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.ieee 802.15.4帧格式

在IOT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 - “云” - 进行处理。将数据送到云需要使用标准IP协议栈进行通信。这可以通过直接通过Internet连接到数据中心 - “云模型”来完成。或者,我们可以从边缘设备通信到称为边界网关的收集点,以使数据从那里迁移到数据中心 - “雾模型”。

本文将描述IEEE 802.15.4网络的特征,特别是互联网工程任务力(IETF)IPv6在低功耗无线个人区域网络(6LOWPAN)实现上。此实现支持云和雾模型。

IEEE 802.15.4 PHY层

IEEE 802标准家族分为若干任务组,包括802.3(以太网)和802.11 (Wi-Fi),以及802.15(无线PAN)。特别是,ieee802.15.4(简称15.4)由Task Group 4负责,Task Group 4负责协议的各种特性,包括射频频谱和物理层。15.4标准已经扩展到包括射频识别(RFID) PHYs,超宽带(UWB) PHYs,并正在讨论作为一种可能的解决方案,车对车和车对车控制通信。

802.15.4仅针对物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC) -在OSI网络模型中,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,以交付服务,如路由和发现,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(即将)和250kbit /s的数据传输速率。基本框架假设在250kbit /s的范围内为10米。甚至可以实现更低的数据速率,以进一步限制电力消耗。尽管有10米(32英尺)的范围规范,在2.4GHz ISM波段,IEEE 802.15.4无线电的典型可实现范围是室内100英尺,室外200 - 300英尺。在sub-GHz频率中,该协议的实际实现已经在超过6.5公里(4英里)的范围内进行了演示,并在900 MHz ISM波段使用适当的天线。

在物理层,IEEE 802.15.4管理RF收发器和频道选择,以及能量和信号管理设施。目前定义了六种物理,具体取决于所需的频率范围和数据性能。其中四种使用直接序列扩频(DSSS)跳频技术。啁啾扩频(CSS)在超宽带(UWB)和2450MHz频带中使用。并行序列扩频(PSS)仅利用欧洲868MHz频段中的混合二进制/幅度移位键控键控调制技术可用。

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:

  • 加入和离开锅;
  • 用于信道访问的载波侦听多址避免碰撞(CSMA-CA)
  • 保证时隙(GTS)传输;
  • 建立两个同行MAC实体之间的可靠联系;
  • 协调员的信标变速;
  • 与信标同步。

另外,MAC层支持使用AES-128加密算法使用对称加密。还有SHA的哈希和访问控制列表的选项,以限制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,以帮助最小化可能已经在迂回路径上传递到上层协议的旧帧的电位。

节点类型和网络拓扑

图3. IPv6标题的IP标头压缩

IEEE 802.15.4识别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交谈,甚至可以创建自己的网络。但是,RFD只能与FFD交谈。这意味着一个层次结构,导致两个可能的网络拓扑:星形拓扑或诸如网格的对等拓扑。这些如图2所示。

明星拓扑是实现最简单,最便宜的实现,它只需要单个FFD。根据实现,其余设备可以是RFD或FFD。星形拓扑的缺点是协调器代表单点故障。这可能导致网络的总失败,并且应该在最简单的应用程序中避免。

网格拓扑的使用提供了多个冗余通信路径,以确保消息传递。在网格模式下运行时,网络本质上是临时,自组织实体。因此,尽管改变了RF传播特性,因此可以继续连续连接,例如从叶子的多路径或效果。网状拓扑的使用还提供了移动节点,例如在工业机器人中发现。“有损网格”是不是所有链路可靠的,因此更高层路由协议用于基于任何给定时间点的连接基于连接的消息流量。

IPv6.

由于IPv4地址空间的耗尽,人们对向IPv6过渡非常感兴趣,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字节的报头并提供128位的地址空间,这可以处理物联网设备的最大估计。

图4。带有6LoWPAN模块的树莓派边界路由器

然而,当耦合与AES-128加密开销时,使用默认大小的IPv6报头的使用将仅为帧中的用户有效载荷留下三十三个字节。IP标题压缩(IPHC)被引入解决问题。这可以将IPv6标题的大小缩小为仅为十个字节,包括用于互联网遍历的路由。这款IPHC可以在图3中看到。

这种IPv6,iPHC和标准TCP / UDP的组合坐在15.4 PHY和MAC层的顶部是称为6LOWPAN所谓的。当加上使用POSIX样式套接字时,开发人员可以使用普通的Internet协议在世界的任何地方都有端到端的数据包交付。

为物联网实施6LowPan

6LoWPAN的现有实现有很多。一种是sub-GHz 6LoWPAN,用于先进的计量基础设施(AMI),目前在家用电能表中实施。这些仪表为公用事业公司提供了一种读取和控制整个电网的电力使用的方法。它们依赖损耗网路由设施,以确保仪表测量的交付,无论多路径或大气影响,如雨雪。

6LOWPAN代码大小适中。典型的实施是约30KB的顺序,通常直接在德克萨斯乐器,硅实验室等等公司中实现的。该方法在传感器微控制器和无线电之间提供UART风格界面,从而将协议开销卸载到无线电单元。

或者,许多操作系统如Linux,已经在许多无线电平台上实现了6LowPan。这提供了使用基于Linux的边框网关,为边缘设备提供通过硬化内核,下一代防火墙使用FOG模型的安全性。边界网关还可用于提供数据滤波和压缩以降低整体通信成本。

由于6LoWPAN与普通的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到应用程序之间的通信。南向6LoWPAN接口,北向标准IPv4或IPv6接口的边界路由器,可以很容易地提供从内部6LoWPAN报文格式到标准IPv6或通过NAT64到标准IPv4的NAT自动转换。这使得边缘设备的寻址对云和开发人员完全透明。一个带有6LoWPAN模块的树莓派边界路由器如图4所示。

概括

IOT全部是关于连接,IEEE 802.15.4标准提供了一种理想的方法,可实现IT - 跨越有损网格的低功耗操作。在IEEE 802.15.4顶部使用6LowPan提供安全,透明的连接与云,并通过提供标准的IP兼容协议和易于可用的库来显着降低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

本文首先出现在2017年9月期刊上传感器技术杂志。

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