在物联网应用中采用ZigBee IP的主要考虑因素

作者： Silicon Labs公司无线产品高级应用总监Skip Ashton

最近有相当多的讨论是关于物联网和不久即将部署的数十亿可连接设备。这些设备的大多数不是智能手机或其他通讯设备，而是那些可以使我们的家庭、工厂、汽车和其他更多系统被无线连接的遥控器和传感器，并且允许他们在远程处理器或手动控制下更有效的运作。

为了满足这种无处不在的物联网连接需求，就必须有一个满足可连接设备需求的网络标准。蜂窝技术太复杂，使用它将会大大增加成本，并且不支持这些大多数设备所需的电池寿命要求。

用于传感和控制应用的ZigBee标准已经面世多年。而由ZigBee联盟于2013年发布的ZigBee IP规范承诺为无线传感器网络提供无缝的互联网连接，特别是智能电网应用，将会得到ZigBee Smart Energy IP协议栈的进一步支持。

ZigBee提供了一个完整的无线网状网络解决方案，利用互联网连接去控制低功耗、低成本设备，连接多种不同类型的设备构成单一控制网络。当前的ZigBee IP是IPv6兼容的，这使得它非常适合那些基于预期连接设备数量而选择IPv6的应用。

传感器网络通信基础知识

无线传感器网络(WSN)目前正在众多应用中广泛部署，覆盖范围从家庭自动化到工业控制，这是90年代末进行的大量研究和发展的结果。由成千上万节点构成的无线网状网络被用于更大范围的灯控、建筑监视、智能电表，甚至用于监视农业作物。

为了成功部署WSN，几种底层技术是必要的：

●超低功率无线电：用于确保超长电池寿命(一些诸如智能电表的应用需要长达20年)以最小化因电池更换而带来的成本和麻烦。即使市电可用，低功耗无线电也是一个显著的优点。
●基于标准的网状网络软件：用于确保可靠的数据传输，尤其是对于无人干预的机器到机器(M2M)类型应用的操作。
●合适的无线协议和软件堆栈：用于允许设备间进行标准数据格式的信息交换和自主操作。

ZigBee采用IEEE 802.15.4标准定义和构建底层，并为低功率无线电部件提供良好的基础。该标准最初发布于2003年，从那时起，它开始得到扩展和提高，先是在2006年，然后在2011年。15.4e和15.4g修订已经被商业无线电技术供应商用于他们的应用中，使他们的RF设备功耗减半，并且预期在下一代设备中进一步降低。这些修订将对电池寿命产生重要的积极作用。

虽然802.15.4已经充分利用了基础无线电技术，但是网状网络协议开发仍需花费较长的时间。网状网络堆栈，例如由Ember(2012年被Silicon Labs收购)开发的EmberZNet和由加州大学伯克利分校开发的TinyOS，被用于初期的802.15.4无线IC产品中，并且随后得到进一步优化以满足系统需求。市场增长依赖于可实现互操作的标准化解决方案、提供更多资源去支持很多公司使用这种技术，ZigBee联盟是近年来致力于为无线网状网络提供标准化解决方案的几个组织之一。

应用协议栈——开发的最后一项——位于网状协议栈的上层。应用层倾向于侧重更具体的应用细节，为了达到真正的互操作性，必须开发通用接口和相关协议。

这些协议依赖于通用语言，从而使来自不同制造商的无线设备能够相互通信。这样互操作性要求可能存在竞争的公司在彼此产品相互依赖时进行合作、商定信息传送协议以开发共同的标准。这种合作发生的一个领域是灯控产品(包括调光器和转换开关)。其他领域，像家庭和楼宇自动化，市场的力量还不能为设备生产商之间协同工作提供足够的动力。

以ZigBee PRO为基础

多年以来，为了确保市场能够充分利用ZigBee的优势，已经发布了多个ZigBee标准。ZigBee技术的稳步增长促进了对协议及其可靠性的提升。为了满足这些需求，ZigBee联盟在2007年发布了ZigBee PRO规范，并在2008年发布了智能电网规范(Smart Energy Profile)。

ZigBee PRO专门为小型或大型网络提供设备间的通信而进行了优化。设备能够加入网络、与其他设备配对，并且能够在没有网络或系统管理员干预下运行。标准专门针对通常所需的小信息包进行了优化。例如，IEEE 802.15.4仅支持最大信息包长度为127个字节。使用ZigBee PRO标准，具有成百上千节点的网络已被成功部署。

ZigBee PRO标准之前并没有针对互联网连接而优化，然而当物联网开始发展，性能方面的需求越来越多。不幸的是，现有协议和数据标准不能与当前的IP标准相匹配，不能直接用于互联网。为了克服这种挑战，智能网关被开发出来以提供所需的连接和转换，但是他们的缺点是当有新设备或标准被开发后必须随时更新。

迁移到IPv6

互联网面临的一个主要挑战是IP地址的可用数量正在急剧减少。随着IP地址使用的增加，未使用地址的数量在迅速枯竭，IPv6寻址连同其他现有IP协议看似能够为低功耗传感和控制网络提供一个完美的解决方案。

有个主要的弊端是现有IP协议都是基于更大数据包和更高数据速率网络的预期用途而设计的。这导致在IEEE 802.15.4网络上直接运行标准IP协议会存在一些问题。

为了克服这些问题，必须减少IPv6信息包的大小。为了实现这一目标，在6LoWPAN标准中做出了一些修订措施，即RFC 4944。问题的解决方法包括压缩IP报头以避免传输15.4子网不需要的重复的信息。另一个主要更新是采用能够成功传输的高效分片机制，并且随后组装无法在单一IEEE 802.15.4包中传输的IP包。但是，该标准并没有为可靠网络和应用协议提供一个完整方案。

此外，适用于低功耗和有损网络的路由协议也是必须的。新的协议是由Internet工程任务组(IETF)开发并发布为RFC 6550，为低功耗网络提供基本路由。然而，其他的标准IP协议(例如UDP和TCP)也可以无需修改的用于802.15.4网络。

最终的协议是ZigBee IP，作为ZigBee智能电网标准的一部分，它通过应用层为运行在低功耗传感和控制网络提供了一整套基于IP的标准化协议。