構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的無線協(xié)議

Silicon Labs

構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的無線協(xié)議

Silicon Labs公司

目前，互聯(lián)家居主要使用六種無線通信協(xié)議，分別為 1 GHz 以下(Sub-GHz)、Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee、Z-Wave 和 Thread。這些協(xié)議都有一席之地，為您的設(shè)計選擇合適的組合是開發(fā)流程的重要一步，因?yàn)闆]有任何一個協(xié)議能夠提供通用的解決方案。我們將分析最常用的無線協(xié)議并討論每項(xiàng)協(xié)議最適合哪種用例。

1 GHz以下無線網(wǎng)絡(luò)

對于家庭安全和自動化等低數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用，相比于 2.4 GHz 頻帶的 Wi-Fi、Bluetooth和ZigBee 等更強(qiáng)大且功能豐富的協(xié)議，1 GHz 以下網(wǎng)絡(luò)(運(yùn)行頻率低于 1 GHz)能夠提供更實(shí)在的益處。

距離是 1 GHz 以下網(wǎng)絡(luò)的突出優(yōu)點(diǎn)之一。窄帶傳輸在一公里或以上距離可實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。它們可向遠(yuǎn)距離集線器傳輸數(shù)據(jù)，不會在節(jié)點(diǎn)之間跳躍。但是，長距離也存在鄰近設(shè)備的干擾增強(qiáng)這一問題。在有多個 1 GHz 以下頻率的區(qū)域，低干擾是一種優(yōu)勢，這些頻率不如 2.4 GHz 頻帶那么“擁擠”。但在某些區(qū)域，可用的 1 GHz 以下頻道較少，并且存在占空比約束，會限制設(shè)備傳輸?shù)臅r間。最后，1 GHz 以下無線網(wǎng)絡(luò)與 2.4 GHz 協(xié)議相比，功耗也非常低。

但是，1 GHz 以下網(wǎng)絡(luò)并非完全適合互聯(lián)家居的各個方面。很多現(xiàn)有的 1 GHz 以下網(wǎng)絡(luò)使用專有協(xié)議，屬于封閉系統(tǒng)。此類系統(tǒng)通常需要應(yīng)用轉(zhuǎn)換來與其他系統(tǒng)通信。在使用1 GHz 以下無線網(wǎng)絡(luò)的情況下，家庭之間的通信以及可能駐留于云端的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和控制的通信可能會更加復(fù)雜。

在試圖了解無線協(xié)議格局時，應(yīng)了解 802.11 b/g/n 型設(shè)備和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)之間的差異。對比星形網(wǎng)絡(luò)(典型的 802.11 部署)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(典型的ZigBee和Thread),您可能首先會注意到在星形網(wǎng)絡(luò)中，所有流量通過中心點(diǎn)，而網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)則提供設(shè)備對設(shè)備的連接。

Wi-Fi(802.11)

Wi-Fi是目前最知名的協(xié)議，因?yàn)榇蟛糠秩嗣刻於紩诩依锸褂玫剿?，且歷史已超過十年。Wi-Fi的普及得益于電氣電子工程師協(xié)會(IEEE)通過字母代號(g/n/ac)提供的標(biāo)準(zhǔn)和更新，而 Wi-Fi Alliance 則管理著設(shè)備的認(rèn)證和品牌推廣。Wi-Fi的主要優(yōu)點(diǎn)是其熟悉度，也就是人們認(rèn)為它比其他協(xié)議更加“簡單”，并且在現(xiàn)代家庭中無處不在。畢竟，Wi-Fi的前身1991 年就已誕生。目前，最了解技術(shù)的戶主(目前互聯(lián)家居產(chǎn)品的潛在客戶群)可對 Wi-Fi 路由器進(jìn)行復(fù)位，排查基本問題。Wi-Fi 定義了 MAC 層協(xié)議和安全性，但未定義設(shè)備的應(yīng)用對象和通信方式。

這意味著，所有制造商都可以定義自己的應(yīng)用層協(xié)議，設(shè)備對設(shè)備通信非常復(fù)雜，甚至無法實(shí)現(xiàn)，除非兩家公司共同定義這些協(xié)議。這限制了 Wi-Fi 在互聯(lián)家居設(shè)備對設(shè)備市場的應(yīng)用。Wi-Fi 還設(shè)定了網(wǎng)絡(luò)的中央接入點(diǎn)模型，即如果該接入點(diǎn)不工作，網(wǎng)絡(luò)則會停止運(yùn)行。相對于其他協(xié)議，Wi-Fi 的功耗較高，因此盡管適用于供電設(shè)備，但它在電池供電極為關(guān)鍵的應(yīng)用中效果并不理想。

Wi-Fi還存在著擴(kuò)展性方面的問題。例如，某些路由器的配置最多僅支持 15 臺設(shè)備，而互聯(lián)家居預(yù)計接近 100 臺設(shè)備。另一個問題是各類數(shù)據(jù)源導(dǎo)致的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)競爭。如果流媒體視頻和恒溫器發(fā)生爭用，那么兩個數(shù)據(jù)流都不會得到所需的帶寬。如果您認(rèn)為流媒體電視節(jié)目與孩子的電子游戲下載發(fā)生爭用只是有點(diǎn)不方便，不妨試想一下您的恒溫器也在嘗試占用帶寬。

Bluetooth

Bluetooth是藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)所管理的一項(xiàng)無線技術(shù)規(guī)格。Bluetooth 專為短距離的數(shù)據(jù)傳輸和交換而設(shè)計，能夠利用 2.4 GHz 上的無授權(quán) ISM 頻帶。Bluetooth 包括多項(xiàng)功能，從點(diǎn)對點(diǎn)流式音頻傳輸?shù)酱笠?guī)模多對多(m:m)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

Bluetooth BR/EDR

Bluetooth基本速率/增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率(BR/EDR)是一種短距離通信協(xié)議，普遍用于智能手機(jī)應(yīng)用。它無需特殊的網(wǎng)關(guān)即可工作，因?yàn)樗咽褂昧酥悄苁謾C(jī)或移動設(shè)備，但也存在一些缺點(diǎn)。它僅支持點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，因此距離和可靠性有限。如果您的智能手機(jī)不在端點(diǎn)距離內(nèi)，則無法建立流式傳輸連接。

Bluetooth低功耗(LE)

最初的 Bluetooth LE 核心規(guī)格于 2010 年 6 月被采用，主要側(cè)重于降低功耗，同時還引入了單向通信標(biāo)準(zhǔn)，為 Bluetooth 信標(biāo)做了鋪墊。自 2010 年起，Bluetooth SIG 曾多次更新 Bluetooth LE 核心規(guī)格，每個新版本都提供了功能改進(jìn)。

ZigBee

ZigBee最早在 2004 年實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，功耗低于 Wi-Fi。它采用 IEEE 的 802.15.4 物理射頻規(guī)格(不同于更常見的 802.11 Wi-Fi)。ZigBee 目前主要用于家居自動化網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)以及很多工業(yè)應(yīng)用。ZigBee 制定了一套應(yīng)用協(xié)議，用于定義各類設(shè)備及其通信模式在家用和商用領(lǐng)域的設(shè)備對設(shè)備應(yīng)用。這些應(yīng)用協(xié)議在聯(lián)盟內(nèi)部的公司之間開發(fā)，因此既有健康的產(chǎn)品生態(tài)系統(tǒng)，也存在有競爭關(guān)系的芯片供應(yīng)商。

ZigBee協(xié)議有很多優(yōu)點(diǎn)，包括可靠性、可擴(kuò)展性以及自愈網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的能力。

目前，ZigBee 所面臨的問題是應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域化以及易操作性欠佳，除此之外，還欠缺直接IP尋址能力。ZigBee設(shè)備需要兩個地址，以及應(yīng)用層翻譯，才能與互聯(lián)網(wǎng)上的設(shè)備通信，這會造成網(wǎng)關(guān)上出現(xiàn)潛在故障點(diǎn)。

Z-Wave協(xié)議主要用于家居控制和監(jiān)控，屬于專有協(xié)議。家庭安全公司使用 Z-Wave 無線協(xié)議來構(gòu)建門窗傳感器、火災(zāi)檢測器、恒溫器和其他家居自動化設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，這個網(wǎng)絡(luò)可通過高級別應(yīng)用訪問，甚至在Web上進(jìn)行訪問。Z-Wave最適合低帶寬的 1 GHz 以下部署。

Z-Wave所制定的應(yīng)用協(xié)議能夠規(guī)范設(shè)備相互通信的方式，實(shí)現(xiàn)真正的家庭設(shè)備對設(shè)備通信。但是，這個標(biāo)準(zhǔn)被一家公司所控制，難以實(shí)現(xiàn)發(fā)展和擴(kuò)展。應(yīng)用層協(xié)議不適用于 IP，需要轉(zhuǎn)換成 IP 協(xié)議，才能實(shí)現(xiàn)設(shè)備對云端或手機(jī)的通信。Z-Wave 不屬于開放標(biāo)準(zhǔn)，需要地址和應(yīng)用轉(zhuǎn)換才能與互聯(lián)網(wǎng)上的設(shè)備進(jìn)行通信。Z-Wave 需要網(wǎng)關(guān)才能運(yùn)行，進(jìn)而給網(wǎng)絡(luò)帶來了單一故障點(diǎn)。此外，該協(xié)議假設(shè)設(shè)備處于靜態(tài)，禁止移動設(shè)備(例如遙控器)加入網(wǎng)絡(luò)。

Thread

Thread是一種全新的開放標(biāo)準(zhǔn)，能夠向網(wǎng)絡(luò)上的每一臺設(shè)備分配互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)地址，并且該 IP 地址可通過節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展。Thread 無需應(yīng)用網(wǎng)關(guān)，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備對設(shè)備通信。請注意,消除網(wǎng)關(guān)需求(或者允許多個網(wǎng)關(guān))也會消除單一故障點(diǎn)，這在需要始終開啟的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中非常必要。Thread 有三個主要優(yōu)點(diǎn)： 可擴(kuò)展性、互操作性、更廉價且更簡單的硬件。

盡管 Thread 正在發(fā)展中，但無需推遲互聯(lián)家居產(chǎn)品的開發(fā)。使用現(xiàn)有的802.15.4芯片的任何產(chǎn)品均可通過無線方式(OTA)更新至基于 IP 的 Thread 協(xié)議。這能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)的持續(xù)部署，并且知道它們可在系統(tǒng)準(zhǔn)備好時更新至 Thread。

安全性和互聯(lián)家居

安全性已在軟件協(xié)議棧的深層次構(gòu)建到很多現(xiàn)有的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)家居協(xié)議中，例如在 802.15.4 MAC 層使用 AES 加密。流量始終經(jīng)過加密，并且借助于全新的身份驗(yàn)證技術(shù)，所有節(jié)點(diǎn)都能夠要求先進(jìn)行身份驗(yàn)證，才可相互通信以及與網(wǎng)絡(luò)通信。在軟件協(xié)議棧中使用較低安全性的設(shè)備，其安全性只能達(dá)到和新設(shè)備中安裝密鑰的方法同樣的水平。存在于密鑰安裝或設(shè)備中的弱點(diǎn)是需要更新整個系統(tǒng)的密鑰。

IP連接性和互聯(lián)家居

家庭中的現(xiàn)有協(xié)議混合著 IP 協(xié)議棧和非 IP 協(xié)議棧。其他市場和網(wǎng)絡(luò)已匯聚到 IP協(xié)議上，因?yàn)樗芴峁┖芏嗖煌膶ぶ?、路由和安全機(jī)制，這些機(jī)制可針對特定的網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備進(jìn)行選擇，還能夠?qū)崿F(xiàn)端對端尋址能力和消息路由，無需應(yīng)用層轉(zhuǎn)換。

互聯(lián)網(wǎng)向其他行業(yè)和市場板塊的快速擴(kuò)展體現(xiàn)了這種技術(shù)轉(zhuǎn)變?nèi)绾未龠M(jìn)新服務(wù)和設(shè)備在相應(yīng) IP 基礎(chǔ)架構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新和快速發(fā)展。IP 的使用還能夠在不同 MAC/PHY 之間實(shí)現(xiàn)底層技術(shù)和橋接設(shè)備的混用。這樣一來，接入以太網(wǎng)的家用計算機(jī)上運(yùn)行的應(yīng)用能夠通過 Wi-Fi 或蜂窩連接在移動通信設(shè)備上運(yùn)行。在很多新應(yīng)用領(lǐng)域，消費(fèi)者希望在家中以及出門在外時利用手機(jī)進(jìn)行控制。這類無縫連接性在這些領(lǐng)域非常重要。

在互聯(lián)家居領(lǐng)域，大量的公司正在創(chuàng)新和研發(fā)新的設(shè)備和服務(wù)。某些服務(wù)需要高帶寬，更適合使用 Wi-Fi，其他設(shè)備則為存在局限性的電池供電傳感器，更適合使用目前的 802.15.4 低功耗無線網(wǎng)絡(luò)和 ZigBee 協(xié)議棧，并在未來遷移至 Thread 協(xié)議棧。

總 結(jié)