缺乏能夠在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中連接無(wú)數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的流行標(biāo)準(zhǔn)是有問(wèn)題的。這就是歐洲公司和ST 合作伙伴計(jì)劃成員EMBETECH提出基于 6TiSCH 的網(wǎng)絡(luò)堆棧 embeNET 的原因。embeNET 用于嵌入式系統(tǒng)，使用 C 庫(kù)來(lái)優(yōu)化使用 Cortex 微控制器的設(shè)備之間的操作。該技術(shù)目前在遠(yuǎn)程 32 位無(wú)線 MCU STM32WL上運(yùn)行，但即將支持更多 ST MCU。開發(fā)人員只需使用 EMBETECH 開發(fā)的 API 即可利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的各種功能。因此，團(tuán)隊(duì)繞過(guò)高度復(fù)雜的實(shí)施問(wèn)題，專注于創(chuàng)建原始且高效的基礎(chǔ)架構(gòu)。

物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 中網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)背后的挑戰(zhàn)

為什么能源效率和干擾存在問(wèn)題？

在《物聯(lián)網(wǎng)：挑戰(zhàn)與機(jī)遇1 》一書中，Maria Palattella 等人。（2014） 2解釋工業(yè)網(wǎng)絡(luò)如何越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向基于 IP 的技術(shù)。這一趨勢(shì)很受歡迎，因?yàn)樗蕾囉谑煜さ母拍睿瑫r(shí)支持同一網(wǎng)絡(luò)上的許多設(shè)備。挑戰(zhàn)在于它必須適合低功耗設(shè)備，這意味著無(wú)線電不能總是打開。該標(biāo)準(zhǔn)還必須處理由于許多設(shè)備使用相同頻率進(jìn)行無(wú)線通信而造成的干擾和衰落。答案是 IEEE802.15.4-2011 媒體訪問(wèn)控制 （MAC） 協(xié)議，稱為時(shí)隙信道跳頻 （TSCH，發(fā)音為 Tish）。

什么是 TSCH？

顧名思義，TSCH 依賴于時(shí)間同步。該標(biāo)準(zhǔn)將“時(shí)隙”定義為一個(gè)時(shí)間單位。它的持續(xù)時(shí)間不是由標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的，因此可能會(huì)有所不同。在時(shí)隙中的特定時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)會(huì)發(fā)送一個(gè)帶有定時(shí)成分的數(shù)據(jù)包，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)記錄它接收到該幀的時(shí)間。有了這些信息，所有設(shè)備都可以同步它們的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘，從而補(bǔ)償任何潛在的漂移。借助計(jì)數(shù)器，每個(gè)設(shè)備還可以知道網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)了多少個(gè)時(shí)隙。稱為絕對(duì)時(shí)隙編號(hào)（ASN），它在每個(gè)時(shí)隙后遞增，使用一個(gè)五字節(jié)整數(shù)，因此可以持續(xù)數(shù)百年。

TSCH 的另一個(gè)主要組成部分與信道跳頻有關(guān)，這是一種使設(shè)備能夠切換無(wú)線頻率的機(jī)制。為了確保附近的節(jié)點(diǎn)使用相同的頻率并因此可以進(jìn)行通信，該標(biāo)準(zhǔn)使用 ASN 來(lái)計(jì)算確定使用什么頻率的偏移量。由于所有節(jié)點(diǎn)都受益于緊密的時(shí)間同步并且都知道 ASN，因此信道跳變變得高度可靠。然而，在傳輸失敗的情況下，重傳將在不同的頻率上進(jìn)行。實(shí)際上，該策略比以相同頻率重新發(fā)送相同數(shù)據(jù)包的成功機(jī)會(huì)更大。

為什么 TSCH 很重要？

使用時(shí)間同步意味著 TSCH 是一種確定性無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。傳輸準(zhǔn)確無(wú)誤，這意味著微控制器知道何時(shí)打開無(wú)線電以及打開多長(zhǎng)時(shí)間，從而節(jié)省大量能源。圍繞時(shí)間進(jìn)行協(xié)調(diào)還可以防止節(jié)點(diǎn)丟失數(shù)據(jù)包。此外，信道跳頻允許使用所有可用于 sub-GHz 和 2.4 GHz 無(wú)線電的信道。因此，工程師可以使用許多設(shè)備而不會(huì)陷入一個(gè)通道，從而降低了干擾的風(fēng)險(xiǎn)。因此，TSCH 為大規(guī)模擴(kuò)展操作打開了大門。

什么是 6TiSCH？

本質(zhì)上，6TiSCH 是一個(gè)使用 IPv6 子網(wǎng)的 TSCH 網(wǎng)絡(luò)。由于該協(xié)議使用 128 位地址，因此公司可以為每個(gè)設(shè)備應(yīng)用單個(gè) IPv6 標(biāo)識(shí)符，而不必?fù)?dān)心用完，即使在大型工業(yè)環(huán)境中也是如此。在幕后，6TiSCH 相當(dāng)全面。它定義了如何路由和跟蹤數(shù)據(jù)包并實(shí)施服務(wù)質(zhì)量以優(yōu)先考慮某些數(shù)據(jù)包以及安全功能等。簡(jiǎn)而言之，IETF（互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組）構(gòu)想了 6TiSCH 以應(yīng)對(duì)廣泛的應(yīng)用。無(wú)論是智慧城市、交通、建筑還是工廠，6TiSCH 旨在解決網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)固有的挑戰(zhàn)。

embeNET，物聯(lián)網(wǎng)Mesh網(wǎng)絡(luò)民主化的解決方案

為什么 6TiSCH 仍然不是流行詞？

雖然 6TiSCH 解決了困擾物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的許多問(wèn)題，但我們可以問(wèn)為什么該技術(shù)尚未普及。畢竟，關(guān)于該主題的第一個(gè) IETF 郵件列表可以追溯到 2013 年 1 月，而上面提到的 2014 年的書已經(jīng)概述了該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和重要性。然而，許多工程師仍然不知道它的存在或沒(méi)有太多經(jīng)驗(yàn)。原因是雖然在學(xué)術(shù)上很吸引人，但 6TiSCH 在商業(yè)上很難實(shí)施。這就是 embeNET 試圖通過(guò)提供帶有 API 的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)堆棧來(lái)解決的問(wèn)題，以提高易用性。

embeNET 如何解決實(shí)施挑戰(zhàn)？

公司經(jīng)常難以在微控制器上實(shí)現(xiàn) 6TiSCH 網(wǎng)絡(luò)堆棧。雖然 IETF 定義了針對(duì)低功耗設(shè)備的機(jī)制，但它不提供交鑰匙解決方案。因此，EMBETECH 采用了該技術(shù)并改進(jìn)了調(diào)度功能，確保了工業(yè)環(huán)境中的穩(wěn)定性，并針對(duì)資源受限的設(shè)備優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)堆棧。啟用所有服務(wù)后，庫(kù)只需要 100 KB 的閃存。因此，作為示例，讓我們以 ?STM32WL 為例，它是第一個(gè)具有嵌入式多調(diào)制 LoRa 收發(fā)器的 MCU。在這種情況下，其 256 KB 的存儲(chǔ)空間足以存儲(chǔ)固件、更新機(jī)制和應(yīng)用程序。

網(wǎng)絡(luò)堆棧還使用了 ST 的硬件功能。例如，它使用了 STM32WL 的 FSK/（G）FSK 調(diào)制功能，從而簡(jiǎn)化了整體設(shè)計(jì)。同樣，該庫(kù)使用 ST 的加密核心及其真實(shí)數(shù)字生成器來(lái)加速加密操作。因此，embeNET 只能在一個(gè) STM32WL 內(nèi)核上運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)堆?？梢栽谂c應(yīng)用程序相同的 Arm? Cortex?-M4 上運(yùn)行，而不會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。簡(jiǎn)而言之，開發(fā)人員享有較高的優(yōu)化水平，并且可以在各種 STM32 MCU 上輕松重用他們的系統(tǒng)。例如，智能電表應(yīng)用的基本網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)每天發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，可以使用 STM32WL 和 AA 電池，可持續(xù)使用大約十年。

審核編輯：郭婷