工业物联网在大规模,分布式传感器/控制网络上取得了预测,可以通过非常低的功耗无需参与多年的数月运行。这种类型的网络的特征行为在使用无线技术的短距离中需要非常短的消息流量,通常被描述为低速,无线个人区域网络(LR-WPAN)。我们保留数据帧短路以减轻无线电干扰的可能性,迫使需要重新发送。一种这样的LR-WPAN方法使用IEEE 802.15.4标准。这描述了一种物理层和媒体访问控制,其通常用于工业控制和自动化应用程序被称为监控和数据采集(SCADA)。

图1所示。IEEE 802.15.4帧格式

在物联网中,本地“边缘”设备(通常是传感器)收集数据并将其发送到数据中心(即“云”)进行处理。将数据传送到云中需要使用标准IP协议栈进行通信。这可以通过将边缘设备通过互联网直接连接到数据中心来实现——即“云模型”。或者,我们可以从边缘设备到一个被称为边境网关的收集点进行通信,将数据从那里中转到数据中心——即“雾模型”。

本文将描述IEEE 802.15.4网络的特征,特别是IETF IPv6的低功耗无线个人区域网络(6LoWPAN)实现。这个实现同时支持云和雾模型。

IEEE 802.15.4 PHY层

IEEE 802标准系列被分解为多个任务组,包括802.3(以太网)和802.11(Wi-Fi),以及802.15(无线锅)。特别是,IEEE 802.15.4(15.4 for Brevity)是任务组4的责任,该任务组4负责协议的各种特征,包括RF频谱和物理层。已经扩展了15.4标准,包括射频识别(RFID)物理,超宽带(UWB)物理,并且也被讨论为汽车到汽车和遏制通信的可能解决方案。

802.15.4仅在OSI网络模型中播放物理(PHY)和媒体访问控制(MAC)层,层1和二。它将上层留给了实施者。在第三层及以上,存在夸张的产品,包括ZigBee,Z波,螺纹和6LowPan。这些中的每一个实现了OSI协议模型的其余部分,以提供路由和发现等服务以及用户应用程序的API。

图2。拓扑结构的选择

通常,15.4支持20 kbit / s,40 kbit / s,100 kbit / s(很快)和250 kbit / s的数据传输速率。基本框架假设为250 kbit / s的10米。即使是降低数据速率也可以实现以进一步限制功耗。尽管有10米(32英尺)的范围规格,但在2.4GHz ISM频段中,IEEE 802.15.4无线电的典型可实现的范围在室内100英尺,200 - 300英尺户外。在子GHz频率中,协议的实际实施已在6.5公里(4英里)的范围内,在900 MHz ISM频段中具有适当的天线。

在物理层,IEEE 802.15.4管理射频收发器和信道选择,以及能源和信号管理设施。目前定义了6个PHYs,具体取决于所需的频率范围和数据性能。其中四种采用直接序列扩频(DSSS)跳频技术。在超宽带(UWB)和2450mhz频段中使用啁啾扩频(CSS)。并行序列扩频(PSSS)只有在欧洲868 MHz频段中发现的混合二进制/幅度偏移键控调制技术才可用。

15.4帧大小是133字节,包括PHY, MAC和数据有效载荷。这个框架的格式如图1所示。通过保持帧相对较短,我们可以限制发送它所需的时间,同时限制由于工业设备的正常运行而产生的无线电干扰的概率。

IEEE 802.15.4 MAC层

IEEE 802.15.4 MAC层(OSI模型层双数据链路层)负责:

  • 加入和离开PAN;
  • 载波感测多次访问避免碰撞(CSMA-CA),用于通道访问;
  • 保证时隙(GTS)变速器;
  • 在两个对等MAC实体之间建立可靠的链路;
  • 用于协调器的信标传输;
  • 与信标同步。

此外,MAC层支持使用对称加密使用AES-128加密算法。还有基于sha的散列和访问控制列表的选项,以限制将敏感信息传输到特定节点或链接。最后,MAC计算帧接收之间的新鲜度检查,以帮助最大限度地减少旧帧的可能性,这些旧帧可能已经经过了一个迂回的路径,从延迟交付到上层协议。

节点类型与网络拓扑

图3。IP报头压缩IPv6报头

IEEE 802.15.4定义了两种不同类型的网络节点:减少功能设备(RFD)和全功能设备(FFD)。ffd可以与其他ffd或rfd通信,甚至可以创建自己的网络。但是,rfd只能与ffd通信。这意味着一种层次结构会导致两种可能的网络拓扑:星型拓扑或点对点拓扑(如网状结构)。如图2所示。

星型拓扑是最容易实现且成本最低的,它只需要一个FFD。其余的设备可以是rfd或ffd,这取决于实现。星型拓扑的缺点是协调器表示单点故障。这可能导致网络的全面故障,应该在除最简单的应用程序外的所有应用程序中避免。

网状拓扑的使用提供了多个冗余的通信路径,以确保消息的传递。当以网状模式运行时,网络实质上是一个特设的、自组织的实体。因此,尽管改变了RF传播特性(如多径或树叶的影响),连通性仍然可以继续。网格拓扑的使用还提供了移动节点,比如工业机器人。“有损网”指的是不是所有的链路都是可靠的,因此使用更高层的路由协议根据任何给定时间点的连通性重新路由消息流量。

IPv6

由于IPv4地址空间的耗尽,在转换到IPv6的情况下,提供三层(网络)和第四层(传输)并坐在MAC层的顶部。通常,IPv6使用Forty-Byte标题,并提供128位的地址空间,这也可以处理IoT连接设备的最大估计值。

图4.带6LOWPAN模块的Raspberry PI边界路由器

然而,当加上AES-128加密开销时,使用缺省大小的IPv6头只会在帧中为用户有效负载留下33个字节。为了解决这一问题,引入了IP报头压缩(IPHC)。这可以将IPv6报头的大小减少到仅10个字节,包括用于Internet遍历的路由。这个IPHC可以在图3中看到。

这种IPv6、IPHC和标准TCP/UDP的组合位于15.4 PHY和MAC层之上,被称为6LoWPAN。当使用posix风格的套接字时,开发人员可以使用普通的Internet协议在世界的任何地方进行端到端包传输。

实现物联网6LoWPAN

6LowPan有许多现有的实现。一个是Sub-GHz 6LowPan,用于目前在电力计中实现的高级计量基础设施(AMI),以进行住宅用途。这些仪表提供了公用事业读取和控制电网的电力使用的手段。他们依靠有损网格路由设施,以确保无论多路径或大气效果,如雨或雪等多路径或大气效果如何。

6LoWPAN代码大小适中。典型的实现大约在30KB左右,通常是直接在来自Texas Instruments、Silicon Labs等公司的无线电中实现的。这种方法在传感器微控制器和无线电之间提供uart风格的接口,从而将协议开销转移到无线电单元。

另外,许多操作系统,如Linux,已经在许多广播平台上实现了6LoWPAN。这就提供了使用基于linux的边界网关,通过经过加固的内核、下一代防火墙等,使用雾模型为边缘设备提供安全性。该边界网关还可用于提供数据过滤和压缩,以降低整体通信成本。

由于6LowPan与普通的Internet协议兼容,因此开发人员可以自由地利用更高级别的协议,例如MQTT,CAAP和HTTP以从应用程序到应用程序的通信。在南行侧和标准IPv4或IPv6上接口6LowPan的边界路由器可以轻松地从内部6LowPan数据包格式或通过NAT64到标准IPv4的网络地址转换(NAT)自动翻译。这使得边缘设备对云和开发人员完全透明地寻址。图4中示出了具有6LOWPAN模块的覆盆子PI的边界路由器。

总结

物联网是关于连接的,IEEE 802.15.4标准提供了实现它的理想手段——在有损网上进行低功耗操作。在IEEE 802.15.4之上使用6LoWPAN提供了安全、透明的云连接,通过提供标准的ip兼容协议和随时可用的库,显著减轻了开发人员和系统设计人员的负担。

本文由PTR小组(Ashburn, VA)首席技术官/首席科学家Mike Anderson撰写。有关详细信息,请单击这里


传感器技术杂志

本文首次发表于2017年9月号传感器技术杂志。

阅读此问题的更多文章在这里

阅读更多来自档案馆的文章在这里