构成物联网的无线协议有哪些？

目前,互联家居主要使用六种无线通信协议,分别为1GHz以下(Sub GHz)、Wi Fi、Bluetooth、zigbee、ZWave和Thread。这些协议都有一席之地,为您的设计选择合适的组合是开发流程的重要一步,因为没有任何一个协议能够提供通用的解决方案。为了帮助设计人员了解每项协议最适合哪种用例，Silicon Labs（亦称“芯科科技”）将通过本篇技术干货文章分析最常用的无线协议。


1GHz以下无线网络
对于家庭安全和自动化等低数据速率的应用,相比于2.4GHz频带的Wi Fi、Bluetooth和ZigBee等更强大且功能丰富的协议,1GHz以下网络(运行频率低于1GHz)能够提供更实在的益处。
距离是1GHz以下网络的突出优点之一。窄带传输在一公里或以上距离可实现连续运行。它们可向远距离集线器传输数据,不会在节点之间跳跃。但是,长距离也存在邻近设备的干扰增强这一问题。在有多个1GHz以下频率的区域,低干扰是一种优势,这些频率不如2.4GHz频带那么“拥挤”。但在某些区域,可用的1GHz以下频道较少,并且存在占空比约束,会限制设备传输的时间。最后,1GHz以下无线网络与2.4GHz协议相比,功耗也非常低。

但是,1GHz以下网络并非完全适合互联家居的各个方面。很多现有的1GHz以下网络使用专有协议,属于封闭系统。此类系统通常需要应用转换来与其他系统通信。在使用1GHz以下无线网络的情况下,家庭之间的通信以及可能驻留于云端数据业务和控制的通信可能会更加复杂。在试图了解无线协议格局时,应了解802.11b/g/n型设备和网状网络之间的差异。对比星形网络(典型的802.11部署)和网状网络(典型的ZigBee和Thread),您可能首先会注意到在星形网络中,所有流量通过中心点,而网状网络则提供设备对设备的连接。

Wi-Fi(802.11)
Wi-Fi是目前最知名的协议,因为大部分人每天都会在家里使用到它,且历史已超过十年。Wi-Fi的普及得益于电气电子工程师协会(IEEE)通过字母代号(g/n/ac)提供的标准和更新,而Wi-Fi Alliance则管理着设备的认证和品牌推广。Wi-Fi的主要优点是其熟悉度,也就是人们认为它比其他协议更加“简单”,并且在现代家庭中无处不在。毕竟,Wi-Fi的前身1991年就已诞生。目前,最了解技术的户主(目前互联家居产品的潜在客户群)可对Wi-Fi路由器进行复位,排查基本问题。Wi-Fi定义了MAC层协议和安全性,但未定义设备的应用对象和通信方式。


这意味着,所有制造商都可以定义自己的应用层协议,设备对设备通信非常复杂,甚至无法实现,除非两家公司共同定义这些协议。这限制了Wi-Fi在互联家居设备对设备市场的应用。Wi-Fi还设定了网络的中央接入点模型,即如果该接入点不工作,网络则会停止运行。相对于其他协议,Wi-Fi的功耗较高,因此尽管适用于供电设备,但它在电池供电极为关键的应用中效果并不理想。Wi-Fi还存在着扩展性方面的问题。
例如,某些路由器的配置最多仅支持15台设备,而互联家居预计接近100台设备。另一个问题是各类数据源导致的Wi-Fi网络竞争。如果流媒体视频和恒温器发生争用,那么两个数据流都不会得到所需的带宽。如果您认为流媒体电视节目与孩子的电子游戏下载发生争用只是有点不方便,不妨试想一下您的恒温器也在尝试占用带宽。

Bluetooth
Bluetooth是蓝牙技术联盟(SIG)所管理的一项无线技术规格。Bluetooth专为短距离的数据传输和交换而设计,能够利用2.4GHz上的无授权ISM频带。Bluetooth包括多项功能,从点对点流式音频传输到大规模多对多(m:m)网状网络。

BluetoothBR/EDR
Bluetooth基本速率/增强数据速率(BR/EDR)是一种短距离通信协议,普遍用于智能手机应用。它无需特殊的网关即可工作,因为它已使用了智能手机或移动设备,但也存在一些缺点。它仅支持点对点网络,因此距离和可靠性有限。如果您的智能手机不在端点距离内,则无法建立流式传输连接。

Bluetooth低功耗(LE)
最初的BluetoothLE核心规格于2010年6月被采用,主要侧重于降低功耗,同时还引入了单向通信标准,为Bluetooth信标做了铺垫。自2010年起,BluetoothSIG曾多次更新BluetoothLE核心规格,每个新版本都提供了功能改进。

zigBee
zigbee最早在2004年实现标准化,功耗低于Wi-Fi。它采用IEEE的802.15.4物理射频规格(不同于更常见的802.11 Wi-Fi)。zigbee目前主要用于家居自动化网状网络以及很多工业应用。zigbee制定了一套应用协议,用于定义各类设备及其通信模式在家用和商用领域的设备对设备应用。这些应用协议在联盟内部的公司之间开发,因此既有健康的产品生态系统,也存在有竞争关系的芯片供应商。
zigbee协议有很多优点,包括可靠性、可扩展性以及自愈网状网络的能力。目前,zigbee所面临的问题是应用标准的区域化以及易操作性欠佳,除此之外,还欠缺直接IP寻址能力。zigbee设备需要两个地址,以及应用层翻译,才能与互联网上的设备通信,这会造成网关上出现潜在故障点。

Z Wave
Z Wave协议主要用于家居控制和监控,属于专有协议。家庭安全公司使用Z Wave无线协议来构建门窗传感器、火灾检测器、恒温器和其他家居自动化设备的网络,这个网络可通过高级别应用访问,甚至在Web上进行访问。Z Wave最适合低带宽的1GHz以下部署。Z Wave所制定的应用协议能够规范设备相互通信的方式,实现真正的家庭设备对设备通信。


但是,这个标准被一家公司所控制,难以实现发展和扩展。应用层协议不适用于IP,需要转换成IP协议,才能实现设备对云端或手机的通信。Z Wave不属于开放标准,需要地址和应用转换才能与互联网上的设备进行通信。Z Wave需要网关才能运行,进而给网络带来了单一故障点。此外,该协议假设设备处于静态,禁止移动设备(例如遥控器)加入网络。

Thread
Thread是一种全新的开放标准,能够向网络上的每一台设备分配互联网协议(IP)地址,并且该IP地址可通过节点扩展。Thread无需应用网关,即可实现设备对设备通信。请注意,消除网关需求(或者允许多个网关)也会消除单一故障点,这在需要始终开启的网状网络中非常必要。Thread有三个主要优点:可扩展性、互操作性、更廉价且更简单的硬件。尽管Thread正在发展中,但无需推迟互联家居产品的开发。使用现有的802.15.4芯片的任何产品均可通过无线方式(OTA)更新至基于IP Thread协议。这能够实现现有系统的持续部署,并且知道它们可在系统准备好时更新至Thread。

安全性和互联家居
安全性已在软件协议栈的深层次构建到很多现有的网状网络互联家居协议中,例如在802.15.4 MAC层使用AES加密。流量始终经过加密,并且借助于全新的身份验证技术,所有节点都能够要求先进行身份验证,才可相互通信以及与网络通信。在软件协议栈中使用较低安全性的设备,其安全性只能达到和新设备中安装密钥的方法同样的水平。存在于密钥安装或设备中的弱点是需要更新整个系统的密钥。

IP安全性和互联家居
家庭中的现有协议混合着IP协议栈和非IP协议栈。其他市场和网络已汇聚到IP协议上,因为它能提供很多不同的寻址、路由和安全机制,这些机制可针对特定的网
络或设备进行选择,还能够实现端对端寻址能力和消息路由,无需应用层转换。互联网向其他行业和市场板块的快速扩展体现了这种技术转变如何促进新服务和设备在相应IP基础架构上进行创新和快速发展。
IP的使用还能够在不同MAC/PHY之间实现底层技术和桥接设备的混用。这样一来,接入以太网的家用计算机上运行的应用能够通过Wi Fi或蜂窝连接在移动通信设备上运行。在很多新应用领域,消费者希望在家中以及出门在外时利用手机进行控制。这类无缝连接性在这些领域非常重要。

在互联家居领域,大量的公司正在创新和研发新的设备和服务。某些服务需要高带宽,更适合使用Wi Fi,其他设备则为存在局限性的电池供电传感器,更适合使用目前的802.15.4低功耗无线网络和ZigBee协议栈,并在未来迁移至Thread协议栈。

总结
随着物联网和互联家居越来越热门,像智能手机一样,家中同时运行多种协议的现象会变得很常见。这不在于一项协议的成败,而是要找到合适的协议组合,让您的物联网应用实现相互通信以及与网关、云端和消费者通信。您预期会在家中使用哪些应用?我们可能无法在短期内用上飞行汽车,但是随着设备和协议的增多,无缝协作的互联家居不久便会成为现实,这将让我们的环境更加便利、舒适和节能。