有關物聯網,你需要了解這些平台和網路技術

目前物聯網熱潮狂襲全球,各種各樣的產品層出不窮,但歸根到底,物聯網的根本在於「聯網」,具體到這些領域就需要回歸到網路層和應用層。各大廠商為了卡位物聯網,推出各種方便的平台,以供開發者開發。例如,三星推出了SmartThings,貝爾金推出了WeMo,Lowe’s和Staples等零售商也有自己的平台,智能家庭專家Insteon則推出了一系列智能家庭中心和設備。

雖然有各種平台,但我們需要明確兩點需求:

首先,家庭物聯網設備應當採用分層的架構。用戶面臨的大部分選擇都包括兩個方面:網路層和應用層。前者決定數據包的傳輸方式,而後者則處理設備如何相互通信。

為了讓兩款設備配合工作,它們需要在這些不同分層上採用同樣的語言。如果採用的語言不同,那麼用戶就需要引入其他設備,例如智能家庭中心或專門的軟體。

其次,統一智能家庭中心的未來仍不明朗。基於統一標準開發的產品應當可以完美地兼容,而2016年這樣的產品將會越來越多。目前還無法判斷,是否有某一標準將會勝出。目前也不清楚,通過插件或其他方法做到兼容性是否真的可行。

我們來了解一下物聯網的一些應用層平台和無線技術(WIFI和藍牙由於大家太熟悉了,就不再做介紹):

AllJoyn

AllJoyn 高通的一個針對IoT的開源項目,主要是基於高通開發的軟體,AllJoyn已發展成為開源的框架,並由AllSeen Alliance管理。這一組織的成員包括微軟、思科、松下和SONY。該組織已開始對產品進行認證,並確保產品可以相互兼容,到目前為止只有4款設備通過了認證。AllSeen物聯網高級主管菲利普·德斯奧特斯(Philip DesAutels)表示,其他一些設備對AllJoyn的支持只有幾個月時間,而這些設備的廠商正在升級至最新版本,並申請通過認證。

它要解決的問題是物聯網中互聯互通的問題,一個好大平台。

從它介紹的PPT的兩張圖比較一下就會比較清楚了。

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第一張圖中它描繪的是現狀,各個設備廠商雖然都對外提供了物聯網接口,雲接口,但各個設備沒有互聯互通,各自為政,群雄割據。用戶的手機上要裝好多的APP。

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第二張圖中描繪的已經是一個簡潔的世界,各個設備間可以通過某種統一的接口進行通信,這就是AllJoyn Framework,看起來簡潔,高效。一個APP統一搞定。

通過兩張圖簡單的一比,AllJoyn要解決什麼問題就比較清楚了。

至於這個開源項目到底要什麼,文檔中也給出了一定的解釋。據高通官方介紹:

首先這是一個開放的,活躍的,技術豐富的開源社區來為物聯網的產品,系統和服務提供支持。而且它是非盈利的。

其次這是一種通信方式,使得硬體廠商,軟體開發者可以開發出可互動的產品,可以相互連接,並通信,不受品牌的限制。

再者AllJoyn 廠商和開發者可以相互合作的開源項目,開發出工業級的軟體和服務平台。

Homekits

這一軟體架構由蘋果開發,能幫助用戶通過iPhone,以及藍牙或WiFi連接去控制家居設備。當用戶的iPhone不在身邊時,也可以通過Apple TV機頂盒來進行控制。通過類似Insteon Smart Hub Pro的系統,其他智能家居平台也可以連接至HomeKit。不過,蘋果控制著HomeKit生態系統,並決定哪些設備可以進入這一平台。

是一個開發工具包(Development Kit),和其他的軟體開發包類似,Homekit是介於操作系統和應用程序中間的一組接口和開發工具,對硬體廠商來說,他開放了IOS的驅動接口,方便廠商開發兼容的設備;對APP開發者來說,他提供智能家用設備的操作接口和數據庫,並且提供模擬器,使開發者即使不去了解各種硬體細節,也能開發出控制各種智能家居設備的應用軟體。

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Homekits另外一個著力點就是安全,安全問題現在是整個智能家居產業要克服的一個大問題,如果沒有安全保障,用戶是不大可能會把各種智能設備搬回家的。被黑客發現談話記錄還可以忍,但如果被黑客控制家裡的燈具冰箱門鎖電視機實在不能忍。在Homekit中,蘋果宣傳採用了一些保障安全的設計,比如採用點對點加密通訊,比如APP必須在前台才能調用Homekit等等,這都是為了便於用戶在IOS上可以安心的使用各種智能家居控制軟體。

另外Homekits對整個智能家居行業也有一定的催化劑作用,蘋果放棄了對硬體大包大攬的做法,採用開放態度,和傳統廠商合作,這對於雙方來說都是好消息,對硬體廠商來說,他們拿到了操作系統的接入接口,而且借助蘋果對消費市場的影響力,相信硬體設備的推廣會有莫大的好處; 而對蘋果來說,IOS設備籍此成為了家庭智能家居的交互中心,雙方各自站位,均能獲益。

Brillo和Weave

這兩大軟體是Google為應對HomeKit而推出的產品。Brillo是一款基於Android、節能的物聯網操作系統,而Weave則是一款類似AllJoyn和OIC的中間件,幫助設備相互識別身份和功能。Weave可以支持除Brillo以外的其他操作系統,並支持3種不同的網路協議,包括WiFi、藍牙LE和Thread。目前Nest正在推廣這一系統。

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據Google官方介紹,Brillo 是一個輕量型的嵌入式操作系統,它基於 Android 並提供核心服務、開發者工具和開發者控制台。它讓硬體上的軟體開發更加簡單、快速。你有各種硬體功能和定制選項可供選擇,快速地從原型到產品,並且可以通過 OTA 更新、測量和崩潰報告進行可伸縮的管理。

當你構建好一種可連接的設備之後,你就需要找到一種方法來讓它能夠和其它設備進行通信以及讓用戶能夠和它進行交互。這就是 Weave 的定位。有了 Weave ,你可以直接在你的設備中構建可交互的通信。Weave 提供了一種消息服務,它能夠使手機和設備進行本地通信,也可以通過雲進行遠程通信。Weave 的雲服務可以安全、可伸縮地處理遠程通信,並訪問你的具有 web 連接能力的設備。Weave 還提供一組服務,讓你可以安全地建立設備並提供訪問控制。另外,Weave 直接內建於 Brillo 中,但也可以在你現存的基於 Linux 的系統上使用 Weave 庫。

Weave 為 iOS 和 Android 提供了移動設備 SDK,這樣你可以為移動用戶構建應用來控制和增強連接設備的使用體驗。如果你是一個應用開發者,想讓你的應用延伸到物理世界的設備上,你可以使用 Weave mobile 和 web API 在單一的應用中控制多個跨品牌的 Weave 設備。

Brillo 和 Weave 都是開放、可擴展並且安全的,它支持廣泛的設備和使用場景。Brillo 和 Weave 提供了平台、工具和服務,所以盡你所能做出最好的設備和應用體驗吧。

mBed

mbed是一個面向ARM處理器的原型開發平台,它具體包括免費的軟體庫(SDK),硬體參考設計(HDK)和在線工具(Web)三部分內容,各個部分的具體介紹如下:

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SDK:mbed設計了一個硬體抽象層,從而屏蔽了不同mcu廠商提供了微處理之間的差異,對於用戶來說,他只需要和這個硬體抽象層打交道即可,也就是說,用戶基於mbed開發的應用可以很方便地更換使用不同廠商的arm微處理器,從而留給用戶更多的選擇。

HDK:HDK是mbed提供的硬體參考設計,它是面向用戶開發設計的,所以HDK提供了統一了程序上載接口,單步調試接口,串口調試接口,用戶無需購買其它硬體就可以開始軟體開發工作。

WEB:為了省去用戶開發環境安裝的麻煩,mbed提供了一個完備的基於瀏覽器的微處理器軟體開發環境,包括代碼編寫,程序編譯,版本控制等功能,用戶只要上網就可以開發,編譯結果只要下載保存到mbed開發板上即可工作,非常方便。

mbed的由來

平台的創建以及他們的廣泛創新帶來了web2.0和智慧型手機的變革。物聯網得跳躍性與複雜性再加上他們對規模的要求,嵌入式開發必須也進入平台時代。ARM公司最近推出了全新的軟體平台和免費操作系統,簡化和促進物聯網(IOT)設備的創建和部署。 ARM mbed物聯網設備平台圍繞著開放性標準基礎搭建,將會帶來互聯網協議、安全和標準化的統一管理解決方案,並盡可能的降低設備成本和功耗。

mbed 設計準則為

可連接性(Connectivity), 也就是mbed 裝置至少都會有如Bluetooth Smart, WiFi 等連接性的功能

低耗電(Efficiency), 將耗電量視為第一重要的因素

安全性(Security), 讓點對點傳輸具備安全性, 但又不會很複雜

具備生產力(Productivity), 針對嵌入式軟體, 提供web/app 開發工具的學習

mbed 包含了以下三個部分:

mbed OS

基於ARM Cortex-M, 一個全端的作業系統

針對耗電量, 連接性, 安全性, 可復用性優化的軟體元件

適合用於IoT, 且免費

mbed Device Server

類似瀏覽器或手機和Web Server 建立連線, Device Server 則是處理IoT 裝置來的連線

支援IoT 所需要的通訊協定, 行為, 安全等需求

可以透過REST API 來存取企業軟體, Web 應用程式, 以及雲端平台

mbed Tools

藉由Web 開發的啟發, 將嵌入式系統開發也導入Web 開發方式

提供command-line 的build, 元件管理以及測試工具

提供Web IDE, 以及開發者Web 服務, 協助你的開發可以有accessibility 和productivity, 就跟你預期在其他領域可以有的一樣。

ZigBee

ZigBee的推出已有一段時間,並被集成在多款產品中。面向多種設備的ZigBee標準近期出現在ZigBee 3.0規範中。Parks Associates分析師湯姆·科博爾(Tom Kerber)表示,目前ZigBee和Z-Wave是市場領先者,提供了全棧式解決方案,確保設備能相互兼容。不過這樣的兼容性可能需要智能家庭中心的支持。ZigBee聯盟表示,在這一平台與AllJoyn或OIC之間可以開發專用的網橋,從而做到兼容性。此外,該聯盟還在討論對Thread的支持。

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Z-Wave

Zensys在2008年被Sigma Designs收購之前開發了Z-Wave私有無線標準。Sigma Designs的產品是IC和電力線通信(PLC)和無線相關設備。Z-Wave標準不像很多無線標準那樣開放,但Zensys、Sigma Design的客戶都可以使用。最近,國際電信聯盟(ITU)把Z-Wave PHY和MAC層作為其新標準G.9959的選擇,該標準為1GHz下的窄帶無線設備提供了一套指南。

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Z-Wave是一種基於射頻的、低成本、低功耗、高可靠、適於網路的新興短距離無線通信技術。工作頻帶為908.42MHz(美國)~868.42MHz(歐洲),採用FSK(BFSK/GFSK)調制方式,數據傳輸速率為9.6 kbps,信號的有效覆蓋範圍在室內是30m,室外可超過100m,適合於窄帶寬應用場合。隨著通信距離的增大,設備的複雜度、功耗以及系統成本都在增加,相對於現有的各種無線通信技術,Z-Wave技術將是最低功耗和最低成本的技術,有力地推動著低速率無線個人區域網。

Z-Wave技術設計用於住宅、照明商業控制以及狀態讀取應用,例如抄表、照明及家電控制、HVAC、接入控制、防盜及火災檢測等。Z-Wave可將任何獨立的設備轉換為智能網路設備,從而可以做到控制和無線監測。Z-Wave技術在最初設計時,就定位於智能家居無線控制領域。採用小數據格式傳輸,40kb/s的傳輸速率足以應對,早期甚至使用9.6kb/s的速率傳輸。與同類的其他無線技術相比,擁有相對較低的傳輸頻率、相對較遠的傳輸距離和一定的價格優勢。

Z-Wave無線網狀網路技術讓任何節點都能直接或間接地和通信範圍內的其它臨近節點通信。如果兩個不在通信範圍內的節點想要通信,則可以通過連接另外一個節點獲取或交換信息。Z-Wave網路最多支持232個節點,還支持設置多個控制器,以區分開所需的各種功能。

Z-Wave主要針對家庭和小型商用建築的監控和控制,廣泛適用於照明控制、安全和氣候控制。其它應用包括煙霧探測器、門鎖、安全傳感器、家電和遠程控制。Z-Wave還可以用於智能電表,為家用暖通空調監控和控制提供消耗數據。

Z-Wave聯盟由160家公司組成,專業設計和銷售基於Z-Wave標準的無線家庭控制產品,在Z-Wave系統中扮演主要角色,在22個國家有超過575款可互操作的產品。

IEEE 802.11ah

IEEE 802.11工作組正在定義稱為802.11ah的新標準。該標準工作在不到1GHz的免許可頻段,可提供長得多的傳輸距離,也可以用於大規模傳感器網路,具有適合數百萬物聯網(IoT)或機器到機器(M2M)設備連接的低功耗特性。802.11ah以降低了時鐘速率的802.11ac標準為基礎,在PHY和MAC層中增加了一些增強功能,比如節能、大數量站點支持、更好的覆蓋和移動接收等。這個標準目前還處於草案階段,最終版本有望在2016年發布。WiFi聯盟也已經開始定義基於802.11ah的認證程序。

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IEEE 802.11無線局域網(WLAN)主要工作在2.4GHz和5GHz頻段。然而,這些高頻頻段限制了802.11n和802.11ac的傳輸範圍,使得它們不適合室外環境使用。本文介紹了802.11ah的基本原理以及一些測試挑戰。
用例
一般來說,802.11ah有三種用例種類:傳感器網路,用於傳感器和計量數據的回傳網路,Wi-Fi擴展範圍網路。大覆蓋範圍、低功耗、原生IP支持以及大數量設備支持是802.11ah的主要優點。它的特性包括:
1.802.11ah可以通過1MHz和2MHz強制模式擴展覆蓋範圍;
2.802.11ah PHY和MAC層做到了一些性能增強,可以使大規模傳感器網路做到超低功耗和很多年的電池壽命,並針對短的數據包長度和長睡眠時間做了優化;
3.802.11ah傳感器原生支持IP;
4.通過層次化標識結構,一個接入點(AP)可以關聯的設備數量多達8191個。

作為一種擴展覆蓋範圍的WiFi,802.11ah可以用在家庭、校園、體育館、大型商場和其它地方。與工作在2.4GHz和5GHz的傳統WLAN技術相比,802.11ah可以提供更大的覆蓋範圍,可到達車庫、後花園和地下室。舉例來說,校園WLAN解決方案使用三波段的接入點(2.4GHz/5GHz/900MHz),因此可以在校園任何地方提供無線接入。辦公室和教室用802.11ac覆蓋,室外區域用802.11ah AP,為大樓、停車場和體育場之間的空曠場地提供擴展覆蓋範圍。借助802.11ah擴展覆蓋範圍性能還有助於蜂窩業務的卸載。802.11ah接入點支持更寬的覆蓋區域和更多數量的學生。

6LoWPAN

IETF組織於2004年11月正式成立了IPv6 overLR-WPAN(簡稱6LowPan)工作組,著手制定基於IPv6的低速無線個域網標準,即IPv6over IEEE 802.15.4,旨在將IPv6引入以IEEE 802.15.4為底層標準的無線個域網。其出現推動了短距離、低速率、低功耗的無線個人區域網路的發展。IEEE 802.15.4是LR-WPAN的典型代表,其應用前景非常廣闊,以其為基礎的研究方興未艾。

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但是,IEEE802 15.4只規定了物理層(PHY)和媒體訪問控制(MAC)層標準,沒有涉及到網路層以上規範,而IEEE 802 15.4設備密度很大,迫切需要做到網路化。同時為了滿足不同設備製造商的設備間的互聯和互操作性,需要制定統一的網路層標準。IPv6以其規模空前的地址空間及開放性,對LR-WPAN產生7極大的吸引力。

6LowPan工作組的研究重點為適配層、路由、報頭壓縮、分片、IPv6、網路接入和網路管理等技術,目前已提出了適配層技術草案.其他技術還在探討中。
6LowPan技術底層採用IEEE 802.15.4規定的PHY層和MAC層,網路層採用IPv6協議。由於IPv6中,MAC支持的載荷長度遠大幹6LowPan底層所能提供的載荷長度,為了做到MAC層與網路層的無縫鏈接,6Low-Pan工作組建議在網路層和MAC層之間增加一個網路適配層,用來完成包頭壓縮、分片與重組以及網狀路由轉PO等工作。
2.2 6LowPan技術的優勢
(1)普及性:IP網路應用廣泛,作為下一代互聯網核心技術的IPv6,也在加速其普及的步伐,在LR-WPAN網路中使用IPv6更易於被接受。
(2)適用性:IP網路協議棧架構受到廣泛的認可,LR-WPAN網路完全可以基於此架構進行簡單、有效地開發。
(3)更多地址空間:IPv6應用於LR-WPAN最大亮點就是龐大的地址空間。這恰恰滿足了部署大規模、高密度LR-WPAN網路設備的需要。
(4)支持無狀態自動地址配置:IPv6中當節點啟動時。可以自動讀取MAC地址,並根據相關規則配置好所需的IPv6地址。這個特性對傳感器網路來說,非常具有吸引力,因為在大多數情況下,不可能對傳感器節點配置用戶界面,節點必須具備自動配置功能。
(5)易接入:LR-WPAN使用IPv6技術,更易於接入其他基於IP技術的網路及下一代互聯網,使其可以充分利用IP網路的技術進行發展。
(6)易開發:目前基於IPv6的許多技術已比較成熟,並被廣泛接受,針對LR-WPAN的特性對這些技術進行適當的精簡和取舍,簡化了協議開發的過程。
由此看見,IPv6技術在LR-WPAN網路上的應用具有廣闊發展的空間,而將LR-WPAN接入互聯網將大大擴展其應用,使得大規模的傳感控制網路的做到成為可能。

Thread

2014年7月Google旗下的Nest聯合三星、ARM 、Silicon Labs等推出的一個新的網路協議。Thread是一種基於簡化版IPv6的網狀網路協議,旨在做到家庭中各種產品間的互聯,以及與互聯網和雲的連接。Thread基於低成本、低功耗的802.15.4晶片組開發。

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Thread協議簡介

THREAD SOLVES RELIABILITY, SECURITY, POWER, AND COMPATIBILITY ISSUES FOR CONNECTING PRODUCTS AROUND THE HOME. ONCE AND FOR ALL.

Thread解決了家用產器連接的一些問題——提供了可靠、安全、功耗和兼容性等問題。對兼容性一詞表示各種不爽,他們明明提出了一種新的標準。

不過,看上去他們的目標都是智能家居。

Thread採用了6LoWPAN技術,所以能夠支持IPv6協議。它可以同時連接250部或更多設備,如果你統計你家裡的每個電燈泡、每一個插座、每一個開關,你會發現上面提到的數字是有意義的。

將一個新的無線標準帶進一個擁擠的市場,這將面臨兩個挑戰。首先是說服設備製造商將802.15.4晶片置入從手機到集線器等一切設備,第二是確保這個新標準確實是一個標準。

為了解決第一個問題,使用現有的無線硬體是一個良好的開端。說服設備製造商進行軟體升級以使現有的ZigBee設備同時支持Thread,這比說服他們從頭開始採用一個新的無線標準更容易。但是,Thread需要面對的一個困難是,到目前為止,ZigBee並不是平板電腦或手機的流行標準,而平板電腦和手機是智能家居的主要控制平台。

幸運的是,市場上大多數集線器可以接收ZigBee射頻,而康卡斯特(Comcast)等寬帶服務提供商甚至將ZigBee植入了它們的機頂盒。所以,雖然一開始你可能需要集線器或某種形式的網關來控制你的Thread設備,但等到Thread變得流行起來的時候,三星、蘋果、華碩或其他手機和平板電腦製造商也許就會在它們生產的設備中增 一個新的無線標準。

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