工业物联网是基于大规模的分布式传感器/控制网络,这些网络可以在几个月到几年的时间内无人值守,且功耗非常低。这种类型的网络的特征行为需要使用无线技术在短距离上非常短的消息流量突发,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,迫使需要重发。其中一种LR-WPAN方法使用IEEE 802.15.4标准。这描述了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和数据采集(SCADA)。

图1.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。拓扑结构的选择

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;
  • 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;
  • 在两个对等MAC实体之间建立可靠的链路;
  • 协调员的信标变速;
  • 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。

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,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。

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,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,请单击在这里


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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