比较低功率无线技术(第3部分)---凯利讯半导体

　　本系列文章的第1部分和第2部分描述了流行的无线选项、它们的关键操作属性和设计基础。在第3部分中，我们将着眼于解决物联网需求的新技术。

　　当涉及到低功率无线技术时，有很多选择。然而，低功率无线网络的需求持续增长，行业也在响应。例如，特殊利益集团、联盟和论坛，他们关注各种各样的无线技术，现在正在发展他们的技术，使它们更适用于蓬勃发展的物联网(物联网)。

　　本文描述了IoT所要求的最重要的协议更改及其对设计项目的影响。注意前面两篇文章中描述的几种技术，特别是IrDA、Nike +和RF4CE，不针对IoT，因此这里没有讨论它们。然而，一些新技术的出现是为了满足物联网的需求，尤其是线程和无线网络的HaLow。

　　使连接

　　许多低功耗的无线技术是在物联网完全成形之前设计的。例如，蓝牙低能量最初是用来连接外围设备的，比如心率皮带和计步器，比如运动手表或手机。将数据从蓝牙低能量传感器发送到远程云服务器并不是原始规范的目标。

　　当对成千上万个微型无线传感器的数据进行整理和分析后，它将成为IoT的一个关键优势时，竞争的低功率无线协议的托管者开始调整他们的技术来应对。

　　这些变化的关键是利用网关将短距离无线技术连接到互联网上。对于消费者应用程序，智能手机作为网关，在商业或工业应用中，wi - fi路由器或私有网关都是选项。网关在网络应用层上运行，分解来自低功耗无线网络的数据，并通过网络友好的TCP / IP协议栈将其重新组装起来。类似地，从因特网上获取的信息可以重新组装并传送回传感器(图1)。

　　连接互联网的ZigBee网络网关图

　　图1:ZigBee网络使用网关连接互联网。信息可以双向流动。(图片来源:凯利讯半导体)

　　或者，一些低功耗无线协议，比如线程，包括一个基于ipv6的低功耗无线个人区域网络(6LoWPAN)适配器层，在IEEE 802.15.4链路层和节点本身的TCP / IP堆栈驻留之间。这样的适应层使低功耗无线传感器可以直接与互联网上的其他设备通信。这使得昂贵和复杂的网关被一个更简单的IP层边缘路由器或桥取代，将传感器数据转发到云。

　　IP层路由器也比网络应用程序层网关更灵活，因为连接的传感器可以通过附加的应用程序修改或改进，而不需要改变网关。

　　IoT传感器应用的第二个关键需求是网络支持。一些低功耗的无线技术，特别是ANT +和ZigBee，在最初的发射中包含了mesh支持，而其他的诸如蓝牙低能的技术只是最近才加入。网格网络允许设备与网络上的任何其他节点通信，而无需通过中心“集线器”设备传递信息。Mesh网络扩展了范围、灵活性和冗余性，特别适合于IoT应用程序。

　　增强的物联网

　　让我们考虑一下每个无线协议是如何演变为物联网应用的。

　　近场通信:乍一看，近场通信(NFC)似乎与这里讨论的其他物联网技术没有什么共同之处。NFC的范围和带宽有限，无法形成网状网络。此外，NFC不能向云发送数据。

　　但是，这项技术将在IoT中发挥关键作用，作为更主流的IoT协议的补充，特别是用于连接和调试(或“安全地引入”)新设备到网络。

　　提出IoT的一个挑战是，目前没有一个行业标准来连接和调试IoT传感器到网络。其结果是专有解决方案的激增。为了使调试更加混乱，许多IoT设备都是“无头”单元，缺少用户界面。

　　NFC是一种可互操作的、基于开放标准的无线协议，提供了一个解决方案。例如，NFC可以大大简化无头蓝牙低能量或ZigBee LED智能光的调试，使之成为智能家庭网。如果智能灯和相关的物联网网关配备了NFC标签，那么就可以将无动力的智能灯与动力网关和网络**交换。

　　然后，当智能灯插入到电灯插座上，并接通电源时，无线SoC读取**，并将该设备委托给网络。然后将**从NFC标签中删除，以保护它不被未经授权的人读取，网络参数被传输，以及为未来通信建立的安全的aes - 128加密无线连接(图2)。

　　用于无头物联网设备的NFC图

　　图2:NFC可用于无头物联网设备。在这个例子中，一个没有动力的灯泡通过NFC从网关获得一个网络**。**后来被用于在被删除之前在网络上建立加密的通信。(图片来源:凯利讯半导体)

　　Rigado bmd - 300蓝牙低能量模块(基于北欧半导体nRF52832手臂®M4F处理器的SoC)是无线解决方案,现在包括一个NFC标签调试无头物联网设备。

　　蓝芽低能量:蓝牙低能量的托管人，蓝牙特别兴趣小组(SIG)已经从面向消费者的个人区域网络(PAN)到IoT目标区域网络(LAN)进行了大量的工作。

　　其中包括:

　　一种设备可以同时充当“外围”和“中心”的功能。

　　添加了创建专用通道的方法，该方法可用于IPv6通信(都添加到蓝牙4.1中)。

　　添加了因特网协议支持概要文件(IPSP)，允许蓝牙低能量设备与任何其他IPv6支持的设备通信。

　　高强度安全。

　　增加最大发射功率。

　　包长度的增加(所有上述添加的蓝牙4.2)。

　　增加吞吐量。

　　增加的范围(上述两个增加的蓝牙5)。

　　关于这些变化的更多细节，请参见数字化图书馆的文章，“蓝牙4.1,4.2和5兼容蓝牙低能量SoCs和工具，满足了IoT的挑战(第一部分)”。

　　最近，蓝牙SIG已经添加了蓝牙网格1.0，这是一种将网格拓扑添加到蓝牙技术的网络支持的配置文件。网格配置文件不局限于符合最新版本的规范的芯片，蓝牙5，相反，它向后兼容所有的蓝牙低能量芯片(从蓝牙4.0开始)。

　　详细说明固件包括7层标准蓝牙低能量物理层(PHY)和4种类型的节点，包括“低功耗”类型和“代理”类型。后者是值得注意的，因为它们支持蓝牙低能量设备，目前不直接支持蓝牙网格(例如，今天的智能手机)连接到一个蓝牙网格网络。例如，这种功能将允许智能照明制造商引入可以直接从当代手机直接控制的网状网络系统(图3)。

　　蓝牙网格(P)节点图

　　图3:蓝牙网格功能的节点，允许今天的智能手机控制智能照明等应用。(图片来源:蓝牙特别兴趣小组)

　　北欧半导体公司是首批提供蓝牙网格1.0支持的蓝牙低能源芯片厂商之一，其nRF5软件开发工具包(SDK)用于网格。对话半导体的DA14586蓝牙5 SoC据说也支持蓝牙网。

　　ANT:由Dynastream开发，ANT和ANT +一直支持网格，但是最近的增强是以ANT火焰的形式出现的，这是一种用于在大型企业环境中处理高节点数IoT应用程序的网格网络技术。

　　该技术可同时连接多达500个节点，并可在D52 ANT SoC模块上使用，可将增强的网格网络添加到模块的并发ANT / Bluetooth低能量连接能力中。ANT火焰的关键优势之一是，在wi - fi和蓝牙低能量/蓝牙环境中操作时，它相对较高的抗干扰能力。

　　一个升级的D52 ANT SoC模块Starter Kit(D52DK2)和一个新发布的D52EXT1扩展包，其中包括四个电池驱动的节点，为开发人员提供了创建和验证他们的IoT用例解决方案所需的专门设计的开发工具。

　　ZigBee联盟表示，该技术最初是为云连接和网格拓扑操作设计的。因此，与竞争技术相比，ZigBee在最近的IoT相关的调整中受到较少的影响。

　　因为ZigBee一直是为网格拓扑设计的，所以它很容易在IoT应用程序(比如智能建筑)中具有可伸缩性和高容错能力。此外，ZigBee协议套件包括标准的调试、安全、网络和设备管理程序。各种设备类型可以连接并在网络中进行身份验证，并以可互操作的方式进行工厂复位或退役。

　　ZigBee使用它的250 Kbits/ s吞吐量来承载两个应用程序数据来操作设备

　　(比如切换开关)和网络管理程序，如网格和路由管理。

　　“ZigBee PRO 2017”今年早些时候的发布使得一个“ZigBee”网状网络可以在全球某些地区的800到900兆赫频段内运行(提升范围)或全球2.4 GHz波段。PRO 2017建立在ZigBee PRO的早期版本上，它为强大的部署提供了额外的功能，包括增强安全性和ZigBee。

　　Digi International的XBee ZigBee Mesh工具包为开发人员提供了一个具有成本效益的进入ZigBee PRO Mesh网络的入口。该工具包附带了一个开发板、三个ZigBee模块和一个基于web的教程，介绍了网状网络。XBee套件的模块是基于硅实验室的EM3587 ZigBee SoC，它提供了250 Kbits/ s的数据速率和- 101 dBm灵敏度的90 m室内范围(图4)。

　　来自硅实验室的EM3587 ZigBee SoC图(点击放大)

　　图4:来自硅实验室的EM3587 ZigBee SoC的数据速率为250 Kbits/ s，对90 m室内范围的灵敏度为- 101 dBm。

　　线程:虽然6LoWPAN的采用承诺了节点上的IP连接，但是由于互操作性问题，它的捕获速度很慢。由谷歌开发和推广的一项协议，三星和一些希望直接将低功耗无线节点连接到IP网络的硅供应商，被引入到解决互操作性的路障。

　　线程的优势是基于IEEE 802.15.4 2006规范，6LoWPAN和mesh支持的集成(图5)。

　　基于IEEE 802.15.4 PHY和MAC的线程协议图

　　图5:线程协议构建在IEEE 802.15.4 . PHY和MAC上，并合并了一个6LoWPAN adaption层。(图片来源:线程组)

　　线程是2.4 GHz协议，提供高达250 kbit / s的数据速率，并且可以在一个本地网络网格中支持多达250个设备。与云的最终连接是通过一个或多个“边界”IP路由器。这个路由器实际上是网络中的一个线程设备，但是它有一个附加的ip兼容接口(如wi - fi、以太网或蜂窝网络)来完成从网络到Internet的路径。如果主路由器失败，线程网络中的其他设备可以透明地升级到路由器，从而在网络连接冗余中建立网络。

　　线程组管理的认证程序支持线程设备之间的互操作。许多产品制造商使用谷歌的OpenThread，这是线程网络协议的一个开源实现。例如，德州仪器的CC2538，一个基于ARM M3处理器的IEEE 802.15.4操作的无线SoC，可以运行OpenThread协议，并且是线程认证的。类似的，北欧半导体的nRF52840，一个基于M4F处理器的蓝牙低能量的无线SoC,ANT和IEEE 802.15.4操作，也运行OpenThread，并且是线程认证的。

　　wi - fi HaLow:wi - fi已经在消费者和工业领域都细分为无线局域网(WLANs)的标准。然而，它相对较高的功耗使得这项技术在电池动力传感器上没有竞争力。wi - fi联盟计划改变这一切，以低功率的wi - fi形式在新兴的物联网领域占一分，基于IEEE 802.11 ah，并被称为“HaLow”。

　　通过利用其他低功率无线技术所使用的超低负载循环来降低能耗，据称这一周期约占传统wi - fi芯片消耗的1%(因此可以与蓝牙低能量相媲美)。

　　HaLow在900兆赫(MHz)ISM波段操作，这一波段将其范围扩大到如今的wi - fi的两倍，这一范围据称可与蓝牙5的900兆赫(MHz)操作相媲美。它比传统的wi - fi 2.4或5 GHz更有活力，因为信号被墙壁和其他固体障碍物减弱了。

　　吞吐量取决于空间流的数量、调制技术、编码速率和通道宽度。更高的吞吐量将不可避免地损害电力消耗。使用单一的空间流，BPSK调制，1 / 2编码速率和2 MHz通道宽度，吞吐量为650 Kbits/ s。在顶部，使用4个空间流，256个QAM调制，5 / 6编码速率和16兆赫的通道宽度，吞吐量是347 Mbits/ s。

　　wi - fi HaLow将支持网状网络，因为它基于现有的wi - fi协议，该技术将包括在节点上的IP支持，但也将与下一代wi - fi路由器兼容。

　　由于最近的介绍，目前还没有商业上可用的wi - fi、芯片组或模块，尽管一些硅供应商正在开发原型产品。

　　无线网络的选择取决于应用

　　考虑到每种无线技术的细微差别，使用哪一种技术的选择取决于应用程序的需求，因此开发一个比较表非常有用(表1)。

　　表1:物联网应用关键协议的比较。

　　所有的技术都能做的很好，但是正如所显示的，有些技术使用的电量更少，而另一些则提供了更好的吞吐量。有的提供远程，有的提供更大的干扰豁免。一些公司提供智能手机或无线接入点的互操作性，而另一些则得到了大型行业联盟的支持。每一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、往往是意料之外的应用需求。

　　结论

　　对于每个应用程序，都有几种低功耗的无线技术选项，这些都是由良好的设计工具和供应商支持所支持的。选择取决于规范和应用程序。

　　无线领域似乎不太可能被单一的协议或行业组织所控制。很有可能，协议将越来越多地协同工作，以利用每一个协议的优势。期待看到更多的合作伙伴，比如蓝牙低能量或ZigBee和NFC，以及线程，蓝牙低能或ZigBee和IPv6。同时，希望每个人都能适应物联网的需求。