使用微控制器的6LoWPAN 協(xié)議設(shè)計

　　許多專家預(yù)測，傳感器和執(zhí)行器等智能對象網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點數(shù)量方面的增長速度將遠快于以 IT 為中心的網(wǎng)絡(luò)。顯然，我們在 Wi-Fi 中為以計算機為中心的家庭數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)制定了事實上的標(biāo)準(zhǔn)，并且也有可以傳輸計算機數(shù)據(jù)的電力線、電纜和電話線網(wǎng)絡(luò)。缺少的是具有輕量級協(xié)議的成本低得多的網(wǎng)絡(luò)，可以在從洗衣機到恒溫器到音樂播放器等娛樂設(shè)備的各種設(shè)備中實施。

　　現(xiàn)在看來，業(yè)界正朝著 6LoWPAN（低功率無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)上的 IPv6）協(xié)議發(fā)展，作為公司和行業(yè)組織（例如 IPSO（智能對象互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）聯(lián)盟）支持該技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。使嵌入式處理節(jié)點可以通過 Internet 直接訪問。雖然在廣泛部署之前有一些問題需要解決，但設(shè)計團隊現(xiàn)在可以開始使用現(xiàn)成的微控制器 （MCU） 和軟件堆棧來開發(fā)基于 6LoWPAN 的產(chǎn)品。

　　IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)

　　ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)已準(zhǔn)備好用于家庭自動化，盡管它在商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中取得了更大的成功。ZigBee 依賴于 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了可以在 sub-1-GHz 或 2.4-GHz 頻段運行的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。術(shù)語網(wǎng)格意味著網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點不必與中央接入點直接接觸或在其范圍內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)上的每個設(shè)備都充當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)器，重新傳輸數(shù)據(jù)包。

　　然而，802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)只定義了位于網(wǎng)絡(luò)堆棧底部的物理層和媒體訪問層。它不包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或更高級別特征的定義，這些特征可能包括特定于應(yīng)用程序的元素，例如用于管理 HVAC 系統(tǒng)和恒溫器的應(yīng)用程序?qū)訁f(xié)議。

　　ZigBee 社區(qū)在 802.15.4 之上添加了自己的協(xié)議層。此外，ZigBee 中現(xiàn)在還針對特定類型的應(yīng)用（例如 HAVC 控制）制定了標(biāo)準(zhǔn)。但 ZigBee 不會將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點直接暴露給 Internet。您當(dāng)然可以將 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)橋接到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，并允許通過 Internet 進行遠程訪問。但這種支持并不是 ZigBee 所固有的。

　　6LoWPAN 的努力植根于向任何需要的設(shè)備證明基于 IPv6 的全球唯一 IP 地址，從而使智能對象能夠直接連接到 Internet。十年前，許多人擔(dān)心我們會用完計算機的 32 位 IPv4 地址，當(dāng)然 IPv4 永遠不會支持連接智能對象的預(yù)期沖擊。IPv6 使用 128 位地址字段，可以支持 3.4x10 38 個唯一設(shè)備。IPv6 和 6LoWPAN 對于將日常設(shè)備連接到 Internet 至關(guān)重要。

　　6LoWPAN 協(xié)議設(shè)計用于 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)之上，這是近期的主要使用模式?？隙〞袑?6LoWPAN 和 ZigBee 集成在一起的實現(xiàn)。谷歌正在開發(fā)一個更簡單的低于 1GHz 頻段的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，它可能會在開源基礎(chǔ)上提供，作為其 Android@Home 計劃的一部分。據(jù)推測，6LoWPAN 將是該 Google 網(wǎng)絡(luò)的首選協(xié)議。

　　6LoWPAN 入門

　　有現(xiàn)成的 MCU 和軟件堆棧可支持 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)的 6LoWPAN 開發(fā)。例如，德州儀器（TI） 最近發(fā)布了一些 IC，這些 IC 被歸類為集成了基于 MPS430 的 MCU 和無線收發(fā)器的片上系統(tǒng)產(chǎn)品。CC430F5137 _和CC430F6137（圖 1）都包括一個 16 位 MPS430 內(nèi)核、32 KB 閃存、4 KB RAM、一個 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、用于安全的 AES-128 加密引擎和其他各種外圍設(shè)備。圖 1 描述了架構(gòu)。CC430F6137 將 LCD 驅(qū)動器添加到外設(shè)組合中。TI 提供由 Sensinode 開發(fā)的稱為 NanoStack 的 6LoWPAN 堆棧。

　　圖 1：Texas Instruments 的 CC430F5137 和 CC430F6137 IC 將基于 MPS430 的 MCU 與低于 1GHz 的 802.15.4 收發(fā)器相結(jié)合，后者增加了 LCD 驅(qū)動器。

　　這兩款 TI IC 都集成了一個收發(fā)器，本質(zhì)上是CC1101 sub-1GHz 收發(fā)器，該公司也將其作為獨立 IC 銷售。收發(fā)器包括一個 CPU 接口、數(shù)據(jù)包處理器、調(diào)制解調(diào)器和合成器。該收發(fā)器可在 315、433、868 和 915 MHz 頻段運行，使其可用于世界上大多數(shù)國家的 ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療）分配頻譜。

　　Atmel 是另一家支持 6LoWPAN 的供應(yīng)商。ATMEGA128RFA1系列的 IC 結(jié)合了 8 位 AVR 系列 MCU、128 KB 閃存和 2.4 GHz 頻帶 802.15.4 收發(fā)器。該公司擁有自己的 6LoWPAN 堆棧，稱為 RUM（MAC 下的路由）。此外，Atmel 還提供 ATAVR128RFA1-EK1 開發(fā)套件，您可以使用它來試驗基于 802.15.4 的設(shè)計。該套件包括一對基于 ATMEGA128RFA1 MCU 的板。Digi-Key 還提供專注于 ATMEGA128RFA1 無線 MCU 的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊，設(shè)計人員可以查看該模塊以了解 IC 的全部功能。

　　恩智浦半導(dǎo)體不僅提供支持 6LoWPAN 的產(chǎn)品，還在 2011 年 10 月 12 日舉行的名為“物聯(lián)網(wǎng)”的 IPSO 聯(lián)盟活動中提供了該技術(shù)的公開演示。演示包括控制支持 6LoWPAN 的燈和電源的 Android 和 iPad 平板電腦插座以及基于 6LoWPAN 的專用顯示和控制面板。

　　恩智浦目前通過JN5148 IC支持 6LoWPAN，該 IC集成了 32 位 RISC 處理器和 2.4-GHz 無線電（圖 2）。該公司有一個名為 JenNet-IP 的基于 6LoWPAN 的軟件堆棧，它為基本的 6LoWPAN 協(xié)議添加了一些管理功能。

　　圖 2：NXP 在 JN5148 無線 MCU 中集成了一個 2.4GHz 收發(fā)器，并通過其 JenNet-IP 軟件堆棧提供 6LoWPAN 支持。

　　在許多錯誤的開始之后，也許 6LoWPAN 可以真正推動家庭自動化網(wǎng)絡(luò)向前發(fā)展。該技術(shù)當(dāng)然可以為消費者提供便利。通過對 HAVC 系統(tǒng)、照明、主要電器和其他設(shè)備的程序控制，它可以實現(xiàn)真正的節(jié)能。此外，還有一長串對該領(lǐng)域感興趣的大公司，包括這里提到的那些以及 IPSO 聯(lián)盟成員的深厚名冊。而谷歌的興趣冷冷地推動了事情的發(fā)展。對于嵌入式設(shè)計團隊來說，最好的消息是啟動基于 6LoWPAN 的設(shè)計所需的工具現(xiàn)在就在這里，并且可以通過軟件支持輕松獲得。