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物联网低功耗无线技术比较(下)

低功耗无线技术方面有很多选择。但是,低功耗无线的需求继续增长,行业正在响应。例如,关注各种无线技术的特殊利益集团,联盟和论坛现在正在发展他们的技术,使其更适用于蓬勃发展的物联网(IoT)。
本文介绍了物联网所要求的最重要的协议变更及其对设计项目的影响。请注意,前两篇文章中介绍的几项技术(特别是IrDA,Nike +和RF4CE)不针对物联网,因此不在此讨论。然而,为了满足物联网的需求,特别出现了一些新技术,特别是Thread和Wi-Fi HaLow。

建立连接

许多低功耗无线技术是在物联网是完全形成的概念之前设计的。例如,蓝牙低功耗最初是为了将诸如心率带和计步器的外围设备连接到诸如运动手表或手机的集线器单元而开发的。从蓝牙低功耗传感器发送到远程云服务器的数据不是原规范的目标。
当成千上万的微型无线传感器数据的整理和分析显然将成为物联网的关键优势时,竞争的低功耗无线协议的管理者开始适应他们的技术来应对。
这些变化的关键是利用网关将短程无线技术连接到互联网本身。对于消费者应用,智能手机可以很好地作为网关,在商业或工业应用中,Wi-Fi路由器或专有网关是可选的。网关运行在网络应用层,对从低功率无线网络进入的数据进行分解,并通过一个友好的TCP / IP协议堆栈进行重组。同样,来自互联网的信息可以重新组合并传回传感器(图1)。
连接到Internet的ZigBee网关的图表
图1:一个ZigBee网络使用一个网关连接到互联网。信息可以在两个方向流动。(图片来源:ZigBee.org)
或者,一些低功率无线协议(例如Thread)在IEEE 802.15.4链路层和驻留在节点本身的TCP / IP栈之间包括基于IPv6的低功率无线个人区域网络(6LoWPAN)自适应层。这种适配层使低功率无线传感器能够直接与互联网上的其他设备进行通信。这使得昂贵而复杂的网关可以被更简单的IP层边缘路由器或网桥所取代,从而将传感器数据转发到云端。
IP层路由器也比网络应用层网关更灵活,因为连接的传感器可以通过额外的应用程序进行修改或改进,而不需要改变网关。
物联网传感器应用的第二个关键要求是网状网络支持。一些低功耗无线技术,特别是ANT +和ZigBee,包括从最初发射的网状网支持,而其他诸如蓝牙低功耗的技术仅在最近才被包括在内。网状网络允许设备与连接到网络的任何其他节点进行通信,而无需通过中央“集线器”设备传递信息。网状网络扩展了范围,灵活性和冗余性,特别适用于物联网应用。

物联网的增强功能

我们来考虑每种无线协议是如何为物联网应用发展的。
近场通信:乍看之下,近场通信(NFC)似乎与这里讨论的其他物联网技术几乎没有什么共同之处。NFC具有有限的范围和带宽,并且不能形成网状网络。另外,NFC不能将数据发送到云端。
但是,这项技术将在物联网中发挥关键作用,作为更多主流物联网协议的补充,特别是连接和调试(或“安全引入”)新设备到网络。
推出物联网所面临的一个挑战是目前还没有物联网传感器连接和调试网络的行业标准。其结果是专有解决方案的激增。为了使调试更加混乱,许多物联网设备是没有用户界面的“无头”单元。
NFC是一种可互操作的,基于开放标准的无线协议,提供了一种解决方案。例如,NFC可以用来大大简化无头蓝牙低功耗或ZigBee LED智能灯到智能家庭网状网络的调试。如果智能灯和相关联的IoT网关装备有NFC标签,则可以使未通电的智能灯靠近有源网关并交换网络密钥。
然后,当智能灯插入灯座并通电时,钥匙被无线SoC读取并用于将设备调试到网络。然后将密钥从NFC标签擦除以防止未经授权人员读取,传输网络参数以及为将来的通信建立安全的AES-128加密无线连接(图2)。
用于委托无头物联网设备的NFC图
图2:NFC可用于委托无头物联网设备。在这个例子中,未通电的灯泡通过NFC从网关获取网络密钥。密钥在被擦除之前被用于在网络上建立加密的通信。(图片来源:NFC论坛)
Rigado的 BMD-300蓝牙低功耗模块(这是基于Nordic半导体的 nRF52832臂® M4F处理器的SOC)为无线解决方案,现在包括用于调试无头的IoT设备的NFC标签中。
蓝牙低功耗:蓝牙低功耗的管理者,蓝牙特别兴趣小组(SIG)已经做了很多工作,将技术从面向消费者的个人区域网络(PAN)转移到物联网目标局域网(LAN)。
这些内含物的关键是:
  • 设备在同一时间充当“外设”和“集线器”的能力。
  • 增加一种创建专用通道的方法,可用于IPv6通信(都在蓝牙4.1中添加)。
  • 添加Internet协议支持配置文件(IPSP)以允许蓝牙低功耗设备与任何其他支持IPv6的设备进行通信。
  • 更高的安全性。
  • 增加最大发射功率。
  • 数据包长度增加(所有上述添加在蓝牙4.2中)。
  • 吞吐量增加。
  • 增加范围(蓝牙5中添加了以上两项)。
有关这些更改的更多详细信息,请参阅Digi-Key库文章“ 蓝牙4.1,4.2和5兼容的蓝牙低功耗SoC和工具满足IoT挑战(第1部分) ”。
最近,蓝牙技术联盟已经添加了蓝牙网络1.0,这个配置文件为蓝牙技术的网络支持增加了网状拓扑结构。网状配置并不局限于符合规格最新版本蓝牙5的芯片,而是与所有蓝牙低功耗芯片(即从蓝牙4.0起)向后兼容。
该规范详细描述了在标准蓝牙低功耗物理层(PHY)和四种类型的节点(包括“低功率”类型和“代理”类型)之上包括七层的固件。后一种类型是值得注意的,因为它们使得目前不直接支持蓝牙网格(例如,今天的智能手机)的蓝牙低功耗设备能够连接到蓝牙网状网络。例如,这种功能将使智能照明制造商能够引入可以直接从当代手机中控制的网状网络系统(图3)。
蓝牙网格代理(P)节点的图表
图3:蓝牙网格功能代理(P)节点,使当今的智能手机可以控制智能照明等应用。(图片来源:蓝牙SIG)
Nordic Semiconductor是首批蓝牙低功耗芯片供应商之一,提供蓝牙网格1.0支持,其nRF5软件开发套件(SDK)用于网格。Dialog Semiconductor公司的 DA14586蓝牙5 SoC也被称为支持蓝牙网络。
ANT:由Dynastream开发,ANT和ANT +一直都支持mesh,但最近的增强功能是ANT BLAZE,这是一种用于在大型企业环境中处理高节点数物联网应用的网状网络技术。
该技术最多可同时连接500个节点,并可在D52 ANT SoC模块上使用,为模块的并发ANT /蓝牙低能量连接能力增加了增强型网状网络。ANT BLAZE的主要优势之一是在Wi-Fi和蓝牙低功耗/蓝牙环境下运行时,其抗干扰性相对较高。
升级后的D52 ANT SoC模块入门套件(D52DK2)和最新发布的D52EXT1扩展套件(包括四个电池供电节点)为开发人员提供了专门设计的开发工具,以创建和验证其物联网用例解决方案。
ZigBee: ZigBee联盟声明该技术最初是为云连接和网状拓扑操作而设计的。正因为如此,与竞​​争技术相比,ZigBee近期的物联网相关适配受到的限制较少。
由于ZigBee总是为网状拓扑而设计的,因此在智能建筑等物联网应用中,ZigBee易于扩展且具有高度容错能力。此外,ZigBee协议套件还包括标准的调试,安全,网络和设备管理程序。各种设备类型可以在网络中加入和验证,并且可以以可互操作的方式进行工厂重置或退役。
ZigBee使用其250 Kbit / s吞吐量来传输应用数据来操作设备
(如切换灯光)和网络管理程序,如网格和路由管理。
今年早些时候发布的ZigBee PRO 2017允许单个ZigBee网状网络在全球某些地区(升频范围)的800至900 MHz频段或全球2.4 GHz频段内运行。PRO 2017构建在ZigBee PRO早期版本的基础上,提供了更强大的部署功能,包括与ZigBee相比增强的安全性。
Digi International的 XBee ZigBee网状套件为开发人员提供了一个ZigBee PRO网状网络世界的经济高效的入门。该套件包含开发板,三个ZigBee模块和一个介绍网状网络的基于Web的教程。XBee套件的模块基于Silicon Labs的 EM3587 ZigBee SoC,在90 m的室内范围内提供250 Kbit / s的数据速率和-101 dBm的灵敏度(图4)。
来自Silicon Labs的EM3587 ZigBee SoC图(点击放大)
图4:来自Silicon Labs的EM3587 ZigBee SoC的数据速率为250 Kbits / s,灵敏度为-101 dBm,适用于90 m的室内范围。(图片来源:Silicon Labs)
主题:虽然6LoWPAN的采用承诺节点上的IP连接,但由于互操作性问题,它一直很慢。Thread,一个由Google,三星和几个想要将低功耗无线节点直接连接到IP网络的芯片供应商开发和推广的协议,被引入到了解决互操作性的路上。
线程的优势源于IEEE 802.15.4 2006规范的基础上,集成了6LoWPAN和网格支持(图5)。
线程协议图在IEEE 802.15.4 PHY和MAC上构建
图5:线程协议在IEEE 802.15.4 PHY和MAC上构建,并且包含6LoWPAN自适应层。(图片来源:线程组)
线程是2.4 GHz协议,可提供高达250 Kbits / s的数据速率,并可在一个本地网络中支持多达250个设备。与云端的最终连接是通过一个或多个“边界”IP路由器。该路由器实际上是网络中的Thread设备,但是具有额外的IP兼容接口(例如Wi-Fi,以太网或蜂窝)来完成从网络到因特网的路径。如果主路由器发生故障,Thread网络中的其他设备可以透明地升级到路由器,从而可以在互联网连接冗余的情况下建立网络。
线程组管理的认证程序可以实现线程设备之间的互操作性。许多产品制造商都使用Google的OpenThread,这是Thread联网协议的开源实现。例如,针对IEEE 802.15.4操作的德州仪器公司的 CC2538(一种基于ARM M3处理器的无线SoC)可以运行OpenThread协议并通过线程认证。同样,Nordic半导体公司nRF52840,蓝牙低功耗,ANT和IEEE 802.15.4操作的ARM M4F处理器的无线系统级芯片,也运行和的OpenThread是线程的认证。
Wi-Fi HaLow: Wi-Fi已经成为消费者和工业界的无线局域网(WLAN)标准。然而,其相对较高的功耗使得该技术在电池供电的传感器方面缺乏竞争力。Wi-Fi联盟计划改变这一切,并利用基于IEEE 802.11ah的低功耗Wi-Fi形式,将其称为“HaLow”,分享蓬勃发展的物联网领域。
通过利用其他低功耗无线技术所使用的超低占空比,功耗降至最低,据称是传统Wi-Fi芯片消耗的1%左右(因此可与蓝牙低功耗相媲美)。
HaLow运行在900MHz的ISM频段,其频率范围几乎是今天Wi-Fi的两倍,据称这个频率可与蓝牙5的900MHz频段相媲美。它提供比传统的Wi-Fi 2.4或5 GHz更强大的操作,因为信号衰减较少的墙壁和其他固体障碍。
吞吐量取决于空间流的数量,调制技术,编码率和信道宽度。更高的吞吐量将不可避免地影响功耗。使用单个空间流,BPSK调制,1/2编码率和2 MHz信道宽度,吞吐量为650 Kbits / s。在最高端,使用4个空间流,256 QAM调制,5/6编码速率和16 MHz信道宽度,吞吐量为347 Mbits / s。
Wi-Fi HaLow将支持Mesh网络,并且由于它基于现有的Wi-Fi协议,该技术将在节点上包括IP支持,但也将与下一代Wi-Fi路由器兼容。
由于最近的推出,目前还没有商用的Wi-Fi HaLow IC,芯片组或模块,尽管几个芯片供应商正在开发原型产品。

物联网无线选择取决于应用程序

考虑到每种无线技术的细微差别,选择使用哪种技术可以归结为应用的要求,从而有助于开发比较表(表1)。
  Wi-Fi HaLow 蓝牙低功耗(5) ZigBee的 线 亚GHz IEEE 802.15.4
最大。数据吞吐量 347 Mbps 2 Mbps 250 kbps 250 kbps 100 bps
最大。视线范围* 不适用1 750米 130米 100米7 4000米
能量消耗 不适用2 从纽扣电池年 从纽扣电池年 从纽扣电池年 从纽扣电池的年数8
网状网络 是4 没有
IP在设备节点 是5 没有 没有
OC /移动操作系统支持 没有 没有 没有
基础设施到位 是的,路由器3 是的,手机6 没有 没有 没有
表1附加信息
表1:物联网应用的关键协议比较 (数据来源:德州仪器Digi-Key)
所有的技术都会有一个令人满意的工作,但是如图所示,一些技术的功耗更低,其他技术的吞吐量更高 一些提供远距离,另一些提供更大的抗干扰性。一些提供智能手机或无线接入点的互操作性,另一些则得到大型行业联盟的支持。每种无线技术都在不断发展,既要与竞争对手竞争,又要满足新的,往往不可预料的应用的需求。

结论

每种应用都有几种经过验证的低功耗无线技术选项,全部由良好的设计工具和供应商支持提供支持。选择归结于规范和应用程序。
无线行业似乎不大可能会被单一协议或行业组织所垄断。协议可能会越来越多地共同利用每个协议的优势。预计在蓝牙低功耗或ZigBee和NFC,线程,蓝牙低功耗或ZigBee和IPv6之间将会出现更多的合作伙伴关系。此外,期待每一个发展,以满足物联网的需求。

参考文献:

  1. NFC论坛,2016年6月“ 简化物联网:连接,调试和控制近场通信(NFC) ”。
  2. “ 物联网的无线连接:一种尺寸并不适合所有人 ”,德克萨斯州乐器Nick Lethaby,2017年10月。

(责任编辑:ioter)

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