22、6LoWPAN：无线嵌入式互联网系统应用与发展

6LoWPAN：无线嵌入式互联网系统应用与发展

1. Idesco Cardea系统：RFID领域的创新解决方案

传统的RFID系统常使用RS - 485、韦根连接或基于IP的以太网布线。其中，韦根协议常用于通过三线电缆将读卡器与电子门禁系统连接。然而，布线安装，尤其是在现有和历史建筑中，是一项艰巨且昂贵的投资。同时，传统布线导致系统由专用的旧控制器进行集中控制，使得RFID系统成本高昂，限制了其在许多应用中的使用。

而Idesco Cardea系统采用低功耗无线网状网络，带来了诸多优势：
- 安装时间大幅缩短 ：每个门的安装估计仅需40分钟，相比之下，传统有线RFID基础设施平均每个门需要7小时。
- 节省布线成本 ：在现有建筑中改造系统或修改当前安装的系统时，可显著节省布线成本。
- 适用于临时安装 ：能够作为临时安装的一部分使用RFID解决方案。
- 小型办公室实用且经济 ：使RFID在小型办公室安装中变得实用且具有成本效益。
- 易于组合有线和无线组件 ：可以轻松将现有的有线组件与Cardea无线组件相结合。

Cardea系统的典型应用场景包括：
- 少量门和少量读卡器的小型安装，如小型办公室或商店。
- 临时访问系统，例如建筑工地或活动现场。
- 需要将多个应用组合在一起的系统，如门禁控制和停车场访问。
- 读卡器分布在大面积区域的应用，如港口。
- 现有建筑，尤其是历史建筑的安装。
- 无需添加更多布线即可轻松扩展现有系统。

技术概述

该系统使用Sensinode的NanoStack 2.0 6LoWPAN解决方案实现，为系统中的无线组件提供通信。利用具有功率放大功能的IEEE 802.15.4 2.4 GHz无线电，实现了合适的通信范围。此外，使用Sensinode的NanoMesh进行多跳路由，以扩展网络覆盖更大的区域。通过128位AES链路层加密与有线系统中已使用的应用协议安全相结合，实现了系统的安全性。网络中的设备使用唯一的64位MAC地址，确保所有设备都有唯一的IPv6地址。

未来，电池供电的无线RFID读卡器将被添加到Cardea系统中。这些读卡器作为LoWPAN主机运行，并采用积极的节能措施以延长电池寿命。所有供电设备，包括RFID读卡器和门控制器单元，都充当LoWPAN路由器，而网络中的控制器单元则充当LoWPAN边缘路由器。网络实现了完全自动配置，使用图形界面即可轻松设置系统，安装该系统无需具备IPv6网络或无线通信的专业知识，现有安装人员即可完成安装。IPv6端到端的使用将使Cardea系统能够发展为更大规模的访问控制应用，并与其他建筑自动化系统集成。

6LoWPAN带来的好处

6LoWPAN技术使Idesco能够在RFID领域继续保持领先发展。由此产生的Idesco Cardea系统在世界上独一无二。Idesco研发与服务总监Anu - Leena Arola表示：“Idesco看到了无线Cardea产品的巨大市场潜力。6LoWPAN技术专为短距离传输少量数据而设计，非常适合使用RFID进行识别的应用。唯一识别号码（UID）通常是需要从RFID读卡器传输到系统上层的唯一数据。由于网络自动路由且无需电缆，安装可以以更灵活和经济高效的方式进行。”

2. LessTricity系统：建筑能源节约与管理

LessTricity系统由英国的一个公司联盟开发，旨在提高商业建筑和企业的能源使用效率并实现更好的管理。该联盟包括商业物业管理公司（MEPC）、建筑设计、工程和管理公司（WSP Group）、电子产品设计和制造公司（GSPK Design Ltd）、管理软件开发和实施公司（TWI）以及低功耗无线网络公司（Jennic Ltd）。该项目还获得了英国政府技术战略委员会的额外资金支持，该委员会的使命是促进和支持技术研发以及创新，以造福英国企业。

该联盟的目标是开发一个集中管理系统，以帮助消除建筑物中电器的电力浪费。该系统使用基于6LoWPAN的无线控制和测量技术，能够管理大型设施甚至远程建筑物。它可以轻松安装在新建筑和现有建筑中，对用户透明，提供高级计量功能，并且运营成本低。这样的系统还可以集成到更大的设施管理系统中。

LessTricity技术最初针对工业、商业和公共服务市场细分领域，这些领域占英国电力消耗的近52%。2004年英国环境、食品和农村事务部的一份报告显示，英国企业浪费了购买能源的30%，而且对于许多企业来说，鉴于不断上涨的能源成本，能源成本降低20%将相当于收入增加5%。

网络架构

LessTricity系统的网络架构如下：
一个典型的小型部署由大约50个LessTricity功率控制器（LPC）组成的集群构成，要测量的电器插入这些LPC中。每个LPC监控所消耗的电量，并通过多跳6LoWPAN网络将其传输到LessTricity网络接口（LNI）。LNI在LoWPAN和以太网网络之间充当LoWPAN边缘路由器。LPC的功率读数被发送到中央数据库进行存储。可以使用SQL查询生成关于聚合和单个电器能源使用的标准化报告，以便建筑物所有者分析其能源消耗情况。同时，还提供了一个图形化的Web界面，用于监控和管理LPC中的能源消耗，以及管理网络和LPC本身。

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(LPC1):::process --> B(LNI):::process
    C(LPC2):::process --> B
    D(LPC3):::process --> B
    B --> E(中央数据库):::process
    E --> F(Web服务器):::process
    F --> G(管理控制台):::process

技术概述

LPC由一个包含标准英国13 A插座的外壳和一个末端为13 A 3针插头的导线组成，用于连接到主电源。该设备能够测量插座上的瞬时电流和电压，并连接到Jennic提供的无线微控制器模块。

LPC使用JN5139片上系统无线电的发射器与建筑物的无线基础设施进行通信。这个单芯片设备包含一个32位处理器、外设和一个IEEE 802.15.4 2.4 GHz无线电，采用了单芯片堆栈模型。运行在LPC和LNI上的协议栈如下：
| 层次 | 协议 |
| ---- | ---- |
| 应用层 | LessTricity应用、SNAP |
| 传输层 | UDP、ICMPv6 |
| 网络层 | IPv6 with 6LoWPAN |
| 数据链路层 | JenNet mesh layer、IEEE 802.15.4 |

多跳网络由Jennic的JenNet自修复Mesh - Under技术在IEEE 802.15.4 MAC上提供，这是一种专有的链路层网状技术。在IPv6下实现了符合[RFC4944]的LoWPAN适配层，以及UDP和ICMPv6实现。任何LPC都能够作为来自其他任何设备的数据包的路由器。Jennic的简单网络访问协议（SNAP）用作在节点上运行的LessTricity应用的应用协议。

LNI基于Jennic的以太网边界路由器，由一个具有以太网接口的高性能微控制器和一个JN5139无线模块组成，它们通过高速串行接口互连。这种配置遵循边缘路由器的网络处理器设置。以太网微控制器上的IPv6协议栈处理以太网侧的网络通信，并在两个接口之间路由数据包。JN5139处理6LoWPAN网络通信，在IPv6栈下充当网络接口。

6LoWPAN带来的好处

通过采用基于6LoWPAN的方法，该系统可以使用低功耗IEEE 802.15.4无线网络轻松部署在建筑物中，同时由于使用了标准的互联网协议，能够连接到建筑物现有的IT基础设施。能源使用信息可以在本地或通过互联网进行远程监控，例如用于企业能源使用监控。从成本节约和环境责任的角度来看，最终用户的重点是减少其运营的能源足迹。Jennic的Paul Chilton表示：“我们发现能够为无线网络添加以太网连接，并通过利用现有的基于IP的标准实现对任何节点的互联网访问，这是一个巨大的优势。结合SNAP层，它使得能够在非常短的时间内编写和部署多个不同的互联网应用。”

LessTricity系统于2009年在英国各地的商业设施中进行了现场试验。这些现场试验用于建立试验场地的基础能源使用统计数据，以便与系统管理功能投入使用后的能源使用情况进行比较。

6LoWPAN：无线嵌入式互联网系统应用与发展

3. 无线嵌入式网络的集成挑战与解决方案

未来互联网的数十亿节点将是嵌入式系统，许多会采用无线连接且低功耗。像以太网、802.11 WLAN（WiFi）等技术的成功表明，网络技术成功的关键因素之一是易于集成。那么，如何让无线嵌入式网络像如今的以太网或WLAN产品一样易于集成呢？

6LoWPAN的边缘路由器概念确保了LoWPAN能轻松与未来大多数有线和无线网络集成，在数据包传输层面解决了集成问题。但这并非全部，还面临以下挑战：
- 网络设置和管理流程协同 ：网络的设置和管理流程需协同工作，特别是安全模型要适配，LoWPAN的设置不应需要全新的安全参数和属性设置。总体而言，协调安全和可用性的要求是一项挑战。
- 不同厂商设备的集成 ：不同厂商的LoWPAN节点（和边缘路由器）需易于集成。虽然可能并非完全“即插即用”，但应尽量轻松。这需要在安全、路由和管理等领域进一步标准化。
- 应用与不同厂商节点的集成 ：尽管不太可能全球统一采用单一应用协议，但每个特定应用领域最好有一小部分“默认选择”的应用层协议。

路由方面

不太可能有一种单一的路由协议能完美适配无线嵌入式互联网的各种应用。互联网在特定领域内使用多种路由协议。为实现“即插即用”操作，使用了独立于路由协议的主机 - 路由器接口。然而，LoWPAN路由器与LoWPAN主机一样普遍，也应具备“即插即用”特性，但可能没有一种通用方案。IETF ROLL工作组已收集了四个应用领域的详细需求，目前正在设计解决方案。该解决方案若采用模块化设计，有一个适度的基础协议和可选功能，在部分（而非全部）路由器上部署时逐步提升服务水平，将能实现真正的互操作性。

安全方面

IETF在创建具有真正安全性的协议标准方面有着出色的记录。IETF的安全方法是提供可组合成特定应用所需系统的构建块。许多现有的构建块对安全管理/配置过程很有用，如IPsec的ESP也可能直接适用。挑战之一是在LoWPAN的小节点中绑定尽可能少的策略，同时仍能在系统其他适当控制点实现多种策略。另一个挑战是避免将架构限制在单一控制点。网络需要开放并提供选择，设计开放的安全机制虽具挑战性，但已成功实现。

应用协议方面

虽然6LoWPAN实现了低功耗无线嵌入式网络的联网，但若无辅助，无法成功应用该技术。这项与网络相关的工作需通过垂直标准化来补充。适用于6LoWPAN网络以及IPv6互联网端到端的应用协议和数据格式，将是未来重要的发展领域。虽然IETF可定义读取温度传感器的协议和数据格式，但最好留给与特定应用领域需求相符的组织。不过，不同应用领域的端到端应用协议和格式可共享一些基本属性，可由IETF等组织进行标准化。6LoWPAN若有像HTTP对万维网那样的“杀手级应用协议”，将有助于市场接受。但由于嵌入式应用的多样性，无疑需要一系列协议。

目前已有几种协议可用于6LoWPAN，但这只是开始。许多方法需要优化、压缩和进一步研究。ZigBee的应用配置文件是一个良好的起点，而嵌入式Web服务也有望在6LoWPAN中取得成功。IETF最近启动了名为6lowapp的标准化工作。

4. 现有技术的发展与展望

ZigBee的发展

ZigBee联盟宣布计划将IP标准直接集成到未来ZigBee系列规范的网络栈中，这与之前通过应用网关连接专有ZigBee网络和IP网络的方法不同。该联盟此举将大大加强与IETF和IPSO联盟的合作，加速嵌入式网络行业向IP的融合。一种可能的集成方式是用6LoWPAN、IPv6和ROLL路由替换ZigBee网络层，用UDP替换ZigBee应用协议。不过，即将推出的ZigBee/IP智能能源规范将采用开放的IETF、W3C和IEC标准，而非基于CAP的ZigBee应用层。ZigBee品牌知名度较高，但从全栈孤岛向开放标准的过渡效果还有待观察。

Z - Wave的发展

Z - Wave网络技术由Zensys开发，采用专有亚GHz无线电技术和专用网络。目前，家庭自动化中常用的Z - Wave孤岛与互联网的连接通过网关解决。随着6LoWPAN标准向更多链路层技术开放，Z - Wave是合适的候选者。这种集成好处巨大，但对于拥有大量现有遗留用户的孤岛技术来说，过渡具有挑战性。

IPSO联盟的作用

IPSO联盟在嵌入式系统中积极推广IP技术。它聚集了从低功耗RF芯片制造商（如德州仪器和Atmel）、网络巨头（如思科）到计算公司（如太阳微系统和谷歌）等众多推动者和成员。IPSO联盟在使无线嵌入式互联网取得成功方面将发挥重要作用，填补了IETF未涉及的许多空白。

尽管仍有工作要做，但6LoWPAN有望成为无线嵌入式互联网的重要组成部分。在技术和不同领域文化融合方面存在挑战，但我们的目标是让网络正常运行，部署数十亿个解决实际问题的无线节点。

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(ZigBee):::process --> B(集成IP标准):::process
    C(Z - Wave):::process --> D(适配6LoWPAN):::process
    B --> E(无线嵌入式互联网):::process
    D --> E
    F(IPSO联盟):::process --> E

综上所述，6LoWPAN在无线嵌入式互联网领域具有巨大潜力，但要实现广泛应用和发展，还需解决诸多挑战，通过不断的标准化和技术创新，推动整个行业的进步。