物聯網協定挑選大有門道　從性能到成本全面考量(1)

2023-10-06

Granite River Labs

了解每種物聯網架構帶來的特點，如功耗、拓撲、延遲、可擴展性、互操作性和成本，能夠幫助開發者找到最適合的通訊協定。為此，本文深入探討Thread、Zigbee、Bluetooth、Wi-Fi、Matter優缺點，並說明各式網路如何與Matter應用層協定互動。

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選擇完美的物聯網協定就像尋找理想的家居室內裝潢一樣，根據特定需求，答案會有所不同。無論是選擇Thread、Zigbee、Bluetooth、Wi-Fi還是Matter，了解每種物聯網架構帶來的特點，如功耗、拓撲、延遲、可擴展性、互操作性和成本，將可協助確定最符合需求的通訊協定。

本文將深入分析每種網路的優缺點、它們如何與Matter應用層協定互動，以及其與其他連接裝置的相容性。

物聯網協定的功耗和裝置適合度

隨著物聯網的發展，電池供電的感測器和裝置的使用也在提升。因此，需要能夠在節省能源的同時提供卓越性能的物聯網協定的需求也在增加。

物聯網協定的設計直接影響功耗水準，但低功耗又顯著影響裝置傳輸資料量。因此，根據您的特定裝置使用選擇合適的物聯網協定較能保證最佳性能同時兼顧電池壽命。

Thread功耗

Thread被設計為適合電池操作的低功耗協定，使用低占空比、睡眠節點和節能路由等機制將功耗最小化。Thread裝置可以透過優化睡眠周期，以及在空閒時間減少能源使用來實現長電池壽命。

Zigbee功耗

Zigbee也以其低功耗運行而著稱，其通訊協定設計較複雜，因此功耗稍高於Thread。Zigbee主要用於電池供電的裝置，可以透過低占空比、睡眠模式和高效的網路路由來延長裝置的電池壽命。針對應用使用正確的設計，可以降低Zigbee的功率損耗。

Wi-Fi功耗

與Thread或Zigbee等低功耗協定相比，由於Wi-Fi無線電和裝置需要更頻繁的通訊和活動連接來傳輸資料，因此是功耗相對較高的物聯網協定。不過，Wi-Fi節能模式(PSM)等節能功能可以幫助降低Wi-Fi裝置的功耗。

Bluetooth功耗

Bluetooth，特別是低功耗藍牙技術(BLE)，被設計為節能且適合低功耗物聯網應用。BLE裝置利用睡眠模式、高效資料傳輸和低功耗空閒狀態來節省能源。Bluetooth的可擴展性和低功耗特性使其成為依賴短距離連接的電池供電物聯網裝置，互相進行通訊的熱門選擇。

物聯網拓撲如何影響資料流量

物聯網拓撲是指物聯網網路內不同的對象和連接如何互動。拓撲影響眾多因素，如流量、可擴展性、功耗，甚至是惡意軟體多快可以掌握網路。因此，了解各種物聯網拓撲以及其運作方式，對於部署和維護網路至關重要。

Thread/Zigbee網狀網路拓撲

Thread和Zigbee利用的網狀網路拓撲，以非等級方式於節點裝置之間建立連接。如此一來，節點裝置不僅能夠接收資料，也能作為中繼向其他節點裝置進行傳輸。因此，網狀網路拓撲協定可建立覆蓋範圍廣泛的高可靠網路，不需要像其他無線協定使用額外的中繼器來向更遠的節點裝置轉播無線訊號。

Wi-Fi星狀拓撲

Wi-Fi使用星狀拓撲，所有裝置皆連接至充當伺服器的中央集線器或路由器，而連接節點充當用戶端。當中央節點從連接節點接收到一個資料包時，可以將資料包傳遞給網路中的其他節點。雖然星狀拓撲相對固定且維護成本高，但其集中式設計使它們易於使用，並允許它們在某一裝置或纜線失效時繼續運作。

Matter混合拓撲

Matter結合Thread的網狀網路拓撲和Wi-Fi的星狀拓撲，使用Thread邊界路由器，Matter網路可以讓用戶享受兩種拓撲類型的好處，創建混合網路(圖1)。

物聯網協定的範圍和資料速率

對於大多數智慧家庭用例，Zigbee、Thread、藍牙和Wi-Fi等流行的物聯網協定所提供的工作距離足以滿足一般家庭環境的中短距離要求(圖2)。這些網路甚至可以穿透樓層，有效地進行通訊。雖然環境因素會影響絕對網路範圍，但這不會對傳輸資料量較少的多數家庭形成問題。換句話說，所有的主流物聯網協定足夠用於控制智慧裝置、監控感測器和管理家庭自動化系統。

圖2　Wi-Fi、藍牙、Zigbee和Thread之間的資料速率和工作距離比較圖

物聯網協定的訊號延遲性

Silicon Labs比較了24種家用裝置在網狀網路藍牙、Thread和Zigbee的連接性並給出基準。根據該基準，Thread在小型和中等負載下表現最佳，具有較小的峰值和較小的轉播時間(<100ms)。對於小量負載(圖3)，三個網路的傳播時間均為90毫秒，遠低於200毫秒的市場目標。對於中等負載(圖4)，Zigbee表現則最好，大多數資料包接收延遲為80毫秒，傳播時間達130毫秒。藍牙傳輸的延遲則展現出最大的差異範圍，為20到200毫秒。