解密ZigBee IP規(guī)范：智能能源傳感網(wǎng)絡(luò)更可靠

過去15年來，科技公司不斷探索為無線感測器網(wǎng)路和其他須要利用網(wǎng)際網(wǎng)路的可連接設(shè)備開發(fā)使用網(wǎng)際網(wǎng)路協(xié)定(IP)的軟體解決方案。近幾年，所出現(xiàn)最可行的IP軟體解決方案之一，是2013年3月由ZigBee聯(lián)盟發(fā)布的ZigBee IP規(guī)范。ZigBee IP是第一個針對基于網(wǎng)際網(wǎng)路通訊協(xié)定第六版(IPv6)的全無線網(wǎng)狀網(wǎng)路解決方案的開放標(biāo)準(zhǔn)，它為控制低功耗、低成本設(shè)備提供無縫網(wǎng)際網(wǎng)路連結(jié)，并可在單一控制網(wǎng)路中連結(jié)幾十種不同的設(shè)備。

ZigBee IP設(shè)計主要在支援ZigBee Smart Energy IP協(xié)定堆疊。本文探討無線感測器網(wǎng)路IP解決方案的演變，以及新ZigBee Smart Energy IP協(xié)定堆疊的使用。

感測器網(wǎng)路首重低功耗設(shè)計

自20世紀(jì)90年代后期，感測器網(wǎng)路已經(jīng)成為研究和實(shí)驗(yàn)的主要課題，其采用可收集和發(fā)送資料的微小智慧設(shè)備去提升結(jié)構(gòu)性監(jiān)視、增強(qiáng)能源效率或增加作物產(chǎn)量的網(wǎng)路應(yīng)用前景已毋須多說。建構(gòu)感測器網(wǎng)路的基本技術(shù)包括：

•　低功耗和高效無線電技術(shù)

讓典型設(shè)備具有幾年的電池壽命，并為無法透過電池或主電源供電的其他設(shè)備提供能源收集的功能。

•　可靠的網(wǎng)狀網(wǎng)路和協(xié)定

用以實(shí)現(xiàn)無人值班的長期運(yùn)行。

•　合適的應(yīng)用協(xié)定

允許設(shè)備之間透過約定的資料格式進(jìn)行資訊交換，支援自主運(yùn)行。

2003年發(fā)布的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)以及2004年出現(xiàn)的滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的商用無線電收發(fā)器，為低功耗無線通訊提供基礎(chǔ)。從那時起，IEEE標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在2006、2011年得到擴(kuò)展和改進(jìn)。隨著15.4e和15.4g修訂版本的發(fā)布，商用無線電收發(fā)器供應(yīng)商已經(jīng)成功降低他們射頻(RF)元件近一半功耗，并預(yù)期在下一代元件出現(xiàn)時功率可再次減半。

可靠的網(wǎng)路通訊協(xié)定開發(fā)和效能驗(yàn)證須要較長的時間。私有網(wǎng)狀網(wǎng)路通訊協(xié)定堆疊，例如EmberZNet或者來自Berkeley的TinyOS，已經(jīng)發(fā)布相容15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線晶片。雖然這些協(xié)定堆疊被使用并得到進(jìn)一步開發(fā)，但是市場的成長和擴(kuò)張依賴基于標(biāo)準(zhǔn)解決方案去實(shí)現(xiàn)互通性，以及是否可以從多個采購管道獲得采用該技術(shù)的公司產(chǎn)品。ZigBee聯(lián)盟是最近幾年為無線網(wǎng)狀網(wǎng)路提供標(biāo)準(zhǔn)解決方案的少數(shù)組織之一。

應(yīng)用協(xié)定是網(wǎng)狀網(wǎng)路中最后被開發(fā)的專案。這些協(xié)定依賴共同的語言，使來自不同制造商的設(shè)備可以進(jìn)行無縫通訊。在設(shè)備之間開發(fā)一種公用語言，須競爭對手之間相互合作并達(dá)成一致的資料傳遞協(xié)定和行為。對于產(chǎn)品相互依賴的公司，例如生產(chǎn)燈具產(chǎn)品的公司和生產(chǎn)調(diào)光器和開關(guān)的公司，自由市場機(jī)制可促進(jìn)應(yīng)用協(xié)定的達(dá)成。然而，在其他領(lǐng)域，例如家居自動化或商業(yè)樓宇，自由市場機(jī)制可能無法達(dá)到促進(jìn)競爭對手協(xié)同工作、統(tǒng)一應(yīng)用協(xié)定的目的。

ZigBee PRO提升可靠/互通性

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)是感測器網(wǎng)路和樓宇自動化市場擴(kuò)展的一部分。在21世紀(jì)初，ZigBee聯(lián)盟一直專注于開發(fā)網(wǎng)狀網(wǎng)路的標(biāo)準(zhǔn)、安全性和應(yīng)用協(xié)定。ZigBee聯(lián)盟成員和部署的穩(wěn)定成長帶來協(xié)定和可靠性的提升，最終推動2007年ZigBee PRO規(guī)范和2008年Smart Energy Profile發(fā)布。Smart Energy市場要求設(shè)備具有可靠性和互通性，這是因?yàn)橹圃旌筒渴痣姳淼墓鞠Ｍ軌蚺c家庭中的其他設(shè)備進(jìn)行通訊，但他們并不想擁有或維護(hù)家中的這些設(shè)備。只有在標(biāo)準(zhǔn)路由和應(yīng)用協(xié)定以及可靠安全性方面達(dá)成一致，才能真正成為一個可以接受的解決方案。

ZigBee PRO是針對設(shè)備之間的通訊來開發(fā)和最佳化。該協(xié)定從IEEE 802.15.4 MAC/PHY(ZigBee網(wǎng)路和服務(wù)層)開始進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，一直到整個應(yīng)用層。相關(guān)設(shè)備能夠加入網(wǎng)路，與其他設(shè)備配對，并可在沒有系統(tǒng)管理員或網(wǎng)路系統(tǒng)管理員人工干預(yù)下運(yùn)行。協(xié)定和資料傳遞特別針對小型資料(因?yàn)?5.4僅支援最大127個位元組的封包)和電池供電的設(shè)備進(jìn)行最佳化，這使得業(yè)界更能實(shí)現(xiàn)無所不在的感測和控制網(wǎng)路。擁有成百上千設(shè)備的網(wǎng)路已經(jīng)被成功部署并持續(xù)運(yùn)行。這些網(wǎng)路中規(guī)模較大的，包括位于瑞典哥德堡的計量回程網(wǎng)路，其包含275，000個設(shè)備，以及位于拉斯維加斯Aria酒店的室內(nèi)自動化和控制系統(tǒng)，其包含75，000多個ZigBee PRO設(shè)備。隨著這些網(wǎng)路的成功部署，ZigBee技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)支援大規(guī)模感測和控制網(wǎng)路可靠運(yùn)行且無需人工干預(yù)或支援的目標(biāo)。

隨著網(wǎng)路應(yīng)用的擴(kuò)展，更廣泛的網(wǎng)際網(wǎng)路連結(jié)成為一些公司開發(fā)網(wǎng)狀網(wǎng)路解決方案的重要目標(biāo)。然而，ZigBee PRO網(wǎng)路并非針對Web服務(wù)或網(wǎng)際網(wǎng)路通訊而最佳化?，F(xiàn)有的定址和協(xié)定不能與使用中的IP標(biāo)準(zhǔn)相匹配，所以為供電受限和小記憶體設(shè)備而最佳化設(shè)計的通訊和解碼協(xié)定，將不得不為在Web頁面或智慧手機(jī)上顯示資料而進(jìn)行轉(zhuǎn)換。智慧閘道的開發(fā)是為提供其連結(jié)和轉(zhuǎn)換，但是任何時候當(dāng)一個新的設(shè)備或者標(biāo)準(zhǔn)被開發(fā)出來，這些智慧閘道就必須升級。

滿足感測器網(wǎng)路應(yīng)用需求　IETF發(fā)布6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)

在ZigBee聯(lián)盟發(fā)展的同時，網(wǎng)際網(wǎng)路工程任務(wù)組(IETF)成立若干工作組，以評估這些感測和控制網(wǎng)路。隨著網(wǎng)際網(wǎng)路通訊協(xié)定第四版(IPv4)位址的快速耗盡，IPv6定址結(jié)合其他現(xiàn)有IP協(xié)定對于低功耗感測和控制網(wǎng)路來說似乎是一個自然的合理選擇。然而，現(xiàn)有IP協(xié)定通?；诟L的封包大小和更高數(shù)據(jù)速率網(wǎng)路，這促使人們開始關(guān)注如何在15.4網(wǎng)路上運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)定。許多公司注意到這個問題并要求IETF開始調(diào)整IETF協(xié)定，以使它們適合低功耗感測和控制網(wǎng)路。

對于IPv6，首要任務(wù)是解決封包大小問題。IPv6設(shè)備必須支援最低為1，280位元組的封包，但是15.4網(wǎng)路只能提供最多127個位元組的封包。此外，使用較大的封包對那些電池供電的設(shè)備有直接的影響。因此IETF成立了一個工作組，并于2007年發(fā)布6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)(RFC 4944)。該標(biāo)準(zhǔn)為實(shí)現(xiàn)在15.4網(wǎng)路上傳輸IP封包提供一些重要服務(wù)。最重要的是，它壓縮IP封包頭部以避免在15.4子網(wǎng)上發(fā)送不需要的重復(fù)資訊。它也為不適合在單個15.4封包中傳輸?shù)腎P封包提供了非常高效的分段和重組機(jī)制。該標(biāo)準(zhǔn)并未解決網(wǎng)路可靠性和應(yīng)用協(xié)定的需求，但是它實(shí)現(xiàn)在15.4設(shè)備上成功傳輸IP封包的重要一步。

IETF也啟動一個工作組為低功耗和損耗網(wǎng)路(Lossy Network)評估合適的路由式通訊協(xié)定，使之能夠用于感測器和控制網(wǎng)路。評估結(jié)果是現(xiàn)有IETF協(xié)定不適合這些網(wǎng)路，須要開發(fā)新的協(xié)定(見Draft-ietf-roll-protocols-survey-07)。基于這個結(jié)論，IETF ROLL工作組在2012年初以RFC6550形式發(fā)布RPL。RPL為這些低功耗網(wǎng)路提供基本的路由服務(wù)。其他標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)定(例如使用者資料元協(xié)定(UDP)和傳輸控制協(xié)定(TCP))資料能夠在802.15.4網(wǎng)路上運(yùn)行而毋須任何修改。使用傳輸層安全性(TLS)或資料包傳輸層安全性(DTLS)的安全機(jī)制也已經(jīng)被發(fā)布。IETF現(xiàn)在已經(jīng)擁有用于感測和控制網(wǎng)路的基本協(xié)定，但是應(yīng)用協(xié)定也是必要的，以便允許設(shè)備之間進(jìn)行通訊。

在開發(fā)Smart Energy 2協(xié)定過程中，ZigBee聯(lián)盟與Wi-Fi和HomePlug聯(lián)盟進(jìn)行合作，該協(xié)定設(shè)計主要在支援多種實(shí)體層，包括802.15.4、Wi-Fi和電力線通訊(PLC)，它使用6LoWPAN和RPL做為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用協(xié)定，可用于能源計量、消費(fèi)、定價、分散式生成與控制。Smart Energy 2標(biāo)準(zhǔn)于2013年發(fā)布，已經(jīng)為低功耗感測和控制網(wǎng)路運(yùn)行制訂一整套包括應(yīng)用層在內(nèi)的基于IP的協(xié)定。 ZigBee IP用以驗(yàn)證互通性

在IETF為15.4網(wǎng)路開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)定的同時，屬于ZigBee聯(lián)盟成員的公司認(rèn)為須要開發(fā)一套基于ZigBee的IP協(xié)定堆疊，以配合IETF的努力，并開發(fā)出更詳細(xì)和明確的標(biāo)準(zhǔn)。另外，ZigBee IP協(xié)定堆疊將能夠提供一種測試和認(rèn)證機(jī)制以驗(yàn)證設(shè)備之間的互通性。IEEE或IETF開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)通常包括許多可選的行為和功能。這些選項(xiàng)提供可擴(kuò)展性，并可能會在某些標(biāo)準(zhǔn)用途上使用到。

然而，所有選項(xiàng)的施行將帶來更大的代碼量和復(fù)雜度，最終可能導(dǎo)致設(shè)備之間的互通性問題。ZigBee IP標(biāo)準(zhǔn)使用和參考IEEE和IETF的標(biāo)準(zhǔn)，但是明確定義使用到的特定選項(xiàng)。行為和安全項(xiàng)目也更加明確詳細(xì)，因此設(shè)備的最小行為功能能夠確定。

ZigBee聯(lián)盟在2008年開始基于IP的Smart Energy協(xié)定堆疊的開發(fā)，進(jìn)行一系列測試活動以驗(yàn)證規(guī)范、測試實(shí)現(xiàn)，并確保實(shí)現(xiàn)初始堆疊的互通性。2013年初發(fā)布ZigBee Smart Energy IP協(xié)定堆疊，現(xiàn)在可以從包括Silicon Labs(Ember ZigBee硬體和軟體解決方案提供商)在內(nèi)的多個公司獲得。

ZigBee Smart Energy IP協(xié)定堆疊規(guī)定須要對6LoWPAN封包頭進(jìn)行壓縮和分段。RPL路由采用非儲存模式，網(wǎng)路路由到一個集中器，集中器使用源路由資訊發(fā)送封包到網(wǎng)路中的設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)發(fā)現(xiàn)采用mDNS協(xié)定實(shí)現(xiàn)，因此設(shè)備能夠發(fā)現(xiàn)網(wǎng)路中其他設(shè)備上相應(yīng)的服務(wù)。MAC級的安全來自15.4，應(yīng)用級的安全能被用于加密封包負(fù)載。網(wǎng)路存取身分驗(yàn)證(PANA)協(xié)定用于網(wǎng)路的存取控制，應(yīng)用安全使用TLS1.2和橢圓曲線加密。應(yīng)用中可使用UDP和TCP封包協(xié)定。

ZigBee Smart Energy IP協(xié)定堆疊，是第一個基于標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布的，它結(jié)合IEEE和IETF的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成一套由眾多公司和晶片供應(yīng)商支援的可認(rèn)證和可交互操作的標(biāo)準(zhǔn)。在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后，已經(jīng)有五家公司完成協(xié)定堆疊認(rèn)證。

使用ZigBee IP的設(shè)備基礎(chǔ)

ZigBee Smart Energy IP和ZigBee Smart Energy 2應(yīng)用規(guī)范現(xiàn)在已經(jīng)可以用于低成本和低功耗15.4無線設(shè)備，這些設(shè)備通常具備整合的微控制器(MCU)、256KB Flash和32KB RAM。半導(dǎo)體公司提供一個基礎(chǔ)，設(shè)備制造商對這個基礎(chǔ)進(jìn)行客制化，為他們的設(shè)備增加自己特定的應(yīng)用行為。下面是一些Smart Energy設(shè)備中使用ZigBee IP時的常見選擇，包含設(shè)備支援的功能集(計量、需求回應(yīng)、資料傳遞等)、安全等級、功能集的URI結(jié)構(gòu)、資料的存取行為、使用XML資料或使用EXI進(jìn)行壓縮、對事件或異常的處理。

這些設(shè)計選擇最終產(chǎn)生對應(yīng)用中ZigBee Smart Energy IP協(xié)定堆疊的一個配置。然后，為了完成整個設(shè)備，必須提供客戶特殊的應(yīng)用行為和資料。例如，雖然半導(dǎo)體供應(yīng)商的基礎(chǔ)將為電表消耗資料提供消息和資料結(jié)構(gòu)，但是開發(fā)人員必須使用來自特定設(shè)備的真實(shí)電表資料填充這些資料結(jié)構(gòu)，因?yàn)閷τ诿恳粋€供應(yīng)商來說資料儲存和管理技術(shù)是多變的。

一旦開發(fā)人員在基礎(chǔ)上進(jìn)行基本的選擇，代碼就能夠被編譯、下載，并使用桌面工具和網(wǎng)路偵錯器(例如Silicon Labs的Ember AppBuilder和Desktop Network Analyzer)進(jìn)行除錯。這些工具既能提供特定設(shè)備行為檢視圖，也能追蹤網(wǎng)路上的封包，并確保合適的傳輸和回應(yīng)。

ZigBee IP與感測器和控制網(wǎng)路

ZigBee Smart Energy IP協(xié)定堆疊的設(shè)計目標(biāo)是為支援多達(dá)三十個設(shè)備的智慧能源提供可靠的小型家居網(wǎng)路。進(jìn)一步最佳化方向包括擴(kuò)展至數(shù)百或數(shù)千臺設(shè)備的網(wǎng)路和提高電池壽命。

Smart Energy 2應(yīng)用規(guī)范包括ZigBee IP協(xié)定堆疊的使用。因?yàn)檫@種應(yīng)用須要與網(wǎng)際網(wǎng)路伺服器和服務(wù)進(jìn)行通訊，因此Smart Energy 2也采用TCP和超文字傳輸協(xié)定(HTTP)。這些協(xié)定已經(jīng)在網(wǎng)際網(wǎng)路上運(yùn)行幾10年，但是面臨來自低功耗設(shè)備電池壽命的挑戰(zhàn)，其具備更大的封包尺寸，并且須要保持持續(xù)連接。某些最佳化很簡單，例如使用UDP代替TCP，采用約束應(yīng)用協(xié)定(CoAP)代替HTTP去減少資料負(fù)擔(dān)。

感測器網(wǎng)路通常是大型資料收集網(wǎng)路，透過RPL路由到中心節(jié)點(diǎn)是合適的。然而，控制網(wǎng)路也有經(jīng)常大量點(diǎn)對點(diǎn)資料傳輸?shù)男枰?，因此須進(jìn)一步工作來最佳化路由。此外，許多分散式網(wǎng)路須要更高的可靠性，因此，不希望出現(xiàn)單點(diǎn)故障，例如安全伺服器或RPL中心節(jié)點(diǎn)。因此，這種網(wǎng)路架構(gòu)須要使用更多分散式系統(tǒng)，而不是目前這些支援的協(xié)定。

感測器通常也包含大量電池供電的設(shè)備。加長電池壽命的最佳化協(xié)定須要更短封包并盡量減少消息發(fā)送的頻率，這通常意味著搭載XML的TCP和HTTP不適合做為候選協(xié)定。使用新格式的壓縮封包頭(例如CoAP)是一種更適合電池供電型設(shè)備的好方法。

經(jīng)由最佳化，我們可以擴(kuò)展現(xiàn)有的ZigBee Smart Energy IP協(xié)定堆疊，以形成更大的感測器網(wǎng)路。減小封包大小和增加可用頻寬而獲得的電池壽命最佳化，最終有益于感測器網(wǎng)路的可擴(kuò)展性和可靠性。