工业物联网基于大规模、分布式传感器/控制网络,可以在无人看管的情况下运行数月至数年,功耗非常低。这类网络的特征行为是使用无线技术在短距离上产生非常短的突发消息流量,通常被描述为低速率的无线个人区域网络(LR-WPAN)。我们保持数据帧短,以减少无线电干扰的可能性,迫使需要重新发送。其中一种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,通常用于工业控制和自动化应用,称为监控控制和数据采集(SCADA)。

图1所示。IEEE 802.15.4帧格式

在物联网,本地“边缘”的设备,典型地传感器,收集数据并将其发送到数据中心 - “云” - 进行处理。该数据获取到云需要使用标准的IP协议栈进行通信。这可以通过互联网将数据中心边缘设备之间直接连接来实现 - “云模式”或者,我们可以从边缘设备被称为边界网关有从那里传递到数据中心的数据采集点通信 - 在“雾模式”。

本文将描述IEEE 802.15.4网络,特别是Internet工程任务组(IETF)通过低功率无线个人区域网络(6LoWPAN的)实现的IPv6特性。此实现同时支持云和雾模型。

IEEE 802.15.4 PHY层

IEEE 802标准系列被分成了一些任务组,包括802.3(以太网)和802.11 (Wi-Fi),以及802.15(无线PAN)。具体来说,IEEE 802.15.4(简称15.4)是Task Group 4的职责,Task Group 4负责协议的各种特性,包括射频频谱和物理层。15.4标准已经扩大到包括射频识别(RFID) PHYs、超宽带(UWB) PHYs,而且还在作为汽车对汽车和汽车对路边通信的可能解决方案进行讨论。

802.15.4只处理物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)——在OSI网络模型中,是第一层和第二层。它将上层留给实现者。在第三层及以上,有大量的产品,包括Zigbee、Z-Wave、Thread和6LoWPAN。它们中的每一个都实现了OSI协议模型的其余部分,以提供诸如路由和发现等服务以及用户应用程序的api。

图2.拓扑选项

一般情况下,15.4支持20kbit /s、40kbit /s、100kbit /s (soon)和250kbit /s的数据传输速率。基本框架假设10米的距离为250kbit /s。更低的数据速率可以进一步限制功耗。尽管有10米(32英尺)的范围规范,但在2.4GHz ISM波段,IEEE 802.15.4无线电的典型可达范围是在室内100英尺,室外200 - 300英尺。在次ghz频段,该协议的实际实施已经在超过6.5公里(4英里)的900 MHz ISM频段中通过适当的天线进行了演示。

在物理层,IEEE 802.15.4管理RF收发器和信道选择,以及能量和信号管理设施。有根据需要的频率范围和数据性能目前定义了六种的PHY。他们四人使用直接序列扩频(DSSS)跳频技术。线性调频扩频(CSS)是在超宽带(UWB)和2450个兆赫频段使用。并行序列扩频(PSSS)仅可与混合的二进制/幅移键控调制技术在欧洲868MHz频带找到。

15.4的帧大小为133字节,包括PHY、MAC和数据有效负载。这个框架的格式如图1所示。通过保持帧相对较短,我们可以限制传输所需的时间,同时限制由于工业设备的正常运行而受到无线电干扰的可能性。

IEEE 802.15.4 MAC层

IEEE 802.15.4 MAC层(OSI模型层二数据链路层)负责:

  • 加入和离开PAN;
  • 基于冲突避免的载波感知多址接入(CSMA-CA)
  • 保证时隙(GTS)传输;
  • 建立两个对等MAC实体之间的可靠链路;
  • 用于协调器的信标传输;
  • 与信标同步。

此外,MAC层支持使用AES-128加密算法中使用的对称加密。也有基于SHA哈希值和访问控制列表选项来限制敏感信息传递给特定的节点或链路。最后,将MAC帧计算接收之间新鲜度检查,以帮助减少对老的帧,可能已经在迂回路径行进被后期输送至上层协议的可能性。

节点类型和网络拓扑

图3。IPv6报头压缩

IEEE 802.15.4定义了两种不同类型的网络节点:精简功能设备(RFD)和全功能设备(FFD)。ffd可以与其他ffd或rfd对话,甚至可以创建自己的网络。然而,rfd只能与ffd对话。这意味着一个导致两种可能的网络拓扑的层次结构:星型拓扑或点对点拓扑(如网格)。如图2所示。

星型拓扑结构是最容易实现的,最便宜,只需要一个单一的FFD。设备的其余部分可以是RFD的或的FFD,这取决于实施方式。星型拓扑结构的缺点是,协调员代表单个故障点。这可能会导致网络的完全失效,并应在所有,但最简单的应用程序来避免。

使用网状拓扑的提供了一种用于多个冗余,通信路径,以确保消息的传递。当网格模式下运行,网络本质上是一个临时性的,自组织实体。因此连接可以继续,尽管变化的RF传播特性,例如多路径或从叶子的效果。使用网状拓扑的还提供了一种移动节点,诸如在工业机器人中。“有损啮合”是其中不是所有的链接是可靠的,因此较高的层路由协议用于基于连接在任何给定时间点重新路由消息流量。

IPv6

由于IPv4地址空间的耗尽,人们对过渡到IPv6有相当大的兴趣,IPv6提供了第三层(网络)和第四层(传输),位于MAC层之上。通常,IPv6使用一个40字节的头并提供128位的地址空间,这可以处理物联网设备的最大估计。

图4。带6LoWPAN模块的树莓派边界路由器

然而,当加上AES-128加密开销时,使用默认大小的IPv6头将只在帧中为用户有效负载留下33个字节。为了解决这个问题,引入了IP报头压缩(IPHC)。这可以将IPv6报头的大小减少到仅仅10个字节,包括用于Internet遍历的路由。这个IPHC如图3所示。

这种IPv6、ipc和标准TCP/UDP的组合位于15.4 PHY和MAC层之上,被称为6LoWPAN。当与posix风格的套接字结合使用时,开发人员可以使用普通的Internet协议在世界上任何地方进行端到端包传递。

实现物联网6LoWPAN

已有许多6LoWPAN的实现。一种是用于高级计量基础设施(AMI)的次ghz 6LoWPAN,目前已在家用电能表中实现。这些仪表为电力公司提供了一种读取和控制电网上的电力使用的方法。他们依靠一个损失网格路由设施来确保仪表测量的传输,而不考虑多路径或大气影响,如雨雪。

6LoWPAN代码大小适中。典型的实现是在大约30KB的订单上,并且通常是直接在像德克萨斯仪器、硅实验室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了一个uart风格的接口,从而将协议开销卸给无线电单元。

另外,许多操作系统,如Linux,已经在一些无线电平台实现6LoWPAN的。这提供了使用基于Linux的边界网关来使用通过硬化内核,下一代防火墙,多雾的模型边缘设备提供安全保障。边界网关也可以用于提供数据过滤和压缩,以降低整体通信费用。

由于6LoWPAN与普通Internet协议兼容,开发人员可以自由地利用MQTT、CoAP和HTTP等高级协议进行应用程序之间的通信。边界路由器在南向端与6LoWPAN接口,在北向端与标准IPv4或IPv6接口,可以轻松提供网络地址转换(NAT),从内部6LoWPAN包格式到标准IPv6或通过NAT64到标准IPv4的自动转换。这使得边缘设备的地址对云和开发者完全透明。图4显示了一个基于Raspberry pi的边界路由器,附加了6LoWPAN模块。

总结

物联网与连接有关,IEEE 802.15.4标准为实现物联网提供了一种理想的方式——跨有损网格的低功耗操作。在IEEE 802.15.4之上使用6LoWPAN提供了与云的安全、透明连接,并通过提供标准的ip兼容协议和现成的库,极大地减轻了开发人员和系统设计人员的负担。

本文作者是PTR集团(弗吉尼亚州阿什本)的首席技术官/首席科学家Mike Anderson。有关更多信息,请单击在这里


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。

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