作者： Silicon Labs公司無線產品高級應用總監Skip Ashton

最近有相當多的討論是關于物聯網和不久即將部署的數十億可連接設備。這些設備的大多數不是智能手機或其他通訊設備，而是那些可以使我們的家庭、工廠、汽車和其他更多系統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網連接需求，就必須有一個滿足可連接設備需求的網絡標準。蜂窩技術太復雜，使用它將會大大增加成本，并且不支持這些大多數設備所需的電池壽命要求。

用于傳感和控制應用的ZigBee標準已經面世多年。而由ZigBee聯盟于2013年發布的ZigBee IP規范承諾為無線傳感器網絡提供無縫的互聯網連接，特別是智能電網應用，將會得到ZigBee Smart Energy IP協議棧的進一步支持。

ZigBee提供了一個完整的無線網狀網絡解決方案，利用互聯網連接去控制低功耗、低成本設備，連接多種不同類型的設備構成單一控制網絡。當前的ZigBee IP是IPv6兼容的，這使得它非常適合那些基于預期連接設備數量而選擇IPv6的應用。

傳感器網絡通信基礎知識

無線傳感器網絡（WSN）目前正在眾多應用中廣泛部署，覆蓋范圍從家庭自動化到工業控制，這是90年代末進行的大量研究和發展的結果。由成千上萬節點構成的無線網狀網絡被用于更大范圍的燈控、建筑監視、智能電表，甚至用于監視農業作物。

為了成功部署WSN，幾種底層技術是必要的：

●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點。

●基于標準的網狀網絡軟件：用于確保可靠的數據傳輸，尤其是對于無人干預的機器到機器（M2M）類型應用的操作。

●合適的無線協議和軟件堆棧：用于允許設備間進行標準數據格式的信息交換和自主操作。

ZigBee采用IEEE 802.15.4標準定義和構建底層，并為低功率無線電部件提供良好的基礎。該標準最初發布于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修訂已經被商業無線電技術供應商用于他們的應用中，使他們的RF設備功耗減半，并且預期在下一代設備中進一步降低。這些修訂將對電池壽命產生重要的積極作用。

雖然802.15.4已經充分利用了基礎無線電技術，但是網狀網絡協議開發仍需花費較長的時間。網狀網絡堆棧，例如由Ember（2012年被Silicon Labs收購）開發的EmberZNet和由加州大學伯克利分校開發的TinyOS，被用于初期的802.15.4無線IC產品中，并且隨后得到進一步優化以滿足系統需求。市場增長依賴于可實現互操作的標準化解決方案、提供更多資源去支持很多公司使用這種技術，ZigBee聯盟是近年來致力于為無線網狀網絡提供標準化解決方案的幾個組織之一。

應用協議棧——開發的最后一項——位于網狀協議棧的上層。應用層傾向于側重更具體的應用細節，為了達到真正的互操作性，必須開發通用接口和相關協議。

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

以ZigBee PRO為基礎

多年以來，為了確保市場能夠充分利用ZigBee的優勢，已經發布了多個ZigBee標準。ZigBee技術的穩步增長促進了對協議及其可靠性的提升。為了滿足這些需求，ZigBee聯盟在2007年發布了ZigBee PRO規范，并在2008年發布了智能電網規范（Smart Energy Profile）。

ZigBee PRO專門為小型或大型網絡提供設備間的通信而進行了優化。設備能夠加入網絡、與其他設備配對，并且能夠在沒有網絡或系統管理員干預下運行。標準專門針對通常所需的小信息包進行了優化。例如，IEEE 802.15.4僅支持最大信息包長度為127個字節。使用ZigBee PRO標準，具有成百上千節點的網絡已被成功部署。

ZigBee PRO標準之前并沒有針對互聯網連接而優化，然而當物聯網開始發展，性能方面的需求越來越多。不幸的是，現有協議和數據標準不能與當前的IP標準相匹配，不能直接用于互聯網。為了克服這種挑戰，智能網關被開發出來以提供所需的連接和轉換，但是他們的缺點是當有新設備或標準被開發后必須隨時更新。

遷移到IPv6

互聯網面臨的一個主要挑戰是IP地址的可用數量正在急劇減少。隨著IP地址使用的增加，未使用地址的數量在迅速枯竭，IPv6尋址連同其他現有IP協議看似能夠為低功耗傳感和控制網絡提供一個完美的解決方案。

有個主要的弊端是現有IP協議都是基于更大數據包和更高數據速率網絡的預期用途而設計的。這導致在IEEE 802.15.4網絡上直接運行標準IP協議會存在一些問題。

為了克服這些問題，必須減少IPv6信息包的大小。為了實現這一目標，在6LoWPAN標準中做出了一些修訂措施，即RFC 4944。問題的解決方法包括壓縮IP報頭以避免傳輸15.4子網不需要的重復的信息。另一個主要更新是采用能夠成功傳輸的高效分片機制，并且隨后組裝無法在單一IEEE 802.15.4包中傳輸的IP包。但是，該標準并沒有為可靠網絡和應用協議提供一個完整方案。

此外，適用于低功耗和有損網絡的路由協議也是必須的。新的協議是由Internet工程任務組（IETF）開發并發布為RFC 6550，為低功耗網絡提供基本路由。然而，其他的標準IP協議（例如UDP和TCP）也可以無需修改的用于802.15.4網絡。

最終的協議是ZigBee IP，作為ZigBee智能電網標準的一部分，它通過應用層為運行在低功耗傳感和控制網絡提供了一整套基于IP的標準化協議。

ZigBee IP概述

ZigBee IP協議棧為驗證互操作性提供了測試和認證的方法，因為其他標準（例如802.15.4）包括了一些應用所需的可選功能，并且這些選項需要適應ZigBee IP標準和協議棧。這些測試和認證方法于2013年初發布，這使得開發人員能夠在穩固平臺上開發他們的產品。

ZigBee Smart Energy IP利用6LoWPAN報頭壓縮和分片技術。此外，RPL路由被用于非存儲模式，以便網絡發送到一個中心設備。這種方法使用源路由使信息能夠被回傳到網絡中的始發設備。此外，標準服務搜尋采用多播域名服務（mDNS）協議。這使設備能夠發現網絡中其他設備的利益服務。

ZigBee IP也存在安全問題。MAC級安全性通過802.15.4來提供，而應用級的安全性采用消息負載加密實現。攜帶網絡訪問認證（PANA）的協議用于網絡訪問控制，應用安全使用TLS1.2和橢圓曲線加密協商機制。應用程序可采用UDP和TCP消息傳輸協議。

圖1:Smart Energy 2和ZigBee IP協議棧

ZigBee Smart Energy IP協議棧是首個基于標準的發布，它結合來自IEEE和IETF的相關標準，形成一個被眾多公司和硅芯片供應商支持的認可且可以互相協作的標準。

采用ZigBee IP

ZigBee IP目前正在多個應用中實施，開發工具包和系統都可以從多個制造商獲得。這些系統中的MCU通常擁有256kB的Flash和32kB的RAM空間。通過使用來自半導體制造商的開發工具，可以很容易的創建基礎的安裝啟動。設備制造商也能夠通過為他們的設備添加自己的特定應用行為來定制這些實現過程。

當采用這種方法時，必須考慮許多不同的選擇：

●設備支持的功能集（計量、需求響應、消息機制等等）

●用于功能設置的URI結構

●使用的安全級別

●使用XML數據還是EXI壓縮型

●數據訂閱行為

●事件或異常情況的處理

關于這些選擇的最終決定將影響ZigBee Smart Energy IP協議棧在應用中使用的配置。一旦這個過程完成，數據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體提供商的實現將為應用（例如電表消耗數據）提供信息和數據結構。終端設備開發者必須使用來自他們特有設備的實際電表數據填充必要的數據結構。每一個供應商的數據存儲和管理技術可能不同，但是這兩個元素必須匹配。圖2展示了分別由開發者處理和由無線IC供應商提供的設計選擇。

圖2：由開發者控制和硅芯片供應商提供的設計元素

一旦所有的選擇已做出，并且集合了相關數據，然后才能夠完成代碼并編譯它。和任何項目一樣，調試和測試是必須的，但是各種工具可用來協助開發階段使其能夠盡快地完成。這些工具提供了很多功能，甚至能夠跟蹤網絡中的數據包，從而確保端到端的功能。

帶有傳感和控制網絡的ZigBee IP的未來

ZigBee Smart Energy IP協議棧的開發面向相對較小的家庭智能電網網絡，支持最多30個設備。在更大的網絡中使用這種協議棧需要一些更新才能滿足具有成百上千設備的網絡。其他的改進技術將聚焦在提高電池壽命的技術。

在ZigBee IP中使用互聯網協議面臨著來自電池壽命的挑戰。TCP和HTTP協議已經使用了很多年，但因為巨大的信息量和始終保持開放連接的狀態，它們的用途目前面臨功耗的挑戰。

為了實現這些提升，有必要了解在傳感器網絡中的不同信息傳遞模式。通常，這些網絡包括一個大的數據收集網絡，其中RPL發送到一個中心點這種傳遞模式是合適的。此外，控制網絡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化。

分布式網絡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器或RPL中心點的使用。為了克服可靠性問題，網絡體系結構要求使用分布式系統，但是這些技術目前沒有被這些協議普遍支持。

傳感器網絡中往往有許多遠程的電池供電的傳感器。對于這些節點，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的關鍵需求。為了實現這種能源效率，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。

通過使用更多優化措施，擴展現有ZigBee Smart Energy IP協議棧去支持更多更大的傳感器網絡是可能的。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絡擴展性和穩定性。

伴隨著ZigBee在多個領域的廣泛認可，新的ZigBee IP標準為物聯網應用的健康發展提供了又一關鍵元素。

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