Micrium Christian Legare

何小慶 譯

第1篇： 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和局域網(wǎng)

Micrium Christian Legare

何小慶 譯

許多人都在試圖給物聯(lián)網(wǎng)(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(jīng)知道物聯(lián)網(wǎng)的最重要的元素——構(gòu)建物物互聯(lián)的產(chǎn)品。

嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)中正在起著關(guān)鍵的作用。廣義地講，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)有以下4個主要的部分，如圖1所示。

◆ 物本身(設(shè)備)。

◆ 局域網(wǎng)(本地網(wǎng)絡(luò))：包括網(wǎng)關(guān)，它將私有的通信協(xié)議翻譯成互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。

◆ 互聯(lián)網(wǎng)。

◆ 后臺服務(wù)：企業(yè)數(shù)據(jù)中心、PC和移動設(shè)備。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)并不復(fù)雜，市場上已經(jīng)有專門針對物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的硬件和軟件，開發(fā)者也已經(jīng)具備所有開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)的工具；但是，設(shè)計和構(gòu)建一個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)確實是一個復(fù)雜工程。

我們可以將物聯(lián)網(wǎng)分成2類：

① 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。局域網(wǎng)間的通信基于許多不同的技術(shù)而實現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備一般是通過一個IP網(wǎng)關(guān)連到互聯(lián)網(wǎng)上。

② 消費物聯(lián)網(wǎng)。局域網(wǎng)間的通信多是基于藍(lán)牙和以太網(wǎng)(有線或者無線——WiFi)而實現(xiàn)的，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備一般只與局域網(wǎng)的設(shè)備進行通信。

為了更好地理解如何設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，首先需要定義所設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是如何與其他聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備進行通信的。

局域網(wǎng)

通信技術(shù)的選擇將會直接影響硬件的構(gòu)成和成本。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的形態(tài)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(shù)可以適合所有這些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

我們舉一個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)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(zhí)行部件，它們分散在工廠的各個地方，無線通信技術(shù)將是最好的選擇。

工廠內(nèi)通過網(wǎng)關(guān)與互聯(lián)網(wǎng)相連的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 工廠內(nèi)通過網(wǎng)關(guān)與互聯(lián)網(wǎng)相連的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)是監(jiān)控物體和環(huán)境參數(shù)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(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點傳遞到另一個節(jié)點。

無線傳感網(wǎng)的節(jié)點

無線傳感網(wǎng)的節(jié)點是一種低成本的設(shè)備。它們的數(shù)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(wǎng)節(jié)點是一個只完成簡單功能的嵌入式系統(tǒng)，比如測量溫度和壓力，執(zhí)行開燈和啟動電機的任務(wù)。

能量收集是一種從外部獲取能源的新技術(shù)，比如收集太陽能、熱能、風(fēng)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(shè)備，比如我們所談的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點

無線傳感網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點是一種包含互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議連接的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)和IP網(wǎng)絡(luò)之間起到網(wǎng)關(guān)的作用。除了網(wǎng)關(guān)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)

市場上有許多種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是可以應(yīng)用在無線傳感網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)協(xié)議是目前最熱門的。

(1) Wi-Fi

顯然，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的無線協(xié)議的首選應(yīng)該是Wi-Fi。當(dāng)然，這是因為Wi-Fi無處不在。對于許多應(yīng)用，Wi-Fi都是最好的選擇。因為幾乎所有的住宅，只要有互聯(lián)網(wǎng)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(shè)備和那些安裝在無法從電網(wǎng)獲得供電的傳感器設(shè)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持開發(fā)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(shè)備組成一個很大的網(wǎng)絡(luò)。目前這個領(lǐng)域的研究包括：

◆ 低功耗和高效率的無線射頻技術(shù)，可以支持?jǐn)?shù)年的電池電量消耗。

◆ 能量收集成為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電的一種方式。

◆ 支持建立一個無人值守，長期運行的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(比如M2M 網(wǎng)絡(luò))。

◆ 支持自治運行(autonomous operation)的新的應(yīng)用協(xié)議和數(shù)據(jù)格式。

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

(3) IEEE 802.15.4

2003年發(fā)表的IEEE 802.15.4無線通信標(biāo)準(zhǔn)是物聯(lián)網(wǎng)主要的推動者之一，商業(yè)無線技術(shù)公司為這個標(biāo)準(zhǔn)提供了最基礎(chǔ)的低功耗保證。2006年和2011年，IEEE對這個標(biāo)準(zhǔn)做了15.4e和15.4g 版本的修正。符合這個標(biāo)準(zhǔn)的商用射頻器件與幾年前相比已經(jīng)降低了50%的功耗，預(yù)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(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備必須要在盡可能短的時間內(nèi)完成它們的任務(wù)，這就意味著它們傳輸?shù)男畔笪囊欢ㄒM可能短小精悍，這樣的要求對協(xié)議設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的比較如表1所列。

表1 各種無線通信標(biāo)準(zhǔn)的比較

市場上有許多種無線通信協(xié)議技術(shù)可滿足各種應(yīng)用的需求。最常見的有以下幾種：

6LoWPANDASH7WirelessMBusANTISA100ZWave藍(lán)牙WirelessHARTZigBee和ZigBeeIP

站在Micrium公司角度，我們相信承載IP數(shù)據(jù)包的任何協(xié)議都具備超過所有其他協(xié)議的優(yōu)勢。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接需求是多元化的，一種技術(shù)無法滿足所有設(shè)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(wǎng)絡(luò)和基于輕型IP協(xié)議的最佳選擇。

IPv6 是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵

如果你的網(wǎng)絡(luò)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(biāo)是遠(yuǎn)程的控制設(shè)備，或者在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)，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(shù)的目標(biāo)就是使所有機器設(shè)備都具備聯(lián)網(wǎng)和通信能力，進而發(fā)展成物聯(lián)網(wǎng)。M2M應(yīng)用很多，比如我們上班用的門禁卡、超市的條碼掃描，還有現(xiàn)在開始流行的NFC手機支付。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)(局域網(wǎng)LAN、個人局域網(wǎng)PAN和身體局域網(wǎng)BAN)都使用一套互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP、UDP、TCP、SSL、HTTP等)。現(xiàn)在的IPv4網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)最好能夠支持互聯(lián)網(wǎng)協(xié)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(shù)字是海量的)。有了IPv6，每一個物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)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(lián)網(wǎng)中，IP協(xié)議的重要性并不意味著沒有IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)就沒有絲毫用處了。我們只是說，沒有IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)需要一個網(wǎng)關(guān)才能訪問到互聯(lián)網(wǎng)。

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

2014-05-19)