造了一个高度兼容的 Wi-Fi 生态系统。

蓝牙

蓝牙对短距离设备连接具有出色的互操作性支持。 蓝牙设备（包括智能手机、平板电脑、音频设备和物联网设备）普遍可以不分制造商而通过蓝牙网络相互通信。 蓝牙的标准化配置文件和协议可确保各种用例的互操作性，例如音频流、文件传输和设备控制。

Matter

Matter 是相对较新的物联网协议，旨在通过结合 Thread、Wi-Fi 和以太网等底层技术的优点来增强智能家居设备之间的互操作性。 来自不同制造商的 Matter 认证设备可以使用 Matter 通用应用层相互通信，而不受底层网络协议的限制。

物联网网络部署的成本考虑

物联网（IoT）网络的定制过程可能占据高达整体成本的70-80%。因此，充分了解构建各种物联网网络的架构特点尤为重要。通过选择对正确的物联网网络基础，消费者可以在定制物联网网络方面节省大量的时间和资源。

Thread

作为一种低功耗、低数据速率协议，Thread 可以使用相对便宜的硬件组件来实现。 同时，Thread 在 2.4 GHz 频段上运行，该频段受到经济型无线电模块的广泛支持，因此也进一步降低了设计成本。然而，支持 Thread 的设备本身的成本可能会根据特定的硬件要求和所需的功能而有所不同。此外，还应考虑与 Thread 认证相关的额外许可费用，这些费用通常通过 Thread Group 会员资格进行管理。

Zigbee

Zigbee 的低成本应用使得其协议成为如今最流行的物联网网络之一。 支持 Zigbee 的硬件组件随处可见且对便宜。 除了 Thread 使用的 2.4Ghz 频段外，Zigbee 还使用廉价无线模块中常见的 sub-GHz 频段。 Zigbee 部署的总体成本可能因设备数量、网络基础设施要求以及所需的任何附加功能或认证而异。

Wi-Fi

作为被广泛采用的协议，Wi-Fi 可提供多种价位的硬件选项。 由于制造商之间的竞争，Wi-Fi 模块和芯片通常价格实惠。 然而，Wi-Fi 部署的成本同样会受到以下因素受接入点数量、网络基础设施要求以及与某些 Wi-Fi 功能或认证相关的潜在许可费用等因素受影响。

蓝牙

除了 Wi-Fi，蓝牙也是支持多种低成本硬件选项的网络，是许多物联网应用者的经济高效选择。 由于应用广泛，蓝牙模块和芯片通常价格实惠。 蓝牙部署的总体成本可能会根据设备数量、集成要求以及所需的任何附加功能而有所不同。

物联网网络认证和会员费

除了部署成本之外，计算物联网部署成本时也必须考虑到会员费和认证费。 费用摘要如下表：

*请注意，上面列出的费用不包括与测试或第三方服务相关的费用（例如蓝牙人认证专家支持费）

了解当今连接环境中的物联网协议要求

随着基于 Thread 和其他技术为基础的 Matter 技术的来临，物联网领域呈现出更加广阔的发展前景。Matter 的目标在于简化互操作性、设备集成，并增强智能家居生态系统。通过整合现有的协议（如 Thread 和 Wi-Fi），Matter 正努力弥合不同制造商设备之间的差异，为用户提供统一、无缝的使用体验。

咨询工程专家，选择最佳的物联网协议

自2010年初创立以来，作为高速信号传输测试界的领导者，GRL 为众多的产品开发设计者提供了高速传输接口测试和认证，并提供专业的解决方案。若您对物联网协议或其他连接技术有任何疑问，随时欢迎您联系我们。

关于作者

Stanislas Charles Charles 拥有超过 7 年的无线和 RF 测试经验，熟悉蓝牙、Zigbee、Thread、Matter 等协议。致力于帮助客户解决对 Matter 和 Thread 测试及认证要求的疑问。