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LED智能照明无线传输的两种协议对比

归档日期:06-01       文本归类:帧控制字段      文章编辑:爱尚语录

  照明、无线通信等技术的发展,其典型特征是照明设备的单独可控、方便灵活的场景设定,并且可以与其他智能化信息系统进行无缝对接(如智能传感网、安全监控网、智能能源网等),以新颖的呈现模式满足不同的智能化照明需求,因此,系统需要提供方便易操作的系统升级改造方案,以适应需求的不断变化,而低功耗无线通信控制系统是其中关键的一环。

  智能照明作为智慧工程重要组成部分,也是物联网体系中一个较好的应用呈现形式。以基于低功耗无线传输的智能照明解决方案将是未来发展趋势,目前市场环境日趋成熟,相关标准的建立将是推动智能照明市场发展的助力。

  目前在低功耗无线传输领域所使用的协议有很多,还未形成统一的传输规范。下面以两个当前主流低功耗无线传输协议Zigbee和Jennet-IP的比较为例,对低功耗传输协议的特点和发展方向进行分析。

  Zigbee协议具有体积小、成本低、功耗小以及传输速率低等特点,是由摩托罗拉(美国)、三菱(日本)、飞利浦(荷兰)、英维斯(英国)等公司于2002年共同提出并研发的低功耗无线通信协议。

  Zigbee协议的网络层和媒体接入层以IEEE802.15.4协议作为协议标准,IEEE 802.15.4协议是由IEEE 802无线个域网(WPAN,Wireless PersonalArea Network)小组(成立于2000年12月)于2003年12月正式发布的,包括其物理层和MAC层所采用的协议标准。Zigbee联盟于2004年 12月在IEEE802. 15. 4定义的物理层(PHY)和媒体接入层(MAC)的基础上定义了网络层和应用层,从而发布了Zigbee无线)Zigbee无线通信协议的主要应用特征有以下几点:

  ①功耗低:与其他无线网络协议相比,Zigbee协议设备的功耗极低,因此设备寿命延长很多;

  ②可靠性强:Zigbee协议具有避免碰撞的机制,通过采用专用时间间隙方法,避免在发送数据过程中出现冲突;另外,在传输中采用自动路由的模式,提高了传输可靠性;

  ③传输率低:Zigbee协议支持的传输速率范围为10kb/s~250kb/s;

  ④传输时延小:Zigbee协议对时间延迟要求高的应用做了优化,使得通信延时大大缩短,另外,Zigbee协议设备从睡眠状态下激活的时间也降低了很多;

  ⑤支持节点数量多:理论上Zigbee协议网络最多可支持65000个节点的容量;

  ⑥安全性强:Zigbee协议可以针对具体应用的需求,提供相应的安全机制,在CCM模式下采用AES.128算法对数据进行安全保护。

  (2)Zigbee协议整体的结构主要包括物理层(PHY)、媒体接入层(MAC)、网络/安全层以及应用框架层。

  ①PHY层主要负责控制无线收发器的开启与关闭、信道选择、能量检测、链路质量、通过物理媒体发送和接收数据包等;

  ②MAC层主要负责信道接入、发送确认帧、时隙管理、信标管理、发送连接及断开连接请求等,另外,还为合适的安全机制提供支撑,比如,免碰撞载波侦听多址访问(CSMA-CA)、时间同步信标可选超帧结构;

  ⑤应用框架层主要负责提供应用软件接口(API),以便在应用层实现设备管理,另外,应用层还可为实际应用提供应用框架模型,以便开发应用。

  由恩智浦半导体开发的Jenne t-IP,是一种增强型6LoWPAN网络层协议,特別针对以IEEE802.15.4标准为基础的超低功耗网络所设计,适用于住宅和工业应用。 Jennet-IP已获得IBM、TCP等主要客户采用,目前,Jennet-IP广泛应用于智能家居、A/V射频遥控、智能照明、家庭智能医疗、安全消防、门禁控制、智能能源等领域。6LoWPAN,即IPv6 over IEEE 802.15.4,原名为IPv6 over Lowpower Wireless Personal,即低速无线LoWPAN技术引起了广泛的关注,众多无线组网解决方案都集成了 6LoWPAN。

  由于Jennet-IP是以IP为基础的解決方案,具备出色的扩展能力,可支援最多达500台设备的大型网络,具有极大的发展潜力;在有无网关支持的情況下均可运作;Jennet-IP整合众多特性于一身,支持IPv4、Ipv6、Zigbee多种协议,兼容6LoWPAN,具有功耗低、射频范围幅度大、存储空间占用小、成本低等特点。

  Jennet-IP以恩智浦(NXP)的Jennet网络通讯协议栈为基础,安全性能较高,能够提供128位AES加密算法和设备加入功能,于2011年以开源授权方式发布。Jennet-IP的主要特性在于,其是以IP协议为基础的网络协议,符合 IEEE,IEFT发布的标准,符合低功耗、低成本的大规模节点网络需求,能够与无线设备和公用网络IP形成无缝链接,是目前2.4GHz较成熟解决方案的代表,能够与Wi-Fi、蓝牙共存,具备常用的API接口。

  (2)超低待机功耗,支持路由层优化技术,低功耗无线位AES加密,安全验证和设备加入,可靠性;

  (5)普及性:Jennet-IP在LR-WPAN网络中使用IPv6,基于IP网络的广泛应用,作为下一代互联网核心技术的IPv6,更容易得到不同领域的融合;

  (6)适用性强:IP网络协议架目前受到广泛认可,新一代互联网络也是以IP网络协议为基础的,因此,融合IPv6协议的LR-WPAN网络具有更强的适应性,开发和应用更为简单;

  (7)更多地址空间:运用IPv6的LR-WPAN网络可以提供庞大的地址空间。这正是大规模、高密度低功耗无线网络设备的需要;

  (8)实现地址自动匹配:节点处于激活状态时,属于IPv6网络的节点能够自行读取自身MAC地址,并根据既定的规则转换成节点的IPv6地址,这个特性对于无线传感器网络非常重要,因为在一般情况下,对于大规模的无线传感网络节点不坑内分别进行界面配置,所以节点能够自行进行网络配置将从根本上提高实际应用的价值;

  (9)易接入:运用IPv6的LR-WPAN网络,接入其他IP网络的难度将大大降低,随着下一代互联网的发展,使不同的网络都可充分利用IP网络内的所有资源;

  (10)易开发性:随着新一代IP网络发展,基于IPv6的应用技术逐渐成熟,运用IPv6的LR-WPAN网络,可以更为容易对成熟技术进行整合,大大简化了协议发展过程。

  针对物联网设计的无线传输协议应主要关注互操作性、网络传输性能、有效载荷数据与帧长度比、安全性、可用性和成本等几个方面,下面从这几个层面针对 Zigbee(主要指目前使用广泛的Zigbee协议,不包括2013年初发布的Zigbee-IP协议)与Jennet-IP的主要区别进行分析:

  互操作性是选择一个无线传输协议时的主导因素。从技术角度分析,具有可互操作的装置之间应用程序不需要受到物理链路层数据包发送约束条件的限制。 Zigbee协议在两个802.15.4节点之间定义底层链接,之后再定义上层应用,也就是说,Zigbee设备可以与跟它运用相同配置环境(参照蓝牙通信)的Zigbee设备进行互操作。而Jennet-IP协议基于6LoWPAN,支持通过一个简单的桥接设备实现与其他无线设备以及其他任何IP网络链接设备进行互操作,但建立Zigbee与非Zigbee网络之间则需要一个更加复杂的过程。综上所述,基于IP协议的Jennet-IP允许建立与其他IP网络链接的端到端传输,而Zigbee协议需要特殊定制的网关协议才能实现与非Zigbee协议之间的网络传输。

  IEEE 802.15.4网络中的IPv6协议运行,主要需要解决两个问题:一方面,802.15.4协议物理层帧长度能够支持最多127个字节,然而IPv6协议的报头长度就需要40个字节,另外再算上MAC层、安全、传输层等报头,剩下的留给应用层使用的报文长度将非常有限;

  另一方面,在IPv6协议中,规定最小的MTU值是1280个字节,也就是说IP层只能将数据包分到最小1280个字节中。如果链路层所能支持的MTU 小于1280个字节,那么,链路层就要自行完成报文分片以及重组。针对这一问题,6LowPan工作组增加了一个适配层的设计,完成将IPv6数据包适配到规定的物理层以及链路层的工作,同时能够完成报文分片以及重组,解决了以上问题。另外,在Jennet-IP协议中规定了如何对IPv6的报头进行无状态压缩,从而减小IPv6协议的载荷量。

  而对于Zigbee协议,由于采用非IP传输,网络传输的定义则比较简单,不存在以上问题。

  比较802.15.4 Zigbee和Jennet-IP时必须熟悉数据包格式和系统开销,因为这直接关系到的网络缩放和有效载荷数据占数据帧的比例。虽然有多种其他的形式,但典型的配置如图1所示。

  可见,通过6LoWPAN的链接的IP路由不一定需要额外的6LoWPAN层标识信息,有效减少了数据包开销,并释放更多有效载荷数据空间。此外,一个典型全功能Zigbee协议栈内核有90Kb大小,而Jennet-IP仅需30Kb。

  Zigbee和Jennet-IP均内含AES128加密,这是IEEE802.15.4标准的一部分。AES有三种秘钥长度,128位、192位、256位,与DES数据加密算法比较,具有安全性强、性能更优、效率高、更为易用和灵活等特点,相对而言,AES的128位秘钥比DES的56位秘钥要强1021倍,算法主要包括三个方面:轮变化、圈数和密钥扩展,IEEE802.15.4标准将 AES128加密作为硬件加密标准算法。另一方面,Zigbee和Jennet-IP也支持登录申请验证,可依托网关设备完成验证、过滤、屏蔽等功能,区别在于Jennet-IP较Zigbee更容易完成对网关设备的配置和管理。

  综上所述,基于IEEE802.15.4标准的无线传输协议本身拥有完善的硬件加密体系,结合协议自身协议的特点,还能够针对传输的其他环节添加安全措施。区别在于基于IP协议的无线协议在操作和使用上更为便捷。

  目前芯片市场上大部分主流芯片厂商都发布有可集成Zigbee协议栈的产品,并提供基础组网协议和例程代码。但由于Zigbee协议的公开性以及其自身并非对整体协议进行强制性规范,致使各个厂商所使用的协议都有所差别,不同厂商设备之间的通信存在障碍,这在一定程度上也限制了协议的普遍推广和发展。而Jennet-IP是由恩智浦半导体(NXP)主导的产品,对物理层和链路层协议进行标准化和模块化定义,可以保证网络层和应用层能够调用不同底层设备进行通信。同时,Jennet-IP特别致力于照明领域,所以在照明应用上较为领先。当然,如果在综合应用上说,其在推广方面目前略逊于Zigbee,目前还有诸如Archrock和Sensinode等几家公司产品支持6LoWPAN协议。

  综上所述,基于I P 协议的Jennet-IP更具吸引力,源于其与当前主流IP网络以及新一代互联网简便的互操作性能以及底层协议的标准化便于上层应用的开发,未来发展潜力巨大。然而当前Zigbee协议仍然占据着低功耗无限局域网的主导地位,并已经形成了很多工业化应用,但如果不解决网络互操作性和底层设备兼容性的问题,Zigbee协议在物联网标准化的过程中就无法立足。从物联网低功耗传输协议发展来看, 虽然Zigbee协议发展较早,但由于其早期建立的目的是解决无线个域网络传输问题,致使其着眼点主要集中在低功耗无限局域网络的搭建,没有考虑到与其他网络的通信问题,使其协议架构并不十分符合当前物联网对传输协议的要求,无法兼顾网络间通信和底层设备的兼容性,而以Jennet-IP为代表兼容 6LoWPAN的协议则不存在这些问题。另外,Zigbee联盟在2013年初基于其智能能源系统推出了兼容IP的Zigbee-IP协议,可见协议间的融合是低功耗无线局域网的整体发展趋势。

  智能照明作为智慧工程一个重要组成部分也将以物联网技术为基础,而物联网的发展必定是以标准化为基础,以应用为核心,多系统间传输协议的统一对物联网整体推进有着重大意义。因此,越早对传输协议进行标准化,对智能照明和智慧工程的推广越有利,拥有从底层、传输协议到应用完整解决方案的智能照明服务提供商在未来照明市场将会具有极强的竞争力。

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