Sally Ward-Foxton在本文闡明了隨著連網家居的發展步伐加快，我們需要專門的開放標準通信協定。

作者：重點研究電子產品的自由記者Sally Ward-Foxton

出處：ULP Wireless Q

隨著更多用于家庭自動化應用的物聯網(IoT)設備進入市場，有效和高效的互用性變得越來越重要。今日的許多商用通信協定是專有的，意味著只有來自同一供應商的設備才具有互用性。更糟糕的是，專有協定的配置是棘手復雜的，不但效率降低，而且安全性未達到應有的強度。許多專有系統利用單一節點連上網絡，例如家居Wi-Fi路由器，這意味著如果路由器失效，整個網絡將完全癱瘓。

開放標準的通信協定可解決專有協定的缺點，例如低功耗藍牙和Zigbee等既有技術非常受歡迎。此外，Thread技術亦開始受到智能家居傳感器制造商的廣泛注意。

Thread正逐漸受智能家居采用，它具備低功耗、易于使用且安全的優勢。谷歌公司在2014年初收購了提供智能家居用恒溫器的知名公司Nest。自此，谷歌就開始使用Nest提出的Thread協定作為其智能家居連線產品的基礎。

谷歌接著設立了Thread群組(Thread Group)，成員包括三星、ARM和高通等公司，一起開發和維護Thread作為低功耗無線連線家庭自動化網絡用的開放標準。第一個Thread標準于2015年7月發布，具有可擴充性和可靠性，以及智能手機級別的身分驗證和AES加密安全功能。

圖1：Thread定義了傳輸層和網絡層(包括IPv6和用戶數據協定(UDP))，以6LoWPAN為基礎形成IEEE802.15.4 PHY和MAC用的適配層。

結合WPAN和IPv6

包括Zigbee和Wireless HART在內的一些其他智能家居標準建立在IEEE 802.15.4標準上，Thread技術也是如此，這有助于支持其低功耗性能。自2003年以來，電機電子工程師協會(IEEE)開發并維護了這個實體層(PHY)和媒體訪問層(MAC)標準。它是設計用于低功耗及低傳輸率的無線個人區域網絡(WPAN)，允許最高達250kbit/s的數據傳輸，但可以透過降低速率以降低功耗。其有效距離約為10公尺。

低功率無線區域網絡(IPv6 over low power WPAN, 6LoWPAN)的適配層不僅橋接了IEEE 802.15.4 PHY和MAC(主要用于家庭網絡中輕量級封包傳輸)，也橋接了Thread上層和應用(用于處理較大封包和IPv6協定的IP位址表頭)。請見圖1。

透過支持網絡協定(IP)，Thread設備可以和其他IP位址設備利用IoT進行通信，而不需要依賴昂貴和復雜的閘道器。Thread網絡使用相對便宜的「邊界路由器」(border router)來代替復雜的閘道器設備，從而可適切地將短距的WPAN信號連接到互聯網。IP的支持同時也意味著Thread設備能利用已經用于其他IPv6設備之既有的、經驗證的安全性和傳輸協定。

Thread網絡

Thread的第二項優勢在于其采用Mesh的網絡連接方式來支持高達250個設備。在單一節點失效時，Mesh網絡能可重新路由數據封包來達到自我修復，以冗余方式提供保護。網狀拓樸還支持可擴充性，能簡單地增加更多節點，以擴充網絡的覆蓋范圍。

然而，并不是所有Thread設備都能夠作為Mesh節點來運行。終端設備，例如智能家居的恒溫器，只能透過親節點(parent)的路由器傳輸數據并檢查信息。這樣的傳感器大部分時間都處于睡眠模式，并且透過限制終端設備的網絡功能和工作周期，從而提高效率(和電池壽命)。

路由器透過網絡流量和促進新設備的指派，在Thread的Mesh連網中扮演了重要的角色。新的設備需要用戶透過智能手機或平板電腦來進行安全驗證，然而這種驗證只需要幾個步驟。建構網絡的第一個設備被指定為主導路由器(lead router)，并代表網絡做決定。網絡中的其他設備則是可以擔任「符合路由器條件的設備」(Router Eligible)或終端設備；如果有需要，「符合路由器條件的設備」也可以擔任路由器。與終端設備不同，路由器并不設有睡眠功能，因此毋可避免地會使用更多的電池電量。

圖2：Thread采用Mesh網絡結構，由路由器設備和終端設備組成(例如恒溫器、安保攝像頭等)

邊界路由器(Border Router)可作為Thread網絡和外部網絡之間的橋梁(在多數情況下為互聯網)。Border Router可以是特定的Thread閘道器設備，或者可以是可和別的協定進行通信的其他設備，例如具有內建Thread功能的家庭Wi-Fi閘道器。如果網絡中的一個Border Router發生故障，另一個則可以進行接管(見圖2)。

采用Thread技術的產品

家居自動化公司Nest在去年發布了一個名為「OpenThread」的Thread開放原始碼軟件。該連網協定可以用于GitHub平臺，而且可在多平臺上支持和無線通信抽象層無關的操作系統和平臺。此舉是為了讓更多開發人員可采用Thread技術，以鼓勵他們將該協定集成到新產品中。但是，公司必須加入Thread群組才能獲得使用這個協定的知識產權。產品還必須能經過該組織的批準，才得以標示為「Thread認可」(Thread-certified)的認證產品。

Thread正和無線芯片供應商一起成長。例如，Nordic Semiconductor公司是低功耗藍牙、ANT+和2.4GHz專有解決方案的既有供應商，在其nRF52840系統單芯片上添加了對IEEE 802.15.4 PHY和MAC的支持。對希望在Thread設備上采用nRF52840系統單芯片的802.15.4功能的開發人員，Nordic提供采用OpenThread的軟件開發工具包，可幫助他們進行產品開發。

由于Thread在智能家居領域中具有關鍵優勢，而且基于IEEE 802.15.4的產品在軟件升級方面相對簡單，從而促使了這些產品采用Thread協定，而OpenThread的推出可保證快速實現Thread技術的采用。當Thread流行后，像智能恒溫器這樣的家庭自動化設備，將可真正成為物聯網組成的一部分。