如何打造拥有上百个联网设备的智慧家庭

传感器技术 2019-02-26 3267

描述

这篇文章详细描述了我在试图让自己的住所变得更智能时所面临的问题。虽说目前有很多的无线技术，但想要完成这项艰巨的任务，还有很多东西需要学习。

智慧家庭的现实状态

能想象创建一个可以支持170多个WiFi连接设备和40个蓝牙设备的网络吗?事实上，有几个接入点(AP)已经足够了。但是，添加的连接设备越多，就越会发现WiFi覆盖的不足、带宽限制以及从室内到室外设备(如摄像头和灯光)的信号传输方面的问题。

为了提高WiFi的速度，我和家人的手机及平板电脑上常常禁用2.4GHz，坚持使用5 GHz。虽然这对该种用例很有效，但并不是所有的智能家居设备都支持5 GHz，很多设备都会支持2.4GHz。另外，因为每个无线电只支持一定数量的设备，如果同时使用2.4GHz和5 GHz，那么实际上可以多连接近两倍的设备。

我发现，在较低的带宽水平上有更多的WiFi接入点，这比在所有地方都只有少量的WiFi可用要好。每个接入点只有一定量的带宽可用，连接的设备越多，用于手机和笔记本电脑等日常驱动程序的可用带宽就越少。

我的WiFi解决方案

这就是为什么我在家里安装9个UniFi APs的原因。这些WiFi设备被设计用于比家庭网络大得多的企业网络。个人以为家庭网络和企业网络的目标受众唯一区别是，我是在一个相对较小的空间(我的房子)覆盖了很多设备，受到来自邻近APs、蓝牙设备和其他2.4GHz设备(如无线鼠标和微波)的大量干扰。

虽然有一个控制器，可使网络更容易设置，但你真的需要成为一个网络专家来妥帖地设置这么多APs。这是我从未料到的，以前，我会设置几个AP，让他们发出信号;现在，我必须小心地配置它们，直到设置一个最小的RSSI(接收的信号强度)为止，其他设备不会减慢其他设备的WiFi速度，找到合适的位置将它们都放置在25米之外的地方，并用以太网将房子连接起来。

值得庆幸的是，UniFi确实支持mesh系统，但是它将5GHz无线电的带宽减半，这并不理想。根据在我家附近的多个家庭进行试验的结果，在这个地区用以太网连接一个房子是非常容易的。

想将以太网挪上楼吗?要么从房子外面走线路，要么从车库走。通常，房子的地下室与车库的墙壁相连。在那儿挖一个洞，把电线直接拉到天花板上，再挖一个洞，这时，你可以把它直接牵引到阁楼的一个角落里。

一旦进入阁楼，就可以把以太网电缆安置在任何地方，而不用担心它的外观。事实上，你甚至可以设置一个交换机，这样就可以只运行一条以太网线路。把它安装到所有没有绝缘的墙上，就完事儿了。我甚至在阁楼上安装了一个接入点，因为一卷Cat5e和Cat6非常便宜，包括工具和电缆头在内，整个套件仅需100美元。

当开始处理诸如补丁面板和大型家庭交换机等真正的网络必需品时，成本就会高得多。千兆PoE交换机并不便宜，鉴于我家需联网设备的数量，需要一个24端口的网络。当然，我本可以换一个更便宜的网关，但这会把机架弄乱，且需要更多的交流插座。

现有的网关会发出很大的噪音。由于我的地下室相对比较安静，所以需要为服务器室安装隔音设备，我需要找到一个地方来放置它。这9个企业级APs并不便宜，花费一大笔钱只是为了实现大范围的WiFi覆盖。为了大幅度降低成本，可能只需要几个AP就可以应付，但是总体带宽将受到影响。

更糟糕的是，我觉得自己在盲目地运行整个网络。我不是WiFi专家，所以我甚至不知道自己的设置是否合理。目前所知道的就是我如何建设一个智慧家庭：很多想法、尝试和失败。大多数企业都会引入一组承包商团队，或者有自己的IT部门来管理这样的网络。没有人期望一个家庭有170多个WiFi设备，所以没有关于如何运行它的资料。希望这篇文章是有帮助的!

Mesh WiFi

虽然我可以用SOHO路由器来做这件事，这样就没有办法管理这个网络，也没有办法可靠地连接这么多设备。这个方案是不可行的，我想把空闲时间花在管理家庭WiFi上。

听说Eero公司做了一个系统，使得在家里延伸WiFi覆盖范围变得很容易，但其价格和企业级设备一样，甚至更高。我不知道这一系统的局限性，但这些系统并不是为Mesh网络而设计的。在我看来，当连接设备数量激增时，消费者可能会倾向于mesh WiFi。

Mesh WiFi网络也有很多注意事项。无线连接的接入点到基站所需的跳数越多，带宽、延迟和连接速度就会越差。通常情况下，Mesh WiFi会将带宽降低到每一跳的一半，但是这些Mesh产品有专门的WiFi无线电台，专门用于与基站通信。不过，跳的次数越多，他们之间的连接性就越差。

这些系统实际上是围绕着三个系统的概念而设计的，两个无线连接和一个基站。当然，你可以拥有更多，但这并不是他们的卖点。它们不应该延伸到基站前有多个跳的地方，它们不会像UniFi那样在每个接入点支持那么多设备，因为它们的重心是在消费市场上。

他们的目标是确保你可以在一所房子里获得良好的WiFi覆盖，而不必连接以太网。对于那些租住房，或者你不知道如何把东西连接起来的地方来说，这是很好的选择，但在支持一个更大的智能家庭时，它们将是有限的。

非Mesh WiFi

许多智能家居设备都在Mesh系统上工作，比如Zigbee或Z-Wave，但我拥有的设备都没有使用这个网络。如果我有飞利浦(Philips)的集线器或宜家(IKEA)的灯泡，我肯定会建设一个相当大的Zigbee系统，这是一个完全不同的WiFi系统。事实上，Zigbee运行在2.4GHz上。这意味着它将直接与WiFi和蓝牙设备竞争。如果你没有很多蓝牙设备，并且可以将整个WiFi网络连接在5GHz上，那么Zigbee可能是个不错的选择。

要使用非Mesh WiFi网络，需要一个集线器作为从Mesh网络到以太网的桥梁。如果你使用WiFi，你的WiFi接入点可以说是桥梁或“枢纽”。虽然不能对设备进行网状划分，但是可以对APs进行网状划分，并使用以太网将它们连接在一起。

非WiFi网状网兼具优缺点。但它们起作用了，分配和取消分配设备并不有趣，因为集线器和设备都需要至少直接通信一次。

问题就在这里：如果你必须换掉一个集线器，会发生什么?有时候集线器坏了，或者你不得不做一个因素重置，有时公司会发布具有更好的安全性和更新的协议的新产品;主要的集线器制造商都已经发布了第二代和第三代集线器，这些情况都是可能发生的。作为其中之一的原因，我们可能不止一次，将不得不更换一个智能集线器。

有了WiFi，就可以交换接入点。有了Zigbee、Z-Wave、蓝牙，你的设备就可以绑定到这个集线器上。如果换掉集线器，则必须将所有设备重新添加到新集线器上。在浏览论坛时，我看到很多用户的智能集线器上有50多台设备，有些甚至有100台。如果这台设备坏了，就需要找到一种方法来让每个设备位于集线器的范围内。我能想到的唯一办法就是弄一条长长的电源线，重新安装所有的设备，这是一项耗时耗力的大工程!

我有113个LIFX灯泡。如果我把它们换成飞利浦的，那我必须更换集线器或添加新的WiFi接入点，以实现更好的覆盖，而且我必须清楚哪个接入点连接哪盏灯。(随着时间的推移，科技的进步，我的这篇文章论述可能会有误差。)

这些集线器不相互通信，所以不是添加两个集线器，而是进行故障转移。每个集线器都是一套设备，独立于另一组。

当所有设备都是公用的时，Mesh网络听起来是个不错的选择。一旦你有了两个Mesh 网络，就很难弄清楚哪个设备连接在哪个集线器上。相信你的家人也想知道：如果应用程序支持多个集线器，他们在打开应用程序时应如何选择合适的集线器。这就是Mesh网络崩溃的地方，因为WiFi已经被设计用来通过以太网来处理这个问题，而蓝牙因为通信距离较短还不足以解决这个问题。

我不打算深入讨论Mesh网络安全问题，但是旧版本有一些主要的安全缺陷，需要物理硬件升级才能修复，这意味着需要购买新设备。值得庆幸的是，较新的版本将有补丁，并可以进行无线更新，但现在你必须知道哪些设备是安全的，哪些不是。虽然这些协议是即插即用的，就像交流插座一样，但你仍须成为智慧家庭的“精明”购物者。

Mesh网络的特点是，它们需要许多设备才能正常工作，而每个集线器只能支持固定数量的设备，但是在尝试添加新的设备时，就会出现问题。许多人在添加与Z-Wave和Zigbee设备时存在问题。因为它们不是WiFi，所以调试起来也比较困难。

飞利浦Hue Bridge的每个集线器最多只能安装60台设备。根据我的设备需求，我需要三个。由于集线器是相互独立的，所以你的灯连接到哪个集线器实际上是很重要的，就像蓝牙一样，它们是绑定在一个集线器上的。至少有了WiFi，你的设备可以漫游。如果我必须替换一个AP，将它升级到一个新的模型，甚至更新它的固件，我可以交换它，而不必重新验证一堆设备。我还可以拥有来自不同厂商的多个AP，而不必在不同的应用程序上配置设备。

与WiFi相比，Zigbee和Z-Wave还有一个很大的优势，那就是软件。WiFi设备需要软件才能工作，而且没有标准。虽然人们已经编写了自己的SDK，而我所购买的所有公司都有开放的SDK，但是可能会遇到这样的情况:由于制造商破产，设备可能无法正常工作。

ZigBee和Z-Wave设备并不关心设备本身的制造商，只关心集线器。如果飞利浦倒闭了，可以把所有的设备都转移到另一个集线器上，它们还会继续运作。

WiFi智能家居设备的一个主要缺点是它们完全依赖制造商的系统。这就是为什么需要对我们的WiFi设备非常挑剔，因为你正在投资于一家特定的制造商，而使用Zigbee和Z-Wave，你几乎可以使用任何设备，只要该协议得到制造商的支持，它就能工作。

WIFI

我特别选择了可以连接WiFi的智能家居设备，而不是Zigbee和Z-Wave，因为我已经有了企业级的WiFi接入点，并且这样做成本更低。

这与我上面所解释的网格划分问题无关，因为这不是一个在建设智能家庭方面有着高预算的群体会遇到的问题，好比我(丝毫不脸红，hah)。在那个时候，我不知道是否做出了正确的选择，但在经历了这么多问题之后，我不相信一个Mesh 集线器可以满足不断增长的智能家居设备。我希望集线器和设备尽可能地相独立。

有大量智能家居和物联网设备可以使用WiFi，比如移动电脑、手机、平板电脑和SoC，还有Raspberry PI和ESP 8266，更不用说Nest的整个阵容、智能助理(Alexa和Google Home)、智能电视等等。无论用户是否愿意，WiFi都将投入使用。

APs

关于AP，存在着距离的线路保障问题，比如物理上将AP放置在其他设备上，以及如何为AP供电。幸好UniFi APs都可以以太网为电源(PoE)，所以只需要连接一条电缆。虽然这看起来没什么大不了的，但我的阁楼就没有电。不用交流电，只考虑低压以太网，这要容易实现得多。

据我了解，那些网状系统，占用了我的墙壁插座。在停电的情况下，我仍然需要WiFi访问，鉴于互联网没有宕机，这时互联网是我向电力公司报告停电的唯一方式。使用PoE会更容易，因为可以将其设置在一个位置，并使用备用电池来保护网络，而不会出现故障，这样就仍然可以执行某些操作。

蓝牙

大多数人不考虑到使用蓝牙进行通信的智能家居设备。通常，我们必须打开手机蓝牙进行连接才能使蓝牙设备正常工作，但其中一些设备带有自己的桥接系统，如罗技POP桥和Flic 集线器。

Flic按钮可以用于任何蓝牙计算机，只要能够运行它们的SDK。我使用的就是这种方法，我的Flic按钮，通过连接到Raspberry Pis周围的房子运行自定义控制器软件。

蓝牙可能比Zigbee和Z-Wave等其它的协议更好，因为它仍然被大多数设备支持，并且有大量可用的基础知识。尽管如此，这仍然是一项非常小众的技术，我建议，只在这是唯一的选择时才推荐它，因为该技术需要用户在手机上绑定特定软件来配置任何东西。

蓝牙的通信距离较短，因此没有足够的距离和集线器一起工作。我有4个树莓Pis，首先，因为每个Pi最多只支持10个活动设备，所以会有一些活动设备延迟超过10S。其次，范围太窄，你需要良好的覆盖。最后，蓝牙将直接与你的2.4GHz WiFi设备和其他2.4GHz设备竞争，如电脑鼠标和键盘，游戏控制器等。

结语

这些制造商是否使用自己的设备?我敢肯定，当他们有数百台设备连接时，他们会切换到Zigbee和Z-Wave集线器。我也相信，当一家大型制造商倒闭，数千美元的WiFi产品付诸东流时，每个人都会选择Zigbee和Z-Wave集线器。就个人而言，会考虑一个应急计划，因为我不愿意为这个项目进行二次投资。

我敢肯定，一些制造商知道，要真正拥有一个智慧家庭，需要一个企业级的网络，但他们从不谈论这一点。他们甚至不承认自己可以在网络上运行35台以上的设备，因为设置起来并不容易。我欣赏他们没有以错误的方式误导消费者，但我想说的是，这是可能的。因为我有大量的WiFi智能家居设备，且我的网络可以处理它们。

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