LED智能照明無(wú)線(xiàn)傳輸的兩種協(xié)議對比

　　智能照明的出現伴隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)、LED照明、無(wú)線(xiàn)通信等技術(shù)的發(fā)展，其典型特征是照明設備的單獨可控、方便靈活的場(chǎng)景設定，并且可以與其他智能化信息系統進(jìn)行無(wú)縫對接（如智能傳感網(wǎng)、安全監控網(wǎng)、智能能源網(wǎng)等），以新穎的呈現模式滿(mǎn)足不同的智能化照明需求，因此，智能照明系統需要提供方便易操作的系統升級改造方案，以適應需求的不斷變化，而低功耗無(wú)線(xiàn)通信控制系統是其中關(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)較好的應用呈現形式。以基于低功耗無(wú)線(xiàn)傳輸的智能照明解決方案將是未來(lái)發(fā)展趨勢，目前市場(chǎng)環(huán)境日趨成熟，相關(guān)標準的建立將是推動(dòng)智能照明市場(chǎng)發(fā)展的助力。

　　目前在低功耗無(wú)線(xiàn)傳輸領(lǐng)域所使用的協(xié)議有很多，還未形成統一的傳輸規范。下面以?xún)蓚€(gè)當前主流低功耗無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議Zigbee和Jennet-IP的比較為例，對低功耗傳輸協(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）、三菱（日本）、飛利浦（荷蘭）、英維斯（英國）等公司于2002年共同提出并研發(fā)的低功耗無(wú)線(xiàn)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)議標準，IEEE 802.15.4協(xié)議是由IEEE 802無(wú)線(xiàn)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)議標準。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）的基礎上定義了網(wǎng)絡(luò )層和應用層，從而發(fā)布了Zigbee無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議。

　?。?）Zigbee無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議的主要應用特征有以下幾點(diǎn)：

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

　?、诳煽啃詮姡篫igbee協(xié)議具有避免碰撞的機制，通過(guò)采用專(zhuān)用時(shí)間間隙方法，避免在發(fā)送數據過(guò)程中出現沖突；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?。篫igbee協(xié)議對時(shí)間延遲要求高的應用做了優(yōu)化，使得通信延時(shí)大大縮短，另外，Zigbee協(xié)議設備從睡眠狀態(tài)下激活的時(shí)間也降低了很多；

　?、葜С止濣c(diǎn)數量多：理論上Zigbee協(xié)議網(wǎng)絡(luò )最多可支持65000個(gè)節點(diǎn)的容量；

　?、薨踩詮姡篫igbee協(xié)議可以針對具體應用的需求，提供相應的安全機制，在CCM模式下采用AES.128算法對數據進(jìn)行安全保護。

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

　?、貾HY層主要負責控制無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的開(kāi)啟與關(guān)閉、信道選擇、能量檢測、鏈路質(zhì)量、通過(guò)物理媒體發(fā)送和接收數據包等；

　?、贛AC層主要負責信道接入、發(fā)送確認幀、時(shí)隙管理、信標管理、發(fā)送連接及斷開(kāi)連接請求等，另外，還為合適的安全機制提供支撐，比如，免碰撞載波偵聽(tīng)多址訪(fǎng)問(wèn)（CSMA-CA）、時(shí)間同步信標可選超幀結構；

　?、郯踩珜又饕撠熋荑€管理、存取等功能；

　?、芫W(wǎng)絡(luò )層主要負LR-WPAN網(wǎng)的組網(wǎng)、數據等；

　?、輵每蚣軐又饕撠熖峁密浖涌冢ˋPI），以便在應用層實(shí)現設備管理，另外，應用層還可為實(shí)際應用提供應用框架模型，以便開(kāi)發(fā)應用。

　　2、Jennet-IP協(xié)議

　　由恩智浦半導體開(kāi)發(fā)的Jenne t-IP，是一種增強型6LoWPAN網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議，特別針對以IEEE802.15.4標準為基礎的超低功耗網(wǎng)絡(luò )所設計，適用于住宅和工業(yè)應用。 Jennet-IP已獲得IBM、TCP等主要客戶(hù)采用，目前，Jennet-IP廣泛應用于智能家居、A/V射頻遙控、智能照明、家庭智能醫療、安全消防、門(mén)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(xiàn)個(gè)域網(wǎng)標準。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(xiàn)組網(wǎng)解決方案都集成了 6LoWPAN。

　　由于Jennet-IP是以IP為基礎的解決方案，具備出色的擴展能力，可支援最多達500臺設備的大型網(wǎng)絡(luò )，具有極大的發(fā)展潛力；在有無(wú)網(wǎng)關(guān)支持的情況下均可運作；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，安全性能較高，能夠提供128位AES加密算法和設備加入功能，于2011年以開(kāi)源授權方式發(fā)布。Jennet-IP的主要特性在于，其是以IP協(xié)議為基礎的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，符合 IEEE，IEFT發(fā)布的標準，符合低功耗、低成本的大規模節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )需求，能夠與無(wú)線(xiàn)設備和公用網(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、藍牙共存，具備常用的API接口。

　　Jennet-IP的主要特性包括：

　?。?）支持網(wǎng)關(guān)或無(wú)網(wǎng)關(guān)運行，可連接到互聯(lián)網(wǎng)或進(jìn)行單機操作；

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

　?。?）高安全性128位AES加密，安全驗證和設備加入，可靠性；

　?。?）內核小巧，低內存占用，不到128個(gè)字節，低成本，開(kāi)源授權；

　?。?）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：IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議架目前受到廣泛認可，新一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )也是以IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議為基礎的，因此，融合IPv6協(xié)議的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò )具有更強的適應性，開(kāi)發(fā)和應用更為簡(jiǎn)單；

　?。?）更多地址空間：運用IPv6的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò )可以提供龐大的地址空間。這正是大規模、高密度低功耗無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備的需要；

　?。?）實(shí)現地址自動(dòng)匹配：節點(diǎn)處于激活狀態(tài)時(shí)，屬于IPv6網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)能夠自行讀取自身MAC地址，并根據既定的規則轉換成節點(diǎn)的IPv6地址，這個(gè)特性對于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )非常重要，因為在一般情況下，對于大規模的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)不坑內分別進(jìn)行界面配置，所以節點(diǎn)能夠自行進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )配置將從根本上提高實(shí)際應用的價(jià)值；

　?。?）易接入：運用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(zhù)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 )內的所有資源；

　?。?0）易開(kāi)發(fā)性：隨著(zhù)新一代IP網(wǎng)絡(luò )發(fā)展，基于IPv6的應用技術(shù)逐漸成熟，運用IPv6的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò )，可以更為容易對成熟技術(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

　　針對物聯(lián)網(wǎng)設計的無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議應主要關(guān)注互操作性、網(wǎng)絡(luò )傳輸性能、有效載荷數據與幀長(cháng)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 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的主要區別進(jìn)行分析：

　?。?）互操作性

　　互操作性是選擇一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議時(shí)的主導因素。從技術(shù)角度分析，具有可互操作的裝置之間應用程序不需要受到物理鏈路層數據包發(fā)送約束條件的限制。 Zigbee協(xié)議在兩個(gè)802.15.4節點(diǎn)之間定義底層鏈接，之后再定義上層應用，也就是說(shuō)，Zigbee設備可以與跟它運用相同配置環(huán)境（參照藍牙通信）的Zigbee設備進(jìn)行互操作。而Jennet-IP協(xié)議基于6LoWPAN，支持通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的橋接設備實(shí)現與其他無(wú)線(xiàn)802.15.4設備以及其他任何IP網(wǎng)絡(luò )鏈接設備進(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(cháng)度能夠支持最多127個(gè)字節，然而IPv6協(xié)議的報頭長(cháng)度就需要40個(gè)字節，另外再算上MAC層、安全、傳輸層等報頭，剩下的留給應用層使用的報文長(cháng)度將非常有限；

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

　　而對于Zigbee協(xié)議，由于采用非IP傳輸，網(wǎng)絡(luò )傳輸的定義則比較簡(jiǎn)單，不存在以上問(wèn)題。

　?。?）有效載荷數據與幀長(cháng)度比

　　比較802.15.4 Zigbee和Jennet-IP時(shí)必須熟悉數據包格式和系統開(kāi)銷(xiāo)，因為這直接關(guān)系到的網(wǎng)絡(luò )縮放和有效載荷數據占數據幀的比例。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：群標識符

　　Prof：配置標識符

　　Sep：源端點(diǎn)

　　APS：APT計數器（防止重復序列）

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

　?。?）安全性

　　Zigbee和Jennet-IP均內含AES128加密，這是IEEE802.15.4標準的一部分。

　　AES有三種秘鑰長(cháng)度，128位、192位、256位，與DES數據加密算法比較，具有安全性強、性能更優(yōu)、效率高、更為易用和靈活等特點(diǎn)，相對而言，AES的128位秘鑰比DES的56位秘鑰要強1021倍，算法主要包括三個(gè)方面：輪變化、圈數和密鑰擴展，IEEE802.15.4標準將 AES128加密作為硬件加密標準算法。另一方面，Zigbee和Jennet-IP也支持登錄申請驗證，可依托網(wǎng)關(guān)設備完成驗證、過(guò)濾、屏蔽等功能，區別在于Jennet-IP較Zigbee更容易完成對網(wǎng)關(guān)設備的配置和管理。

　　綜上所述，基于IEEE802.15.4標準的無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議本身?yè)碛型晟频挠布用荏w系，結合協(xié)議自身協(xié)議的特點(diǎn)，還能夠針對傳輸的其他環(huán)節添加安全措施。區別在于基于IP協(xié)議的無(wú)線(xiàn)協(xié)議在操作和使用上更為便捷。

　?。?）可用性和成本

　　目前芯片市場(chǎng)上大部分主流芯片廠(chǎng)商都發(fā)布有可集成Zigbee協(xié)議棧的產(chǎn)品，并提供基礎組網(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整體協(xié)議進(jìn)行強制性規范，致使各個(gè)廠(chǎng)商所使用的協(xié)議都有所差別，不同廠(chǎng)商設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是由恩智浦半導體（NXP）主導的產(chǎn)品，對物理層和鏈路層協(xié)議進(jìn)行標準化和模塊化定義，可以保證網(wǎng)絡(luò )層和應用層能夠調用不同底層設備進(jìn)行通信。同時(shí)，Jennet-IP特別致力于照明領(lǐng)域，所以在照明應用上較為領(lǐng)先。當然，如果在綜合應用上說(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)議的標準化便于上層應用的開(kāi)發(fā)，未來(lái)發(fā)展潛力巨大。然而當前Zigbee協(xié)議仍然占據著(zhù)低功耗無(wú)限局域網(wǎng)的主導地位，并已經(jīng)形成了很多工業(yè)化應用，但如果不解決網(wǎng)絡(luò )互操作性和底層設備兼容性的問(wèn)題，Zigbee協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)標準化的過(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(xiàn)個(gè)域網(wǎng)絡(luò )傳輸問(wèn)題，致使其著(zhù)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)議架構并不十分符合當前物聯(lián)網(wǎng)對傳輸協(xié)議的要求，無(wú)法兼顧網(wǎng)絡(luò )間通信和底層設備的兼容性，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(xiàn)局域網(wǎng)的整體發(fā)展趨勢。

　　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，而物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展必定是以標準化為基礎，以應用為核心，多系統間傳輸協(xié)議的統一對物聯(lián)網(wǎng)整體推進(jìn)有著(zhù)重大意義。因此，越早對傳輸協(xié)議進(jìn)行標準化，對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 )具有極強的競爭力。