低功耗蓝牙、ZigBee与NFC设计

佚名 发表于 2018-06-26 09:10:41 收藏 已收藏
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低功耗蓝牙、ZigBee与NFC设计

佚名 发表于 2018-06-26 09:10:41

编者按:此三部曲系列文章的第 1 部分和第 2 部分介绍了常用无线技术选择及其关键工作属性和设计基础。本文为第 3 部分,将介绍因应物联网需求而兴起的新技术。

在低功耗无线技术方面,用户有很多选择。但是,对低功耗无线技术的需求仍在持续增长,而行业也在对此进行积极应对。例如,关注各种无线技术的特殊兴趣组织、联盟和论坛目前都在致力于发展各种技术,以便它们更加适应蓬勃发展的物联网 (IoT) 应用。

本文介绍了物联网所要求的最重要的协议变更及其对设计项目的影响。请注意,前两篇文章中介绍的几种技术,如 IrDA、Nike+ 和 RF4CE,并不是面向物联网的技术,因此在本文中不再讨论。但有些新技术是专为满足物联网需求而开发的,特别是 Thread 和 Wi-Fi HaLow,它们在本文讨论范围之内。

建立连接

很多低功耗无线技术是在物联网概念尚未完全形成之前设计的。例如,低功耗蓝牙最初是为了将外围设备(如心率带、步程计)连接到中心单元(如运动手表或手机)而开发的。将数据从低功耗蓝牙传感器发送至远程云服务器,并不是初始规范的目标。

整理并分析来自数千个微型无线传感器的数据,将会成为物联网的关键优势,当这种趋势变得十分明显时,各种相互竞争的低功耗无线协议开始调整技术,以应对这种需求。

这些变更的关键是充分利用网关,将短程无线技术正确连接到互联网。对于消费应用而言,智能手机可以很好地充当网关,而在商业或工业应用中,则可选择 Wi-Fi 路由器或专有网关。网关在网络应用层中工作,对来自低功耗无线网络的数据进行分解,然后再进行重新组合,以便通过互联网友好的 TCP/IP 协议栈进行传输。同样,它也对来自互联网的信息进行重新组合,并中继到传感器(图 1)。

用于互联网连接的 ZigBee 网络网关原理图

图 1:ZigBee 网络使用网关进行互联网连接。信息可以双向流动。(图片来源:ZigBee.org)

或者,有些低功耗无线协议(例如 Thread)包括一个基于 IPv6 的低功耗无线个人区域网 (6LoWPAN) 适配层,介于 IEEE 802.15.4 链路层与驻留在节点自身上的 TCP/IP 堆栈之间。有了这样的适配层,低功耗无线传感器能够直接与互联网上的其他设备进行通信。这样,更简单的 IP 层边缘路由器或网桥就可以取代成本昂贵的复杂网关,将传感器数据传送到云。

IP 层路由器也比网络应用层网关更加灵活,因为连接的传感器可在其他应用中修改或改进,而无需更改网关。

物联网传感器应用的第二个关键要求就是网状网络支持。有些低功耗无线技术,尤其是 ANT+ 和 ZigBee,从最初发布时就提供网状网络支持,而其他一些技术,例如低功耗蓝牙,最近才开始提供网状网络支持。在网状网络上,设备能够与连接到网络的任何其他节点进行通信,而无需通过中心“枢纽”设备传输信息。网状网络扩展了传输距离,还提高了灵活性和冗余度,尤其适合物联网应用。

针对物联网的功能增强

下面,我们来了解一下每种无线协议是如何针对物联网应用进行演进的。

近场通讯:初看起来,近场通讯 (NFC) 似乎与我们在此处讨论的其他物联网技术几乎没有共同之处。NFC 的传输距离和带宽有限,无法形成网状网络。另外,NFC 无法将数据发送至云。

但是,这种技术将在物联网中扮演关键角色,作为更主流的物联网协议的补充,特别是用于将新设备连接到(“安全引入”)网络并进行调试。

扩展物联网的一个挑战是,目前还没有将物联网传感器连接到网络并进行调试的行业标准。这导致的结果是专有解决方案迅猛增长。很多物联网设备是“无头”单元,没有用户界面,这使得调试变得更加混乱。

作为一种基于开放标准的可互操作的无线协议,NFC 提供了解决方案。例如,使用 NFC 可以显著简化无头低功耗蓝牙或 ZigBee LED 智能灯具的调试,将这些设备加入智能家庭网状网络。如果智能灯具和相关物联网网关配备了 NFC 标签,则未加电的智能灯具只需靠近加电的网关,即可交换网络密钥。

这样,当智能灯具插入照明插座并接通电源时,无线 SoC 即可读取密钥,使用该密钥将设备加入网络。然后,密钥将从 NFC 标签上擦除,防止被未经授权的人员读取,另外还将传输网络参数,建立安全的 AES-128 加密无线连接,以用于今后的通信(图 2)。

用于连接无头物联网设备的 NFC 原理图

图 2:可用于连接无头物联网设备的 NFC。在本例中,未加电的灯泡通过 NFC 从网关获取网络密钥。然后使用该密钥在网络上建立加密通信,再擦除该密钥。(图片来源:NFC Forum)

Rigado 的 BMD-300 低功耗蓝牙模块(基于 Nordic Semiconductor 的采用 nRF52832 Arm® M4F 处理器的 SoC)是一种无线解决方案,其包含的 NFC 标签用于调试无头物联网设备。

低功耗蓝牙:作为低功耗蓝牙技术的开发者,蓝牙技术联盟 (SIG) 付出了很大努力,将该技术从面向消费者的个人局域网 (PAN) 迁移到面向物联网的局域网 (LAN)。

这种技术的关键特性包括:

  • 能够让设备同时充当“外设”和“枢纽”。

  • 增加了一种创建可用于 IPv6 通信的专用通道的方法(以上两种特性均已加入蓝牙 4.1)。

  • 增加了互联网协议支持规范 (IPSP),让低功耗蓝牙设备能够与其他任何支持 IPv6 的设备通信。

  • 更高强度的安全性。

  • 更高的最大发射功率。

  • 更长的数据包长度(以上所有特性均已加入蓝牙 4.2)。

  • 更大的吞吐量。

  • 更远的传输距离(以上两种特性已加入蓝牙 5)。

有关这些更改的更多详细信息,请参见 Digi-Key 文库文章“兼容蓝牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗蓝牙 SoC 和工具可应对物联网挑战(第 1 部分)”。

最近,蓝牙 SIG 增加了蓝牙 mesh 1.0,这种技术规范将网状拓扑纳入了蓝牙技术的网络支持范围。该网状规范不仅适用于符合最新版本的蓝牙 5 规范的芯片,而且向后兼容所有低功耗蓝牙芯片(即蓝牙 4.0 以上版本)。

该规范详细说明了固件的标准低功耗蓝牙物理层 (PHY) 顶部的七个层,以及四种类型的节点,包括“低功耗”类型和“代理”类型。后一种类型值得注意,因为它让当前不直接支持蓝牙网状网络的低功耗蓝牙设备(例如现在的智能手机)能够连接到蓝牙网状网络。举例来说,此类功能让智能照明制造商能够推出可直接从当代移动设备控制的网状网络系统(图 3)。

蓝牙网状网络代理 (P) 节点原理图

图 3:蓝牙网状网络具有代理 (P) 节点,能够让当今的智能手机控制像智能照明这样的应用。(图片来源:蓝牙 SIG)

Nordic Semiconductor 是最早支持蓝牙 mesh 1.0 的低功耗蓝牙芯片供应商之一,他们提供的 nRF5 软件开发套件 (SDK) 适用于网状网络。据说 Dialog Semiconductor 的 DA14586 蓝牙 5 SoC 也支持蓝牙网状网络。

ANT:由 Dynastream 开发的 ANT 和 ANT+ 一直支持网状网络,但他们近期又推出了 ANT BLAZE 增强功能,这种网状网络技术适用于处理大型企业环境中的高节点数物联网应用。

该技术可同时连接最多 500 个节点,在 D52 ANT SoC 模块上采用,为该模块的并发 ANT/低功耗蓝牙连接功能添加了增强型网状网络。ANT BLAZE 的主要优势之一是:当它在 Wi-Fi 和低功耗蓝牙/蓝牙环境中工作时,具备相对较高的抗干扰能力。

升级的 D52 ANT SoC 模块入门套件 (D52DK2) 和新发布的 D52EXT1 Extender 套件(包括四个电池供电型节点),为开发人员提供了创建和验证物联网使用案例解决方案所必需的专用开发工具。

ZigBee:ZigBee 联盟表示,该技术最初是针对云连接设计的,考虑到了网状拓扑。由于这个原因,与竞争技术相比,ZigBee 近年来进行的与物联网相关的调整比较少。

ZigBee 最初就针对网状拓扑进行设计,因而能够轻松扩展,而且在智能楼宇等物联网应用中具有很高的容错性。此外,ZigBee 协议套件包括标准的调试、安全、网络和设备管理程序。各种设备都可以经过身份验证加入网络,并通过可互操作的方式进行出厂重置或退出网络。

ZigBee 利用 250 KB/s 的吞吐能力来传输应用数据以操作设备

(例如开关灯具)以及执行网络管理程序(例如网状网络和路由管理)。

随着 ZigBee PRO 2017 在今年早些时候发布,单个 ZigBee 网状网络在某些特定地区可在 800 至 900 MHz 频段内工作(增加传输距离),在全球范围则在 2.4 GHz 频段内工作。PRO 2017 基于早期的 ZigBee PRO 构建,提供更多功能以实现稳健的部署,与 ZigBee 相比,其安全性得到增强。

Digi International 的 XBee ZigBee 网套件为开发人员提供了经济高效的 ZigBee PRO 网状网络入门途径。该套件带有开发板和三个 ZigBee 模块,还提供介绍网状网络的基于 Web 的教程。XBee 套件的模块基于 Silicon Labs 的 EM3587 ZigBee SoC,它提供 250 KB/s 的数据速率和 -101 dBm 的灵敏度,可在 90 m 的室内距离内使用(图 4)。

来自 Silicon Labs 的 EM3587 ZigBee SoC 原理图(单击放大)

图 4:来自 Silicon Labs 的 EM3587 ZigBee SoC 提供 250 KB/s 的数据速率和 -101 dBm 的灵敏度,可在 90 m 的室内距离内使用。(图片来源:Silicon Labs)

Thread:虽然采用 6LoWPAN 可以实现节点上的 IP 连接,但由于互操作性问题,它的普及速度比较缓慢。Thread 是一种由 Google、三星和多家芯片供应商开发和推广的、旨在消除互操作性障碍的协议,用于将低功耗无线节点直接连接到 IP 网络。

Thread 的优势在于它是基于 IEEE 802.15.4 2006 规范,集成了 6LoWPAN 和网状网络支持(图 5)。

基于 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 的 Thread 协议原理图

图 5:Thread 协议基于 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC,包括 6LoWPAN 适配层。(图片来源:Thread Group)

Thread 是一种 2.4 GHz 协议,提供高达 250 KB/s 的数据速率,在一个局域网状网络中能够支持多达 250 个设备。最终通过一个或多个“边界”IP 路由器连接至云。这种路由器实际上是网络中的 Thread 设备,但带有额外的 IP 兼容接口(例如 Wi-Fi、以太网或蜂窝网络),形成从网络到互联网的完整路径。如果主路由器发生故障,则 Thread 网络中的其他设备可以透明地升级为路由器,从而为网络提供了互联网连接冗余。

Thread Group 托管认证计划实现了 Thread 设备之间的互操作性。很多产品制造商使用 Google 的 OpenThread,它是 Thread 网络协议的开源版本。例如,Texas Instruments 的 CC2538 是一款基于 ARM M3 处理器的无线 SoC,符合 IEEE 802.15.4 标准,可以运行 OpenThread 协议,且通过了 Thread 认证。同样,Nordic Semiconductor 的 nRF52840 是一款基于 ARM M4F 处理器的无线 SoC,符合低功耗蓝牙、ANT 和 IEEE 802.15.4 标准,它也可以运行 OpenThread 协议,且通过了 Thread 认证。

Wi-Fi HaLow:作为无线局域网 (WLAN) 的标准,Wi-Fi 在消费和工业领域都占据一席之地。但是,由于该技术的功耗相对较高,因此对于电池供电的传感器缺乏竞争力。Wi-Fi 联盟计划改变这种状况,利用低功耗的 Wi-Fi,在蓬勃发展的物联网领域占据一席之地,这种名为“HaLow”的技术基于 IEEE 802.11ah 标准。

它充分利用了其他低功耗无线技术使用的超低占空比,最大程度地降低了功耗,据称其功耗仅为常规 Wi-Fi 芯片的 1% 左右(可与低功耗蓝牙相媲美)。

HaLow 在 900 MHz ISM 频段中工作,其传输距离增加至当前 Wi-Fi 的将近两倍,即便与在 900 MHz 频段中工作的蓝牙 5 相比也毫不逊色。与在 2.4 或 5 GHz 频段中工作的 Wi-Fi 相比,HaLow 的运行更稳定,因为墙壁或其他固体障碍物导致的衰减较少。

吞吐量取决于空间流数量、调制技术、编码速率和通道宽度。较高的吞吐量将不可避免地影响功耗。在使用单个空间流、BPSK 调制、1/2 编码速率、2 MHz 通道宽度的情况下,吞吐量达 650 Kbit/s。在最多使用 4 个空间流、256 QAM 调制、5/6 编码速率和 16 MHz 通道宽度的情况下,吞吐量为 347 Mbit/s。

Wi-Fi HaLow 将支持网状网络,因为它基于现有的 Wi-Fi 协议,而该技术可支持节点上的 IP 协议,另外 HaLow 还将兼容下一代 Wi-Fi 路由器。

由于 HaLow 在近期才推出,因此目前市面上还没有 Wi-Fi HaLow IC、芯片组或模块,但有几家供应商正在开发原型产品。

物联网无线选择取决于应用

鉴于每种无线技术都存在细微差别,它们的选择应该取决于应用需求,因而制定一份比较表格(表 1)是非常有用的。

Wi-Fi HaLow低功耗蓝牙 (5)ZigBeeThreadSub-GHz IEEE 802.15.4最大数据吞吐量347 Mbps2 Mbps250 kbps250 kbps100 bps最大视距范围*N/A1750 m130 m100 m74000 m功耗N/A2一粒钮扣电池可工作数年一粒钮扣电池可工作数年一粒钮扣电池可工作数年一粒钮扣电池可工作数年8网状网络是是4是是否设备节点的 IP是是5否是否OC/移动 OS 支持是是否否否是否需要基础设施是,路由器3是,移动设备6否否否

表 1 其他信息

表 1:适用于物联网应用的重要协议比较(数据来源:Digi-Key、Texas Instruments)

所有技术都能达到令人满意的效果,但正如上文所述,有些技术的能耗较低,而有些技术则提供更高的吞吐量。有些技术的传输距离长,有些技术的抗干扰能力更强。有些技术提供了智能手机或无线接入点互操作性,有些技术依托大型行业联盟的支持。每种无线技术都在不断演进,相互展开竞争,以满足通常无法预测的新应用的需求。

总结

对于每种应用而言,都有多种成熟的低功耗无线技术可供选择,而所有这些技术都有出色的设计工具和供应商支持作为后盾。归根结底,这种选择要取决于规格要求和应用。

无线技术市场似乎不太可能被单个协议或产业群独家主导。很可能是各种协议将会越来越多地相互配合,以充分利用它们各自的优势。我们期待看到这些技术之间的更多协作,例如低功耗蓝牙或 ZigBee 与 NFC,以及 Thread、低功耗蓝牙或 ZigBee 与 IPv6。我们也期待这些技术继续演进,以满足物联网不断变化的需求。

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