LED智能照明無線傳輸?shù)膬煞N協(xié)議對比

　　智能照明的出現(xiàn)伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、LED照明、無線通信等技術的發(fā)展，其典型特征是照明設備的單獨可控、方便靈活的場景設定，并且可以與其他智能化信息系統(tǒng)進行無縫對接（如智能傳感網(wǎng)、安全監(jiān)控網(wǎng)、智能能源網(wǎng)等），以新穎的呈現(xiàn)模式滿足不同的智能化照明需求，因此，智能照明系統(tǒng)需要提供方便易操作的系統(tǒng)升級改造方案，以適應需求的不斷變化，而低功耗無線通信控制系統(tǒng)是其中關鍵的一環(huán)。

　　智能照明作為智慧工程重要組成部分，也是物聯(lián)網(wǎng)體系中一個較好的應用呈現(xiàn)形式。以基于低功耗無線傳輸的智能照明解決方案將是未來發(fā)展趨勢，目前市場環(huán)境日趨成熟，相關標準的建立將是推動智能照明市場發(fā)展的助力。

　　目前在低功耗無線傳輸領域所使用的協(xié)議有很多，還未形成統(tǒng)一的傳輸規(guī)范。下面以兩個當前主流低功耗無線傳輸協(xié)議Zigbee和Jennet-IP的比較為例，對低功耗傳輸協(xié)議的特點和發(fā)展方向進行分析。

　　1、Zigbee協(xié)議

　　Zigbee協(xié)議具有體積小、成本低、功耗小以及傳輸速率低等特點，是由摩托羅拉（美國）、三菱（日本）、飛利浦（荷蘭）、英維斯（英國）等公司于2002年共同提出并研發(fā)的低功耗無線通信協(xié)議。

　　Zigbee協(xié)議的網(wǎng)絡層和媒體接入層以IEEE802.15.4協(xié)議作為協(xié)議標準，IEEE 802.15.4協(xié)議是由IEEE 802無線個域網(wǎng)（WPAN，Wireless PersonalArea Network）小組（成立于2000年12月）于2003年12月正式發(fā)布的，包括其物理層和MAC層所采用的協(xié)議標準。Zigbee聯(lián)盟于2004年 12月在IEEE802. 15. 4定義的物理層（PHY）和媒體接入層（MAC）的基礎上定義了網(wǎng)絡層和應用層，從而發(fā)布了Zigbee無線通信協(xié)議。

　　（1）Zigbee無線通信協(xié)議的主要應用特征有以下幾點：

　　①功耗低：與其他無線網(wǎng)絡協(xié)議相比，Zigbee協(xié)議設備的功耗極低，因此設備壽命延長很多；

　?、诳煽啃詮姡篫igbee協(xié)議具有避免碰撞的機制，通過采用專用時間間隙方法，避免在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中出現(xiàn)沖突；另外，在傳輸中采用自動路由的模式，提高了傳輸可靠性；

　　③傳輸率低：Zigbee協(xié)議支持的傳輸速率范圍為10kb/s～250kb/s；

　?、軅鬏敃r延?。篫igbee協(xié)議對時間延遲要求高的應用做了優(yōu)化，使得通信延時大大縮短，另外，Zigbee協(xié)議設備從睡眠狀態(tài)下激活的時間也降低了很多；

　?、葜С止?jié)點數(shù)量多：理論上Zigbee協(xié)議網(wǎng)絡最多可支持65000個節(jié)點的容量；

　?、薨踩詮姡篫igbee協(xié)議可以針對具體應用的需求，提供相應的安全機制，在CCM模式下采用AES.128算法對數(shù)據(jù)進行安全保護。

　　（2）Zigbee協(xié)議整體的結構主要包括物理層（PHY）、媒體接入層（MAC）、網(wǎng)絡/安全層以及應用框架層。

　　①PHY層主要負責控制無線收發(fā)器的開啟與關閉、信道選擇、能量檢測、鏈路質量、通過物理媒體發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包等；

　?、贛AC層主要負責信道接入、發(fā)送確認幀、時隙管理、信標管理、發(fā)送連接及斷開連接請求等，另外，還為合適的安全機制提供支撐，比如，免碰撞載波偵聽多址訪問（CSMA-CA）、時間同步信標可選超幀結構；

　?、郯踩珜又饕撠熋荑€管理、存取等功能；

　?、芫W(wǎng)絡層主要負LR-WPAN網(wǎng)的組網(wǎng)、數(shù)據(jù)等；

　?、輵每蚣軐又饕撠熖峁密浖涌冢ˋPI），以便在應用層實現(xiàn)設備管理，另外，應用層還可為實際應用提供應用框架模型，以便開發(fā)應用。

　　2、Jennet-IP協(xié)議

　　由恩智浦半導體開發(fā)的Jenne t-IP，是一種增強型6LoWPAN網(wǎng)絡層協(xié)議，特別針對以IEEE802.15.4標準為基礎的超低功耗網(wǎng)絡所設計，適用于住宅和工業(yè)應用。 Jennet-IP已獲得IBM、TCP等主要客戶采用，目前，Jennet-IP廣泛應用于智能家居、A/V射頻遙控、智能照明、家庭智能醫(yī)療、安全消防、門禁控制、智能能源等領域。6LoWPAN，即IPv6 over IEEE 802.15.4，原名為IPv6 over Lowpower Wireless Personal，即低速無線個域網(wǎng)標準。IPv6作為網(wǎng)絡層互聯(lián)方案，6LoWPAN技術引起了廣泛的關注，眾多無線組網(wǎng)解決方案都集成了 6LoWPAN。

　　由于Jennet-IP是以IP為基礎的解決方案，具備出色的擴展能力，可支援最多達500臺設備的大型網(wǎng)絡，具有極大的發(fā)展?jié)摿Γ辉谟袩o網(wǎng)關支持的情況下均可運作；Jennet-IP整合眾多特性于一身，支持IPv4、Ipv6、Zigbee多種協(xié)議，兼容6LoWPAN，具有功耗低、射頻范圍幅度大、存儲空間占用小、成本低等特點。

　　Jennet-IP以恩智浦（NXP）的Jennet網(wǎng)絡通訊協(xié)議棧為基礎，安全性能較高，能夠提供128位AES加密算法和設備加入功能，于2011年以開源授權方式發(fā)布。Jennet-IP的主要特性在于，其是以IP協(xié)議為基礎的網(wǎng)絡協(xié)議，符合 IEEE，IEFT發(fā)布的標準，符合低功耗、低成本的大規(guī)模節(jié)點網(wǎng)絡需求，能夠與無線設備和公用網(wǎng)絡IP形成無縫鏈接，是目前2.4GHz較成熟解決方案的代表，能夠與Wi-Fi、藍牙共存，具備常用的API接口。

　　Jennet-IP的主要特性包括：

　?。?）支持網(wǎng)關或無網(wǎng)關運行，可連接到互聯(lián)網(wǎng)或進行單機操作；

　?。?）超低待機功耗，支持路由層優(yōu)化技術，低功耗無線鏈路；

　?。?）高安全性128位AES加密，安全驗證和設備加入，可靠性；

　?。?）內核小巧，低內存占用，不到128個字節(jié)，低成本，開源授權；

　?。?）普及性：Jennet-IP在LR-WPAN網(wǎng)絡中使用IPv6，基于IP網(wǎng)絡的廣泛應用，作為下一代互聯(lián)網(wǎng)核心技術的IPv6，更容易得到不同領域的融合；

　?。?）適用性強：IP網(wǎng)絡協(xié)議架目前受到廣泛認可，新一代互聯(lián)網(wǎng)絡也是以IP網(wǎng)絡協(xié)議為基礎的，因此，融合IPv6協(xié)議的LR-WPAN網(wǎng)絡具有更強的適應性，開發(fā)和應用更為簡單；

　?。?）更多地址空間：運用IPv6的LR-WPAN網(wǎng)絡可以提供龐大的地址空間。這正是大規(guī)模、高密度低功耗無線網(wǎng)絡設備的需要；

　?。?）實現(xiàn)地址自動匹配：節(jié)點處于激活狀態(tài)時，屬于IPv6網(wǎng)絡的節(jié)點能夠自行讀取自身MAC地址，并根據(jù)既定的規(guī)則轉換成節(jié)點的IPv6地址，這個特性對于無線傳感器網(wǎng)絡非常重要，因為在一般情況下，對于大規(guī)模的無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點不坑內分別進行界面配置，所以節(jié)點能夠自行進行網(wǎng)絡配置將從根本上提高實際應用的價值；

　?。?）易接入：運用IPv6的LR-WPAN網(wǎng)絡，接入其他IP網(wǎng)絡的難度將大大降低，隨著下一代互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使不同的網(wǎng)絡都可充分利用IP網(wǎng)絡內的所有資源；

　?。?0）易開發(fā)性：隨著新一代IP網(wǎng)絡發(fā)展，基于IPv6的應用技術逐漸成熟，運用IPv6的LR-WPAN網(wǎng)絡，可以更為容易對成熟技術進行整合，大大簡化了協(xié)議發(fā)展過程。

　　3、協(xié)議特性比較

　　針對物聯(lián)網(wǎng)設計的無線傳輸協(xié)議應主要關注互操作性、網(wǎng)絡傳輸性能、有效載荷數(shù)據(jù)與幀長度比、安全性、可用性和成本等幾個方面，下面從這幾個層面針對 Zigbee（主要指目前使用廣泛的Zigbee協(xié)議，不包括2013年初發(fā)布的Zigbee-IP協(xié)議）與Jennet-IP的主要區(qū)別進行分析：

　　（1）互操作性

　　互操作性是選擇一個無線傳輸協(xié)議時的主導因素。從技術角度分析，具有可互操作的裝置之間應用程序不需要受到物理鏈路層數(shù)據(jù)包發(fā)送約束條件的限制。 Zigbee協(xié)議在兩個802.15.4節(jié)點之間定義底層鏈接，之后再定義上層應用，也就是說，Zigbee設備可以與跟它運用相同配置環(huán)境（參照藍牙通信）的Zigbee設備進行互操作。而Jennet-IP協(xié)議基于6LoWPAN，支持通過一個簡單的橋接設備實現(xiàn)與其他無線802.15.4設備以及其他任何IP網(wǎng)絡鏈接設備進行互操作，但建立Zigbee與非Zigbee網(wǎng)絡之間則需要一個更加復雜的過程。

　　綜上所述，基于IP協(xié)議的Jennet-IP允許建立與其他IP網(wǎng)絡鏈接的端到端傳輸，而Zigbee協(xié)議需要特殊定制的網(wǎng)關協(xié)議才能實現(xiàn)與非Zigbee協(xié)議之間的網(wǎng)絡傳輸。

　?。?）網(wǎng)絡傳輸性能

　　IEEE 802.15.4網(wǎng)絡中的IPv6協(xié)議運行，主要需要解決兩個問題：

　　一方面，802.15.4協(xié)議物理層幀長度能夠支持最多127個字節(jié)，然而IPv6協(xié)議的報頭長度就需要40個字節(jié)，另外再算上MAC層、安全、傳輸層等報頭，剩下的留給應用層使用的報文長度將非常有限；

　　另一方面，在IPv6協(xié)議中，規(guī)定最小的MTU值是1280個字節(jié)，也就是說IP層只能將數(shù)據(jù)包分到最小1280個字節(jié)中。如果鏈路層所能支持的MTU 小于1280個字節(jié)，那么，鏈路層就要自行完成報文分片以及重組。針對這一問題，6LowPan工作組增加了一個適配層的設計，完成將IPv6數(shù)據(jù)包適配到規(guī)定的物理層以及鏈路層的工作，同時能夠完成報文分片以及重組，解決了以上問題。另外，在Jennet-IP協(xié)議中規(guī)定了如何對IPv6的報頭進行無狀態(tài)壓縮，從而減小IPv6協(xié)議的載荷量。

　　而對于Zigbee協(xié)議，由于采用非IP傳輸，網(wǎng)絡傳輸?shù)亩x則比較簡單，不存在以上問題。

　?。?）有效載荷數(shù)據(jù)與幀長度比

　　比較802.15.4 Zigbee和Jennet-IP時必須熟悉數(shù)據(jù)包格式和系統(tǒng)開銷，因為這直接關系到的網(wǎng)絡縮放和有效載荷數(shù)據(jù)占數(shù)據(jù)幀的比例。雖然有多種其他的形式，但典型的配置如圖1所示。

　　Fctrl：幀控制位字段

　　Dep：目的端點

　　Clst：群標識符

　　Prof：配置標識符

　　Sep：源端點

　　APS：APT計數(shù)器（防止重復序列）

　　可見，通過6LoWPAN的鏈接的IP路由不一定需要額外的6LoWPAN層標識信息，有效減少了數(shù)據(jù)包開銷，并釋放更多有效載荷數(shù)據(jù)空間。此外，一個典型全功能Zigbee協(xié)議棧內核有90Kb大小，而Jennet-IP僅需30Kb。

　?。?）安全性

　　Zigbee和Jennet-IP均內含AES128加密，這是IEEE802.15.4標準的一部分。

　　AES有三種秘鑰長度，128位、192位、256位，與DES數(shù)據(jù)加密算法比較，具有安全性強、性能更優(yōu)、效率高、更為易用和靈活等特點，相對而言，AES的128位秘鑰比DES的56位秘鑰要強1021倍，算法主要包括三個方面：輪變化、圈數(shù)和密鑰擴展，IEEE802.15.4標準將 AES128加密作為硬件加密標準算法。另一方面，Zigbee和Jennet-IP也支持登錄申請驗證，可依托網(wǎng)關設備完成驗證、過濾、屏蔽等功能，區(qū)別在于Jennet-IP較Zigbee更容易完成對網(wǎng)關設備的配置和管理。

　　綜上所述，基于IEEE802.15.4標準的無線傳輸協(xié)議本身擁有完善的硬件加密體系，結合協(xié)議自身協(xié)議的特點，還能夠針對傳輸?shù)钠渌h(huán)節(jié)添加安全措施。區(qū)別在于基于IP協(xié)議的無線協(xié)議在操作和使用上更為便捷。

　?。?）可用性和成本

　　目前芯片市場上大部分主流芯片廠商都發(fā)布有可集成Zigbee協(xié)議棧的產(chǎn)品，并提供基礎組網(wǎng)協(xié)議和例程代碼。但由于Zigbee協(xié)議的公開性以及其自身并非對整體協(xié)議進行強制性規(guī)范，致使各個廠商所使用的協(xié)議都有所差別，不同廠商設備之間的通信存在障礙，這在一定程度上也限制了協(xié)議的普遍推廣和發(fā)展。

　　而Jennet-IP是由恩智浦半導體（NXP）主導的產(chǎn)品，對物理層和鏈路層協(xié)議進行標準化和模塊化定義，可以保證網(wǎng)絡層和應用層能夠調用不同底層設備進行通信。同時，Jennet-IP特別致力于照明領域，所以在照明應用上較為領先。當然，如果在綜合應用上說，其在推廣方面目前略遜于Zigbee，目前還有諸如Archrock和Sensinode等幾家公司產(chǎn)品支持6LoWPAN協(xié)議。

　　4、結論

　　綜上所述，基于I P 協(xié)議的Jennet-IP更具吸引力，源于其與當前主流IP網(wǎng)絡以及新一代互聯(lián)網(wǎng)簡便的互操作性能以及底層協(xié)議的標準化便于上層應用的開發(fā)，未來發(fā)展?jié)摿薮?。然而當前Zigbee協(xié)議仍然占據(jù)著低功耗無限局域網(wǎng)的主導地位，并已經(jīng)形成了很多工業(yè)化應用，但如果不解決網(wǎng)絡互操作性和底層設備兼容性的問題，Zigbee協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)標準化的過程中就無法立足。

　　從物聯(lián)網(wǎng)低功耗傳輸協(xié)議發(fā)展來看， 雖然Zigbee協(xié)議發(fā)展較早，但由于其早期建立的目的是解決無線個域網(wǎng)絡傳輸問題，致使其著眼點主要集中在低功耗無限局域網(wǎng)絡的搭建，沒有考慮到與其他網(wǎng)絡的通信問題，使其協(xié)議架構并不十分符合當前物聯(lián)網(wǎng)對傳輸協(xié)議的要求，無法兼顧網(wǎng)絡間通信和底層設備的兼容性，而以Jennet-IP為代表兼容 6LoWPAN的協(xié)議則不存在這些問題。另外，Zigbee聯(lián)盟在2013年初基于其智能能源系統(tǒng)推出了兼容IP的Zigbee-IP協(xié)議，可見協(xié)議間的融合是低功耗無線局域網(wǎng)的整體發(fā)展趨勢。

　　智能照明作為智慧工程一個重要組成部分也將以物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎，而物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展必定是以標準化為基礎，以應用為核心，多系統(tǒng)間傳輸協(xié)議的統(tǒng)一對物聯(lián)網(wǎng)整體推進有著重大意義。因此，越早對傳輸協(xié)議進行標準化，對智能照明和智慧工程的推廣越有利，擁有從底層、傳輸協(xié)議到應用完整解決方案的智能照明服務提供商在未來照明市場將會具有極強的競爭力。