第1篇： 物聯網設備和局域網

Micrium Christian Legare

何小慶 譯

第1篇： 物聯網設備和局域網

Micrium Christian Legare

何小慶 譯

許多人都在試圖給物聯網(Internet of Things，IoT)一個定義。其實，作為一個硬件和軟件工程師，你已經知道物聯網的最重要的元素——構建物物互聯的產品。

嵌入式系統在物聯網開發中正在起著關鍵的作用。廣義地講，物聯網系統有以下4個主要的部分，如圖1所示。

◆ 物本身(設備)。

◆ 局域網(本地網絡)：包括網關，它將私有的通信協議翻譯成互聯網協議。

◆ 互聯網。

◆ 后臺服務：企業數據中心、PC和移動設備。

物聯網系統并不復雜，市場上已經有專門針對物聯網開發的硬件和軟件，開發者也已經具備所有開發物聯網系統相關的工具；但是，設計和構建一個物聯網系統確實是一個復雜工程。

我們可以將物聯網分成2類：

① 工業物聯網。局域網間的通信基于許多不同的技術而實現，物聯網設備一般是通過一個IP網關連到互聯網上。

② 消費物聯網。局域網間的通信多是基于藍牙和以太網(有線或者無線——WiFi)而實現的，物聯網設備一般只與局域網的設備進行通信。

為了更好地理解如何設計物聯網設備，首先需要定義所設計的物聯網設備是如何與其他聯網的設備進行通信的。

局域網

通信技術的選擇將會直接影響硬件的構成和成本。物聯網設備的形態有很大的不同，比如智能衣服、家居、樓宇、工廠以及你的身體本身，因此沒有哪一種通信技術可以適合所有這些物聯網應用。

我們舉一個物聯網系統典型的例子——自動化工廠。一個自動化的工廠一定包含了大量的傳感器和執行部件，它們分散在工廠的各個地方，無線通信技術將是最好的選擇。

工廠內通過網關與互聯網相連的無線傳感器網絡如圖2所示。

圖2 工廠內通過網關與互聯網相連的無線傳感器網絡

無線傳感網絡(WSN)是監控物體和環境參數的傳感器的集合，比如溫度、聲音和壓力。從一個傳感器來的數據可以通過網絡的一個節點傳遞到另一個節點。

無線傳感網的節點

無線傳感網的節點是一種低成本的設備。它們的數量很大，而且功耗低，可以使用電池供電運行，或者使用能量收集方式供電。無線傳感網節點是一個只完成簡單功能的嵌入式系統，比如測量溫度和壓力，執行開燈和啟動電機的任務。

能量收集是一種從外部獲取能源的新技術，比如收集太陽能、熱能、風能、電磁輻射能和動能等。這些能源被獲取和存儲，并提供給一個小的、低功耗的無線自治設備，比如我們所談的無線傳感網絡節點。

無線傳感器網絡的邊緣節點

無線傳感網絡邊緣節點是一種包含互聯網協議連接的無線傳感網絡節點，在無線傳感網絡和IP網絡之間起到網關的作用。除了網關功能之外，它還要完成本地處理工作，具備本地存儲和人機界面的功能。

無線傳感網絡技術

市場上有許多種無線網絡協議是可以應用在無線傳感網絡上的，究竟哪一種是最好的呢？圍繞這個問題的爭論一直沒有停止。下面幾種無線網絡協議是目前最熱門的。

(1) Wi-Fi

顯然，物聯網設備的無線協議的首選應該是Wi-Fi。當然，這是因為Wi-Fi無處不在。對于許多應用，Wi-Fi都是最好的選擇。因為幾乎所有的住宅，只要有互聯網的訪問，就一定有一個Wi-Fi路由器。

美中不足的是，Wi-Fi要耗費比較大的電量。依靠電池供電的設備和那些安裝在無法從電網獲得供電的傳感器設備，都不能長時間承受Wi-Fi的電量消耗。

(2) 低功耗方案

新的網絡技術支持開發成本、功耗更低的解決方案，這些方案還能支持很小的智能設備組成一個很大的網絡。目前這個領域的研究包括：

◆ 低功耗和高效率的無線射頻技術，可以支持數年的電池電量消耗。

◆ 能量收集成為物聯網設備供電的一種方式。

◆ 支持建立一個無人值守，長期運行的網狀網絡(比如M2M 網絡)。

◆ 支持自治運行(autonomous operation)的新的應用協議和數據格式。

比如德國易能森(EnOcean)公司已經申請了能量收集無線技術的專利，以應對功耗的挑戰。易能森的無線通信技術工作在868 MHz(歐洲)和315 MHz (北美)頻段，傳輸距離在室內可以達到30 m，在室外達到300 m。

(3) IEEE 802.15.4

2003年發表的IEEE 802.15.4無線通信標準是物聯網主要的推動者之一，商業無線技術公司為這個標準提供了最基礎的低功耗保證。2006年和2011年，IEEE對這個標準做了15.4e和15.4g 版本的修正。符合這個標準的商用射頻器件與幾年前相比已經降低了50%的功耗，預計下一代器件還將使功耗再降低50%。

(4) 6LoWPAN

使用能量收集技術的物聯網設備必須要在盡可能短的時間內完成它們的任務，這就意味著它們傳輸的信息報文一定要盡可能短小精悍，這樣的要求對協議設計也會有影響。這也是6LoWPAN (IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks 的簡稱)被ARM (收購了Sensinode) 和Cisco (收購了ArchRock)所采納的原因。6LoWPAN提供了封裝和報頭壓縮機制，以減少傳輸時間。

各種無線通信標準的比較如表1所列。

表1 各種無線通信標準的比較

市場上有許多種無線通信協議技術可滿足各種應用的需求。最常見的有以下幾種：

6LoWPANDASH7WirelessMBusANTISA100ZWave藍牙WirelessHARTZigBee和ZigBeeIP

站在Micrium公司角度，我們相信承載IP數據包的任何協議都具備超過所有其他協議的優勢。物聯網設備的連接需求是多元化的，一種技術無法滿足所有設備在工作范圍、功耗、尺寸和成本方面的要求。盡管如此，我們堅信6LoWPAN將是無線傳感器網絡和基于輕型IP協議的最佳選擇。

IPv6 是物聯網的關鍵

如果你的網絡僅僅是本地和M2M的，那么以上我們討論的方案是再合適不過了；如果你的目標是遠程的控制設備，或者在互聯網上傳輸數據，那么就需要IPv6了。

譯者注：M2M(Machine-to-Machine)，即機器和機器連接。M2M技術的目標就是使所有機器設備都具備聯網和通信能力，進而發展成物聯網。M2M應用很多，比如我們上班用的門禁卡、超市的條碼掃描，還有現在開始流行的NFC手機支付。

物聯網設備的用處不僅在于本地通信，而且要能在全球傳播。如果條件可能，最理想的情況是所有的物聯網網絡(局域網LAN、個人局域網PAN和身體局域網BAN)都使用一套互聯網協議(IP、UDP、TCP、SSL、HTTP等)。現在的IPv4網絡面臨IP地址短缺的問題，而且IPv4對組播和移動IP支持也不是很好，因此網絡最好能夠支持互聯網協議版本6(IPv6)。

IPv6的選址方案提供了像地球上的沙子一樣取之不盡的地址資源。有人計算過它可能高達每個人擁有10的30次方的地址(相比人的身體具有10的28次方個原子，這個數字是海量的)。有了IPv6，每一個物聯網的設備就可以很簡單地獲得一個全球IP地址，從而使得點對點之間的通信更加有效率。

在物聯網中，IP協議的重要性并不意味著沒有IP協議的網絡就沒有絲毫用處了。我們只是說，沒有IP協議的網絡需要一個網關才能訪問到互聯網。

[1] http://postscapes.com/internet-of-things-protocols.

2014-05-19)