第1篇：物联网设备和局域网

2014-08-12MicriumChristianLegare

单片机与嵌入式系统应用 2014年8期

关键词：局域网网关传感

Micrium Christian Legare

何小庆译

第1篇：物联网设备和局域网

Micrium Christian Legare

何小庆译

许多人都在试图给物联网(Internet of Things，IoT)一个定义。其实，作为一个硬件和软件工程师，你已经知道物联网的最重要的元素——构建物物互联的产品。

嵌入式系统在物联网开发中正在起着关键的作用。广义地讲，物联网系统有以下4个主要的部分，如图1所示。

◆ 物本身(设备)。

◆ 局域网(本地网络)：包括网关，它将私有的通信协议翻译成互联网协议。

◆ 互联网。

◆ 后台服务：企业数据中心、PC和移动设备。

物联网系统并不复杂，市场上已经有专门针对物联网开发的硬件和软件，开发者也已经具备所有开发物联网系统相关的工具；但是，设计和构建一个物联网系统确实是一个复杂工程。

我们可以将物联网分成2类：

① 工业物联网。局域网间的通信基于许多不同的技术而实现，物联网设备一般是通过一个IP网关连到互联网上。

② 消费物联网。局域网间的通信多是基于蓝牙和以太网(有线或者无线——WiFi)而实现的，物联网设备一般只与局域网的设备进行通信。

为了更好地理解如何设计物联网设备，首先需要定义所设计的物联网设备是如何与其他联网的设备进行通信的。

局域网

通信技术的选择将会直接影响硬件的构成和成本。物联网设备的形态有很大的不同，比如智能衣服、家居、楼宇、工厂以及你的身体本身，因此没有哪一种通信技术可以适合所有这些物联网应用。

我们举一个物联网系统典型的例子——自动化工厂。一个自动化的工厂一定包含了大量的传感器和执行部件，它们分散在工厂的各个地方，无线通信技术将是最好的选择。

工厂内通过网关与互联网相连的无线传感器网络如图2所示。

图2 工厂内通过网关与互联网相连的无线传感器网络

无线传感网络(WSN)是监控物体和环境参数的传感器的集合，比如温度、声音和压力。从一个传感器来的数据可以通过网络的一个节点传递到另一个节点。

无线传感网的节点

无线传感网的节点是一种低成本的设备。它们的数量很大，而且功耗低，可以使用电池供电运行，或者使用能量收集方式供电。无线传感网节点是一个只完成简单功能的嵌入式系统，比如测量温度和压力，执行开灯和启动电机的任务。

能量收集是一种从外部获取能源的新技术，比如收集太阳能、热能、风能、电磁辐射能和动能等。这些能源被获取和存储，并提供给一个小的、低功耗的无线自治设备，比如我们所谈的无线传感网络节点。

无线传感器网络的边缘节点

无线传感网络边缘节点是一种包含互联网协议连接的无线传感网络节点，在无线传感网络和IP网络之间起到网关的作用。除了网关功能之外，它还要完成本地处理工作，具备本地存储和人机界面的功能。

无线传感网络技术

市场上有许多种无线网络协议是可以应用在无线传感网络上的，究竟哪一种是最好的呢？围绕这个问题的争论一直没有停止。下面几种无线网络协议是目前最热门的。

(1) Wi-Fi

显然，物联网设备的无线协议的首选应该是Wi-Fi。当然，这是因为Wi-Fi无处不在。对于许多应用，Wi-Fi都是最好的选择。因为几乎所有的住宅，只要有互联网的访问，就一定有一个Wi-Fi路由器。

美中不足的是，Wi-Fi要耗费比较大的电量。依靠电池供电的设备和那些安装在无法从电网获得供电的传感器设备，都不能长时间承受Wi-Fi的电量消耗。

(2) 低功耗方案

新的网络技术支持开发成本、功耗更低的解决方案，这些方案还能支持很小的智能设备组成一个很大的网络。目前这个领域的研究包括：

◆ 低功耗和高效率的无线射频技术，可以支持数年的电池电量消耗。

◆ 能量收集成为物联网设备供电的一种方式。

◆ 支持建立一个无人值守，长期运行的网状网络(比如M2M 网络)。

◆ 支持自治运行(autonomous operation)的新的应用协议和数据格式。

比如德国易能森(EnOcean)公司已经申请了能量收集无线技术的专利，以应对功耗的挑战。易能森的无线通信技术工作在868 MHz(欧洲)和315 MHz (北美)频段，传输距离在室内可以达到30 m，在室外达到300 m。

(3) IEEE 802.15.4

2003年发表的IEEE 802.15.4无线通信标准是物联网主要的推动者之一，商业无线技术公司为这个标准提供了最基础的低功耗保证。2006年和2011年，IEEE对这个标准做了15.4e和15.4g 版本的修正。符合这个标准的商用射频器件与几年前相比已经降低了50%的功耗，预计下一代器件还将使功耗再降低50%。

(4) 6LoWPAN

使用能量收集技术的物联网设备必须要在尽可能短的时间内完成它们的任务，这就意味着它们传输的信息报文一定要尽可能短小精悍，这样的要求对协议设计也会有影响。这也是6LoWPAN (IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks 的简称)被ARM (收购了Sensinode) 和Cisco (收购了ArchRock)所采纳的原因。6LoWPAN提供了封装和报头压缩机制，以减少传输时间。

各种无线通信标准的比较如表1所列。

表1 各种无线通信标准的比较

市场上有许多种无线通信协议技术可满足各种应用的需求。最常见的有以下几种：

6LoWPANDASH7WirelessMBusANTISA100ZWave蓝牙WirelessHARTZigBee和ZigBeeIP

站在Micrium公司角度，我们相信承载IP数据包的任何协议都具备超过所有其他协议的优势。物联网设备的连接需求是多元化的，一种技术无法满足所有设备在工作范围、功耗、尺寸和成本方面的要求。尽管如此，我们坚信6LoWPAN将是无线传感器网络和基于轻型IP协议的最佳选择。

IPv6 是物联网的关键

如果你的网络仅仅是本地和M2M的，那么以上我们讨论的方案是再合适不过了；如果你的目标是远程的控制设备，或者在互联网上传输数据，那么就需要IPv6了。

译者注：M2M(Machine-to-Machine)，即机器和机器连接。M2M技术的目标就是使所有机器设备都具备联网和通信能力，进而发展成物联网。M2M应用很多，比如我们上班用的门禁卡、超市的条码扫描，还有现在开始流行的NFC手机支付。

物联网设备的用处不仅在于本地通信，而且要能在全球传播。如果条件可能，最理想的情况是所有的物联网网络(局域网LAN、个人局域网PAN和身体局域网BAN)都使用一套互联网协议(IP、UDP、TCP、SSL、HTTP等)。现在的IPv4网络面临IP地址短缺的问题，而且IPv4对组播和移动IP支持也不是很好，因此网络最好能够支持互联网协议版本6(IPv6)。

IPv6的选址方案提供了像地球上的沙子一样取之不尽的地址资源。有人计算过它可能高达每个人拥有10的30次方的地址(相比人的身体具有10的28次方个原子，这个数字是海量的)。有了IPv6，每一个物联网的设备就可以很简单地获得一个全球IP地址，从而使得点对点之间的通信更加有效率。

在物联网中，IP协议的重要性并不意味着没有IP协议的网络就没有丝毫用处了。我们只是说，没有IP协议的网络需要一个网关才能访问到互联网。