Thread技术与电梯物联网
摘 要：文中介绍了一种新的无线通讯技术，即Thread技术，该技术具备ZigBee、WiFi等几种无线传输技术的优点。因此，Thread技术今后势必作为物联网行业的主要传输技术。文中重点介绍了Thread技术，同时给出了一种新型电梯物联网系统的设计方法。
关键词：Thread技术；电梯物联网；ZigBee；6LoWPAN；SUB 1 G；WiFi技术
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）03-00-04
0 引 言
随着物联网产品的快速发展，无线射频技术也在不断升级。每一种无线技术都有他的优缺点。比如，SUB 1 G通讯技术的优点是传输距离远，抗干扰能力强，适合点对点通讯，而缺点则是传输速率慢，组网技术落后。WiFi通讯的优点在于传输速率高，可直接连接网络，因此，很多需要上网的设备都用到该技术。ZigBee则支持Mesh网络技术，且功耗小，但缺点是传输速率慢，不能直接接入互联网。因此，针对不同物联网产品的特性，我们需要花费较多的精力，对各种无线通讯方案进行综合评估，选择最为合理的通讯方案。
近几年，人们对物联网产品的需求不断增长，使得物联网产品有了相当大的市场需求，在强有力的市场刺激下，各种无线射频技术也有了极快的发展。前几年，ZigBee通讯因独特的Mesh网络技术及低功耗性能，被广泛应用于各大物联网产品中，如智能农业、智能家居、智慧城市等。蓝牙、WiFi技术因可直接与智能手机或者互联网连接，加上近些年人们对移动终端的依赖程度越来越高，出现了大量基于蓝牙、WiFi技术的智能产品，如蓝牙耳机、智能手环等。近两年，智能产品以极快的速度发展着。
对比ZigBee、蓝牙及WiFi等技术，每种通讯技术都有自身的优点与不足。如ZigBee最大的优点是功耗低、支持Mesh组网，缺点则是传输速率慢、不能直接连接手机或者无线路由器；蓝牙通讯的优点在于其功耗低、可直连手机，缺点是不支持Mesh组网、通讯距离短、通讯速率慢，并且无法连接无线路由器；WiFi通讯的优点是可连接手机、可连接无线路由器、通讯速率快，缺点则是功耗大、不支持Mesh网技术。
根据上述技术的优缺点，当前物联网产品大致分为三类：（1）智能硬件，如穿戴类智能硬件大多数采用蓝牙技术；（2）传输数据量不大，但是通讯结点比较多的产品，典型应用如智能路灯，一般以ZigBee通讯技术居多；（3）单节点通讯，传输数据比较大，产品需要直接连入互联网或者智能手机，典型应用就是360推出的网络摄像头，这类产品一般采用WiFi技术。
目前市场流行的几种无线通讯技术优缺点均比较明显，许多新的智能硬件产品受限于当前通讯技术，因此有诸多好的功能都无法实现，或者无法很好的展现给消费者。市场急需一种新的通讯技术，可兼容蓝牙、ZigBee及WiFi等通讯优点于一身的新技术，这就是Thread通讯。
2014年由飞思卡尔和谷歌控股的Nest等公司推出了Thread协议标准，Thread协议也是2.4 GHz的协议，它将ZigBee、蓝牙和WiFi等通讯优点结合到了一起。本文主要介绍Thread技术，并简单介绍如何将Thread技术应用于电梯物联网系统，同时分析了与基于ZigBee技术的电梯物联网系统的区别。
1 常用几种无线射频技术
1.1 全世界各国的开放频段
无线通讯依靠空间电磁场传播，通讯设备必须按照要求的频率进行，相同频谱的不同设备放在一起就有串网、导致整个网络瘫痪的可能。因此，无线电频谱也属于一种资源，必须对其进行严格管控。不过无线电资源属于全世界平等共享资源，其传播不受行政区域和国界的限制。但是无线通讯有易受干扰的缺点，因而要使无线电频谱资源得到合理利用，否则无线通讯将无法正常进行。维护良好的无线电秩序，必然需要从国家层面进行统一控制和管理。《中华人民共和国物权法》和《中华人民共和国无线电管理条例》明确规定：“无线电频谱资源属于国家所有，任何机构不得私自占用无线电频谱”。
当前，2.4 GHz频段属于全球免费开放的频段，市面上用到的无线通讯如ZigBee、Thread、蓝牙和WiFi等均属于该频段的无线通讯。此外，图1所示是几个代表性国家免费开放的无线电通讯频段，由图1可知，SUB 1 G无线通讯可满足所有国家对无线电的管制要求。
1.2 无线技术对比
图2所示是几种常用无线技术的实用性对比图。表1所列是几种常用无线技术参数的对比情况。
2 Thread通讯
2.1 Thread通讯产生背景
Thread通讯的诞生主要受以下四个因素影响：
（1）移动网高度覆盖化以及通讯速率的不断提升；
（2）智能手机的普及程度越来越高；
（3）ZigBee通讯独特的Mesh组网技术；
（4）物联网产品的迫切需求。
我们都知道，“WiFi技术最大的优点就是支持互联网IP技术，即支持该技术的设备可直接连接互联网设备。但WiFi也有很多缺点，比如WiFi易受干扰、WiFi的功耗高、传输距离近、不支持Mesh网络，并且一个节点断了不能自动修复等。图3所示为基于无线IP通讯技术的一些应用。
ZigBee最大的优点在于支持Mesh网络，但不能够支持IP通讯，即设备无法直接连接互联网设备。蓝牙和SUB 1 G则主要应用于点对点通讯，这两项技术既不能直接接入互联网，又不支持Mesh组网技术。于是，急需一种新的通讯技术，可兼容蓝牙、ZigBee、SUB 1 G及WiFi等无线通讯优点于一身的新技术，这就是Thread通讯。由于Thread通讯是在ZigBee基础上发展而来的，所以也可以认为Thread通讯是IP化后的ZigBee通讯。 2.2 Thread通讯
2.2.1 Thread协议成员
（1）Leader
Leader是Thread通讯网络的中心节点，正常情况下，第一个上电的Router就会变为Leader，类似ZigBee网络中的 Coordinator；一个系统中只有一个Leader。
（2）Router
Router是Thread通讯网络中的路由设备，它有可能成为Leader，其功能相当于ZigBee网络中的Router，在整个Thread通讯系统中，Router不能超过32个。
（3）End Device
End Device 是Thread通讯网络中的终端节点，End Device设备没有路由功能，它的功能相当于ZigBee网络中的End Device。
（4）Border Router
边界路由器在Thread通讯网络中充当Thread网络节点与无线路由器通讯的桥梁，类似传统ZigBee网关的作用。但ZigBee网关需要通过WiFi或者移动上网设备才能接入互联网。Thread通讯则不同，只要无线路由器支持IEEE 802.15.4，边界路由器可直接接入互联网，且边界路由器在整个Thread通讯系统中可以有多个。
2.2.2 Thread通讯架构
图4所示为Thread通讯协议网络架构。采用ZigBee通讯的设备时，网关需要通过WiFi或者移动网络设备转换后，才可以接入互联网。由于Thread通讯是基于ZigBee无线通讯基础发展的，同时支持互联网IPv6通讯协议，采用该技术的产品，不仅具有以前采用ZigBee无线通讯的优点，同时，采用Thread方案的产品可直接接入互联网。具体应用如图5所示。
2.3 Thread相比ZigBee的通讯优势
2.3.1 成本优势
因Thread支持IPv6协议，系统无需通过以往GETWAY的方式将网络信息经过WiFi或移动网转换后接入互联网，因此，整个系统成本比之前的ZigBee系统成本低。
2.3.2 性能优势
Thread网络在中心节点（Leader）出现故障后，网络中会推举新的中心节点（New Leader）替代原来出问题的中心节点。而传统的ZigBee网络，每个网络只有一个协调器，一旦协调器出现故障，整个网络就会瘫痪。因此，Thread通讯的稳定性更高。其通讯稳定性示意图如图6所示。
Thread网络允许有多个边界路由器，当其中一个出现故障时，整个网络还能正常工作。然而，ZigBee网络中，只有一个网关，一旦网关出现故障，整个网络都将瘫痪。其网络链接示意图如图7所示。
3 基于Thread技术的电梯星辰物联网系统
基于Thread技术的电梯星辰物联网，是新设计的一种电梯物联网系统，该系统和之前版本相比，最大的特点是采用Thread技术实现无线局域网组网，先将小区所有电梯组成一个局域网。局域网中，由边界路由器负责收集小区其他电梯的数据，将其他梯作为节点。边界路由器再通过WiFi或者DTU（Data Transfer Unit）设备将局域网数据上传至物联网后台服务器。
4 基于Thread技术的星辰物联网系统架构
为了解决传统电梯物联网系统存在的成本高、维护不方便等问题，我们设计了一种电梯物联网系统，该电梯物联网系统采用小区组网方式，先将小区各电梯的数据通过Thread（无线射频）技术组成一个局域网。该局域网由边界路由器收集所有路由器和Leader的信息（边界路由器可以有多个）。边界路由器再将整个小区电梯的运行数据通过无线路由器（支持IEEE 802.15.4）或者移动上网设备发送到网络服务器。
采用Thread技术的电梯物联网系统，如果小区物业有WiFi网络，则边界路由器可直接连接互联网（路由器需支持IEEE 802.15.4）。如果没有WiFi网络或者路由器不支持IEEE 802.15.4，则可通过移动上网设备。采用Thread通讯的电梯物联网系统，每个小区可能只需要一台移动上网设备或者无需上网设备，相比传统电梯物联网系统硬件成本和服务器成本都将更低。图8所示为边界路由器通过无线路由器连接互联网的架构。
5 结 语
电梯物联网可将电梯的信息共享给物业、维保、电梯厂以及质监局，这些单位可在电梯出问题的第一时间得到故障信息，甚至可通过电梯物联网平台防患于未然，在电梯发生故障前将事故避免。由于电梯行业比较特殊，物业觉得既然他们出了维保费，电梯就不应该有问题，即便出了问题也应由维保公司承担。但当前电梯维保行业竞争太激烈，导致各个维保公司都通过降低维保费用的方式去争得保单，他们的心态是享受电梯物联网带来的便利是应该，这个功能的费用不应该由他们承担，也不愿意出电梯物联网的服务费。电梯星辰物联网系统拥有其他物联网系统的所有功能，同时，该系统硬件成本和维护费用也比其他电梯物联网系统低很多。
相比基于ZigBee技术的电梯星辰物联网系统，采用Thread技术，该系统的工作稳定性相比之前将会有较大提高。同时，Thread技术最大的优势在于支持IPv6协议，一旦Thread技术被推广后，市场的无线路由器、手机无线将可直接与Thread的边界路由器通讯，如果电梯机房有无线网，电梯物联网系统将可直接接入互联网，硬件成本将有可能降低。电梯调试员、维保人员也可通过手机直接读取电梯的状态信息，并将这些信息保存到自己的数据库。
物联网设备的传输数据量通常比较小，因此支持Mesh网并且可直接和互联网设备通讯的技术，势必会成为今后物联网的主流。笔者预测，Thread通讯技术未来将有可能成为整个物联网行业的新宠儿，让我们拭目以待。
当然，Thread技术也存在诸多不足。首先，Thread技术的传输速率和ZigBee一样，最多不超过2 Mb/s，因此该技术无法应用在传输速率较高的系统中。其次，我们都知道，无线设备如果想接入互联网，首先该技术要支持互联网的IP技术；同时，被连接的无线路由器需要支持该无线协议标准。比如，ZigBee技术想要直接连接无线路由器，ZigBee应支持互联网的IP技术，且无线路由器应该支持IEEE 802.15.4通讯协议。目前，市场上还没有支持IEEE 802.15.4通讯协议的无线路由器，因此Thread技术要被广泛应用，仍需一段路要走。
参考文献
[1]何小虎.基于WEN技术的电梯物联网系统的设计[EB/OL].中国传动网，2014-01-17.