低功耗藍(lán)牙、ZigBee與NFC設(shè)計

編者按：此三部曲系列文章的第 1 部分和第 2 部分介紹了常用無線技術(shù)選擇及其關(guān)鍵工作屬性和設(shè)計基礎(chǔ)。本文為第 3 部分，將介紹因應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)需求而興起的新技術(shù)。

在低功耗無線技術(shù)方面，用戶有很多選擇。但是，對低功耗無線技術(shù)的需求仍在持續(xù)增長，而行業(yè)也在對此進(jìn)行積極應(yīng)對。例如，關(guān)注各種無線技術(shù)的特殊興趣組織、聯(lián)盟和論壇目前都在致力于發(fā)展各種技術(shù)，以便它們更加適應(yīng)蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用。

本文介紹了物聯(lián)網(wǎng)所要求的最重要的協(xié)議變更及其對設(shè)計項目的影響。請注意，前兩篇文章中介紹的幾種技術(shù)，如 IrDA、Nike+ 和 RF4CE，并不是面向物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，因此在本文中不再討論。但有些新技術(shù)是專為滿足物聯(lián)網(wǎng)需求而開發(fā)的，特別是 Thread 和 Wi-Fi HaLow，它們在本文討論范圍之內(nèi)。

建立連接

很多低功耗無線技術(shù)是在物聯(lián)網(wǎng)概念尚未完全形成之前設(shè)計的。例如，低功耗藍(lán)牙最初是為了將外圍設(shè)備（如心率帶、步程計）連接到中心單元（如運(yùn)動手表或手機(jī)）而開發(fā)的。將數(shù)據(jù)從低功耗藍(lán)牙傳感器發(fā)送至遠(yuǎn)程云服務(wù)器，并不是初始規(guī)范的目標(biāo)。

整理并分析來自數(shù)千個微型無線傳感器的數(shù)據(jù)，將會成為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵優(yōu)勢，當(dāng)這種趨勢變得十分明顯時，各種相互競爭的低功耗無線協(xié)議開始調(diào)整技術(shù)，以應(yīng)對這種需求。

這些變更的關(guān)鍵是充分利用網(wǎng)關(guān)，將短程無線技術(shù)正確連接到互聯(lián)網(wǎng)。對于消費應(yīng)用而言，智能手機(jī)可以很好地充當(dāng)網(wǎng)關(guān)，而在商業(yè)或工業(yè)應(yīng)用中，則可選擇 Wi-Fi 路由器或?qū)Ｓ芯W(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層中工作，對來自低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，然后再進(jìn)行重新組合，以便通過互聯(lián)網(wǎng)友好的 TCP/IP 協(xié)議棧進(jìn)行傳輸。同樣，它也對來自互聯(lián)網(wǎng)的信息進(jìn)行重新組合，并中繼到傳感器（圖 1）。

圖 1：ZigBee 網(wǎng)絡(luò)使用網(wǎng)關(guān)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)連接。信息可以雙向流動。（圖片來源：ZigBee.org）

或者，有些低功耗無線協(xié)議（例如 Thread）包括一個基于 IPv6 的低功耗無線個人區(qū)域網(wǎng) (6LoWPAN) 適配層，介于 IEEE 802.15.4 鏈路層與駐留在節(jié)點自身上的 TCP/IP 堆棧之間。有了這樣的適配層，低功耗無線傳感器能夠直接與互聯(lián)網(wǎng)上的其他設(shè)備進(jìn)行通信。這樣，更簡單的 IP 層邊緣路由器或網(wǎng)橋就可以取代成本昂貴的復(fù)雜網(wǎng)關(guān)，將傳感器數(shù)據(jù)傳送到云。

IP 層路由器也比網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)更加靈活，因為連接的傳感器可在其他應(yīng)用中修改或改進(jìn)，而無需更改網(wǎng)關(guān)。

物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用的第二個關(guān)鍵要求就是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)支持。有些低功耗無線技術(shù)，尤其是 ANT+ 和 ZigBee，從最初發(fā)布時就提供網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)支持，而其他一些技術(shù)，例如低功耗藍(lán)牙，最近才開始提供網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)支持。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)上，設(shè)備能夠與連接到網(wǎng)絡(luò)的任何其他節(jié)點進(jìn)行通信，而無需通過中心“樞紐”設(shè)備傳輸信息。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展了傳輸距離，還提高了靈活性和冗余度，尤其適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

針對物聯(lián)網(wǎng)的功能增強(qiáng)

下面，我們來了解一下每種無線協(xié)議是如何針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)行演進(jìn)的。

近場通訊：初看起來，近場通訊 (NFC) 似乎與我們在此處討論的其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)幾乎沒有共同之處。NFC 的傳輸距離和帶寬有限，無法形成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。另外，NFC 無法將數(shù)據(jù)發(fā)送至云。

但是，這種技術(shù)將在物聯(lián)網(wǎng)中扮演關(guān)鍵角色，作為更主流的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的補(bǔ)充，特別是用于將新設(shè)備連接到（“安全引入”）網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行調(diào)試。

擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)的一個挑戰(zhàn)是，目前還沒有將物聯(lián)網(wǎng)傳感器連接到網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行調(diào)試的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這導(dǎo)致的結(jié)果是專有解決方案迅猛增長。很多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是“無頭”單元，沒有用戶界面，這使得調(diào)試變得更加混亂。

作為一種基于開放標(biāo)準(zhǔn)的可互操作的無線協(xié)議，NFC 提供了解決方案。例如，使用 NFC 可以顯著簡化無頭低功耗藍(lán)牙或 ZigBee LED 智能燈具的調(diào)試，將這些設(shè)備加入智能家庭網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。如果智能燈具和相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)配備了 NFC 標(biāo)簽，則未加電的智能燈具只需靠近加電的網(wǎng)關(guān)，即可交換網(wǎng)絡(luò)密鑰。

這樣，當(dāng)智能燈具插入照明插座并接通電源時，無線 SoC 即可讀取密鑰，使用該密鑰將設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。然后，密鑰將從 NFC 標(biāo)簽上擦除，防止被未經(jīng)授權(quán)的人員讀取，另外還將傳輸網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，建立安全的 AES-128 加密無線連接，以用于今后的通信（圖 2）。

圖 2：可用于連接無頭物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的 NFC。在本例中，未加電的燈泡通過 NFC 從網(wǎng)關(guān)獲取網(wǎng)絡(luò)密鑰。然后使用該密鑰在網(wǎng)絡(luò)上建立加密通信，再擦除該密鑰。（圖片來源：NFC Forum）

Rigado 的 BMD-300 低功耗藍(lán)牙模塊（基于 Nordic Semiconductor 的采用nRF52832 Arm? M4F 處理器的 SoC）是一種無線解決方案，其包含的 NFC 標(biāo)簽用于調(diào)試無頭物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

低功耗藍(lán)牙：作為低功耗藍(lán)牙技術(shù)的開發(fā)者，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟 (SIG) 付出了很大努力，將該技術(shù)從面向消費者的個人局域網(wǎng) (PAN) 遷移到面向物聯(lián)網(wǎng)的局域網(wǎng) (LAN)。

這種技術(shù)的關(guān)鍵特性包括：

• 能夠讓設(shè)備同時充當(dāng)“外設(shè)”和“樞紐”。

• 增加了一種創(chuàng)建可用于 IPv6 通信的專用通道的方法（以上兩種特性均已加入藍(lán)牙 4.1）。

• 增加了互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議支持規(guī)范 (IPSP)，讓低功耗藍(lán)牙設(shè)備能夠與其他任何支持 IPv6 的設(shè)備通信。

• 更高強(qiáng)度的安全性。

• 更高的最大發(fā)射功率。

• 更長的數(shù)據(jù)包長度（以上所有特性均已加入藍(lán)牙 4.2）。

• 更大的吞吐量。

• 更遠(yuǎn)的傳輸距離（以上兩種特性已加入藍(lán)牙 5）。

有關(guān)這些更改的更多詳細(xì)信息，請參見 Digi-Key 文庫文章“兼容藍(lán)牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗藍(lán)牙 SoC 和工具可應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)（第 1 部分）”。

最近，藍(lán)牙 SIG 增加了藍(lán)牙 mesh 1.0，這種技術(shù)規(guī)范將網(wǎng)狀拓?fù)浼{入了藍(lán)牙技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)支持范圍。該網(wǎng)狀規(guī)范不僅適用于符合最新版本的藍(lán)牙 5 規(guī)范的芯片，而且向后兼容所有低功耗藍(lán)牙芯片（即藍(lán)牙 4.0 以上版本）。

該規(guī)范詳細(xì)說明了固件的標(biāo)準(zhǔn)低功耗藍(lán)牙物理層 (PHY) 頂部的七個層，以及四種類型的節(jié)點，包括“低功耗”類型和“代理”類型。后一種類型值得注意，因為它讓當(dāng)前不直接支持藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的低功耗藍(lán)牙設(shè)備（例如現(xiàn)在的智能手機(jī)）能夠連接到藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。舉例來說，此類功能讓智能照明制造商能夠推出可直接從當(dāng)代移動設(shè)備控制的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（圖 3）。

圖 3：藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有代理 (P) 節(jié)點，能夠讓當(dāng)今的智能手機(jī)控制像智能照明這樣的應(yīng)用。（圖片來源：藍(lán)牙 SIG）

Nordic Semiconductor 是最早支持藍(lán)牙 mesh 1.0 的低功耗藍(lán)牙芯片供應(yīng)商之一，他們提供的 nRF5 軟件開發(fā)套件 (SDK) 適用于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。據(jù)說 Dialog Semiconductor 的 DA14586 藍(lán)牙 5 SoC 也支持藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

ANT：由 Dynastream 開發(fā)的 ANT 和 ANT+ 一直支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，但他們近期又推出了 ANT BLAZE 增強(qiáng)功能，這種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)適用于處理大型企業(yè)環(huán)境中的高節(jié)點數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

該技術(shù)可同時連接最多 500 個節(jié)點，在 D52 ANT SoC 模塊上采用，為該模塊的并發(fā) ANT/低功耗藍(lán)牙連接功能添加了增強(qiáng)型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。ANT BLAZE 的主要優(yōu)勢之一是：當(dāng)它在 Wi-Fi 和低功耗藍(lán)牙/藍(lán)牙環(huán)境中工作時，具備相對較高的抗干擾能力。

升級的 D52 ANT SoC 模塊入門套件 (D52DK2) 和新發(fā)布的 D52EXT1 Extender 套件（包括四個電池供電型節(jié)點），為開發(fā)人員提供了創(chuàng)建和驗證物聯(lián)網(wǎng)使用案例解決方案所必需的專用開發(fā)工具。

ZigBee：ZigBee 聯(lián)盟表示，該技術(shù)最初是針對云連接設(shè)計的，考慮到了網(wǎng)狀拓?fù)?。由于這個原因，與競爭技術(shù)相比，ZigBee 近年來進(jìn)行的與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的調(diào)整比較少。

ZigBee 最初就針對網(wǎng)狀拓?fù)溥M(jìn)行設(shè)計，因而能夠輕松擴(kuò)展，而且在智能樓宇等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中具有很高的容錯性。此外，ZigBee 協(xié)議套件包括標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)試、安全、網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備管理程序。各種設(shè)備都可以經(jīng)過身份驗證加入網(wǎng)絡(luò)，并通過可互操作的方式進(jìn)行出廠重置或退出網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee 利用 250 KB/s 的吞吐能力來傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)以操作設(shè)備

（例如開關(guān)燈具）以及執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管理程序（例如網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和路由管理）。

隨著 ZigBee PRO 2017 在今年早些時候發(fā)布，單個 ZigBee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)在某些特定地區(qū)可在 800 至 900 MHz 頻段內(nèi)工作（增加傳輸距離），在全球范圍則在 2.4 GHz 頻段內(nèi)工作。PRO 2017 基于早期的 ZigBee PRO 構(gòu)建，提供更多功能以實現(xiàn)穩(wěn)健的部署，與 ZigBee 相比，其安全性得到增強(qiáng)。

Digi International 的 XBee ZigBee 網(wǎng)套件為開發(fā)人員提供了經(jīng)濟(jì)高效的 ZigBee PRO 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)入門途徑。該套件帶有開發(fā)板和三個 ZigBee 模塊，還提供介紹網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的基于 Web 的教程。XBee 套件的模塊基于 Silicon Labs 的 EM3587 ZigBee SoC，它提供 250 KB/s 的數(shù)據(jù)速率和 -101 dBm 的靈敏度，可在 90 m 的室內(nèi)距離內(nèi)使用（圖 4）。

圖 4：來自 Silicon Labs 的 EM3587 ZigBee SoC 提供 250 KB/s 的數(shù)據(jù)速率和 -101 dBm 的靈敏度，可在 90 m 的室內(nèi)距離內(nèi)使用。（圖片來源：Silicon Labs）

Thread：雖然采用 6LoWPAN 可以實現(xiàn)節(jié)點上的 IP 連接，但由于互操作性問題，它的普及速度比較緩慢。Thread 是一種由 Google、三星和多家芯片供應(yīng)商開發(fā)和推廣的、旨在消除互操作性障礙的協(xié)議，用于將低功耗無線節(jié)點直接連接到 IP 網(wǎng)絡(luò)。

Thread 的優(yōu)勢在于它是基于 IEEE 802.15.4 2006 規(guī)范，集成了 6LoWPAN 和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)支持（圖 5）。

圖 5：Thread 協(xié)議基于 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC，包括 6LoWPAN 適配層。（圖片來源：Thread Group）

Thread 是一種 2.4 GHz 協(xié)議，提供高達(dá) 250 KB/s 的數(shù)據(jù)速率，在一個局域網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中能夠支持多達(dá) 250 個設(shè)備。最終通過一個或多個“邊界”IP 路由器連接至云。這種路由器實際上是網(wǎng)絡(luò)中的 Thread 設(shè)備，但帶有額外的 IP 兼容接口（例如 Wi-Fi、以太網(wǎng)或蜂窩網(wǎng)絡(luò)），形成從網(wǎng)絡(luò)到互聯(lián)網(wǎng)的完整路徑。如果主路由器發(fā)生故障，則 Thread 網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備可以透明地升級為路由器，從而為網(wǎng)絡(luò)提供了互聯(lián)網(wǎng)連接冗余。

Thread Group 托管認(rèn)證計劃實現(xiàn)了 Thread 設(shè)備之間的互操作性。很多產(chǎn)品制造商使用 Google 的 OpenThread，它是 Thread 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開源版本。例如，Texas Instruments 的 CC2538 是一款基于 ARM M3 處理器的無線 SoC，符合 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，可以運(yùn)行 OpenThread 協(xié)議，且通過了 Thread 認(rèn)證。同樣，Nordic Semiconductor 的 nRF52840 是一款基于 ARM M4F 處理器的無線 SoC，符合低功耗藍(lán)牙、ANT 和 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，它也可以運(yùn)行 OpenThread 協(xié)議，且通過了 Thread 認(rèn)證。

Wi-Fi HaLow：作為無線局域網(wǎng) (WLAN) 的標(biāo)準(zhǔn)，Wi-Fi 在消費和工業(yè)領(lǐng)域都占據(jù)一席之地。但是，由于該技術(shù)的功耗相對較高，因此對于電池供電的傳感器缺乏競爭力。Wi-Fi 聯(lián)盟計劃改變這種狀況，利用低功耗的 Wi-Fi，在蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域占據(jù)一席之地，這種名為“HaLow”的技術(shù)基于 IEEE 802.11ah 標(biāo)準(zhǔn)。

它充分利用了其他低功耗無線技術(shù)使用的超低占空比，最大程度地降低了功耗，據(jù)稱其功耗僅為常規(guī) Wi-Fi 芯片的 1% 左右（可與低功耗藍(lán)牙相媲美）。

HaLow 在 900 MHz ISM 頻段中工作，其傳輸距離增加至當(dāng)前 Wi-Fi 的將近兩倍，即便與在 900 MHz 頻段中工作的藍(lán)牙 5 相比也毫不遜色。與在 2.4 或 5 GHz 頻段中工作的 Wi-Fi 相比，HaLow 的運(yùn)行更穩(wěn)定，因為墻壁或其他固體障礙物導(dǎo)致的衰減較少。

吞吐量取決于空間流數(shù)量、調(diào)制技術(shù)、編碼速率和通道寬度。較高的吞吐量將不可避免地影響功耗。在使用單個空間流、BPSK 調(diào)制、1/2 編碼速率、2 MHz 通道寬度的情況下，吞吐量達(dá) 650 Kbit/s。在最多使用 4 個空間流、256 QAM 調(diào)制、5/6 編碼速率和 16 MHz 通道寬度的情況下，吞吐量為 347 Mbit/s。

Wi-Fi HaLow 將支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，因為它基于現(xiàn)有的 Wi-Fi 協(xié)議，而該技術(shù)可支持節(jié)點上的 IP 協(xié)議，另外 HaLow 還將兼容下一代 Wi-Fi 路由器。

由于 HaLow 在近期才推出，因此目前市面上還沒有 Wi-Fi HaLow IC、芯片組或模塊，但有幾家供應(yīng)商正在開發(fā)原型產(chǎn)品。

物聯(lián)網(wǎng)無線選擇取決于應(yīng)用

鑒于每種無線技術(shù)都存在細(xì)微差別，它們的選擇應(yīng)該取決于應(yīng)用需求，因而制定一份比較表格（表 1）是非常有用的。

Wi-Fi HaLow低功耗藍(lán)牙 (5)ZigBeeThreadSub-GHz IEEE 802.15.4最大數(shù)據(jù)吞吐量347 Mbps2 Mbps250 kbps250 kbps100 bps最大視距范圍*N/A1750 m130 m100 m74000 m功耗N/A2一粒鈕扣電池可工作數(shù)年一粒鈕扣電池可工作數(shù)年一粒鈕扣電池可工作數(shù)年一粒鈕扣電池可工作數(shù)年8網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是是4是是否設(shè)備節(jié)點的 IP是是5否是否OC/移動 OS 支持是是否否否是否需要基礎(chǔ)設(shè)施是，路由器3是，移動設(shè)備6否否否

表 1：適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要協(xié)議比較（數(shù)據(jù)來源：Digi-Key、Texas Instruments）

所有技術(shù)都能達(dá)到令人滿意的效果，但正如上文所述，有些技術(shù)的能耗較低，而有些技術(shù)則提供更高的吞吐量。有些技術(shù)的傳輸距離長，有些技術(shù)的抗干擾能力更強(qiáng)。有些技術(shù)提供了智能手機(jī)或無線接入點互操作性，有些技術(shù)依托大型行業(yè)聯(lián)盟的支持。每種無線技術(shù)都在不斷演進(jìn)，相互展開競爭，以滿足通常無法預(yù)測的新應(yīng)用的需求。

總結(jié)

對于每種應(yīng)用而言，都有多種成熟的低功耗無線技術(shù)可供選擇，而所有這些技術(shù)都有出色的設(shè)計工具和供應(yīng)商支持作為后盾。歸根結(jié)底，這種選擇要取決于規(guī)格要求和應(yīng)用。

無線技術(shù)市場似乎不太可能被單個協(xié)議或產(chǎn)業(yè)群獨家主導(dǎo)。很可能是各種協(xié)議將會越來越多地相互配合，以充分利用它們各自的優(yōu)勢。我們期待看到這些技術(shù)之間的更多協(xié)作，例如低功耗藍(lán)牙或 ZigBee 與 NFC，以及 Thread、低功耗藍(lán)牙或 ZigBee 與 IPv6。我們也期待這些技術(shù)繼續(xù)演進(jìn)，以滿足物聯(lián)網(wǎng)不斷變化的需求。