巨川電氣--智能照明無線傳輸2種協議深度對比分析   來源：http://www.vietlogon.com

ZigBee技術的出現，徹底解決了智能家居最后一百米的網絡傳輸問題。南京物聯董事長朱俊崗表示，ZigBee技術是無線技術的一種，ZigBee在智能家居最后一百米的解決地位并非意味ZigBee將取代WiFi或者藍牙，每種無線技術都有市場定位。

　　朱俊崗認為，ZigBee具有一定的安全性。到今天為止ZigBee技術在全球沒有被攻破的先例。有人或者同行乃至競爭對手會講，ZigBee至今都比較安全是以為內它目前的利用率不高、市場占有率不高，但是我們要知道，ZigBee網絡最初是在工業領域里面應用的，工業領域里面數據的價值對很多人來說非常敏感的。同行會想方設法得到這些數據，所以說攻破它的手法會更高明，但也沒有出現過這樣的案例。其次，ZigBee有自修復能力。因為它是一個網狀網，某一個設備壞了或者節點壞了，下面的設備會自動尋找其他的節點，自動組成網絡。第三是它的網絡規模比較大。會承載家庭未來的應用。 第四就是它的低功耗，而且隨著芯片制造能力的提升，它的功耗會越來越低。

　　智能照明的出現伴隨著物聯網、LED照明、無線通信等技術的發展，其典型特征是照明設備的單獨可控、方便靈活的場景設定，并且可以與其他智能化信息系統進行無縫對接（如智能傳感網、安全監控網、智能能源網等），以新穎的呈現模式滿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，而低功耗無線通信控制系統是其中關鍵的一環。

　　智能照明作為智慧工程重要組成部分，也是物聯網體系中一個較好的應用呈現形式。以基于低功耗無線傳輸的智能照明解決方案將是未來發展趨勢，目前市場環境日趨成熟，相關標準的建立將是推動智能照明市場發展的助力。

　　目前在低功耗無線傳輸領域所使用的協議有很多，還未形成統一的傳輸規范。下面以兩個當前主流低功耗無線傳輸協議Zigbee和Jennet-IP的比較為例，對低功耗傳輸協議的特點和發展方向進行分析。

　　1、Zigbee協議

　　Zigbee協議具有體積小、成本低、功耗小以及傳輸速率低等特點，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年共同提出并研發的低功耗無線通信協議。

　　Zigbee協議的網絡層和媒體接入層以IEEE802.15.4協議作為協議標準，IEEE 802.15.4協議是由IEEE 802無線個域網（WPAN，Wireless PersonalArea Network）小組（成立于2000年12月）于2003年12月正式發布的，包括其物理層和MAC層所采用的協議標準。Zigbee聯盟于2004年12月在IEEE802. 15. 4定義的物理層（PHY）和媒體接入層（MAC）的基礎上定義了網絡層和應用層，從而發布了Zigbee無線通信協議。

　　（1）Zigbee無線通信協議的主要應用特征有以下幾點：

　　①功耗低：與其他無線網絡協議相比，Zigbee協議設備的功耗極低，因此設備壽命延長很多；

　　②可靠性強：Zigbee協議具有避免碰撞的機制，通過采用專用時間間隙方法，避免在發送數據過程中出現沖突；另外，在傳輸中采用自動路由的模式，提高了傳輸可靠性；

　　③傳輸率低：Zigbee協議支持的傳輸速率范圍為10kb/s～250kb/s；

　　④傳輸時延小：Zigbee協議對時間延遲要求高的應用做了優化，使得通信延時大大縮短，另外，Zigbee協議設備從睡眠狀態下激活的時間也降低了很多；

　　⑤支持節點數量多：理論上Zigbee協議網絡最多可支持65000個節點的容量；

　　⑥安全性強：Zigbee協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算法對數據進行安全保護。

　　（2）Zigbee協議整體的結構主要包括物理層（PHY）、媒體接入層（MAC）、網絡/安全層以及應用框架層。

　　①PHY層主要負責控制無線收發器的開啟與關閉、信道選擇、能量檢測、鏈路質量、通過物理媒體發送和接收數據包等；

　　②MAC層主要負責信道接入、發送確認幀、時隙管理、信標管理、發送連接及斷開連接請求等，另外，還為合適的安全機制提供支撐，比如，免碰撞載波偵聽多址訪問（CSMA-CA）、時間同步信標可選超幀結構；

　　③安全層主要負責密鑰管理、存取等功能；

　　④網絡層主要負LR-WPAN網的組網、數據等；

　　⑤應用框架層主要負責提供應用軟件接口（API），以便在應用層實現設備管理，另外，應用層還可為實際應用提供應用框架模型，以便開發應用。

每套獨一無二的照明控制系統反映不同用家的需要和期望。要設計和構建一個完全迎合客戶所需的自動照明系統不乏挑戰，但巨川電氣能為每個獨立方案提供所需的工具和靈活設計。

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　　2、Jennet-IP協議

　　由恩智浦半導體開發的Jenne t-IP，是一種增強型6LoWPAN網絡層協議，特別針對以IEEE802.15.4標準為基礎的超低功耗網絡所設計，適用于住宅和工業應用。Jennet-IP已獲得IBM、TCP等主要客戶采用，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、門禁控制、智能能源等領域。6LoWPAN，即IPv6 over IEEE 802.15.4，原名為IPv6 over Lowpower Wireless Personal，即低速無線個域網標準。IPv6作為網絡層互聯方案，6LoWPAN技術引起了廣泛的關注，眾多無線組網解決方案都集成了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臺設備的大型網絡，具有極大的發展潛力；在有無網關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。

　　Jennet-IP以恩智浦（NXP）的Jennet網絡通訊協議棧為基礎，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年以開源授權方式發布。Jennet-IP的主要特性在于，其是以IP協議為基礎的網絡協議，符合IEEE，IEFT發布的標準，符合低功耗、低成本的大規模節點網絡需求，能夠與無線設備和公用網絡IP形成無縫鏈接，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：

　　（1）支持網關或無網關運行，可連接到互聯網或進行單機操作；

　　（2）超低待機功耗，支持路由層優化技術，低功耗無線鏈路；

　　（3）高安全性128位AES加密，安全驗證和設備加入，可靠性；

　　（4）內核小巧，低內存占用，不到128個字節，低成本，開源授權；

　　（5）普及性：Jennet-IP在LR-WPAN網絡中使用IPv6，基于IP網絡的廣泛應用，作為下一代互聯網核心技術的IPv6，更容易得到不同領域的融合；

　　（6）適用性強：IP網絡協議架目前受到廣泛認可，新一代互聯網絡也是以IP網絡協議為基礎的，因此，融合IPv6協議的LR-WPAN網絡具有更強的適應性，開發和應用更為簡單；

　　（7）更多地址空間：運用IPv6的LR-WPAN網絡可以提供龐大的地址空間。這正是大規模、高密度低功耗無線網絡設備的需要；

　　（8）實現地址自動匹配：節點處于激活狀態時，屬于IPv6網絡的節點能夠自行讀取自身MAC地址，并根據既定的規則轉換成節點的IPv6地址，這個特性對于無線傳感器網絡非常重要，因為在一般情況下，對于大規模的無線傳感網絡節點不坑內分別進行界面配置，所以節點能夠自行進行網絡配置將從根本上提高實際應用的價值；

　　（9）易接入：運用IPv6的LR-WPAN網絡，接入其他IP網絡的難度將大大降低，隨著下一代互聯網的發展，使不同的網絡都可充分利用IP網絡內的所有資源；

　　（10）易開發性：隨著新一代IP網絡發展，基于IPv6的應用技術逐漸成熟，運用IPv6的LR-WPAN網絡，可以更為容易對成熟技術進行整合，大大簡化了協議發展過程。

3、協議特性比較

　　針對物聯網設計的無線傳輸協議應主要關注互操作性、網絡傳輸性能、有效載荷數據與幀長度比、安全性、可用性和成本等幾個方面，下面從這幾個層面針對Zigbee（主要指目前使用廣泛的Zigbee協議，不包括2013年初發布的Zigbee-IP協議）與Jennet-IP的主要區別進行分析：

　　（1）互操作性

　　互操作性是選擇一個無線傳輸協議時的主導因素。從技術角度分析，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送約束條件的限制。Zigbee協議在兩個802.15.4節點之間定義底層鏈接，之后再定義上層應用，也就是說，Zigbee設備可以與跟它運用相同配置環境（參照藍牙通信）的Zigbee設備進行互操作。而Jennet-IP協議基于6LoWPAN，支持通過一個簡單的橋接設備實現與其他無線802.15.4設備以及其他任何IP網絡鏈接設備進行互操作，但建立Zigbee與非Zigbee網絡之間則需要一個更加復雜的過程。

　　綜上所述，基于IP協議的Jennet-IP允許建立與其他IP網絡鏈接的端到端傳輸，而Zigbee協議需要特殊定制的網關協議才能實現與非Zigbee協議之間的網絡傳輸。

　　（2）網絡傳輸性能

　　IEEE 802.15.4網絡中的IPv6協議運行，主要需要解決兩個問題：

　　一方面，802.15.4協議物理層幀長度能夠支持最多127個字節，然而IPv6協議的報頭長度就需要40個字節，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度將非常有限；

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

　　而對于Zigbee協議，由于采用非IP傳輸，網絡傳輸的定義則比較簡單，不存在以上問題。

　　（3）有效載荷數據與幀長度比

　　比較802.15.4 Zigbee和Jennet-IP時必須熟悉數據包格式和系統開銷，因為這直接關系到的網絡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

　　Clst：群標識符

　　Prof：配置標識符

　　Sep：源端點

　　APS:APT計數器（防止重復序列）

　　可見，通過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銷，并釋放更多有效載荷數據空間。此外，一個典型全功能Zigbee協議棧內核有90Kb大小，而Jennet-IP僅需30Kb。

　　（4）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、效率高、更為易用和靈活等特點，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，可依托網關設備完成驗證、過濾、屏蔽等功能，區別在于Jennet-IP較Zigbee更容易完成對網關設備的配置和管理。

　　綜上所述，基于IEEE802.15.4標準的無線傳輸協議本身擁有完善的硬件加密體系，結合協議自身協議的特點，還能夠針對傳輸的其他環節添加安全措施。區別在于基于IP協議的無線協議在操作和使用上更為便捷。

　　（5）可用性和成本

　　目前芯片市場上大部分主流芯片廠商都發布有可集成Zigbee協議棧的產品，并提供基礎組網協議和例程代碼。但由于Zigbee協議的公開性以及其自身并非對整體協議進行強制性規范，致使各個廠商所使用的協議都有所差別，不同廠商設備之間的通信存在障礙，這在一定程度上也限制了協議的普遍推廣和發展。

　　而Jennet-IP是由恩智浦半導體（NXP）主導的產品，對物理層和鏈路層協議進行標準化和模塊化定義，可以保證網絡層和應用層能夠調用不同底層設備進行通信。同時，Jennet-IP特別致力于照明領域，所以在照明應用上較為領先。當然，如果在綜合應用上說，其在推廣方面目前略遜于Zigbee，目前還有諸如Archrock和Sensinode等幾家公司產品支持6LoWPAN協議。

　　4、結論

　　綜上所述，基于I P 協議的Jennet-IP更具吸引力，源于其與當前主流IP網絡以及新一代互聯網簡便的互操作性能以及底層協議的標準化便于上層應用的開發，未來發展潛力巨大。然而當前Zigbee協議仍然占據著低功耗無限局域網的主導地位，并已經形成了很多工業化應用，但如果不解決網絡互操作性和底層設備兼容性的問題，Zigbee協議在物聯網標準化的過程中就無法立足。

　　從物聯網低功耗傳輸協議發展來看， 雖然Zigbee協議發展較早，但由于其早期建立的目的是解決無線個域網絡傳輸問題，致使其著眼點主要集中在低功耗無限局域網絡的搭建，沒有考慮到與其他網絡的通信問題，使其協議架構并不十分符合當前物聯網對傳輸協議的要求，無法兼顧網絡間通信和底層設備的兼容性，而以Jennet-IP為代表兼容6LoWPAN的協議則不存在這些問題。另外，Zigbee聯盟在2013年初基于其智能能源系統推出了兼容IP的Zigbee-IP協議，可見協議間的融合是低功耗無線局域網的整體發展趨勢。

　　智能照明作為智慧工程一個重要組成部分也將以物聯網技術為基礎，而物聯網的發展必定是以標準化為基礎，以應用為核心，多系統間傳輸協議的統一對物聯網整體推進有著重大意義。因此，越早對傳輸協議進行標準化，對智能照明和智慧工程的推廣越有利，擁有從底層、傳輸協議到應用完整解決方案的智能照明服務提供商在未來照明市場將會具有極強的競爭力。