如何利用網(wǎng)關(guān)克服低功耗無線 LAN-IoT 連接難題

許多低功耗無線接口和協(xié)議，如低功耗藍(lán)牙、ZigBee、Thread 等，在智能家庭和智能工業(yè)傳感器網(wǎng)狀應(yīng)用中很常見。但是，開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)，這些射頻協(xié)議設(shè)計于物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 出現(xiàn)之前，因此通常缺乏與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) IPv4 和 IPv6 的互操作性，從而使得將相關(guān)設(shè)計與 IoT 連接以實現(xiàn)智能傳感、自動化和控制的目標(biāo)充滿挑戰(zhàn)。

IP 互操作性問題有多種途徑可以解決，如轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)包或使用 IP 兼容的無線接口。第一種選擇效率較低，第二種方式又縮小了設(shè)計師的 Wi-Fi 選擇范圍。

本文將專門介紹第三種方式： IoT 網(wǎng)關(guān)。它們可用作網(wǎng)絡(luò)聚合器，并且通常具有先進(jìn)的安全性和多種 I/O 回程選擇。本文將描述其功能和特征，再介紹適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案以及如何最大程度發(fā)揮其作用。

IoT 的無線選擇

盡管缺乏直接的 IP 互操作性，許多流行的低功耗無線接口和協(xié)議具有良好的范圍和吞吐量、與其他 2.4 GHz 技術(shù)的共存性以及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)支持特性。（參見 Digi-Key 文章“低功耗無線技術(shù)的比較?！保?/p>

雙向無線連接能讓用戶遠(yuǎn)程監(jiān)視并控制系統(tǒng)，同時能通過基于云的強(qiáng)大算法對過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以實現(xiàn)優(yōu)化性能、節(jié)能或提高生產(chǎn)率等目標(biāo)。

如前所述，有三種方式可以克服低功耗無線協(xié)議缺乏 IP 互操作性的問題。首先是選擇具有網(wǎng)絡(luò)適配層的協(xié)議，該層可“轉(zhuǎn)換”數(shù)據(jù)包，使其能通過 IPv6 網(wǎng)絡(luò)輸送。有的制造商提供低功耗藍(lán)牙、ZigBee、Thread 和包括基于 IPv6 的低功耗無線個人局域網(wǎng) (6LoWPAN) 傳輸層的其他射頻協(xié)議“?！?。通常，這些協(xié)議?？梢哉９ぷ?，但實施起來更加復(fù)雜，并且各節(jié)點(diǎn)需要更多的處理器資源和功耗。

第二個選項是使用具有本地 IP 支持的無線協(xié)議。Wi-Fi 可能是最佳示例。嚴(yán)格來講，Wi-Fi 僅定義了協(xié)議棧的物理 (PHY) 層、介質(zhì)訪問控制 (MAC) 層和邏輯鏈路控制 (LLC) 層。但是，互聯(lián)網(wǎng) Wi-Fi 連接無處不在，供應(yīng)商通常提供基于 Wi-Fi 較低層的完整 TCP/IP 協(xié)議棧。代價則是 Wi-Fi 節(jié)點(diǎn)更大、更昂貴，并且比形成競爭的其他無線技術(shù)功率更高，因此不適合于所有應(yīng)用。

第三個方法是利用 IoT 網(wǎng)關(guān)。這些設(shè)備屬于自足式裝置，包括彌合 LAN 和 IoT 之間差距所需的所有軟件和硬件（圖 1）。對于射頻專業(yè)知識有限的開發(fā)人員，或者希望在傳統(tǒng)的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)中增加互聯(lián)網(wǎng)連接性的人員，網(wǎng)關(guān)也是不錯的選擇。

圖 1： 設(shè)計師能從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與 IoT 連接的三種方案中選擇。此處顯示的第一個選擇描述了如何將無線節(jié)點(diǎn)連接到 IoT 網(wǎng)關(guān)，從而將其作為中繼連接至互聯(lián)網(wǎng)。（圖片來源：Texas Instruments）

網(wǎng)關(guān)和路由器之間的差異

網(wǎng)關(guān)與路由器有必要加以區(qū)分。路由器是一種更簡單的設(shè)備，它為節(jié)點(diǎn)服務(wù)，共享共同的協(xié)議，并且需要單獨(dú)將通過該協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳遞至互聯(lián)網(wǎng)，以及從互聯(lián)網(wǎng)接回。Wi-Fi 路由器是一個不錯的例子；這些設(shè)備在啟用 IP 的移動設(shè)備（如智能手機(jī)和便攜式計算機(jī)）和互聯(lián)網(wǎng)之間路由數(shù)據(jù)，但沒有交互。

與之相對，IoT 網(wǎng)關(guān)整合了來自不同無線來源和接口的數(shù)據(jù)，并將其連接到互聯(lián)網(wǎng)。某些情況下，網(wǎng)關(guān)與路由器配合使用，以方便實施。網(wǎng)關(guān)的主要優(yōu)勢在于不需要各自獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，從而憑借其相關(guān)復(fù)雜度和成本特性支持 IP。

網(wǎng)關(guān)可以簡單，也可以復(fù)雜。簡單的裝置組織和“轉(zhuǎn)換”節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)包，使其適合于在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸。并且，簡單的網(wǎng)關(guān)可轉(zhuǎn)換從互聯(lián)網(wǎng)收到的數(shù)據(jù)包，并將其分布到網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)。

更復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)不僅有此功能，還具有高級安全特性和處理全部或部分（與節(jié)點(diǎn)共享負(fù)載）應(yīng)用過程的資源。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)更簡單、更便宜，并且功耗更低。在有許多節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)中，將處理功耗集中在網(wǎng)關(guān)比將其分布到所有節(jié)點(diǎn)的成本更低。更復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)還能確保 LAN 在互聯(lián)網(wǎng)訪問中斷時繼續(xù)工作，并且能緩沖節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，以便在重新建立互聯(lián)網(wǎng)訪問時進(jìn)行云傳輸。

網(wǎng)關(guān)解決方案

許多制造商提供商業(yè) IoT 網(wǎng)關(guān)解決方案。設(shè)備通常為市電供電裝置，可配置成使用各種無線接口，包括選擇低功耗射頻協(xié)議。通常，連接 IoT 是通過 Wi-Fi 等基于 IP 的無線廣域網(wǎng) (WAN) 接口（或者以太網(wǎng)等有線類型）。有些更加新的設(shè)計包括通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ?WAN 技術(shù)（如 LoRaWAN）進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)訪問。

WAN 技術(shù)通常采用諸如 Linux 等操作系統(tǒng) (OS) 控制的重量級協(xié)議棧。為了應(yīng)對此類固件的計算需求，商業(yè) IoT 網(wǎng)關(guān)配備有強(qiáng)大的嵌入式微控制器。

更先進(jìn)的網(wǎng)關(guān)支持多個網(wǎng)絡(luò)平臺，例如 HSDK、NAT64、PC-BLE-Serialization 和 LoRaWAN Gateway Bridge，以及多種云服務(wù)，如 Amazon、Microsoft、Ayla 和 IBM 的云服務(wù)。這些先進(jìn)裝置還具有諸如應(yīng)用程序安裝遠(yuǎn)程管理、固件更新和配置更改、終端設(shè)備固件更新以及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜驮O(shè)備的遠(yuǎn)程管理等特性。

Rigado 的Vesta 系列 IoT 網(wǎng)關(guān)是最新一代可配置網(wǎng)關(guān)的很好例子。該產(chǎn)品由運(yùn)行 Yocto Linux OS 的NXPi.MX6UltraLite Arm?Cortex?-A7 應(yīng)用程序處理器提供支持。該裝置支持 2.4 和 5 GHz Wi-Fi (IEEE 802.11a/b/g/n)、藍(lán)牙 4.2、低功耗藍(lán)牙和 IEEE 802.15.4（包括 Thread）。網(wǎng)關(guān)還支持采用 IEEE 802.3af 以太網(wǎng)供電 (PoE) 和 USB 2.0 的以太網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)需要 4.5 至 5.5 V 電源或通過 PoE 連接運(yùn)行。根據(jù) Rigado 的介紹，即將提供蜂窩和 LoRaWAN 擴(kuò)展選項。

Sierra Wireless 的FX30 IoT 網(wǎng)關(guān)還具有 Arm?Cortex?-A7 應(yīng)用程序處理器，并采用開源 Yocto Linux OS（圖 2）?；ヂ?lián)網(wǎng)連接通過蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施 (LTE Cat 1) 實現(xiàn)，并且該裝置能接收 IoT 接頭擴(kuò)展槽的 Wi-Fi、藍(lán)牙和 ZigBee 輸入。標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計為采用有線接口，如僅限以太網(wǎng)和 USB，需要 4.75 至 32 V 電源。該裝置的低功耗引人注目，待機(jī)模式耗電不到 1 W，休眠模式僅 2 毫瓦 (mW)，并且堅固耐用。裝置符合 MIL-STD-810 的振動和機(jī)械沖擊要求，工作溫度范圍從 -30° 至 +75°C，是工業(yè)應(yīng)用的良好選擇。

圖 2： Sierra Wireless 的 FX30 IoT 網(wǎng)關(guān)采用蜂窩技術(shù)連接到互聯(lián)網(wǎng)。（圖片來源： Sierra Wireless）

商業(yè) IoT 網(wǎng)關(guān)的第三個例子來自Laird Technologies。其Sentrius RG1xx 系列因采用 LoRaWAN（一種互聯(lián)網(wǎng)連接的長距離低功耗 WAN 技術(shù)）而出名。該裝置采用AtmelA5嵌入式微處理器，運(yùn)行 Linux OS。除了 LoRaWAN，裝置還提供 2.4 和 5 GHz Wi-Fi、藍(lán)牙 4.0 和低功耗藍(lán)牙接口以及以太網(wǎng)接口。由于采用長距離連接，Sentrius 十分適合智能電表、工業(yè)自動化和農(nóng)業(yè)應(yīng)用。

調(diào)試網(wǎng)關(guān)

諸如 Rigado、Sierra Wireless 和 Laird Technologies 等 IoT 網(wǎng)關(guān)能讓設(shè)計師將其低功耗無線網(wǎng)絡(luò)連接到互聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)，無需設(shè)計復(fù)雜的連接硬件和固件。但是，需要進(jìn)行一些開發(fā)工作，以確保無縫操作。幸運(yùn)的是，IoT 網(wǎng)關(guān)制造商通常提供便于此開發(fā)過程的產(chǎn)品、工具和服務(wù)。

例如，Laird 的 Sentrius 專門設(shè)計為針對無線傳感器應(yīng)用連接該公司的RM186/191系列 LoRaWAN/低功耗藍(lán)牙無線模塊。這些裝置結(jié)合了便利性和低功耗藍(lán)牙的智能手機(jī)互操作性，LoRaWAN 擴(kuò)展范圍高達(dá) 15 km。Laird 提供開發(fā)套件DVK-RM186-SM-01，可簡化將模塊連接到 Sentrius 網(wǎng)關(guān)的過程。利用該公司的 Node-RED 開發(fā)環(huán)境和相關(guān)指南，該過程變得較為直接明了。

Sierra Wireless 建議使用 Legato 開源 Linux 平臺將其 FX30 IoT 網(wǎng)關(guān)連接到云。Legato 帶有應(yīng)用“沙盒”，為運(yùn)行和控制多個應(yīng)用程序提供安全的環(huán)境。該平臺還提供應(yīng)用程序編程接口 (API)，使開發(fā)人員可以連接到云。

對于需要設(shè)計高級網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)人員，Legato 提供帶有多語言支持的基于 Eclipse 的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)，以及一套診斷工具，以啟動本地和遠(yuǎn)程調(diào)試、故障排除、監(jiān)控和分析。

發(fā)送數(shù)據(jù)至云

Rigado 已通過其VG3-23E4-WIB0C0-ASA-DEKIoT 開發(fā)套件進(jìn)一步簡化了無線網(wǎng)絡(luò)和云連接，包括 Vesta Gateway 和NordicThingy:52 低功耗藍(lán)牙開發(fā)套件（圖 3）。該開發(fā)套件允許工程師設(shè)計連接藍(lán)牙 5/低功耗藍(lán)牙傳感器與云的原型解決方案。使用 IoT 開發(fā)套件的優(yōu)點(diǎn)在于無需射頻經(jīng)驗，因為 Thingy:52 傳感器已配置為與 Vesta Gateway 通信。由于 Rigado 的 Node-RED 開發(fā)環(huán)境包括演示應(yīng)用程序，可將 Thingy:52 傳感器的數(shù)據(jù)通過 Vesta Gateway 轉(zhuǎn)發(fā)至 Amazon Web Services (AWS) 云服務(wù)，原型設(shè)計得到進(jìn)一步簡化。

圖 3： Rigado 的 VG3-23E4-WIB0C0-ASA-DEK IoT 開發(fā)套件包括 Vesta Gateway 和 Nordic Semiconductor 的 Nordic Thingy:52 IoT 開發(fā)套件。Rigado 的 Node-RED 開發(fā)環(huán)境可簡化網(wǎng)關(guān)配置。（圖片來源： Rigado）

通過 Vesta Gateway 將 Nordic Thingy:52 各傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至 AWS 的方式直接明了。Vesta 首先配置為 Wi-Fi 接入點(diǎn)并通過瀏覽器連接至開發(fā)人員的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)。單擊提供的 URL 可啟動 Node-RED 應(yīng)用程序，該程序隨后自動掃描 Nordic Thingy:52，嘗試連接并掃描通用唯一標(biāo)識符 (UUID)。建立連接后，從 Nordic Thingy:52 讀取傳感器數(shù)據(jù)，并發(fā)送至 AWS 和 Node-RED 應(yīng)用程序儀表板。開發(fā)人員可通過儀表板進(jìn)行更改，以篩選要傳輸?shù)?a target="_blank">信息、以及發(fā)送頻率。

Node-RED 開發(fā)環(huán)境還為經(jīng)驗豐富的開發(fā)人員提供簡便方式，以創(chuàng)建基于瀏覽器的工作流來連接硬件設(shè)備、應(yīng)用程序編程接口 (API) 和云服務(wù)。

通過 IoT 網(wǎng)關(guān)將傳感器網(wǎng)絡(luò)連接至云可成倍提高系統(tǒng)的利用率。云服務(wù)提供商通常提供基礎(chǔ)設(shè)施，以處理傳感器原始數(shù)據(jù)、控制和分析數(shù)據(jù)并從中提供有用信息或反饋。

例如，在使用 AWS 云系統(tǒng)時，Vesta Gateway 連接 AWS 的 API 網(wǎng)關(guān)（圖 4）。通過 API 網(wǎng)關(guān)，開發(fā)人員可以創(chuàng)建、配置并托管 API，以便 Vesta Gateway 應(yīng)用程序接入云。例如，應(yīng)用程序可以使用 API 上傳來自 Nordic Thingy:52 內(nèi)置傳感器的溫度和濕度數(shù)據(jù)。然后，原始數(shù)據(jù)可以存儲在 Amazon S3“存儲桶”或 Amazon DynamoDB 數(shù)據(jù)庫服務(wù)中。

圖 4： Vesta Gateway 利用 Amazon 的 AWS 云服務(wù)收集數(shù)據(jù)，并運(yùn)行所有相關(guān)代碼。（圖片來源： Rigado。）

AWS 的另一部分 AWS Lambda 可提供計算服務(wù)，允許開發(fā)人員運(yùn)行基于云的代碼，無需準(zhǔn)備或管理服務(wù)器。AWS Lambda 支持 Node.js、Java、C# 和 Python。

例如，開發(fā)人員可以使用 AWS Lambda 上運(yùn)行的代碼利用 Nordic Thingy:52 發(fā)送的原始數(shù)據(jù)通告溫度和濕度極端值和每日、每周及每月均值。

配置 AWS Lambda 在響應(yīng)觸發(fā)事件時運(yùn)行代碼相對直接，如對存儲桶或數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行特定更改。例如，開發(fā)人員可選擇運(yùn)行一組代碼，以在溫度或濕度超過設(shè)定閾值時向智能手機(jī)發(fā)送通知。

原型設(shè)計完成后，可使用 Rigado 基于半導(dǎo)體的 Nordic模塊系列（用于藍(lán)牙 5/藍(lán)牙低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用）替代 Nordic Thingy:52，以形成最終的生產(chǎn)設(shè)計。

總結(jié)

云連接對于最大程度利用智能無線技術(shù)的益處至關(guān)重要，然而由于主流低功耗無線協(xié)議和 IP 之間缺少互操作性，仍然存在嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。應(yīng)用 IoT 網(wǎng)關(guān)是一種方便快捷的解決方案，這種嵌入式設(shè)備能以最小的設(shè)計開銷將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接到云端。

來源：digikey