LED智能照明無(wú)線傳輸?shù)膬煞N協(xié)議對(duì)比

　　智能照明的出現(xiàn)伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、LED照明、無(wú)線通信等技術(shù)的發(fā)展，其典型特征是照明設(shè)備的單獨(dú)可控、方便靈活的場(chǎng)景設(shè)定，并且可以與其他智能化信息系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接（如智能傳感網(wǎng)、安全監(jiān)控網(wǎng)、智能能源網(wǎng)等），以新穎的呈現(xiàn)模式滿足不同的智能化照明需求，因此，智能照明系統(tǒng)需要提供方便易操作的系統(tǒng)升級(jí)改造方案，以適應(yīng)需求的不斷變化，而低功耗無(wú)線通信控制系統(tǒng)是其中關(guān)鍵的一環(huán)。

　　智能照明作為智慧工程重要組成部分，也是物聯(lián)網(wǎng)體系中一個(gè)較好的應(yīng)用呈現(xiàn)形式。以基于低功耗無(wú)線傳輸的智能照明解決方案將是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，目前市場(chǎng)環(huán)境日趨成熟，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立將是推動(dòng)智能照明市場(chǎng)發(fā)展的助力。

　　目前在低功耗無(wú)線傳輸領(lǐng)域所使用的協(xié)議有很多，還未形成統(tǒng)一的傳輸規(guī)范。下面以兩個(gè)當(dāng)前主流低功耗無(wú)線傳輸協(xié)議Zigbee和Jennet-IP的比較為例，對(duì)低功耗傳輸協(xié)議的特點(diǎn)和發(fā)展方向進(jìn)行分析。

　　1、Zigbee協(xié)議

　　Zigbee協(xié)議具有體積小、成本低、功耗小以及傳輸速率低等特點(diǎn)，是由摩托羅拉（美國(guó)）、三菱（日本）、飛利浦（荷蘭）、英維斯（英國(guó)）等公司于2002年共同提出并研發(fā)的低功耗無(wú)線通信協(xié)議。

　　Zigbee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層和媒體接入層以IEEE802.15.4協(xié)議作為協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，IEEE 802.15.4協(xié)議是由IEEE 802無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（WPAN，Wireless PersonalArea Network）小組（成立于2000年12月）于2003年12月正式發(fā)布的，包括其物理層和MAC層所采用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。Zigbee聯(lián)盟于2004年 12月在IEEE802. 15. 4定義的物理層（PHY）和媒體接入層（MAC）的基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，從而發(fā)布了Zigbee無(wú)線通信協(xié)議。

　　（1）Zigbee無(wú)線通信協(xié)議的主要應(yīng)用特征有以下幾點(diǎn)：

　?、俟牡停号c其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相比，Zigbee協(xié)議設(shè)備的功耗極低，因此設(shè)備壽命延長(zhǎng)很多；

　?、诳煽啃詮?qiáng)：Zigbee協(xié)議具有避免碰撞的機(jī)制，通過(guò)采用專用時(shí)間間隙方法，避免在發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程中出現(xiàn)沖突；另外，在傳輸中采用自動(dòng)路由的模式，提高了傳輸可靠性；

　?、蹅鬏斅实停篫igbee協(xié)議支持的傳輸速率范圍為10kb/s～250kb/s；

　?、軅鬏敃r(shí)延小：Zigbee協(xié)議對(duì)時(shí)間延遲要求高的應(yīng)用做了優(yōu)化，使得通信延時(shí)大大縮短，另外，Zigbee協(xié)議設(shè)備從睡眠狀態(tài)下激活的時(shí)間也降低了很多；

　?、葜С止?jié)點(diǎn)數(shù)量多：理論上Zigbee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)最多可支持65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的容量；

　　⑥安全性強(qiáng)：Zigbee協(xié)議可以針對(duì)具體應(yīng)用的需求，提供相應(yīng)的安全機(jī)制，在CCM模式下采用AES.128算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全保護(hù)。

　　（2）Zigbee協(xié)議整體的結(jié)構(gòu)主要包括物理層（PHY）、媒體接入層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)/安全層以及應(yīng)用框架層。

　　①PHY層主要負(fù)責(zé)控制無(wú)線收發(fā)器的開(kāi)啟與關(guān)閉、信道選擇、能量檢測(cè)、鏈路質(zhì)量、通過(guò)物理媒體發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包等；

　?、贛AC層主要負(fù)責(zé)信道接入、發(fā)送確認(rèn)幀、時(shí)隙管理、信標(biāo)管理、發(fā)送連接及斷開(kāi)連接請(qǐng)求等，另外，還為合適的安全機(jī)制提供支撐，比如，免碰撞載波偵聽(tīng)多址訪問(wèn)（CSMA-CA）、時(shí)間同步信標(biāo)可選超幀結(jié)構(gòu)；

　?、郯踩珜又饕?fù)責(zé)密鑰管理、存取等功能；

　?、芫W(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)LR-WPAN網(wǎng)的組網(wǎng)、數(shù)據(jù)等；

　　⑤應(yīng)用框架層主要負(fù)責(zé)提供應(yīng)用軟件接口（API），以便在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理，另外，應(yīng)用層還可為實(shí)際應(yīng)用提供應(yīng)用框架模型，以便開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

　　2、Jennet-IP協(xié)議

　　由恩智浦半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的Jenne t-IP，是一種增強(qiáng)型6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，特別針對(duì)以IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的超低功耗網(wǎng)絡(luò)所設(shè)計(jì)，適用于住宅和工業(yè)應(yīng)用。 Jennet-IP已獲得IBM、TCP等主要客戶采用，目前，Jennet-IP廣泛應(yīng)用于智能家居、A/V射頻遙控、智能照明、家庭智能醫(yī)療、安全消防、門禁控制、智能能源等領(lǐng)域。6LoWPAN，即IPv6 over IEEE 802.15.4，原名為IPv6 over Lowpower Wireless Personal，即低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。IPv6作為網(wǎng)絡(luò)層互聯(lián)方案，6LoWPAN技術(shù)引起了廣泛的關(guān)注，眾多無(wú)線組網(wǎng)解決方案都集成了 6LoWPAN。

　　由于Jennet-IP是以IP為基礎(chǔ)的解決方案，具備出色的擴(kuò)展能力，可支援最多達(dá)500臺(tái)設(shè)備的大型網(wǎng)絡(luò)，具有極大的發(fā)展?jié)摿?；在有無(wú)網(wǎng)關(guān)支持的情況下均可運(yùn)作；Jennet-IP整合眾多特性于一身，支持IPv4、Ipv6、Zigbee多種協(xié)議，兼容6LoWPAN，具有功耗低、射頻范圍幅度大、存儲(chǔ)空間占用小、成本低等特點(diǎn)。

　　Jennet-IP以恩智浦（NXP）的Jennet網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議棧為基礎(chǔ)，安全性能較高，能夠提供128位AES加密算法和設(shè)備加入功能，于2011年以開(kāi)源授權(quán)方式發(fā)布。Jennet-IP的主要特性在于，其是以IP協(xié)議為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，符合 IEEE，IEFT發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，符合低功耗、低成本的大規(guī)模節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)需求，能夠與無(wú)線設(shè)備和公用網(wǎng)絡(luò)IP形成無(wú)縫鏈接，是目前2.4GHz較成熟解決方案的代表，能夠與Wi-Fi、藍(lán)牙共存，具備常用的API接口。

　　Jennet-IP的主要特性包括：

　　（1）支持網(wǎng)關(guān)或無(wú)網(wǎng)關(guān)運(yùn)行，可連接到互聯(lián)網(wǎng)或進(jìn)行單機(jī)操作；

　?。?）超低待機(jī)功耗，支持路由層優(yōu)化技術(shù)，低功耗無(wú)線鏈路；

　?。?）高安全性128位AES加密，安全驗(yàn)證和設(shè)備加入，可靠性；

　?。?）內(nèi)核小巧，低內(nèi)存占用，不到128個(gè)字節(jié)，低成本，開(kāi)源授權(quán)；

　　（5）普及性：Jennet-IP在LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中使用IPv6，基于IP網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，作為下一代互聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)的IPv6，更容易得到不同領(lǐng)域的融合；

　?。?）適用性強(qiáng)：IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架目前受到廣泛認(rèn)可，新一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)也是以IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為基礎(chǔ)的，因此，融合IPv6協(xié)議的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，開(kāi)發(fā)和應(yīng)用更為簡(jiǎn)單；

　?。?）更多地址空間：運(yùn)用IPv6的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)可以提供龐大的地址空間。這正是大規(guī)模、高密度低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的需要；

　?。?）實(shí)現(xiàn)地址自動(dòng)匹配：節(jié)點(diǎn)處于激活狀態(tài)時(shí)，屬于IPv6網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)能夠自行讀取自身MAC地址，并根據(jù)既定的規(guī)則轉(zhuǎn)換成節(jié)點(diǎn)的IPv6地址，這個(gè)特性對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常重要，因?yàn)樵谝话闱闆r下，對(duì)于大規(guī)模的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不坑內(nèi)分別進(jìn)行界面配置，所以節(jié)點(diǎn)能夠自行進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置將從根本上提高實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值；

　?。?）易接入：運(yùn)用IPv6的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)，接入其他IP網(wǎng)絡(luò)的難度將大大降低，隨著下一代互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使不同的網(wǎng)絡(luò)都可充分利用IP網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有資源；

　?。?0）易開(kāi)發(fā)性：隨著新一代IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，基于IPv6的應(yīng)用技術(shù)逐漸成熟，運(yùn)用IPv6的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)，可以更為容易對(duì)成熟技術(shù)進(jìn)行整合，大大簡(jiǎn)化了協(xié)議發(fā)展過(guò)程。

　　3、協(xié)議特性比較

　　針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的無(wú)線傳輸協(xié)議應(yīng)主要關(guān)注互操作性、網(wǎng)絡(luò)傳輸性能、有效載荷數(shù)據(jù)與幀長(zhǎng)度比、安全性、可用性和成本等幾個(gè)方面，下面從這幾個(gè)層面針對(duì) Zigbee（主要指目前使用廣泛的Zigbee協(xié)議，不包括2013年初發(fā)布的Zigbee-IP協(xié)議）與Jennet-IP的主要區(qū)別進(jìn)行分析：

　?。?）互操作性

　　互操作性是選擇一個(gè)無(wú)線傳輸協(xié)議時(shí)的主導(dǎo)因素。從技術(shù)角度分析，具有可互操作的裝置之間應(yīng)用程序不需要受到物理鏈路層數(shù)據(jù)包發(fā)送約束條件的限制。 Zigbee協(xié)議在兩個(gè)802.15.4節(jié)點(diǎn)之間定義底層鏈接，之后再定義上層應(yīng)用，也就是說(shuō)，Zigbee設(shè)備可以與跟它運(yùn)用相同配置環(huán)境（參照藍(lán)牙通信）的Zigbee設(shè)備進(jìn)行互操作。而Jennet-IP協(xié)議基于6LoWPAN，支持通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的橋接設(shè)備實(shí)現(xiàn)與其他無(wú)線802.15.4設(shè)備以及其他任何IP網(wǎng)絡(luò)鏈接設(shè)備進(jìn)行互操作，但建立Zigbee與非Zigbee網(wǎng)絡(luò)之間則需要一個(gè)更加復(fù)雜的過(guò)程。

　　綜上所述，基于IP協(xié)議的Jennet-IP允許建立與其他IP網(wǎng)絡(luò)鏈接的端到端傳輸，而Zigbee協(xié)議需要特殊定制的網(wǎng)關(guān)協(xié)議才能實(shí)現(xiàn)與非Zigbee協(xié)議之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)傳輸性能

　　IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中的IPv6協(xié)議運(yùn)行，主要需要解決兩個(gè)問(wèn)題：

　　一方面，802.15.4協(xié)議物理層幀長(zhǎng)度能夠支持最多127個(gè)字節(jié)，然而IPv6協(xié)議的報(bào)頭長(zhǎng)度就需要40個(gè)字節(jié)，另外再算上MAC層、安全、傳輸層等報(bào)頭，剩下的留給應(yīng)用層使用的報(bào)文長(zhǎng)度將非常有限；

　　另一方面，在IPv6協(xié)議中，規(guī)定最小的MTU值是1280個(gè)字節(jié)，也就是說(shuō)IP層只能將數(shù)據(jù)包分到最小1280個(gè)字節(jié)中。如果鏈路層所能支持的MTU 小于1280個(gè)字節(jié)，那么，鏈路層就要自行完成報(bào)文分片以及重組。針對(duì)這一問(wèn)題，6LowPan工作組增加了一個(gè)適配層的設(shè)計(jì)，完成將IPv6數(shù)據(jù)包適配到規(guī)定的物理層以及鏈路層的工作，同時(shí)能夠完成報(bào)文分片以及重組，解決了以上問(wèn)題。另外，在Jennet-IP協(xié)議中規(guī)定了如何對(duì)IPv6的報(bào)頭進(jìn)行無(wú)狀態(tài)壓縮，從而減小IPv6協(xié)議的載荷量。

　　而對(duì)于Zigbee協(xié)議，由于采用非IP傳輸，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)亩x則比較簡(jiǎn)單，不存在以上問(wèn)題。

　?。?）有效載荷數(shù)據(jù)與幀長(zhǎng)度比

　　比較802.15.4 Zigbee和Jennet-IP時(shí)必須熟悉數(shù)據(jù)包格式和系統(tǒng)開(kāi)銷，因?yàn)檫@直接關(guān)系到的網(wǎng)絡(luò)縮放和有效載荷數(shù)據(jù)占數(shù)據(jù)幀的比例。雖然有多種其他的形式，但典型的配置如圖1所示。

　　Fctrl：幀控制位字段

　　Dep：目的端點(diǎn)

　　Clst：群標(biāo)識(shí)符

　　Prof：配置標(biāo)識(shí)符

　　Sep：源端點(diǎn)

　　APS：APT計(jì)數(shù)器（防止重復(fù)序列）

　　可見(jiàn)，通過(guò)6LoWPAN的鏈接的IP路由不一定需要額外的6LoWPAN層標(biāo)識(shí)信息，有效減少了數(shù)據(jù)包開(kāi)銷，并釋放更多有效載荷數(shù)據(jù)空間。此外，一個(gè)典型全功能Zigbee協(xié)議棧內(nèi)核有90Kb大小，而Jennet-IP僅需30Kb。

　?。?）安全性

　　Zigbee和Jennet-IP均內(nèi)含AES128加密，這是IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的一部分。

　　AES有三種秘鑰長(zhǎng)度，128位、192位、256位，與DES數(shù)據(jù)加密算法比較，具有安全性強(qiáng)、性能更優(yōu)、效率高、更為易用和靈活等特點(diǎn)，相對(duì)而言，AES的128位秘鑰比DES的56位秘鑰要強(qiáng)1021倍，算法主要包括三個(gè)方面：輪變化、圈數(shù)和密鑰擴(kuò)展，IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)將 AES128加密作為硬件加密標(biāo)準(zhǔn)算法。另一方面，Zigbee和Jennet-IP也支持登錄申請(qǐng)驗(yàn)證，可依托網(wǎng)關(guān)設(shè)備完成驗(yàn)證、過(guò)濾、屏蔽等功能，區(qū)別在于Jennet-IP較Zigbee更容易完成對(duì)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的配置和管理。

　　綜上所述，基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線傳輸協(xié)議本身?yè)碛型晟频挠布用荏w系，結(jié)合協(xié)議自身協(xié)議的特點(diǎn)，還能夠針對(duì)傳輸?shù)钠渌h(huán)節(jié)添加安全措施。區(qū)別在于基于IP協(xié)議的無(wú)線協(xié)議在操作和使用上更為便捷。

　　（5）可用性和成本

　　目前芯片市場(chǎng)上大部分主流芯片廠商都發(fā)布有可集成Zigbee協(xié)議棧的產(chǎn)品，并提供基礎(chǔ)組網(wǎng)協(xié)議和例程代碼。但由于Zigbee協(xié)議的公開(kāi)性以及其自身并非對(duì)整體協(xié)議進(jìn)行強(qiáng)制性規(guī)范，致使各個(gè)廠商所使用的協(xié)議都有所差別，不同廠商設(shè)備之間的通信存在障礙，這在一定程度上也限制了協(xié)議的普遍推廣和發(fā)展。

　　而Jennet-IP是由恩智浦半導(dǎo)體（NXP）主導(dǎo)的產(chǎn)品，對(duì)物理層和鏈路層協(xié)議進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化定義，可以保證網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層能夠調(diào)用不同底層設(shè)備進(jìn)行通信。同時(shí)，Jennet-IP特別致力于照明領(lǐng)域，所以在照明應(yīng)用上較為領(lǐng)先。當(dāng)然，如果在綜合應(yīng)用上說(shuō)，其在推廣方面目前略遜于Zigbee，目前還有諸如Archrock和Sensinode等幾家公司產(chǎn)品支持6LoWPAN協(xié)議。

　　4、結(jié)論

　　綜上所述，基于I P 協(xié)議的Jennet-IP更具吸引力，源于其與當(dāng)前主流IP網(wǎng)絡(luò)以及新一代互聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)便的互操作性能以及底層協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化便于上層應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，未來(lái)發(fā)展?jié)摿薮?。然而?dāng)前Zigbee協(xié)議仍然占據(jù)著低功耗無(wú)限局域網(wǎng)的主導(dǎo)地位，并已經(jīng)形成了很多工業(yè)化應(yīng)用，但如果不解決網(wǎng)絡(luò)互操作性和底層設(shè)備兼容性的問(wèn)題，Zigbee協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)程中就無(wú)法立足。

　　從物聯(lián)網(wǎng)低功耗傳輸協(xié)議發(fā)展來(lái)看， 雖然Zigbee協(xié)議發(fā)展較早，但由于其早期建立的目的是解決無(wú)線個(gè)域網(wǎng)絡(luò)傳輸問(wèn)題，致使其著眼點(diǎn)主要集中在低功耗無(wú)限局域網(wǎng)絡(luò)的搭建，沒(méi)有考慮到與其他網(wǎng)絡(luò)的通信問(wèn)題，使其協(xié)議架構(gòu)并不十分符合當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)對(duì)傳輸協(xié)議的要求，無(wú)法兼顧網(wǎng)絡(luò)間通信和底層設(shè)備的兼容性，而以Jennet-IP為代表兼容 6LoWPAN的協(xié)議則不存在這些問(wèn)題。另外，Zigbee聯(lián)盟在2013年初基于其智能能源系統(tǒng)推出了兼容IP的Zigbee-IP協(xié)議，可見(jiàn)協(xié)議間的融合是低功耗無(wú)線局域網(wǎng)的整體發(fā)展趨勢(shì)。

　　智能照明作為智慧工程一個(gè)重要組成部分也將以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，而物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展必定是以標(biāo)準(zhǔn)化為基礎(chǔ)，以應(yīng)用為核心，多系統(tǒng)間傳輸協(xié)議的統(tǒng)一對(duì)物聯(lián)網(wǎng)整體推進(jìn)有著重大意義。因此，越早對(duì)傳輸協(xié)議進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)智能照明和智慧工程的推廣越有利，擁有從底層、傳輸協(xié)議到應(yīng)用完整解決方案的智能照明服務(wù)提供商在未來(lái)照明市場(chǎng)將會(huì)具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。