構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線協(xié)議有哪些？

目前,互聯(lián)家居主要使用六種無(wú)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(shè)計(jì)選擇合適的組合是開(kāi)發(fā)流程的重要一步,因?yàn)闆](méi)有任何一個(gè)協(xié)議能夠提供通用的解決方案。為了幫助設(shè)計(jì)人員了解每項(xiàng)協(xié)議最適合哪種用例，Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）將通過(guò)本篇技術(shù)干貨文章分析最常用的無(wú)線協(xié)議。


1GHz以下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)
對(duì)于家庭安全和自動(dòng)化等低數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用,相比于2.4GHz頻帶的Wi Fi、Bluetooth和ZigBee等更強(qiáng)大且功能豐富的協(xié)議,1GHz以下網(wǎng)絡(luò)(運(yùn)行頻率低于1GHz)能夠提供更實(shí)在的益處。
距離是1GHz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(huì)在節(jié)點(diǎn)之間跳躍。但是,長(zhǎng)距離也存在鄰近設(shè)備的干擾增強(qiáng)這一問(wèn)題。在有多個(gè)1GHz以下頻率的區(qū)域,低干擾是一種優(yōu)勢(shì),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(huì)限制設(shè)備傳輸?shù)臅r(shí)間。最后,1GHz以下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與2.4GHz協(xié)議相比,功耗也非常低。

但是,1GHz以下網(wǎng)絡(luò)并非完全適合互聯(lián)家居的各個(gè)方面。很多現(xiàn)有的1GHz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(lái)與其他系統(tǒng)通信。在使用1GHz以下無(wú)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數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和控制的通信可能會(huì)更加復(fù)雜。在試圖了解無(wú)線協(xié)議格局時(shí),應(yīng)了解802.11b/g/n型設(shè)備和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)之間的差異。對(duì)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(huì)注意到在星形網(wǎng)絡(luò)中,所有流量通過(guò)中心點(diǎn),而網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)則提供設(shè)備對(duì)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?huì)在家里使用到它,且歷史已超過(guò)十年。Wi-Fi的普及得益于電氣電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)通過(guò)字母代號(hào)(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(jiǎn)單”,并且在現(xiàn)代家庭中無(wú)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(duì)Wi-Fi路由器進(jìn)行復(fù)位,排查基本問(wèn)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(duì)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(duì)設(shè)備通信非常復(fù)雜,甚至無(wú)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(duì)設(shè)備市場(chǎng)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(huì)停止運(yùn)行。相對(duì)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(wèn)題。
例如,某些路由器的配置最多僅支持15臺(tái)設(shè)備,而互聯(lián)家居預(yù)計(jì)接近100臺(tái)設(shè)備。另一個(gè)問(wèn)題是各類數(shù)據(jù)源導(dǎo)致的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)。如果流媒體視頻和恒溫器發(fā)生爭(zhēng)用,那么兩個(gè)數(shù)據(jù)流都不會(huì)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(zhēng)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(wú)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(jì),能夠利用2.4GHz上的無(wú)授權(quán)ISM頻帶。Bluetooth包括多項(xiàng)功能,從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)流式音頻傳輸?shù)酱笠?guī)模多對(duì)多(m:m)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

BluetoothBR/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(wú)需特殊的網(wǎng)關(guān)即可工作,因?yàn)樗咽褂昧?a href="http://ttokpm.com/v/" target="_blank">智能手機(jī)或移動(dòng)設(shè)備,但也存在一些缺點(diǎn)。它僅支持點(diǎn)對(duì)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(wú)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(cè)重于降低功耗,同時(shí)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,BluetoothSIG曾多次更新BluetoothLE核心規(guī)格,每個(gè)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(jiàn)的802.11 Wi-Fi)。zigbee目前主要用于家居自動(dòng)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(duì)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(kāi)發(fā),因此既有健康的產(chǎn)品生態(tài)系統(tǒng),也存在有競(jìng)爭(zhēng)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(wèn)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(gè)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(huì)造成網(wǎng)關(guān)上出現(xiàn)潛在故障點(diǎn)。

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(wú)線協(xié)議來(lái)構(gòu)建門(mén)窗傳感器、火災(zāi)檢測(cè)器、恒溫器和其他家居自動(dòng)化設(shè)備的網(wǎng)絡(luò),這個(gè)網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)高級(jí)別應(yīng)用訪問(wèn),甚至在Web上進(jìn)行訪問(wèn)。Z Wave最適合低帶寬的1GHz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(duì)設(shè)備通信。


但是,這個(gè)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(duì)云端或手機(jī)的通信。Z Wave不屬于開(kāi)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(lái)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(dòng)設(shè)備(例如遙控器)加入網(wǎng)絡(luò)。

Thread
Thread是一種全新的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn),能夠向網(wǎng)絡(luò)上的每一臺(tái)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(guò)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展。Thread無(wú)需應(yīng)用網(wǎng)關(guān),即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備對(duì)設(shè)備通信。請(qǐng)注意,消除網(wǎng)關(guān)需求(或者允許多個(gè)網(wǎng)關(guān))也會(huì)消除單一故障點(diǎn),這在需要始終開(kāi)啟的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中非常必要。Thread有三個(gè)主要優(yōu)點(diǎn):可擴(kuò)展性、互操作性、更廉價(jià)且更簡(jiǎn)單的硬件。盡管Thread正在發(fā)展中,但無(wú)需推遲互聯(lián)家居產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。使用現(xiàn)有的802.15.4芯片的任何產(chǎn)品均可通過(guò)無(wú)線方式(OTA)更新至基于IP 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(shí)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(guò)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(gè)系統(tǒng)的密鑰。

IP安全性和互聯(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(chǎng)和網(wǎng)絡(luò)已匯聚到IP協(xié)議上,因?yàn)樗芴峁┖芏嗖煌膶ぶ贰⒙酚珊桶踩珯C(jī)制,這些機(jī)制可針對(duì)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(duì)端尋址能力和消息路由,無(wú)需應(yīng)用層轉(zhuǎn)換?；ヂ?lián)網(wǎng)向其他行業(yè)和市場(chǎng)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(lái),接入以太網(wǎng)的家用計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的應(yīng)用能夠通過(guò)Wi Fi或蜂窩連接在移動(dòng)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(mén)在外時(shí)利用手機(jī)進(jìn)行控制。這類無(wú)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)和ZigBee協(xié)議棧,并在未來(lái)遷移至Thread協(xié)議棧。

總結(jié)
隨著物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)家居越來(lái)越熱門(mén),像智能手機(jī)一樣,家中同時(shí)運(yùn)行多種協(xié)議的現(xiàn)象會(huì)變得很常見(jiàn)。這不在于一項(xiàng)協(xié)議的成敗,而是要找到合適的協(xié)議組合,讓您的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)相互通信以及與網(wǎng)關(guān)、云端和消費(fèi)者通信。您預(yù)期會(huì)在家中使用哪些應(yīng)用?我們可能無(wú)法在短期內(nèi)用上飛行汽車,但是隨著設(shè)備和協(xié)議的增多,無(wú)縫協(xié)作的互聯(lián)家居不久便會(huì)成為現(xiàn)實(shí),這將讓我們的環(huán)境更加便利、舒適和節(jié)能。