構成物聯網的無線協(xié)議有哪些？

目前,互聯家居主要使用六種無線通信協(xié)議,分別為1GHz以下(Sub GHz)、Wi Fi、Bluetooth、zigbee、ZWave和Thread。這些協(xié)議都有一席之地,為您的設計選擇合適的組合是開發(fā)流程的重要一步,因為沒有任何一個協(xié)議能夠提供通用的解決方案。為了幫助設計人員了解每項協(xié)議最適合哪種用例，Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）將通過本篇技術干貨文章分析最常用的無線協(xié)議。


1GHz以下無線網絡
對于家庭安全和自動化等低數據速率的應用,相比于2.4GHz頻帶的Wi Fi、Bluetooth和ZigBee等更強大且功能豐富的協(xié)議,1GHz以下網絡(運行頻率低于1GHz)能夠提供更實在的益處。
距離是1GHz以下網絡的突出優(yōu)點之一。窄帶傳輸在一公里或以上距離可實現連續(xù)運行。它們可向遠距離集線器傳輸數據,不會在節(jié)點之間跳躍。但是,長距離也存在鄰近設備的干擾增強這一問題。在有多個1GHz以下頻率的區(qū)域,低干擾是一種優(yōu)勢,這些頻率不如2.4GHz頻帶那么“擁擠”。但在某些區(qū)域,可用的1GHz以下頻道較少,并且存在占空比約束,會限制設備傳輸的時間。最后,1GHz以下無線網絡與2.4GHz協(xié)議相比,功耗也非常低。

但是,1GHz以下網絡并非完全適合互聯家居的各個方面。很多現有的1GHz以下網絡使用專有協(xié)議,屬于封閉系統(tǒng)。此類系統(tǒng)通常需要應用轉換來與其他系統(tǒng)通信。在使用1GHz以下無線網絡的情況下,家庭之間的通信以及可能駐留于云端數據業(yè)務和控制的通信可能會更加復雜。在試圖了解無線協(xié)議格局時,應了解802.11b/g/n型設備和網狀網絡之間的差異。對比星形網絡(典型的802.11部署)和網狀網絡(典型的ZigBee和Thread),您可能首先會注意到在星形網絡中,所有流量通過中心點,而網狀網絡則提供設備對設備的連接。

Wi-Fi(802.11)
Wi-Fi是目前最知名的協(xié)議,因為大部分人每天都會在家里使用到它,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)提供的標準和更新,而Wi-Fi Alliance則管理著設備的認證和品牌推廣。Wi-Fi的主要優(yōu)點是其熟悉度,也就是人們認為它比其他協(xié)議更加“簡單”,并且在現代家庭中無處不在。畢竟,Wi-Fi的前身1991年就已誕生。目前,最了解技術的戶主(目前互聯家居產品的潛在客戶群)可對Wi-Fi路由器進行復位,排查基本問題。Wi-Fi定義了MAC層協(xié)議和安全性,但未定義設備的應用對象和通信方式。


這意味著,所有制造商都可以定義自己的應用層協(xié)議,設備對設備通信非常復雜,甚至無法實現,除非兩家公司共同定義這些協(xié)議。這限制了Wi-Fi在互聯家居設備對設備市場的應用。Wi-Fi還設定了網絡的中央接入點模型,即如果該接入點不工作,網絡則會停止運行。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備,但它在電池供電極為關鍵的應用中效果并不理想。Wi-Fi還存在著擴展性方面的問題。
例如,某些路由器的配置最多僅支持15臺設備,而互聯家居預計接近100臺設備。另一個問題是各類數據源導致的Wi-Fi網絡競爭。如果流媒體視頻和恒溫器發(fā)生爭用,那么兩個數據流都不會得到所需的帶寬。如果您認為流媒體電視節(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是藍牙技術聯盟(SIG)所管理的一項無線技術規(guī)格。Bluetooth專為短距離的數據傳輸和交換而設計,能夠利用2.4GHz上的無授權ISM頻帶。Bluetooth包括多項功能,從點對點流式音頻傳輸到大規(guī)模多對多(m:m)網狀網絡。

BluetoothBR/EDR
Bluetooth基本速率/增強數據速率(BR/EDR)是一種短距離通信協(xié)議,普遍用于智能手機應用。它無需特殊的網關即可工作,因為它已使用了智能手機或移動設備,但也存在一些缺點。它僅支持點對點網絡,因此距離和可靠性有限。如果您的智能手機不在端點距離內,則無法建立流式傳輸連接。

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

zigBee
zigbee最早在2004年實現標準化,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狀網絡以及很多工業(yè)應用。zigbee制定了一套應用協(xié)議,用于定義各類設備及其通信模式在家用和商用領域的設備對設備應用。這些應用協(xié)議在聯盟內部的公司之間開發(fā),因此既有健康的產品生態(tài)系統(tǒng),也存在有競爭關系的芯片供應商。
zigbee協(xié)議有很多優(yōu)點,包括可靠性、可擴展性以及自愈網狀網絡的能力。目前,zigbee所面臨的問題是應用標準的區(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設備需要兩個地址,以及應用層翻譯,才能與互聯網上的設備通信,這會造成網關上出現潛在故障點。

Z Wave
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)議來構建門窗傳感器、火災檢測器、恒溫器和其他家居自動化設備的網絡,這個網絡可通過高級別應用訪問,甚至在Web上進行訪問。Z Wave最適合低帶寬的1GHz以下部署。Z Wave所制定的應用協(xié)議能夠規(guī)范設備相互通信的方式,實現真正的家庭設備對設備通信。


但是,這個標準被一家公司所控制,難以實現發(fā)展和擴展。應用層協(xié)議不適用于IP,需要轉換成IP協(xié)議,才能實現設備對云端或手機的通信。Z Wave不屬于開放標準,需要地址和應用轉換才能與互聯網上的設備進行通信。Z Wave需要網關才能運行,進而給網絡帶來了單一故障點。此外,該協(xié)議假設設備處于靜態(tài),禁止移動設備(例如遙控器)加入網絡。

Thread
Thread是一種全新的開放標準,能夠向網絡上的每一臺設備分配互聯網協(xié)議(IP)地址,并且該IP地址可通過節(jié)點擴展。Thread無需應用網關,即可實現設備對設備通信。請注意,消除網關需求(或者允許多個網關)也會消除單一故障點,這在需要始終開啟的網狀網絡中非常必要。Thread有三個主要優(yōu)點:可擴展性、互操作性、更廉價且更簡單的硬件。盡管Thread正在發(fā)展中,但無需推遲互聯家居產品的開發(fā)。使用現有的802.15.4芯片的任何產品均可通過無線方式(OTA)更新至基于IP Thread協(xié)議。這能夠實現現有系統(tǒng)的持續(xù)部署,并且知道它們可在系統(tǒng)準備好時更新至Thread。

安全性和互聯家居
安全性已在軟件協(xié)議棧的深層次構建到很多現有的網狀網絡互聯家居協(xié)議中,例如在802.15.4 MAC層使用AES加密。流量始終經過加密,并且借助于全新的身份驗證技術,所有節(jié)點都能夠要求先進行身份驗證,才可相互通信以及與網絡通信。在軟件協(xié)議棧中使用較低安全性的設備,其安全性只能達到和新設備中安裝密鑰的方法同樣的水平。存在于密鑰安裝或設備中的弱點是需要更新整個系統(tǒng)的密鑰。

IP安全性和互聯家居
家庭中的現有協(xié)議混合著IP協(xié)議棧和非IP協(xié)議棧。其他市場和網絡已匯聚到IP協(xié)議上,因為它能提供很多不同的尋址、路由和安全機制,這些機制可針對特定的網
絡或設備進行選擇,還能夠實現端對端尋址能力和消息路由,無需應用層轉換?；ヂ摼W向其他行業(yè)和市場板塊的快速擴展體現了這種技術轉變如何促進新服務和設備在相應IP基礎架構上進行創(chuàng)新和快速發(fā)展。
IP的使用還能夠在不同MAC/PHY之間實現底層技術和橋接設備的混用。這樣一來,接入以太網的家用計算機上運行的應用能夠通過Wi Fi或蜂窩連接在移動通信設備上運行。在很多新應用領域,消費者希望在家中以及出門在外時利用手機進行控制。這類無縫連接性在這些領域非常重要。

在互聯家居領域,大量的公司正在創(chuàng)新和研發(fā)新的設備和服務。某些服務需要高帶寬,更適合使用Wi Fi,其他設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低功耗無線網絡和ZigBee協(xié)議棧,并在未來遷移至Thread協(xié)議棧。

總結
隨著物聯網和互聯家居越來越熱門,像智能手機一樣,家中同時運行多種協(xié)議的現象會變得很常見。這不在于一項協(xié)議的成敗,而是要找到合適的協(xié)議組合,讓您的物聯網應用實現相互通信以及與網關、云端和消費者通信。您預期會在家中使用哪些應用?我們可能無法在短期內用上飛行汽車,但是隨著設備和協(xié)議的增多,無縫協(xié)作的互聯家居不久便會成為現實,這將讓我們的環(huán)境更加便利、舒適和節(jié)能。