物联网（1）——设备和局域网

何谓物联网（IoT）？

许多人试图定义物联网。但作为一名硬件或软件工程师，我们应该知道最核心的是构建互联产品。

在广义上，IoT 系统有四个主要组件：

物本身（也就是“设备”）
本地网络（这可以包括一个网关，它将专有通信协议转换为 Internet 协议）
互联网
后端服务（企业数据系统，或者PC 和移动设备）
从嵌入式系统的角度理解物联网

IoT 系统并不复杂，但设计和构建它们可能是一项复杂的任务。IoT 系统需要开发新的硬件和软件，但好在我们已经有了工具来开始实现 IoT 。

我们可以将物联网分为两大类：

工业物联网，其中本地网络可使用的技术种类繁多。IoT 设备通常会通过全球互联网传输数据。
商用物联网，其中本地通信通常是蓝牙或以太网（有线或无线）。IoT 设备通常仅与本地设备通信。

因此，为了更好地了解如何构建 IoT 设备，你首先需要弄清楚这些设备如何与其他地区进行通信。

局域网

您选择的通信技术直接影响设备的硬件要求和成本。物联网设备有许多不同的部署方式，包括服装、房屋、建筑、校园、工厂，甚至人体，没有一种网络技术能够适用所有场景。

我们以工厂作为 IoT 系统的典型案例。工厂需要大量可连接的传感器和执行器，并将它们分布在各处，此时无线技术将是最好的选择。

无线传感器网络（WSN）是一组分布式传感器，用于监控物理或环境条件，如温度、声音和压力。每个传感器的数据通过节点到节点的网络。

WSN 节点（WSN Nodes）

WSN 节点是低成本设备，因此可以大批量部署。它们还以低功耗运行，便于使用电池供电，甚至使用能量收集技术（energy harvesting）。WSN 节点是一个嵌入式设备，通常执行单一功能（如测量温度或压力，开灯或开启电机）。

能量收集是一种从外部源（例如，太阳能、热能、风能、电磁辐射、动能等）获得能量的新技术。能量被捕获并存储，以供小型低功耗无线自主设备（如 WSN 上的节点）使用。

WSN 边缘节点（Edge Node）

WSN 边缘节点是包含 Internet 协议连接的 WSN 节点。它充当 WSN 和 IP 网络之间的网关。它还可以执行本地处理、提供本地存储和用户界面。

WSN 技术

关于最佳网络协议的争论远未结束，这里有多个候选方案。

Wi-Fi

IoT 设备网络首选 Wi-Fi，因为它无处不在。当然，Wi-Fi 对于许多应用来说都是很好的解决方案。几乎每个有互联网连接的房子都有 Wi-Fi 路由器。

但是，Wi-Fi 功耗很大，很多设备无法提供这么多电量：例如，电池供电的设备或电网难以供电的传感器。

低功耗解决方案

最新的网络技术支持低成本、低功耗的解决方案。这些技术支持创建由很小的智能设备组成的大网络。

目前，主要的研发工作包括：

低功耗高效的无线电，支持电池续航数年
作为物联网设备电源的能量采集技术
无需人工干预即可长期运行的Mesh网络（例如，M2M 网络）
自主运行的新应用协议和数据格式

例如，EnOcean申请了一项能量采集无线技术专利，以满足功耗挑战。EnOcean 的无线发射器在欧洲 868 MHz、在北美 315 MHz下工作，传输范围在建筑物中高达 30 米，在室外高达 300 米。

IEEE 802.15.4

2003年发布的IEEE 802.15.4 无线电标准，是支持物联网的主要通信协议之一。符合该标准的商用无线电为实现低功耗系统提供了基础。该 IEEE 标准在 2006 年和 2011 年进行了扩展和改进，修订了 15.4e 和 15.4g条款。与几年前相比，现在的商用射频设备的功耗减少了一半，我们预计下一代器件将再减少 50%。

6LoWPAN

利用能量收集的设备必须在尽可能短的时间内执行任务，这意味着其传输的信息必须尽可能小，这对协议设计有不利影响。这也是 6LoWPAN（IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks）被 ARM（Sensinode）和思科（ArchRock）采用的原因之一。6LoWPAN 提供封装和头部压缩机制，允许更短的传输时间。

无线通信技术
协议标准	IEE 802.15.4	蓝牙	Wi-Fi
频率	868/915 MHZ，2.4 GHz	2.4 GHz	2.4， 5.8 GHz
数据速率	250 Kpbs	723 Kpbs	11 至 105 Mpbs
距离范围	10 至 300 米	10 米	10 至 100 米
功耗	非常低	低	高
电池	碱性（月到年）	可充电（几天到几周）	可充电（小时）

有许多无线网络是专用于各个行业的。以下列一简表：

6LoWPAN	DASH7	Wireless M-Bus
ANT	ISA100	Z-Wave
蓝牙	Wireless HART	Zigbee和Zigbee IP

当然还有更多的协议没有列出来。

我们相信任何携带 IP 数据包的协议都比其他协议都有优势。IoT 设备的连接要求非常多样化，单一技术无法满足所有的距离、功耗、大小和成本要求。尽管如此，我们相信 6LoWPAN 将是 WSN 和轻量型 IP 协议的选择。

IPv6 是物联网的关键

如果你的 IoT 网络是本地的，且仅仅是M2M形式（机对机），则上面讨论的无线协议都是不错的选择。但是，如果您的目标是远程控制设备或以其他方式通过互联网传输数据，那么就需要 IPv6。

IoT 设备的用途不仅存在于本地通信中，还存在于全球通信中。如果可能，你的 IoT 网络（LANs、PANs和 BANs）必须全部使用互联网协议套件（IP、UDP、TCP、SSL、HTTP 等），同时需要稳定的服务器，这将确保您的项目在所有平台上顺利运行。此外，您的网络必须支持IPv6，因为当前的 IPv4 标准面临着全球地址短缺，对组播的支持有限，以及全球移动性较差。

IPv6 的地址方案提供的地址比地球上的沙粒都多 — — 有些人算出它有10的30次方个地址（人体中有 10 的28次方个原子）！使用 IPv6，IoT 设备获得全球IP 地址要简单得多，从而可以实现高效的对等通信。

IP 对物联网的重要性并不就意味着非 IP 网络是无用的。它只是表明非 IP 网络需要网关才能连接到互联网。

回看第一幅插图，您可以清楚地看到本地网络只是物联网的一部分。6LowPAN携带一个有压缩标头的IPv6地址，无需太多的额外开销就可以提供互联网连接。6LoWPAN 相比其他个人局域网还有一个优势——当每个设备都有全球地址时，对等通信就更容易实现。