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如何利用網關克服低功耗無線 LAN-IoT 連接難題

電子設計 ? 作者:佚名 ? 2018-03-01 10:34 ? 次閱讀

許多低功耗無線接口和協議,如低功耗藍牙ZigBee、Thread 等,在智能家庭和智能工業傳感器網狀應用中很常見。但是,開發人員發現,這些射頻協議設計于物聯網 (IoT) 出現之前,因此通常缺乏與互聯網協議 (IP) IPv4 和 IPv6 的互操作性,從而使得將相關設計與 IoT 連接以實現智能傳感、自動化和控制的目標充滿挑戰。

IP 互操作性問題有多種途徑可以解決,如轉換數據包或使用 IP 兼容的無線接口。第一種選擇效率較低,第二種方式又縮小了設計師的 Wi-Fi 選擇范圍。

本文將專門介紹第三種方式: IoT 網關。它們可用作網絡聚合器,并且通常具有先進的安全性和多種 I/O 回程選擇。本文將描述其功能和特征,再介紹適當的解決方案以及如何最大程度發揮其作用。

IoT 的無線選擇

盡管缺乏直接的 IP 互操作性,許多流行的低功耗無線接口和協議具有良好的范圍和吞吐量、與其他 2.4 GHz 技術的共存性以及網狀網絡支持特性。(參見 Digi-Key 文章“低功耗無線技術的比較。”)

雙向無線連接能讓用戶遠程監視并控制系統,同時能通過基于云的強大算法對過程數據進行分析,以實現優化性能、節能或提高生產率等目標。

如前所述,有三種方式可以克服低功耗無線協議缺乏 IP 互操作性的問題。首先是選擇具有網絡適配層的協議,該層可“轉換”數據包,使其能通過 IPv6 網絡輸送。有的制造商提供低功耗藍牙、ZigBee、Thread 和包括基于 IPv6 的低功耗無線個人局域網 (6LoWPAN) 傳輸層的其他射頻協議“棧”。通常,這些協議棧可以正常工作,但實施起來更加復雜,并且各節點需要更多的處理器資源和功耗。

第二個選項是使用具有本地 IP 支持的無線協議。Wi-Fi 可能是最佳示例。嚴格來講,Wi-Fi 僅定義了協議棧的物理 (PHY) 層、介質訪問控制 (MAC) 層和邏輯鏈路控制 (LLC) 層。但是,互聯網 Wi-Fi 連接無處不在,供應商通常提供基于 Wi-Fi 較低層的完整 TCP/IP 協議棧。代價則是 Wi-Fi 節點更大、更昂貴,并且比形成競爭的其他無線技術功率更高,因此不適合于所有應用。

第三個方法是利用 IoT 網關。這些設備屬于自足式裝置,包括彌合 LAN 和 IoT 之間差距所需的所有軟件和硬件(圖 1)。對于射頻專業知識有限的開發人員,或者希望在傳統的低功耗無線網絡中增加互聯網連接性的人員,網關也是不錯的選擇。

圖 1: 設計師能從無線傳感器網絡與 IoT 連接的三種方案中選擇。此處顯示的第一個選擇描述了如何將無線節點連接到 IoT 網關,從而將其作為中繼連接至互聯網。(圖片來源:Texas Instruments)

網關和路由器之間的差異

網關與路由器有必要加以區分。路由器是一種更簡單的設備,它為節點服務,共享共同的協議,并且需要單獨將通過該協議傳輸的數據傳遞至互聯網,以及從互聯網接回。Wi-Fi 路由器是一個不錯的例子;這些設備在啟用 IP 的移動設備(如智能手機和便攜式計算機)和互聯網之間路由數據,但沒有交互。

與之相對,IoT 網關整合了來自不同無線來源和接口的數據,并將其連接到互聯網。某些情況下,網關與路由器配合使用,以方便實施。網關的主要優勢在于不需要各自獨立的網絡節點,從而憑借其相關復雜度和成本特性支持 IP。

網關可以簡單,也可以復雜。簡單的裝置組織和“轉換”節點收到的數據包,使其適合于在互聯網上傳輸。并且,簡單的網關可轉換從互聯網收到的數據包,并將其分布到網絡中的各節點。

更復雜的網關不僅有此功能,還具有高級安全特性和處理全部或部分(與節點共享負載)應用過程的資源。該系統的優點是節點更簡單、更便宜,并且功耗更低。在有許多節點的系統中,將處理功耗集中在網關比將其分布到所有節點的成本更低。更復雜的網關還能確保 LAN 在互聯網訪問中斷時繼續工作,并且能緩沖節點數據,以便在重新建立互聯網訪問時進行云傳輸。

網關解決方案

許多制造商提供商業 IoT 網關解決方案。設備通常為市電供電裝置,可配置成使用各種無線接口,包括選擇低功耗射頻協議。通常,連接 IoT 是通過 Wi-Fi 等基于 IP 的無線廣域網 (WAN) 接口(或者以太網等有線類型)。有些更加新的設計包括通過蜂窩網絡或專有 WAN 技術(如 LoRaWAN)進行互聯網訪問。

WAN 技術通常采用諸如 Linux操作系統 (OS) 控制的重量級協議棧。為了應對此類固件的計算需求,商業 IoT 網關配備有強大的嵌入式微控制器

更先進的網關支持多個網絡平臺,例如 HSDK、NAT64、PC-BLE-Serialization 和 LoRaWAN Gateway Bridge,以及多種云服務,如 Amazon、Microsoft、Ayla 和 IBM 的云服務。這些先進裝置還具有諸如應用程序安裝遠程管理、固件更新和配置更改、終端設備固件更新以及網狀網絡拓撲和設備的遠程管理等特性。

Rigado 的Vesta 系列 IoT 網關是最新一代可配置網關的很好例子。該產品由運行 Yocto Linux OS 的NXPi.MX6UltraLite Arm?Cortex?-A7 應用程序處理器提供支持。該裝置支持 2.4 和 5 GHz Wi-Fi (IEEE 802.11a/b/g/n)、藍牙 4.2、低功耗藍牙和 IEEE 802.15.4(包括 Thread)。網關還支持采用 IEEE 802.3af 以太網供電 (PoE) 和 USB 2.0 的以太網。網關需要 4.5 至 5.5 V 電源或通過 PoE 連接運行。根據 Rigado 的介紹,即將提供蜂窩和 LoRaWAN 擴展選項。

Sierra Wireless 的FX30 IoT 網關還具有 Arm?Cortex?-A7 應用程序處理器,并采用開源 Yocto Linux OS(圖 2)。互聯網連接通過蜂窩基礎設施 (LTE Cat 1) 實現,并且該裝置能接收 IoT 接頭擴展槽的 Wi-Fi、藍牙和 ZigBee 輸入。標準裝置設計為采用有線接口,如僅限以太網和 USB,需要 4.75 至 32 V 電源。該裝置的低功耗引人注目,待機模式耗電不到 1 W,休眠模式僅 2 毫瓦 (mW),并且堅固耐用。裝置符合 MIL-STD-810 的振動和機械沖擊要求,工作溫度范圍從 -30° 至 +75°C,是工業應用的良好選擇。

圖 2: Sierra Wireless 的 FX30 IoT 網關采用蜂窩技術連接到互聯網。(圖片來源: Sierra Wireless)

商業 IoT 網關的第三個例子來自Laird Technologies。其Sentrius RG1xx 系列因采用 LoRaWAN(一種互聯網連接的長距離低功耗 WAN 技術)而出名。該裝置采用AtmelA5嵌入式微處理器,運行 Linux OS。除了 LoRaWAN,裝置還提供 2.4 和 5 GHz Wi-Fi、藍牙 4.0 和低功耗藍牙接口以及以太網接口。由于采用長距離連接,Sentrius 十分適合智能電表、工業自動化和農業應用。

調試網關

諸如 Rigado、Sierra Wireless 和 Laird Technologies 等 IoT 網關能讓設計師將其低功耗無線網絡連接到互聯網和云服務,無需設計復雜的連接硬件和固件。但是,需要進行一些開發工作,以確保無縫操作。幸運的是,IoT 網關制造商通常提供便于此開發過程的產品、工具和服務。

例如,Laird 的 Sentrius 專門設計為針對無線傳感器應用連接該公司的RM186/191系列 LoRaWAN/低功耗藍牙無線模塊。這些裝置結合了便利性和低功耗藍牙的智能手機互操作性,LoRaWAN 擴展范圍高達 15 km。Laird 提供開發套件DVK-RM186-SM-01,可簡化將模塊連接到 Sentrius 網關的過程。利用該公司的 Node-RED 開發環境和相關指南,該過程變得較為直接明了。

Sierra Wireless 建議使用 Legato 開源 Linux 平臺將其 FX30 IoT 網關連接到云。Legato 帶有應用“沙盒”,為運行和控制多個應用程序提供安全的環境。該平臺還提供應用程序編程接口 (API),使開發人員可以連接到云。

對于需要設計高級網絡的開發人員,Legato 提供帶有多語言支持的基于 Eclipse 的集成開發環境 (IDE),以及一套診斷工具,以啟動本地和遠程調試、故障排除、監控和分析。

發送數據至云

Rigado 已通過其VG3-23E4-WIB0C0-ASA-DEKIoT 開發套件進一步簡化了無線網絡和云連接,包括 Vesta Gateway 和NordicThingy:52 低功耗藍牙開發套件(圖 3)。該開發套件允許工程師設計連接藍牙 5/低功耗藍牙傳感器與云的原型解決方案。使用 IoT 開發套件的優點在于無需射頻經驗,因為 Thingy:52 傳感器已配置為與 Vesta Gateway 通信。由于 Rigado 的 Node-RED 開發環境包括演示應用程序,可將 Thingy:52 傳感器的數據通過 Vesta Gateway 轉發至 Amazon Web Services (AWS) 云服務,原型設計得到進一步簡化。

圖 3: Rigado 的 VG3-23E4-WIB0C0-ASA-DEK IoT 開發套件包括 Vesta Gateway 和 Nordic Semiconductor 的 Nordic Thingy:52 IoT 開發套件。Rigado 的 Node-RED 開發環境可簡化網關配置。(圖片來源: Rigado)

通過 Vesta Gateway 將 Nordic Thingy:52 各傳感器數據發送至 AWS 的方式直接明了。Vesta 首先配置為 Wi-Fi 接入點并通過瀏覽器連接至開發人員的 Wi-Fi 網絡。單擊提供的 URL 可啟動 Node-RED 應用程序,該程序隨后自動掃描 Nordic Thingy:52,嘗試連接并掃描通用唯一標識符 (UUID)。建立連接后,從 Nordic Thingy:52 讀取傳感器數據,并發送至 AWS 和 Node-RED 應用程序儀表板。開發人員可通過儀表板進行更改,以篩選要傳輸的信息、以及發送頻率。

Node-RED 開發環境還為經驗豐富的開發人員提供簡便方式,以創建基于瀏覽器的工作流來連接硬件設備、應用程序編程接口 (API) 和云服務。

通過 IoT 網關將傳感器網絡連接至云可成倍提高系統的利用率。云服務提供商通常提供基礎設施,以處理傳感器原始數據、控制和分析數據并從中提供有用信息或反饋。

例如,在使用 AWS 云系統時,Vesta Gateway 連接 AWS 的 API 網關(圖 4)。通過 API 網關,開發人員可以創建、配置并托管 API,以便 Vesta Gateway 應用程序接入云。例如,應用程序可以使用 API 上傳來自 Nordic Thingy:52 內置傳感器的溫度和濕度數據。然后,原始數據可以存儲在 Amazon S3“存儲桶”或 Amazon DynamoDB 數據庫服務中。

圖 4: Vesta Gateway 利用 Amazon 的 AWS 云服務收集數據,并運行所有相關代碼。(圖片來源: Rigado。)

AWS 的另一部分 AWS Lambda 可提供計算服務,允許開發人員運行基于云的代碼,無需準備或管理服務器。AWS Lambda 支持 Node.jsJavaC#Python

例如,開發人員可以使用 AWS Lambda 上運行的代碼利用 Nordic Thingy:52 發送的原始數據通告溫度和濕度極端值和每日、每周及每月均值。

配置 AWS Lambda 在響應觸發事件時運行代碼相對直接,如對存儲桶或數據庫中數據進行特定更改。例如,開發人員可選擇運行一組代碼,以在溫度或濕度超過設定閾值時向智能手機發送通知。

原型設計完成后,可使用 Rigado 基于半導體的 Nordic模塊系列(用于藍牙 5/藍牙低功耗無線傳感器網絡應用)替代 Nordic Thingy:52,以形成最終的生產設計。

總結

云連接對于最大程度利用智能無線技術的益處至關重要,然而由于主流低功耗無線協議和 IP 之間缺少互操作性,仍然存在嚴峻的技術挑戰。應用 IoT 網關是一種方便快捷的解決方案,這種嵌入式設備能以最小的設計開銷將無線傳感器網絡連接到云端。

來源:digikey

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