物聯(lián)網(wǎng)IOT系列之6：LAN、HAN 和 PAN 的物理和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

在前面的教程中，討論了為 LPWAN 開發(fā)的各種物理和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。在本教程中，將討論為個人局域網(wǎng) (PAN)、家庭局域網(wǎng) (HAN) 和局域網(wǎng) (LAN) 開發(fā)的協(xié)議棧。

在本教程中，將討論以下協(xié)議棧和標(biāo)準(zhǔn)——

1) IEEE 802.15.4e

2) Zigbee

3) WirelessHART

4) Thread

5) MiWi

6) Z-Wave

7) IEEE 802.11.ah

8) EnOcean

9) Eddystone

10) ISA 100.11a

11) ANT

12) INSTEON

13) DiGiMesh

14) HomePlug

15) G.9959

1) IEEE 802.15.4e – IEEE 802.15.4 是由 IEEE 802.15 Group 為低功率無線個域網(wǎng)開發(fā)的物理層和 MAC 層協(xié)議。該協(xié)議棧在免許可頻段上運(yùn)行，例如歐洲的 868 至 868.6 MHz、美國的 902 至 928 MHz 和世界其他地區(qū)的 2400 至 2483.5 MHz。該協(xié)議棧是為低功率設(shè)備之間的短距離通信而開發(fā)的。這種數(shù)據(jù)通信的特點(diǎn)是低數(shù)據(jù)速率、有限帶寬和低傳輸功率。這些設(shè)備和收發(fā)器都是電池供電的，并且必須長時間更換電池。

在該標(biāo)準(zhǔn)中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以以星形拓?fù)浠驅(qū)Φ韧負(fù)溥B接。當(dāng)必須使用多跳路由擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍時，通常首選對等拓?fù)?。由于傳輸范圍有限，這些設(shè)備必須協(xié)同工作才能實(shí)現(xiàn)更長距離的多跳路由。因此，數(shù)據(jù)包大小僅限于 127 字節(jié)，通信速率限制為 250 kbps。

IEEE 802.15.4 中的編碼方案內(nèi)置了冗余，這使得通信具有魯棒性，允許檢測數(shù)據(jù)丟失，并允許重新傳輸丟失的數(shù)據(jù)包。該協(xié)議還支持短的 16 位鏈接地址，以減少報頭的大小、通信開銷和內(nèi)存要求。

IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)是許多其他 LAN 和 PAN 協(xié)議棧以及 Zigbee、WirelessHART、Thread 和 MiWi 的基礎(chǔ)。

2) Zigbee –是一種基于 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議棧，主要為工業(yè)用途而開發(fā)。它在 2.4 GHZ 頻率范圍內(nèi)運(yùn)行，數(shù)據(jù)速率高達(dá) 256 Kbps?；?Zigbee 的網(wǎng)絡(luò)可以設(shè)計為星型、對等或集群樹拓?fù)洹Ｒ粋€網(wǎng)絡(luò)中最多可以有 1024 個節(jié)點(diǎn)，總網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍限制在 100 到 200 米之間。

Zigbee 提供兩種堆棧配置文件 - Zigbee PRO 和 Zigbee 遠(yuǎn)程控制。這些堆棧配置文件是 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的不同實(shí)現(xiàn)。在任一堆棧配置文件中，Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中都存在三種類型的設(shè)備：FFD（全功能設(shè)備）、RFD（精簡功能設(shè)備）和一個 Zigbee 協(xié)調(diào)器。FFD 節(jié)點(diǎn)還可以充當(dāng)路由器。Zigbee 使用 128 位 AES（高級加密標(biāo)準(zhǔn)）加密來保護(hù)連接設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。Zigbee 的最新版本是 Zigbee 3.0。最新版本已將不同的堆棧配置文件標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一為一個標(biāo)準(zhǔn)。

3)WirelessHART—— 無線高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器協(xié)議 (WirelessHART) 是由 Dust network 從時間同步網(wǎng)格協(xié)議 (TSMP) 開發(fā)的，是為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。該協(xié)議棧廣泛用于工業(yè)自動化應(yīng)用。該工業(yè)自動化協(xié)議專為管理過程測量、工業(yè)資產(chǎn)管理和過程控制而設(shè)計。它是基于 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)大且可互操作的無線標(biāo)準(zhǔn)。它以 2.4 GHz 頻率運(yùn)行，并在不同級別的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中具有多項安全功能，可在工業(yè)場景中提供安全、可靠和穩(wěn)健的 M2M 通信。它在 MAC 層使用時分多址 (TDMA) 技術(shù)，具有先進(jìn)的加密標(biāo)準(zhǔn)。

4)Thread—— 線程是基于 IPv6 的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，在物理層和 MAC 層使用 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)。它由 Thread Group 為家庭自動化網(wǎng)絡(luò) (HAN) 開發(fā)。它基于 IEEE 802.15.4、IPv6 和 6LoWPAN 標(biāo)準(zhǔn)，在物理層 (PHY) 以 2.4 GHz 頻率運(yùn)行。線程網(wǎng)絡(luò)中最多可以有 250 個節(jié)點(diǎn)，并且通過實(shí)施各種身份驗證和加密技術(shù)來保護(hù)數(shù)據(jù)。

5) MiWi – MiWi 是 Microchip Technology 為無線個域網(wǎng) (WPAN) 開發(fā)的專有無線協(xié)議。它基于 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)用于以高達(dá) 250 Kbps 的低數(shù)據(jù)速率將短距離內(nèi)的低功率設(shè)備互連。在物理層，它以 2.4 GHz 的頻率運(yùn)行。

6) Z-Wave – Z-Wave 更像是一種事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，而不是標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)或行業(yè)聯(lián)盟批準(zhǔn)的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。它是一種主要用于家庭自動化網(wǎng)絡(luò) (HAN) 的無線通信協(xié)議。Z-wave 在美國以 908.42 MHz 的頻率運(yùn)行，在歐洲以 868.42 MHz 的頻率運(yùn)行。它適用于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，因此它可以在單個網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)上支持多達(dá) 232 個節(jié)點(diǎn)。Z-Wave 的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍限制為 30 米，數(shù)據(jù)速率最高可達(dá) 100 Kbps。與 BLE、Zigbee、WirelessHART 等技術(shù)的多個供應(yīng)商不同，Sigma Designs 是唯一提供 Z-Wave 收發(fā)器的供應(yīng)商。

7) IEEE 802.11.ah – IEEE 802.11.ah 是在低于 1GHz 的免許可頻段上運(yùn)行的 Wi-Fi 變體。Wi-Fi 聯(lián)盟引入了術(shù)語“Wi-Fi HaLow”作為采用 IEEE 802.11.ah 技術(shù)的產(chǎn)品的名稱。該協(xié)議棧將允許連接具有類似于 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展覆蓋范圍的低功耗設(shè)備。通過使用多個繼電器，該標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展覆蓋范圍可以達(dá)到單個站 1 公里。根據(jù)一個國家/地區(qū)可用的免費(fèi)許可帶寬，該標(biāo)準(zhǔn)允許 1、2、4、8 和 16 MHz 寬的信道。該標(biāo)準(zhǔn)允許使用 BPSK、QPSK 和 QAM 調(diào)制技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最大數(shù)據(jù)速率高達(dá) 347 Mbps。此協(xié)議棧中的收發(fā)器由電池供電，通常需要在數(shù)周內(nèi)更換電池。

8) EnOcean – EnOcean（能量收集無線技術(shù)）是一種無線協(xié)議棧，在歐洲以 868 MHz 頻率運(yùn)行，在美國以 315 MHz 頻率運(yùn)行。它是一種物理層和 MAC 層協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍為室內(nèi) 30 米和開放區(qū)域 300 米。該標(biāo)準(zhǔn)已開發(fā)用于在個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (PAN) 中將無電池?zé)o線傳感器聯(lián)網(wǎng)。

9) Eddystone – 由谷歌開發(fā)，Eddystone 是基于 BLE 的短距離信標(biāo)消息傳遞協(xié)議。該協(xié)議棧可用于與移動設(shè)備（Android 和 IOS）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)驅(qū)動傳感器數(shù)據(jù)。

10) ISA 100.11a – 由國際自動化學(xué)會 (ISA) 開發(fā)，ISA 100.11a 是工業(yè)自動化的無線協(xié)議。該協(xié)議專為工業(yè)場景中的非關(guān)鍵過程控制、監(jiān)控和警報應(yīng)用而設(shè)計。該標(biāo)準(zhǔn)定義了 OSI 模型的所有七層，包括物理層和 MAC 層的協(xié)議棧。

11) ANT – 由 ANT Wireless 開發(fā)，ANT 是專為無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 設(shè)計的專有物理和 MAC 層協(xié)議。基于 2.4 GHZ ISM 頻段，ANT 的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍可達(dá) 100 米。該協(xié)議棧目前用于健康和健身垂直領(lǐng)域的個人局域網(wǎng) (PAN)。該公司正在努力調(diào)整協(xié)議以適應(yīng)其他 PAN 應(yīng)用以及家庭自動化、辦公室和工業(yè)自動化。

12) INSTEON – INSTEON 是為家庭自動化網(wǎng)絡(luò) (HAN) 開發(fā)的射頻協(xié)議棧。它使用雙網(wǎng)狀拓?fù)?，其中基于家庭自動化的物?lián)網(wǎng)設(shè)備作為獨(dú)立的對等設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。該協(xié)議使用頻移鍵控在設(shè)備之間進(jìn)行射頻消息傳遞。這些設(shè)備可以在需要時隨時相互通信。

13) DiGiMesh – DiGiMesh 是 DiGi International 開發(fā)的專有協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。它是適用于低功耗個人局域網(wǎng) (PAN) 應(yīng)用的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臒o線協(xié)議棧。

14) HomePlug – 由 HomePlug 電力線聯(lián)盟開發(fā)，HomePlug 是專為家庭自動化網(wǎng)絡(luò) (HAN) 設(shè)計的物理和網(wǎng)絡(luò)訪問協(xié)議。它提供三種變體——HomePlug-AV、HomePlug-AV2 和 HomePlug-GP。

15) G.9959 – 由 ITU 開發(fā)的 G.9959 是一種網(wǎng)絡(luò)訪問協(xié)議棧，專為個人局域網(wǎng) (PAN) 中低功率設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)而設(shè)計。在低帶寬和低數(shù)據(jù)速率下進(jìn)行半雙工通信的網(wǎng)絡(luò)中最多可以有 232 個節(jié)點(diǎn)。

在下一個教程中，將討論基于 RFID 的協(xié)議棧。