新年新目标:练好多协议融合的IoT设计的武功秘笈

by Administrator Siliconlabs ‎02-06-2017 02:25 AM - edited ‎02-06-2017 02:25 AM

挥别春节假期,半导体科技业于2017年的奋斗旅程正式展开,可想而知的,随著技术的革新,物联网(IoT)的设计与应用风貌又将提升至另一个层次。如你所知,在IoT热潮的推波助澜之下,联网家庭中设备数量正以超过你预期的速度增长,并逐渐迈向兼容多种无线协议的形式发展。

 

随着各种无线协议产品的大量上市,我们很有必要了解这些设备之间的通信方式。芯科科技(Silicon Labs)针对目前热门的IoT无线协议标准撰写了一篇文章,以帮助设计人员深入了解各种无线通信协议的作用及特性,现在就请阅览完整内容,让我们来看看最常用的无线通信协议,并讨论其各自擅长的应用。

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sub-GHz

 

对于低数据速率的应用,如家居安防和自动化,sub-GHz网络(工作频率低于1 GHz)有着超过更强大和功能丰富的协议的优势,如在 2.4 GHz波段操作的Wi-Fi,蓝牙和zigbee。

 

范围是sub-GHz网络的亮点之一。窄带传输可以在一公里或更长范围内不间断地工作。它们将数据发送到远端集线器,而不从节点跳跃到节点。然而,这个较长的范围内也有来自相邻装置的干扰。在宽范围的sub-GHz频率中,较低的干扰是一种优势,并且这些频率比2.4GHz波段更“拥挤”。然而,在一些区域中,存在几个可用的sub-GHz信道,并且它们可能具有限制设备可发射时间的占空比限制。最后,与2.4 GHz协议相比,sub-GHz功耗更低。

 

然而,sub-GHz网络并不是完美的适合联网家庭的每一个方面。许多现有的sub-GHz网络使用专有协议并且是封闭系统。这样的系统通常需要翻译以与其他系统通信。对于家庭内通信,以及与可能在云中的数据服务和控制的通信,会使得使用sub-GHz无线更复杂。

 

Wi-Fi 802.11 b/g/n

 

Wi-Fi是迄今为止最著名的协议,因为我们大多数人每天在自己的家中使用它,并且已经用了十多年了。电气和电子工程师协会(IEEE)通过字母标识(b / g / n)提供标准和升级,而Wi-Fi联盟管理设备的认证和品牌化,从而促进了Wi-Fi广泛采用。

 

Wi-Fi的主要优点是人们对它的熟悉,认为它比其他协议“容易”,以及其在现有家庭中的普遍存在。毕竟,Wi-Fi的前身是在1991年首次开发的。在这一点上,大多数技术型房主(当前联网家庭产品的可能客户群)可以通过重置Wi-Fi路由器以解决基本问题。

 

Wi-Fi定义了MAC层协议和安全性,但它不定义设备的应用程序对象及其如何通信。这意味着每个制造商可以定义自己的应用级协议,并且设备到设备的通信是复杂或不可能的,除非两个公司通过紧密合作来定义它们。这会限制联网家庭中设备到设备市场里Wi-Fi的使用。Wi-Fi还假定网络的中央接入点模型,这意味着如果该接入不在操作,网络将停止运行。

 

Wi-Fi相对于其他协议功耗更高,所以虽然适合于供电的设备,但在电池供电运行至关重要的应用中,它并不能做得很好。Wi-Fi也显示了关于可扩展性的问题。例如,一些路由器被配置为仅支持最多15个设备,而预期的联网家庭将有接近100个设备。

 

另一个问题是各种数据源在Wi-Fi网络上的竞争。如果您的流式视频与恒温器竞争,两个数据流可能无法获得所需的带宽。如果你认为你的流媒体电视节目与你的孩子的视频游戏下载是不方便的,想象如果你的恒温器也参与到带宽竞争后的情形。

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低功耗蓝牙

 

蓝牙是在智能手机应用中普遍存在的短距离通信协议。它不需要特殊的网关功能,因为它使用智能手机或移动设备,但它确实有一些缺点。它只是一个点对点网络,限制了它的范围和可靠性。如果您的智能手机不在范围内或不在家,则连接丢失。蓝牙当前不支持IP寻址,但Bluetooth Standards则支持这一功能。

 

蓝牙具有标准的应用协议,但是这些通常与手机或PC的使用情况相关,而与在联网家庭中设备到设备的通信无关

 

zigbee

 

zigbee在2004年首次标准化,并且相对于Wi-Fi具有更低的功耗。它运行在IEEE的802.15.4物理无线电规范上(而不是更熟悉的802.11的Wi-Fi名称)。zigbee在家庭自动化网状网络以及许多工业应用中被大量使用。

 

zigbee创建了一组应用协议,定义了各种设备及其在家庭和企业中使用的设备到设备的通信模式。这些应用协议是在公司联盟内开发的,因此有一个健康的产品生态系统以及有竞争力的芯片供应商。

 

zigbee协议有许多优点,包括其可靠性,可扩展性和自我修复网状网络的能力:

 

  • 可靠性:zigbee网络上的设备可以相互通信,即使在网关关闭或没有网关开始的情况下。

  • 可扩展性:zigbee和其他802.15.4协议不受每个路由器可以拥有的设备数量的限制。您可以添加几十个,甚至几百个设备。

  • 自我修复:如果网状网络的个人区域网络(或PAN)协调器不再可用或不可操作,则网状结构将无缝地故障切换并继续运行。想象它像您的计算机的RAID - 如果一个硬盘驱动器损坏,然后镜像的第二个硬盘驱动器接管,使您的工作不会中断。在家庭自动化的情况下,这意味着您的恒温器仍然工作,即使您的网关关闭。

Z-Wave

 

Z-Wave协议主要用于家庭控制和监控,并且是专有的。家居安防公司使用Z-Wave无线协议来创建门/窗传感器,火灾探测器,恒温器和其他家庭自动化设备的网络,这些设备可通过高级应用程序甚至通过Web访问。Z-Wave功能在低带宽,sub-GHz部署中最佳。

 

Z-Wave已经创建了一个应用协议,以标准化设备如何相互通信,以允许在家庭中进行真正的设备到设备通信。然而,该标准由一家公司控制,使得成长和扩张困难。应用层协议不是IP友好的,并且需要转换为IP协议以用于设备到云或电话通信。

 

Z-Wave不是开放标准,需要地址和应用程序翻译才能与互联网上的设备通信。Z-Wave需要网关才能在网络中创建单点故障。此外,协议假定设备是静态的,不允许移动设备(如远程控制)加入网络。

 

Thread

 

Thread是一种新的开放标准,它为网络上的每个设备分配一个IP地址,该IP地址通过该节点延伸。 Thread提供设备到设备通信,而不需要应用网关。

Thread有三个主要优点:

 

  • 可扩展性:联网家庭平均拥有一百个设备。如果这听起来很多,只要想象一下每个窗口和门将有一个传感器,每个房间将被监控的温度和湿度。以这个速率,复杂性和规模成指数性的增长。

  • 互操作性:由于在单个网状网络中有这么多设备在工作,重要的是它们都以智能和有效的方式相互通信并与家庭主人通信。

  • 更便宜和更简单的硬件:这不是一个新的故事,随着技术变得越来越广泛,设备的成本往往会下降。(看看过去十年中平板电视的价格)。基于IP的技术是众所周知的,易于实现。

 

当Thread在开发中,没有必要停止开发联网家庭的产品。使用现有802.15.4芯片的任何产品都可以通过无线(OTA)更新到基于线程IP的协议。这允许继续部署现有系统,当系统准备就绪时可以升级到Thread。

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安全性和联网家庭

 

安全性建立在现有的网状网状联网家庭协议软件栈的深层,例如在802.15.4 MAC层使用的AES加密。流量总是加密的,并且添加认证技术,所有节点将具有要求认证以彼此和网络通信的能力。

 

即使在软件堆栈中使用低安全性的设备,也只是和在新设备中安装密钥的方法一样安全。这种关键安装或设备中的缺点是需要重新键入整个系统。

 

IP连接性和联网家庭

 

家庭中现有的协议是IP和非IP堆栈的混合。其他市场和网络已经融合到IP上,因为它提供了多种不同的寻址,路由和安全机制,可以为给定的网络或设备选择,并且仍然允许端到端可寻址性,且无需应用层转换路由消息。互联网迅速扩展到其他行业和细分市场,这表明这种技术转变如何在适当的IP基础设施上开创创新和快速发展新服务和设备。

 

IP的使用还允许混合底层技术与在不同MAC / PHY之间的桥接设备,使得在家中通过以太网连接的,PC上运行的应用也可以使用Wi-Fi或蜂窝连接无线地运行到您的蜂窝电话。这种类型的无缝连接在许多新的应用领域中是很重要的,消费者在他们的家中,或在旅行途中,都可以实现控制。

 

联网家庭是一个大量的公司正在创新和创造新的设备和服务的领域。这些服务中的一些需要高带宽并且更适合于使用Wi-Fi,而其他的像是受约束的电池操作的传感器,其将更喜欢使用现今的802.15.4低功率无线和ZigBee栈,以后将转移到Thread。

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结论

 

随着物联网和互联家庭的爆炸式增长,在您的家中同时运行多个协议并不罕见,就像您在智能手机上一样。这不是某一个协议的“胜利”,而是寻找正确的协议组合,以使您的物联网应用程序能够愉快地与彼此,网关,云和消费者进行通信。

 

你预期什么应用程序使你的家更舒适?我们可能不会很快得到我们的飞行汽车,但随着设备和协议的扩大,我们很快将无缝运行联网家庭,使我们的环境更方便,舒适和节能。

 

欲了解更多Silicon Labs的家庭自动化及娱乐解决方案及技术信息,请访问相应网页:

http://cn.silabs.com/solutions/home-automation-and-entertainment/smart-thermostats    

 

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