作者： Silicon Labs公司無(wú)線產(chǎn)品高級(jí)應(yīng)用總監(jiān)Skip Ashton

最近有相當(dāng)多的討論是關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)和不久即將部署的數(shù)十億可連接設(shè)備。這些設(shè)備的大多數(shù)不是智能手機(jī)或其他通訊設(shè)備，而是那些可以使我們的家庭、工廠、汽車和其他更多系統(tǒng)被無(wú)線連接的遙控器和傳感器，并且允許他們?cè)谶h(yuǎn)程處理器或手動(dòng)控制下更有效的運(yùn)作。

為了滿足這種無(wú)處不在的物聯(lián)網(wǎng)連接需求，就必須有一個(gè)滿足可連接設(shè)備需求的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。蜂窩技術(shù)太復(fù)雜，使用它將會(huì)大大增加成本，并且不支持這些大多數(shù)設(shè)備所需的電池壽命要求。

用于傳感和控制應(yīng)用的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)面世多年。而由ZigBee聯(lián)盟于2013年發(fā)布的ZigBee IP規(guī)范承諾為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供無(wú)縫的互聯(lián)網(wǎng)連接，特別是智能電網(wǎng)應(yīng)用，將會(huì)得到ZigBee Smart Energy IP協(xié)議棧的進(jìn)一步支持。

ZigBee提供了一個(gè)完整的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)解決方案，利用互聯(lián)網(wǎng)連接去控制低功耗、低成本設(shè)備，連接多種不同類型的設(shè)備構(gòu)成單一控制網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前的ZigBee IP是IPv6兼容的，這使得它非常適合那些基于預(yù)期連接設(shè)備數(shù)量而選擇IPv6的應(yīng)用。

傳感器網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)知識(shí)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）目前正在眾多應(yīng)用中廣泛部署，覆蓋范圍從家庭自動(dòng)化到工業(yè)控制，這是90年代末進(jìn)行的大量研究和發(fā)展的結(jié)果。由成千上萬(wàn)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)被用于更大范圍的燈控、建筑監(jiān)視、智能電表，甚至用于監(jiān)視農(nóng)業(yè)作物。

為了成功部署WSN，幾種底層技術(shù)是必要的：

●超低功率無(wú)線電：用于確保超長(zhǎng)電池壽命（一些諸如智能電表的應(yīng)用需要長(zhǎng)達(dá)20年）以最小化因電池更換而帶來(lái)的成本和麻煩。即使市電可用，低功耗無(wú)線電也是一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)。

●基于標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)軟件：用于確?？煽康臄?shù)據(jù)傳輸，尤其是對(duì)于無(wú)人干預(yù)的機(jī)器到機(jī)器（M2M）類型應(yīng)用的操作。

●合適的無(wú)線協(xié)議和軟件堆棧：用于允許設(shè)備間進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式的信息交換和自主操作。

ZigBee采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義和構(gòu)建底層，并為低功率無(wú)線電部件提供良好的基礎(chǔ)。該標(biāo)準(zhǔn)最初發(fā)布于2003年，從那時(shí)起，它開(kāi)始得到擴(kuò)展和提高，先是在2006年，然后在2011年。15.4e和15.4g修訂已經(jīng)被商業(yè)無(wú)線電技術(shù)供應(yīng)商用于他們的應(yīng)用中，使他們的RF設(shè)備功耗減半，并且預(yù)期在下一代設(shè)備中進(jìn)一步降低。這些修訂將對(duì)電池壽命產(chǎn)生重要的積極作用。

雖然802.15.4已經(jīng)充分利用了基礎(chǔ)無(wú)線電技術(shù)，但是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開(kāi)發(fā)仍需花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)堆棧，例如由Ember（2012年被Silicon Labs收購(gòu)）開(kāi)發(fā)的EmberZNet和由加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)的TinyOS，被用于初期的802.15.4無(wú)線IC產(chǎn)品中，并且隨后得到進(jìn)一步優(yōu)化以滿足系統(tǒng)需求。市場(chǎng)增長(zhǎng)依賴于可實(shí)現(xiàn)互操作的標(biāo)準(zhǔn)化解決方案、提供更多資源去支持很多公司使用這種技術(shù)，ZigBee聯(lián)盟是近年來(lái)致力于為無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)提供標(biāo)準(zhǔn)化解決方案的幾個(gè)組織之一。

應(yīng)用協(xié)議棧——開(kāi)發(fā)的最后一項(xiàng)——位于網(wǎng)狀協(xié)議棧的上層。應(yīng)用層傾向于側(cè)重更具體的應(yīng)用細(xì)節(jié)，為了達(dá)到真正的互操作性，必須開(kāi)發(fā)通用接口和相關(guān)協(xié)議。

這些協(xié)議依賴于通用語(yǔ)言，從而使來(lái)自不同制造商的無(wú)線設(shè)備能夠相互通信。這樣互操作性要求可能存在競(jìng)爭(zhēng)的公司在彼此產(chǎn)品相互依賴時(shí)進(jìn)行合作、商定信息傳送協(xié)議以開(kāi)發(fā)共同的標(biāo)準(zhǔn)。這種合作發(fā)生的一個(gè)領(lǐng)域是燈控產(chǎn)品（包括調(diào)光器和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)）。其他領(lǐng)域，像家庭和樓宇自動(dòng)化，市場(chǎng)的力量還不能為設(shè)備生產(chǎn)商之間協(xié)同工作提供足夠的動(dòng)力。

以ZigBee PRO為基礎(chǔ)

多年以來(lái)，為了確保市場(chǎng)能夠充分利用ZigBee的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)發(fā)布了多個(gè)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee技術(shù)的穩(wěn)步增長(zhǎng)促進(jìn)了對(duì)協(xié)議及其可靠性的提升。為了滿足這些需求，ZigBee聯(lián)盟在2007年發(fā)布了ZigBee PRO規(guī)范，并在2008年發(fā)布了智能電網(wǎng)規(guī)范（Smart Energy Profile）。

ZigBee PRO專門(mén)為小型或大型網(wǎng)絡(luò)提供設(shè)備間的通信而進(jìn)行了優(yōu)化。設(shè)備能夠加入網(wǎng)絡(luò)、與其他設(shè)備配對(duì)，并且能夠在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)管理員干預(yù)下運(yùn)行。標(biāo)準(zhǔn)專門(mén)針對(duì)通常所需的小信息包進(jìn)行了優(yōu)化。例如，IEEE 802.15.4僅支持最大信息包長(zhǎng)度為127個(gè)字節(jié)。使用ZigBee PRO標(biāo)準(zhǔn)，具有成百上千節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)已被成功部署。

ZigBee PRO標(biāo)準(zhǔn)之前并沒(méi)有針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)連接而優(yōu)化，然而當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)始發(fā)展，性能方面的需求越來(lái)越多。不幸的是，現(xiàn)有協(xié)議和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不能與當(dāng)前的IP標(biāo)準(zhǔn)相匹配，不能直接用于互聯(lián)網(wǎng)。為了克服這種挑戰(zhàn)，智能網(wǎng)關(guān)被開(kāi)發(fā)出來(lái)以提供所需的連接和轉(zhuǎn)換，但是他們的缺點(diǎn)是當(dāng)有新設(shè)備或標(biāo)準(zhǔn)被開(kāi)發(fā)后必須隨時(shí)更新。

遷移到IPv6

互聯(lián)網(wǎng)面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是IP地址的可用數(shù)量正在急劇減少。隨著IP地址使用的增加，未使用地址的數(shù)量在迅速枯竭，IPv6尋址連同其他現(xiàn)有IP協(xié)議看似能夠?yàn)榈凸膫鞲泻涂刂凭W(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)完美的解決方案。

有個(gè)主要的弊端是現(xiàn)有IP協(xié)議都是基于更大數(shù)據(jù)包和更高數(shù)據(jù)速率網(wǎng)絡(luò)的預(yù)期用途而設(shè)計(jì)的。這導(dǎo)致在IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)上直接運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)議會(huì)存在一些問(wèn)題。

為了克服這些問(wèn)題，必須減少I(mǎi)Pv6信息包的大小。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)中做出了一些修訂措施，即RFC 4944。問(wèn)題的解決方法包括壓縮IP報(bào)頭以避免傳輸15.4子網(wǎng)不需要的重復(fù)的信息。另一個(gè)主要更新是采用能夠成功傳輸?shù)母咝Х制瑱C(jī)制，并且隨后組裝無(wú)法在單一IEEE 802.15.4包中傳輸?shù)腎P包。但是，該標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有為可靠網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用協(xié)議提供一個(gè)完整方案。

此外，適用于低功耗和有損網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議也是必須的。新的協(xié)議是由Internet工程任務(wù)組（IETF）開(kāi)發(fā)并發(fā)布為RFC 6550，為低功耗網(wǎng)絡(luò)提供基本路由。然而，其他的標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)議（例如UDP和TCP）也可以無(wú)需修改的用于802.15.4網(wǎng)絡(luò)。

最終的協(xié)議是ZigBee IP，作為ZigBee智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的一部分，它通過(guò)應(yīng)用層為運(yùn)行在低功耗傳感和控制網(wǎng)絡(luò)提供了一整套基于IP的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議。

ZigBee IP概述

ZigBee IP協(xié)議棧為驗(yàn)證互操作性提供了測(cè)試和認(rèn)證的方法，因?yàn)槠渌麡?biāo)準(zhǔn)（例如802.15.4）包括了一些應(yīng)用所需的可選功能，并且這些選項(xiàng)需要適應(yīng)ZigBee IP標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議棧。這些測(cè)試和認(rèn)證方法于2013年初發(fā)布，這使得開(kāi)發(fā)人員能夠在穩(wěn)固平臺(tái)上開(kāi)發(fā)他們的產(chǎn)品。

ZigBee Smart Energy IP利用6LoWPAN報(bào)頭壓縮和分片技術(shù)。此外，RPL路由被用于非存儲(chǔ)模式，以便網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到一個(gè)中心設(shè)備。這種方法使用源路由使信息能夠被回傳到網(wǎng)絡(luò)中的始發(fā)設(shè)備。此外，標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)搜尋采用多播域名服務(wù)（mDNS）協(xié)議。這使設(shè)備能夠發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備的利益服務(wù)。

ZigBee IP也存在安全問(wèn)題。MAC級(jí)安全性通過(guò)802.15.4來(lái)提供，而應(yīng)用級(jí)的安全性采用消息負(fù)載加密實(shí)現(xiàn)。攜帶網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)認(rèn)證（PANA）的協(xié)議用于網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)控制，應(yīng)用安全使用TLS1.2和橢圓曲線加密協(xié)商機(jī)制。應(yīng)用程序可采用UDP和TCP消息傳輸協(xié)議。

圖1:Smart Energy 2和ZigBee IP協(xié)議棧

ZigBee Smart Energy IP協(xié)議棧是首個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，它結(jié)合來(lái)自IEEE和IETF的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，形成一個(gè)被眾多公司和硅芯片供應(yīng)商支持的認(rèn)可且可以互相協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)。

采用ZigBee IP

ZigBee IP目前正在多個(gè)應(yīng)用中實(shí)施，開(kāi)發(fā)工具包和系統(tǒng)都可以從多個(gè)制造商獲得。這些系統(tǒng)中的MCU通常擁有256kB的Flash和32kB的RAM空間。通過(guò)使用來(lái)自半導(dǎo)體制造商的開(kāi)發(fā)工具，可以很容易的創(chuàng)建基礎(chǔ)的安裝啟動(dòng)。設(shè)備制造商也能夠通過(guò)為他們的設(shè)備添加自己的特定應(yīng)用行為來(lái)定制這些實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

當(dāng)采用這種方法時(shí)，必須考慮許多不同的選擇：

●設(shè)備支持的功能集（計(jì)量、需求響應(yīng)、消息機(jī)制等等）

●用于功能設(shè)置的URI結(jié)構(gòu)

●使用的安全級(jí)別

●使用XML數(shù)據(jù)還是EXI壓縮型

●數(shù)據(jù)訂閱行為

●事件或異常情況的處理

關(guān)于這些選擇的最終決定將影響ZigBee Smart Energy IP協(xié)議棧在應(yīng)用中使用的配置。一旦這個(gè)過(guò)程完成，數(shù)據(jù)和必要的行為必須被提供用來(lái)完成最終配置。一個(gè)為何需要這種能力的例子是半導(dǎo)體提供商的實(shí)現(xiàn)將為應(yīng)用（例如電表消耗數(shù)據(jù)）提供信息和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。終端設(shè)備開(kāi)發(fā)者必須使用來(lái)自他們特有設(shè)備的實(shí)際電表數(shù)據(jù)填充必要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每一個(gè)供應(yīng)商的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理技術(shù)可能不同，但是這兩個(gè)元素必須匹配。圖2展示了分別由開(kāi)發(fā)者處理和由無(wú)線IC供應(yīng)商提供的設(shè)計(jì)選擇。

圖2：由開(kāi)發(fā)者控制和硅芯片供應(yīng)商提供的設(shè)計(jì)元素

一旦所有的選擇已做出，并且集合了相關(guān)數(shù)據(jù)，然后才能夠完成代碼并編譯它。和任何項(xiàng)目一樣，調(diào)試和測(cè)試是必須的，但是各種工具可用來(lái)協(xié)助開(kāi)發(fā)階段使其能夠盡快地完成。這些工具提供了很多功能，甚至能夠跟蹤網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包，從而確保端到端的功能。

帶有傳感和控制網(wǎng)絡(luò)的ZigBee IP的未來(lái)

ZigBee Smart Energy IP協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)面向相對(duì)較小的家庭智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，支持最多30個(gè)設(shè)備。在更大的網(wǎng)絡(luò)中使用這種協(xié)議棧需要一些更新才能滿足具有成百上千設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。其他的改進(jìn)技術(shù)將聚焦在提高電池壽命的技術(shù)。

在ZigBee IP中使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議面臨著來(lái)自電池壽命的挑戰(zhàn)。TCP和HTTP協(xié)議已經(jīng)使用了很多年，但因?yàn)榫薮蟮男畔⒘亢褪冀K保持開(kāi)放連接的狀態(tài)，它們的用途目前面臨功耗的挑戰(zhàn)。

為了實(shí)現(xiàn)這些提升，有必要了解在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的不同信息傳遞模式。通常，這些網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)大的數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡(luò)，其中RPL發(fā)送到一個(gè)中心點(diǎn)這種傳遞模式是合適的。此外，控制網(wǎng)絡(luò)往往有大量的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)消息傳輸，這就需要對(duì)路由選擇算法進(jìn)行優(yōu)化。

分布式網(wǎng)絡(luò)還需要非常高的可靠性，沒(méi)有單點(diǎn)故障問(wèn)題。例如包括單一安全服務(wù)器或RPL中心點(diǎn)的使用。為了克服可靠性問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)要求使用分布式系統(tǒng)，但是這些技術(shù)目前沒(méi)有被這些協(xié)議普遍支持。

傳感器網(wǎng)絡(luò)中往往有許多遠(yuǎn)程的電池供電的傳感器。對(duì)于這些節(jié)點(diǎn)，電池壽命是主要考慮因素，因此使功耗見(jiàn)到最小限度必然成為整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵需求。為了實(shí)現(xiàn)這種能源效率，信息頻率必須盡可能的降低，并且盡可能多的使用新格式（例如CoAP）的壓縮報(bào)頭去提供一個(gè)更加節(jié)省電池電量的方法。采用UDP而不是TCP和HTTP也能通過(guò)縮短的消息格式而提供進(jìn)一步改進(jìn)。

通過(guò)使用更多優(yōu)化措施，擴(kuò)展現(xiàn)有ZigBee Smart Energy IP協(xié)議棧去支持更多更大的傳感器網(wǎng)絡(luò)是可能的。對(duì)于確保降低功耗和改善電池壽命的改進(jìn)特別有益于傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性和穩(wěn)定性。

伴隨著ZigBee在多個(gè)領(lǐng)域的廣泛認(rèn)可，新的ZigBee IP標(biāo)準(zhǔn)為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的健康發(fā)展提供了又一關(guān)鍵元素。

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