《電子技術(shù)應(yīng)用》
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藍(lán)牙智能IPv6((IPv6 over Bluetooth Smart)奠定物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)

供貨商正在推出承諾加速物聯(lián)網(wǎng)(IoT)部署的藍(lán)牙智能傳感器產(chǎn)品,,這些新器件充分利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)端至端的兼容性
2015-08-21
作者:何伯偉 -中國區(qū)銷售經(jīng)理
關(guān)鍵詞: IOT 心率監(jiān)測儀 IP IPSP

  正文:
  物聯(lián)網(wǎng)(IoT)是一個宏大的愿景,這將由融合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)并且增添數(shù)十億個無線連接“物品”的第三層來實現(xiàn),。這些物品將包括我們?nèi)粘J褂玫南匆聶C(jī),、冰箱,、咖啡滲濾壺,甚至鋼筆和眼鏡等更不起眼的東西,;不過這些物品將被連接起來并且具有“智能”,,替代今天各自為政的“笨”產(chǎn)品。
  這將如何使得生活更便利?想象一下,,一把智能雨傘連接至云服務(wù)器,,并且不斷饋入有關(guān)當(dāng)?shù)靥鞖獾男畔ⅰV魅丝吹酵膺吺撬{(lán)天白云,,但是雨傘知道過一會兒便會滂沱大雨,,雨傘的無線芯片檢測到主人的智能手機(jī)接近了,于是它發(fā)送一個信息“帶上我,,否則你會淋雨,。”
  這是一個很好的示例,,但更重要的是,,IoT的真正能力將在商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中實現(xiàn),。Kevin Ashton在1999年創(chuàng)造了物聯(lián)網(wǎng)(the Internet of Things)這個詞語,準(zhǔn)確地預(yù)言了如果計算機(jī)能夠使用自動收集的數(shù)據(jù)來了解所有的事情,,它將會極大地減少浪費(fèi),、損失和成本。
  一個全面實施的IoT可以訪問連接至云服務(wù)器的嵌入式無線傳感器以獲取大量數(shù)據(jù),,并且使用復(fù)雜的算法來確定各種事物,,例如如何調(diào)整機(jī)器運(yùn)作以提升性能,或者根據(jù)機(jī)器處于何種狀態(tài)磨損,,采用智能方式?jīng)Q定何時實施維護(hù)并且替換部件,,而不是依靠時間表。
  為了確??焖僭鲩L,,IoT基礎(chǔ)設(shè)施必需基于開放式標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu),比如TCP/IP,,才可以使得各競爭企業(yè)分別推出的技術(shù)能夠很好地共同運(yùn)作,。通信領(lǐng)域已經(jīng)展示了開放式標(biāo)準(zhǔn)如何在全球范圍奠定了成功技術(shù)的基礎(chǔ),例如GSM曾是占主導(dǎo)地位的2G蜂窩通信技術(shù),,并且加快了手機(jī)的普及,,而Wi-Fi和藍(lán)牙無線技術(shù)分別主導(dǎo)了高帶寬短距無線通信和低功耗短距無線連接領(lǐng)域。
  采用藍(lán)牙智能技術(shù)
  未來IoT收集和處理的許多原始數(shù)據(jù)將會來自廉價的緊湊型傳感器,,理想情況是這些傳感器通過直接環(huán)境的能量收集來供電,,或者最差的情形是由使用可維持?jǐn)?shù)年的小型電池供電(為了限制尺寸、成本和維護(hù)),。這些傳感器可能作為監(jiān)測周圍環(huán)境的單獨(dú)設(shè)備使用,,或者嵌入在產(chǎn)品、電器和機(jī)器中,,以期匯報主機(jī)的性能,。
  僅有數(shù)項低功耗無線技術(shù)能夠滿足這些要求,例如,,某些基于IEEE 802.15.4的產(chǎn)品或許是可行選擇,或者可以部署低功耗版本的Wi-Fi,。然而,,藍(lán)牙智能(Bluetooth Smart)這項技術(shù)已脫穎而出。藍(lán)牙智能前稱為藍(lán)牙低功耗,,從一開始便設(shè)計為盡可能消耗較少的功率,,現(xiàn)在已經(jīng)是獲得驗證的基于開放式標(biāo)準(zhǔn)的“超低功耗”無線技術(shù),并且由數(shù)家主要的硅產(chǎn)品供應(yīng)商提供產(chǎn)品,。這項技術(shù)的運(yùn)作是通過周期性快速發(fā)送突發(fā)數(shù)據(jù),,而后返回低功耗睡眠模式,。這樣的運(yùn)作十分適合連接至IoT的無線傳感器。
  然而,,遙控玩具,、心率監(jiān)測儀和智能手表等無線外設(shè)的用戶所熟悉的藍(lán)牙智能,若作為直接連接至互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù),,其實存在著明顯的缺點,。為了進(jìn)行這樣的連接,現(xiàn)代藍(lán)牙智能設(shè)備需要復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)資源,,比如智能手機(jī),、平板電腦或Wi-Fi橋接(參見圖1)。這對于用戶來說并不是真正的問題,,這是因為大多數(shù)人也都擁有這樣的設(shè)備,;但是對于商業(yè)IoT實施方案,它實在不是一個實用的解決方案,,因為網(wǎng)關(guān)十分昂貴(特別是智能手機(jī)),,并且有可能移動到有效范圍之外。
  IoT需要的是經(jīng)由廉價的“無頭”路由器的云連接性,,直接將數(shù)據(jù)從藍(lán)牙智能傳感器傳送至互聯(lián)網(wǎng),,而無需協(xié)議翻譯(見圖2)。
  互聯(lián)網(wǎng) (協(xié)議)的力量
  如果沒有互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP),,我們所熟悉的互聯(lián)網(wǎng)便不會存在,。IP是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議組中的主要通信協(xié)議,定義了連接至互聯(lián)網(wǎng)的計算機(jī)和其它設(shè)備如何彼此定位和相互交換信息,。
  互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議組由四層構(gòu)成:應(yīng)用,、傳輸、互聯(lián)網(wǎng)和鏈接,?;ヂ?lián)網(wǎng)層是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議組的一部分,用于從初始主機(jī)向由IP(或網(wǎng)絡(luò))地址定位的目的地主機(jī)傳送IP數(shù)據(jù)包(以技術(shù)術(shù)語來說,,即是“促進(jìn)數(shù)據(jù)包交換互連網(wǎng)絡(luò)”),。IP版本4?(IPv4)目前是互聯(lián)網(wǎng)層使用的主導(dǎo)性協(xié)議(參見圖3)。
  可惜的是,, IPv4的32位十進(jìn)制尋址方案提供的地址數(shù)目局限于2 的32次方 (稍稍超過42億個),。隨著連接至互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備數(shù)目快速增多,這個地址庫正在迅速耗盡,。結(jié)果是,,IPv4逐漸被基于128位十六進(jìn)制的IP版本 6 (IPv6)所替代,從而促使達(dá)到2 的128次方地址 (或遠(yuǎn)超過3.4 x 10 的38次方) ,,這將足以在未來幾年中為可能連接至IoT的物品提供IP地址(參見表1),。
  雖然工程師仍然能夠使用IPv4,,但是現(xiàn)在大多數(shù)工程師正在(緩慢地)將IPv6加入連接至互聯(lián)網(wǎng)的新設(shè)備中。IPv4和 IPv6的數(shù)據(jù)包報頭是不同的,,因而不可互操作,,這延緩了后者的推出。但是,,有數(shù)種“過渡機(jī)制”允許他們相互進(jìn)行通信,。
  除了增加可使用的地址的數(shù)目,IPv6還具有數(shù)個超越IPv4的其它優(yōu)勢,,包括較大的數(shù)據(jù)包負(fù)載,、多重廣播(通過單一發(fā)送操作將數(shù)據(jù)包傳送至多個目的地,這在IPv4中是選項),,簡化的處理和改善的流動性,。
  當(dāng)設(shè)備采用了IPv6并且連接至互聯(lián)網(wǎng),不管是直接,,還是經(jīng)由有線連接或無線連接,,它便能夠由無頭路由器進(jìn)行傳送,它能夠與所有其它IPv6設(shè)備無縫通信并且交換信息,。在IoT中,,這些設(shè)備包括PC、平板電腦和智能手機(jī),,以至可以處理來自數(shù)百萬個傳感器的數(shù)據(jù),,并且基于這些信息做出明智的決策,例如優(yōu)化大城市交通控制的強(qiáng)大云服務(wù)器,。它還意味著IPv6設(shè)備可以與其它的IPv6物品交談,,而無需計算機(jī)的服務(wù)。結(jié)果,,傳感器可以與其它傳感器交談,,即使它們使用不同的無線或有線協(xié)議(例如,藍(lán)牙智能,、ZigBee,、傳統(tǒng)藍(lán)牙、以太網(wǎng)或Wi-Fi),,以及考慮對等設(shè)備的性能而優(yōu)化其運(yùn)作,。
  藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)的援手
  但是,向藍(lán)牙智能設(shè)備增添IPv6功能是否容易?答案是并不簡單,。然而,藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)通過推出互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議支持規(guī)范(Internet Protocol Support Profile, IPSP)來簡化事情,。IPSP兼容藍(lán)牙版本4.1 (v4.1)及其后的版本,。
  SIG表示,,“互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議支持規(guī)范(IPSP)允許設(shè)備查找其它支持IPSP的設(shè)備并與其進(jìn)行通信。支持IPSP的設(shè)備之間的通信是以藍(lán)牙低功耗傳輸IPv6數(shù)據(jù)包來實現(xiàn)的,?!?br/>  大家要注意IPSP沒有詳細(xì)規(guī)定IPv6數(shù)據(jù)包如何在藍(lán)牙智能上傳輸。這項規(guī)范只是幫助了IPSP藍(lán)牙智能設(shè)備之間的通信,?;ヂ?lián)網(wǎng)工程任務(wù)小組(IETF)發(fā)表了一份名稱為“在藍(lán)牙低功耗上傳輸IPv6數(shù)據(jù)包 (Transmission of IPv6 packets over Bluetooth Low Energy)”的要求注釋文件(Request for Comment, RFC),精確說明了IPv6數(shù)據(jù)包如何在藍(lán)牙智能上傳輸,,但是,,這仍然是一個棘手的過程。
  Nordic工程技術(shù)團(tuán)隊通過藍(lán)牙智能IPv6(IPv6 over Bluetooth Smart)技術(shù)克服了這個問題,,Nordic很榮幸地成為了首家提供這項技術(shù)作為商業(yè)解決方案的企業(yè),。該公司將這款解決方案建基于經(jīng)過驗證的nRF51系列硬件,并且在其藍(lán)牙智能軟件頂部構(gòu)建了完整的IP堆棧,,并于2014年12月向開發(fā)人員發(fā)布,。完整的堆棧包括nRF51 系列SoC、該公司的S110或S130 ‘SoftDevice’(藍(lán)牙智能堆棧),、IPSP,、6LoWPAN適用層、IPv6互聯(lián)網(wǎng)路由層,、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)和傳輸控制協(xié)議(TCP)傳輸層,,外加約束應(yīng)用協(xié)議(CoAP)和消息隊列遙測傳輸 (MQTT)應(yīng)用層(參見圖4)。
  由于Nordic的nRF51 IoT軟件開發(fā)套件(SDK)兼容Arduino 和 Raspberry Pi計算機(jī)(允許這些并不昂貴的設(shè)備用作無頭路由器),,開發(fā)人員能夠使用nRF51系列藍(lán)牙智能設(shè)備進(jìn)行實驗,,直接與云端服務(wù)器和其它藍(lán)牙智能傳感器交談(參見圖5),成為異構(gòu)IP網(wǎng)絡(luò)一部分,。我們今年初在消費(fèi)電子展(CES)上演示了一個能夠運(yùn)行的系統(tǒng),。
  以往,業(yè)界觀察人員質(zhì)疑“IP至端節(jié)點” 是否可行,,因為這可能使得節(jié)點過于復(fù)雜和使得功耗增加至不可接受的水平,。然而,這些人認(rèn)為端節(jié)點使用經(jīng)由網(wǎng)關(guān)連接至互聯(lián)網(wǎng)的專有解決方案,。但是,,自從Nordic三年前推出nRF51系列器件以來,已提供了能夠勝任這項工作的低成本,、超低功耗系統(tǒng)級芯片(SoC)產(chǎn)品,。Nordi的 IP 堆棧具有緊湊的存儲器占位面積,這還意味著完整的協(xié)議堆??梢栽趎RF51系列SoC的嵌入式ARM處理器(它具有充足的儲備來運(yùn)行相關(guān)的應(yīng)用程序)上運(yùn)行,,推動開發(fā)人員最大限度地減小最終產(chǎn)品的功率,、尺寸和成本。只有采用兼容的功能強(qiáng)大的SoC和經(jīng)優(yōu)化的軟件,,用戶才能夠在節(jié)點運(yùn)行IP以省去昂貴的網(wǎng)關(guān),。
  從“我的物品聯(lián)網(wǎng)”到物聯(lián)網(wǎng)
  今天,比如活動傳感器等藍(lán)牙智能外設(shè)僅可以經(jīng)由智能手機(jī)等網(wǎng)關(guān)連接至互聯(lián)網(wǎng),。智能手機(jī)提供了向互聯(lián)網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)的軟件和計算能力,。于“我的物品聯(lián)網(wǎng)”(始終持有手持式設(shè)備的用戶擁有的無線外設(shè)),這是可行解決方案,,但是,,這對于IoT應(yīng)用幾乎是不可行的。
  然而,,感謝Nordic工程師在藍(lán)牙規(guī)范和某些創(chuàng)新工作中加入了IPSP,,藍(lán)牙智能設(shè)備在未來將能夠使用無頭路由器連接至互聯(lián)網(wǎng),從而與任何其它IPv6設(shè)備通信,。由于路由器僅用作在互聯(lián)網(wǎng)上將IPv6數(shù)據(jù)包中繼傳送給其它設(shè)備的中性設(shè)備,,而無需執(zhí)行任何分析或操作,因此先前并不兼容藍(lán)牙智能傳感器的數(shù)百萬臺設(shè)備,,比如機(jī)頂盒(STB)或Wi-Fi路由器,,將能夠用作路由器。附加路由器將無需復(fù)雜的操作系統(tǒng),,因而能夠廉價地生產(chǎn)和部署,。這樣,藍(lán)牙智能技術(shù)將推動使用開放式標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)物品至物品及物品至互聯(lián)網(wǎng)的無縫無線連接,,從而構(gòu)成實際的高成本效益的IoT基礎(chǔ)技術(shù),。
  分析人士稱,未來十年將會付運(yùn)多達(dá)300億個IoT節(jié)點,,其中超過半數(shù)將用于來自尚未成立企業(yè)的應(yīng)用,。如果要實現(xiàn)這個愿景,Nordic這樣的企業(yè)必需通過提供開箱直接連接至互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)品,,比如nRF51系列IoT SDK,,讓開發(fā)人員極其輕易地專注于創(chuàng)新,毋須為了試圖連接配備無線技術(shù)的物品至互聯(lián)網(wǎng)這個艱巨技術(shù)挑戰(zhàn)而花費(fèi)時間,。
  圖題

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  圖1:現(xiàn)代的藍(lán)牙智能設(shè)備需要智能手機(jī)等網(wǎng)關(guān)來連接至互聯(lián)網(wǎng)

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  圖 2:通過增添 IPv6,,藍(lán)牙智能設(shè)備能夠經(jīng)由無頭路由器連接至互聯(lián)網(wǎng)(除網(wǎng)關(guān)之外)

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  圖 3:互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議組層

Table_1.jpeg

       Table 1:IPv4 對比 IPv6 (由美國互聯(lián)網(wǎng)號碼注冊處提供)

Figure_4.jpeg



       圖4:Nordic Semiconductor的藍(lán)牙智能IPv6解決方案

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  圖 5:nRF51系列IoT SDK可讓開發(fā)人員試驗將藍(lán)牙智能設(shè)備與云基服務(wù)器和其它藍(lán)牙智能傳感器直接交談,作為異構(gòu)IP網(wǎng)絡(luò)一部分

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