物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中采用ZigBee IP的主要考慮因素

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)被無線連接的遙控器和傳感器，并且允許他們在遠程處理器或手動控制下更有效的運作。

為了滿足這種無處不在的物聯(lián)網(wǎng)連接需求，就必須有一個滿足可連接設(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ZigBeeIP規(guī)范承諾為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供無縫的互聯(lián)網(wǎng)連接，特別是智能電網(wǎng)應(yīng)用，將會得到ZigBeeSmartEnergyIP協(xié)議棧的進一步支持。

ZigBee提供了一個完整的無線網(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ZigBeeIP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

無線傳感器網(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化到工業(yè)控制，這是90年代末進行的大量研究和發(fā)展的結(jié)果。由成千上萬節(jié)點構(gòu)成的無線網(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：

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

●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，尤其是對于無人干預(yù)的機器到機器(M2M)類型應(yīng)用的操作。

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

ZigBee采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義和構(gòu)建底層，并為低功率無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，從那時起，它開始得到擴展和提高，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)備中進一步降低。這些修訂將對電池壽命產(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)無線電技術(shù)，但是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開發(fā)仍需花費較長的時間。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)堆棧，例如由Ember(2012年被SiliconLabs收購)開發(fā)的EmberZNet和由加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的TinyOS，被用于初期的802.15.4無線IC產(chǎn)品中，并且隨后得到進一步優(yōu)化以滿足系統(tǒng)需求。市場增長依賴于可實現(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)盟是近年來致力于為無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)提供標(biāo)準(zhǔn)化解決方案的幾個組織之一。

應(yīng)用協(xié)議棧——開發(fā)的最后一項——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)用細節(jié)，為了達到真正的互操作性，必須開發(fā)通用接口和相關(guān)協(xié)議。

這些協(xié)議依賴于通用語言，從而使來自不同制造商的無線設(shè)備能夠相互通信。這樣互操作性要求可能存在競爭的公司在彼此產(chǎn)品相互依賴時進行合作、商定信息傳送協(xié)議以開發(fā)共同的標(biāo)準(zhǔn)。這種合作發(fā)生的一個領(lǐng)域是燈控產(chǎn)品(包括調(diào)光器和轉(zhuǎn)換開關(guān))。其他領(lǐng)域，像家庭和樓宇自動化，市場的力量還不能為設(shè)備生產(chǎn)商之間協(xié)同工作提供足夠的動力。

以ZigBeePRO為基礎(chǔ)

多年以來，為了確保市場能夠充分利用ZigBee的優(yōu)勢，已經(jīng)發(fā)布了多個ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee技術(shù)的穩(wěn)步增長促進了對協(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ZigBeePRO規(guī)范，并在2008年發(fā)布了智能電網(wǎng)規(guī)范(SmartEnergyProfile)。

ZigBeePRO專門為小型或大型網(wǎng)絡(luò)提供設(shè)備間的通信而進行了優(yōu)化。設(shè)備能夠加入網(wǎng)絡(luò)、與其他設(shè)備配對，并且能夠在沒有網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)管理員干預(yù)下運行。標(biāo)準(zhǔn)專門針對通常所需的小信息包進行了優(yōu)化。例如，IEEE802.15.4僅支持最大信息包長度為127個字節(jié)。使用ZigBeePRO標(biāo)準(zhǔn)，具有成百上千節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)已被成功部署。

ZigBeePRO標(biāo)準(zhǔn)之前并沒有針對互聯(lián)網(wǎng)連接而優(yōu)化，然而當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)開始發(fā)展，性能方面的需求越來越多。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)被開發(fā)出來以提供所需的連接和轉(zhuǎn)換，但是他們的缺點是當(dāng)有新設(shè)備或標(biāo)準(zhǔn)被開發(fā)后必須隨時更新。

遷移到IPv6

互聯(lián)網(wǎng)面臨的一個主要挑戰(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)議看似能夠為低功耗傳感和控制網(wǎng)絡(luò)提供一個完美的解決方案。

有個主要的弊端是現(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)計的。這導(dǎo)致在IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)上直接運行標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)議會存在一些問題。

為了克服這些問題，必須減少IPv6信息包的大小。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，在6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)中做出了一些修訂措施，即RFC4944。問題的解決方法包括壓縮IP報頭以避免傳輸15.4子網(wǎng)不需要的重復(fù)的信息。另一個主要更新是采用能夠成功傳輸?shù)母咝Х制瑱C制，并且隨后組裝無法在單一IEEE802.15.4包中傳輸?shù)腎P包。但是，該標(biāo)準(zhǔn)并沒有為可靠網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用協(xié)議提供一個完整方案。

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)開發(fā)并發(fā)布為RFC6550，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)也可以無需修改的用于802.15.4網(wǎng)絡(luò)。

最終的協(xié)議是ZigBeeIP，作為ZigBee智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的一部分，它通過應(yīng)用層為運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。

ZigBeeIP概述

ZigBeeIP協(xié)議棧為驗證互操作性提供了測試和認(rèn)證的方法，因為其他標(biāo)準(zhǔn)(例如802.15.4)包括了一些應(yīng)用所需的可選功能，并且這些選項需要適應(yīng)ZigBeeIP標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議棧。這些測試和認(rèn)證方法于2013年初發(fā)布，這使得開發(fā)人員能夠在穩(wěn)固平臺上開發(fā)他們的產(chǎn)品。

ZigBeeSmartEnergyIP利用6LoWPAN報頭壓縮和分片技術(shù)。此外，RPL路由被用于非存儲模式，以便網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到一個中心設(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)。

ZigBeeIP也存在安全問題。MAC級安全性通過802.15.4來提供，而應(yīng)用級的安全性采用消息負載加密實現(xiàn)。攜帶網(wǎng)絡(luò)訪問認(rèn)證(PANA)的協(xié)議用于網(wǎng)絡(luò)訪問控制，應(yīng)用安全使用TLS1.2和橢圓曲線加密協(xié)商機制。應(yīng)用程序可采用UDP和TCP消息傳輸協(xié)議。

圖1:SmartEnergy2和ZigBee IP協(xié)議棧

ZigBeeSmartEnergyIP協(xié)議棧是首個基于標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，它結(jié)合來自IEEE和IETF的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，形成一個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ZigBeeIP

ZigBeeIP目前正在多個應(yīng)用中實施，開發(fā)工具包和系統(tǒng)都可以從多個制造商獲得。這些系統(tǒng)中的MCU通常擁有256kB的Flash和32kB的RAM空間。通過使用來自半導(dǎo)體制造商的開發(fā)工具，可以很容易的創(chuàng)建基礎(chǔ)的安裝啟動。設(shè)備制造商也能夠通過為他們的設(shè)備添加自己的特定應(yīng)用行為來定制這些實現(xiàn)過程。

當(dāng)采用這種方法時，必須考慮許多不同的選擇：

●設(shè)備支持的功能集(計量、需求響應(yīng)、消息機制等等)

●用于功能設(shè)置的URI結(jié)構(gòu)

●使用的安全級別

●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ZigBeeSmartEnergyIP協(xié)議棧在應(yīng)用中使用的配置。一旦這個過程完成，數(shù)據(jù)和必要的行為必須被提供用來完成最終配置。一個為何需要這種能力的例子是半導(dǎo)體提供商的實現(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)備開發(fā)者必須使用來自他們特有設(shè)備的實際電表數(shù)據(jù)填充必要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每一個供應(yīng)商的數(shù)據(jù)存儲和管理技術(shù)可能不同，但是這兩個元素必須匹配。圖2展示了分別由開發(fā)者處理和由無線IC供應(yīng)商提供的設(shè)計選擇。

圖2:由開發(fā)者控制和硅芯片供應(yīng)商提供的設(shè)計元素

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。和任何項目一樣，調(diào)試和測試是必須的，但是各種工具可用來協(xié)助開發(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ZigBeeIP的未來

ZigBeeSmartEnergyIP協(xié)議棧的開發(fā)面向相對較小的家庭智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，支持最多30個設(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)。其他的改進技術(shù)將聚焦在提高電池壽命的技術(shù)。

在ZigBeeIP中使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議面臨著來自電池壽命的挑戰(zhàn)。TCP和HTTP協(xié)議已經(jīng)使用了很多年，但因為巨大的信息量和始終保持開放連接的狀態(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)包括一個大的數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡(luò)，其中RPL發(fā)送到一個中心點這種傳遞模式是合適的。此外，控制網(wǎng)絡(luò)往往有大量的點對點消息傳輸，這就需要對路由選擇算法進行優(yōu)化。

分布式網(wǎng)絡(luò)還需要非常高的可靠性，沒有單點故障問題。例如包括單一安全服務(wù)器或RPL中心點的使用。為了克服可靠性問題，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)中往往有許多遠程的電池供電的傳感器。對于這些節(jié)點，電池壽命是主要考慮因素，因此使功耗見到最小限度必然成為整個系統(tǒng)的關(guān)鍵需求。為了實現(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)的壓縮報頭去提供一個更加節(jié)省電池電量的方法。采用UDP而不是TCP和HTTP也能通過縮短的消息格式而提供進一步改進。

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