關鍵詞： 無線網(wǎng)橋 , RF傳感器 , 6LoWPAN , Wi-Fi , 藍牙

作者：
Indar Prakash Singhal
意法半導體
印度大諾伊達
indar.singhal@st.com
Prashant Pandey
意法半導體
印度大諾伊達
prashant-mpa.pandey@st.com
Raunaque Mujeeb Quaiser
意法半導體
印度大諾伊達
raunaque.quaiser@st.com

摘要

有關物聯(lián)網(wǎng)將能實現(xiàn)資源利用高效化、智能化的論述提高了科技界以及消費者對物聯(lián)網(wǎng)的期待。物聯(lián)網(wǎng)(IoT)需要給我們周圍的日用物品（物）增加感知和聯(lián)網(wǎng)功能，將其變成一個網(wǎng)絡節(jié)點。不過，受到功率大小和運算能力限制，直接將物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點連接到公共網(wǎng)絡有時是行不通的。IoT網(wǎng)關能夠利用適合的聯(lián)網(wǎng)技術，把資源有限的“物”連接到規(guī)模更大的網(wǎng)絡。有多種技術可用于“物”與網(wǎng)關之間的連接通信。同樣，IoT網(wǎng)關與云端的通信也有多種網(wǎng)絡協(xié)議可用。IoT網(wǎng)關設計面臨很多挑戰(zhàn)和難題，例如，數(shù)據(jù)安全、身份驗證和設備開通。對于一個具體應用，做出正確的選擇，不是一件小事。本文介紹一個“無線網(wǎng)橋”的IoT網(wǎng)關平臺架構，該網(wǎng)關平臺靈活可變，支持不同的無線通信技術。我們還將探討“物”與“云”通過IoT網(wǎng)關平臺交換信息所需的多種聯(lián)網(wǎng)技術和網(wǎng)絡協(xié)議。本文有助于設計人員開發(fā)安全、靈活、可擴展的IoT網(wǎng)關。

關鍵詞 — 物聯(lián)網(wǎng)（IoT），無線網(wǎng)橋，RF傳感器節(jié)點， 6LoWPAN，Wi-Fi，藍牙，NFC , Sub GHz

前言

物聯(lián)網(wǎng)就是一個物品互聯(lián)網(wǎng)，這里的物品（物）內部有電子系統(tǒng)，具有感知和上報功能，支持遠程控制，有時還能做出簡單的決策。與物聯(lián)網(wǎng)相關的其它常用術語包括M2M(機器間通信)和IoE(萬物互聯(lián))。將內部有電子系統(tǒng)的物品連接到網(wǎng)絡的概念由來已久。大致瀏覽一下相關資料后發(fā)現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)似乎不是什么新概念。不過，物聯(lián)網(wǎng)和傳統(tǒng)的機器間通信還是略有不同的。物聯(lián)網(wǎng)的目標是將所有能夠與用戶互動的設備（物）都連接在一起，包括通常不聯(lián)網(wǎng)的設備，實現(xiàn)萬物互聯(lián)。第二個不同之處是，物聯(lián)網(wǎng)打算沿用現(xiàn)有的基于IP的網(wǎng)絡，建立一個全球規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)，而這一代機器間通信技術則是建立專用通信網(wǎng)絡基礎設施。物聯(lián)網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)的概念可提高物聯(lián)網(wǎng)延伸距離，同時也使物聯(lián)網(wǎng)技術面臨一些獨特的挑戰(zhàn)。其中一個挑戰(zhàn)是，受限于系統(tǒng)內存、數(shù)據(jù)存儲容量和計算能力，很多物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點無法直接連接基于IP的網(wǎng)絡。IoT網(wǎng)關可以填補這塊空白，在基于IP的公共網(wǎng)絡與本地物聯(lián)網(wǎng)之間架起一座網(wǎng)絡橋梁，同時還能提供數(shù)據(jù)安全、存儲和處理服務，盡可能地提高物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點終端設備的成本效益和能效。此外，網(wǎng)關還能讓網(wǎng)內設備使用不同的通信技術相互對話。不幸地是，影響設計的不確定因素太多，設計一個面向未來的IoT網(wǎng)關是一項十分艱巨的任務。物聯(lián)網(wǎng)市場碎片化嚴重，廠商數(shù)以萬計，缺少統(tǒng)一的標準。目前有關物聯(lián)網(wǎng)的技術規(guī)范過多，每家科技企業(yè)都各自為陣，只推廣自有技術。本文旨在于概述目前市場所有的可用技術，不深入介紹廠商的具體通信協(xié)議。

IOT網(wǎng)關的設計挑戰(zhàn)

節(jié)點連接: 將網(wǎng)關連接到物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，需要選用一種近距離射頻(RF)通信技術。選擇射頻技術時需要比較各種參數(shù)，例如頻帶、調制方法、信道數(shù)量、數(shù)據(jù)速率、延遲、穩(wěn)健性等。此外，還要考慮本地行業(yè)法規(guī)的相關規(guī)定。如果是節(jié)點類型相同的同構網(wǎng)絡，射頻技術選擇就比較容易。相反，如果網(wǎng)內有多種不同的節(jié)點，有不同的需求，射頻選擇就會復雜很多。

后臺連接: IoT網(wǎng)關與節(jié)點的連接可以使用近距離射頻技術，而網(wǎng)關與互聯(lián)網(wǎng)的連接則需要遠距離通信技術。選擇這項技術時需要考慮帶寬需求和本地現(xiàn)有可用的連接技術，還要考慮是否是關鍵應用。因為每個地區(qū)的網(wǎng)絡連接技術都不盡相同，所以準備多個后臺連接方法是一個不錯的主意。

管理服務器: 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點作為獨立的實體，通常不接受網(wǎng)絡設備（通過網(wǎng)關）的訪問請求。較為普遍做法是通過中央服務器管理網(wǎng)絡節(jié)點，同時IoT網(wǎng)關為服務器提供通信支持，因此，我們需要選擇網(wǎng)關與管理服務器之間的通信協(xié)議。

本地智能: 在真云架構中，節(jié)點將全部數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進行處理和控制。不過，這種設定并不是很理想，因為毫無價值的數(shù)據(jù)也會發(fā)到云服務器，導致帶寬浪費、服務器負荷增加，甚至連接斷開時還會丟失數(shù)據(jù)。邊緣計算概念解決了這個問題。如果IoT網(wǎng)關在本地承擔大部分決策工作，只向云端發(fā)送過慮后的有價值的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)運行將會變得更加高效。出于靈活性考慮，網(wǎng)關決策邏輯可以由服務器設定。本地智能程度和類型取決于實際應用，如果會影響網(wǎng)關設計決策，應給予深度考慮。

需要考慮的功率因素: 網(wǎng)關電源也會影響我們的設計定案。因為廣泛用于物聯(lián)網(wǎng)設備，所以傳感器網(wǎng)絡應盡可能從環(huán)境中汲取能量。

數(shù)據(jù)安全: 這是決定大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)能成敗的關鍵要素。隨著網(wǎng)絡成更多應用(某些應用實際上是關鍵應用)的重要組成部分，數(shù)據(jù)安全變得更加重要。安全問題應落實到每一個設計階段，而在設計任務全部完成后再增加安全功能的做法是錯誤的。

可維護: 這是一個經(jīng)常被忽視的需求。歷史經(jīng)驗告訴我們，沒有系統(tǒng)是完美無缺的。不管部署前做過多少測試，部署后還會發(fā)現(xiàn)安全缺陷、隱患和漏洞。IoT網(wǎng)關和節(jié)點必須支持現(xiàn)場維護和更新功能。設備維護不應只依賴遠程維護，還應有更多的聯(lián)網(wǎng)方法可選。

下面我們詳細討論現(xiàn)有聯(lián)網(wǎng)技術，以及每種連接技術可用于哪些場景。

節(jié)點連接技術

目前，藍牙、Wi-Fi、NFC、ZigBee是大家非常熟悉的無線通信技術。此外，新興聯(lián)網(wǎng)技術，例如Sub GHz、Thread、ANT、Z-Wave，可直接用于智能家居、智慧城市、智能照明和智能表計。

根據(jù)實際應用情況，功耗、數(shù)據(jù)速率、工作頻率、電池續(xù)航能力是決定選擇哪一種或一些聯(lián)網(wǎng)技術的主要因素。本文后面的表1比較了當今主要無線通信技術的特性。

后臺連接:

網(wǎng)關與管理服務器(后臺)的連接需要選擇回程連接技術以及通信協(xié)議?；爻踢B接是IoT網(wǎng)關到ISP互聯(lián)網(wǎng)服務提供商端點之間的遠距離連接。2G/3G/LTE等移動通信技術是當前最熱的回程鏈路技術。此外，智能路燈等應用還可以使用電力線通信(PLC)技術。高帶寬應用可以選用光纖通信技術。沒有被移動網(wǎng)絡覆蓋的邊遠地區(qū)，可以選用衛(wèi)星通信或微波點對點連接技術。

通信協(xié)議

有很多通信協(xié)議可用于IoT網(wǎng)關與云服務器之間的通信。這里我們討論一些比較熱門的技術及其優(yōu)缺點。

Plain HTTP: 這是目前普及度最高的網(wǎng)絡協(xié)議，被服務器廠商廣泛接受，得到互聯(lián)網(wǎng)標準的支持，兼容性問題最少，無縫支持RESTful API。不過，這項技術的缺點是開銷太大，體現(xiàn)在HTTP報頭和基于文本的格式方面。Plain HTTP雖然運行在TCP之上，但還是一種無狀態(tài)協(xié)議，不適合即時通信應用。客戶端必須發(fā)送一個請求信號，才能收到服務器的應答（命令）。為收到服務器的更新信息，客戶端必須不斷地輪詢服務器。

CoAP: 資源受限型應用協(xié)議，可以認為是二進制版的HTTP，對HTTP協(xié)議的一些局限性做了改進，擁有非常準確的報頭，支持二進制數(shù)據(jù)格式，因此降低了開銷；可運行在TCP或其它傳輸層甚至SMS之上。CoAP數(shù)據(jù)包很容易轉換成HTTP包。不過，因為缺乏對互聯(lián)網(wǎng)基礎設施的支持，此技術不能很好地兼容防火墻、代理服務器和路由器。因此，這項協(xié)議通常只適用于傳感器網(wǎng)絡內的私有網(wǎng)絡。

Web sockets: 這是一個互聯(lián)網(wǎng)標準支持的新的網(wǎng)絡協(xié)議，采用與HTTP相同的尋址和握手方法，兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡基礎設施。在完成握手對話后，立即轉換成TCP之上的雙工通信，適合即時雙向通信，特別適合主機共享的虛擬主機環(huán)境和代理服務器后面的網(wǎng)關。

MQTT: 也是一個深受市場歡迎的運行在TCP層之上（可選）的網(wǎng)絡協(xié)議，有一個主題訂閱模式，更適合向相關網(wǎng)關廣播信息，同時還適用于網(wǎng)關與服務器通信，具有一些適合物聯(lián)網(wǎng)應用的功能，例如，最后一條消息永久存在和遺囑消息。

AMQP: 這或許是最適合網(wǎng)關與服務器通信的網(wǎng)絡協(xié)議。該協(xié)議的作用相當于一個存儲隊列，即便臨時斷網(wǎng)，也確保數(shù)據(jù)包不會丟失。

XMPP: 可擴展消息處理與現(xiàn)場協(xié)議，是聊天客戶端廣泛使用的即時通信協(xié)議，對很多功能進行了標準化，例如，用戶驗證和消息ID。不過，因為技術規(guī)范十分復雜，數(shù)據(jù)交換采用冗長的XML格式，所以不適合物聯(lián)網(wǎng)應用。

2017-8-1 10:29:36 上傳