基于線程的連接設(shè)計(jì)確保智能家居的安全連接

旨在確保家庭設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中簡單，可靠的連接，Thread為智能產(chǎn)品開發(fā)人員提供了極具吸引力的解決方案。盡管如此，開發(fā)人員仍然面臨著滿足這些網(wǎng)絡(luò)中高性能和低功耗運(yùn)行要求的挑戰(zhàn)。使用專為基于線程的連接而設(shè)計(jì)的綜合開發(fā)平臺(tái)，工程師可以快速實(shí)施復(fù)雜的解決方案，以充分利用Thread的能力，確保家中網(wǎng)絡(luò)智能產(chǎn)品的安全可靠連接。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）承諾為個(gè)人和組織提供普遍的連接。隨著開發(fā)人員尋求利用物聯(lián)網(wǎng)提供的巨大機(jī)遇，他們發(fā)現(xiàn)自己不僅面臨新的挑戰(zhàn)，而且還面臨著硬件和軟件要求的組合，即使是經(jīng)驗(yàn)最豐富的設(shè)計(jì)師也無法阻止。

在硬件方面，無線連接解決方案需要滿足對(duì)可靠性，安全性和低功耗操作的經(jīng)常相互沖突的需求。在軟件方面，開發(fā)人員可能會(huì)發(fā)現(xiàn)自己陷入應(yīng)用程序堆棧的較低層，難以調(diào)試底層通信，而不是專注于更高級(jí)應(yīng)用程序代碼的獨(dú)特方面。

盡管物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)提供與“傳統(tǒng)”嵌入式系統(tǒng)相似，它們對(duì)從基本無線電性能到高級(jí)消息傳遞能力的連接性提出了獨(dú)特要求。 Silicon Labs的SLWSTK6000A無線入門套件將基于EFR32MG（Mighty Gecko）無線SoC的全功能系統(tǒng)與基于Thread構(gòu)建的綜合生態(tài)系統(tǒng)相結(jié)合，這是一種專門用于解決物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)和機(jī)遇的獨(dú)特網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。 p>

可靠的連接性

市場(chǎng)研究公司Gartner Inc.預(yù)計(jì)，到2022年，個(gè)人家庭住宅可能包含數(shù)百種智能設(shè)備，包括娛樂，家用電器，安全，環(huán)保和健身產(chǎn)品等。與此同時(shí)，缺乏互操作性標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)嚴(yán)重阻礙這種增長潛力。在這種環(huán)境中，線程規(guī)范試圖成為“網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的Wi-Fi”，并且在各種無線技術(shù)中占據(jù)一席之地，這些無線技術(shù)可能在家庭中連接這些設(shè)備的不同角色（表1）。

Wi-Fi藍(lán)牙智能ZigBee PRO線程帶寬150 Mbps + 1 Mbps 250 kbps 250 kbps低功耗否是是是本機(jī)IP可尋址是否否是簡單IP橋接是否否是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)否否是是實(shí)用網(wǎng)絡(luò)尺寸限制32 10 250+ 250+安全支持AES-128/256 AES-128 AES-128 AES-128，ECC無單點(diǎn)故障否否否是

The Thread Group由ARM，Big Ass粉絲，恩智浦，三星，Silicon Labs和耶魯成立于2014年，目前包括約230家成員公司，代表電子行業(yè)的廣泛領(lǐng)域?；陂_放標(biāo)準(zhǔn)，Thread旨在實(shí)現(xiàn)安全可靠的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，無單點(diǎn)故障，簡單的設(shè)置和連接以及低功耗操作。

在線程中，設(shè)備可以在多個(gè)特定的位置運(yùn)行角色通過它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)中提供其他設(shè)備的服務(wù)來區(qū)分。用作路由器的設(shè)備為其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供路由服務(wù)，以及允許授權(quán)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的安全服務(wù)和服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)上的第一臺(tái)路由器成為一種特殊類型的路由器，稱為Leader，它管理網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，協(xié)調(diào)委員以添加新設(shè)備，并做出網(wǎng)絡(luò)決策。另一種特殊類型的路由器，邊界路由器，為802.15.4網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備提供服務(wù)，包括用于離網(wǎng)操作的路由服務(wù)。最后，Sleepy End Devices是僅通過其父路由器進(jìn)行通信的主機(jī)設(shè)備。

Thread網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)取決于路由器的數(shù)量。如果網(wǎng)絡(luò)只包含一個(gè)路由器或邊界路由器，它將形成圍繞該路由器的基本星形拓?fù)?。如果網(wǎng)絡(luò)包含多個(gè)路由器或網(wǎng)橋路由器，它會(huì)自動(dòng)將自身配置為網(wǎng)狀拓?fù)洌▓D1，左）。

雖然線程網(wǎng)絡(luò)可以包含許多執(zhí)行特殊功能的設(shè)備，但Thread堆棧的設(shè)計(jì)確?？梢栽诓挥绊慣hread網(wǎng)絡(luò)中正在進(jìn)行的通信的情況下更換它們。結(jié)果，這種網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備不代表單點(diǎn)故障。例如，如果作為領(lǐng)導(dǎo)者的設(shè)備發(fā)生故障，則另一個(gè)路由器成為領(lǐng)導(dǎo)者，甚至將路由器符合條件的終端設(shè)備（REED）提升為路由器狀態(tài)，以在需要時(shí)改善連接（圖1，右）。

圖1：運(yùn)行線程堆棧的設(shè)備自動(dòng)將自身配置為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，包括Leader，Bridge Routers，Routers和Sleepy End Devices（左側(cè)） ），但是如果諸如領(lǐng)導(dǎo)者之類的關(guān)鍵設(shè)備失?。ㄓ遥瑒t可以快速重新配置。 （來源：線程組）

線程堆棧（圖2）建立在6LoWPAN（IPv6低功耗無線個(gè)人局域網(wǎng)）之上，它本身建立在IEEE 802.15.4之上，以提供基于IP的網(wǎng)絡(luò)。 Internet協(xié)議（IP）提供了跨IP網(wǎng)絡(luò)中繼數(shù)據(jù)報(bào)的核心機(jī)制，其路由功能可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

實(shí)際上，IP網(wǎng)絡(luò)是互聯(lián)網(wǎng)和任何物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)。實(shí)際上，基于非IP協(xié)議的應(yīng)用程序面臨著明顯的性能劣勢(shì)：本地支持IP的網(wǎng)絡(luò)解決方案必須首先適應(yīng)網(wǎng)關(guān)中的IP，這一過程需要映射本地網(wǎng)絡(luò)地址并重新打包網(wǎng)絡(luò) - 將有效載荷轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)報(bào)。此外，加密的本地?cái)?shù)據(jù)包必須在網(wǎng)關(guān)處解密，然后在IP數(shù)據(jù)報(bào)中重新保護(hù)。執(zhí)行此轉(zhuǎn)換會(huì)在尋求優(yōu)化設(shè)計(jì)，成本和性能的環(huán)境中進(jìn)一步增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性和成本。 Thread的基于IP的協(xié)議有助于簡化網(wǎng)絡(luò)交易和成本。

圖2：線程在一層熟悉的標(biāo)準(zhǔn)之上添加了專門的服務(wù)，如安全性和調(diào)試，以實(shí)現(xiàn)基于IP的自我修復(fù)智能產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)。 （來源：線程組）

硬件支持

Silicon Labs EFR32MG1P732F256GM32無線SoC直接支持該堆棧的性能和功能要求。 SoC采用Silicon Labs的低能量Gecko技術(shù)構(gòu)建，具有低功耗能量模式，同時(shí)集成256 kB閃存，32 kB RAM，16個(gè)數(shù)字I/O引腳，7 x 16位定時(shí)器和多個(gè)通信接口。作為SoC的核心，基于ARM?Cortex?-M4的MCU設(shè)計(jì)用于極短的響應(yīng)時(shí)間，高代碼密度和高32位吞吐量，同時(shí)保持嚴(yán)格的成本和功耗預(yù)算。

SoC的片上無線電收發(fā)器（圖3）提供19.5 dBm的最大輸出功率，接收靈敏度為-99 dBm（250 kbps O-QPSK DSSS）。該收發(fā)器采用低中頻接收器架構(gòu)設(shè)計(jì)，包括一個(gè)低噪聲放大器（LNA）和一個(gè)I/Q下變頻混頻器。在由IF模數(shù)轉(zhuǎn)換器（IFADC）采樣之前，I/Q信號(hào)被濾波和放大。自動(dòng)增益控制（AGC）模塊調(diào)整接收器增益以優(yōu)化性能并避免飽和。

圖3：Silicon Labs EFR32MG1P732F256GM32和EFR32MG1系列無線SoC的其他成員集成了一個(gè)復(fù)雜的收發(fā)器，旨在適應(yīng)各種無線協(xié)議和PHY，包括802.15.4。 （來源：Silicon Labs）

在其高級(jí)功能中，無線電為每個(gè)接收幀生成接收信號(hào)強(qiáng)度指示器（RSSI）值，為基本線程機(jī)制提供必要的硬件支持。使用Thread，設(shè)備使用RSSI值發(fā)布傳入消息到該設(shè)備的“鏈接開銷”。反過來，路由器使用通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的鏈路成本來確定通過網(wǎng)絡(luò)的最佳路徑。

除了具有實(shí)際數(shù)據(jù)有效負(fù)載的消息之外，線程網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備定期發(fā)送管理消息，例如鏈路成本。然而，在安靜時(shí)段，設(shè)備可以進(jìn)入低功耗靜態(tài)模式。過去，開發(fā)人員需要添加代碼以定期喚醒設(shè)備以檢查消息。不幸的是，如果預(yù)期的接收者處于靜止模式，這種方法可能導(dǎo)致由于浪費(fèi)的喚醒時(shí)段或重復(fù)丟失的消息而導(dǎo)致效率低下。 EFR32MG1通過其集成的RFSENSE模塊提供了有效的替代方案。該模塊在天線接口檢測(cè)到寬帶RF能量時(shí)產(chǎn)生系統(tǒng)喚醒中斷，從低功耗模式提供真正的RF喚醒功能。

對(duì)于家庭連接應(yīng)用的開發(fā)人員，Thread與應(yīng)用程序一起工作 - 諸如Google Next Weave，ZigBee和CoAP（約束應(yīng)用協(xié)議）之類的級(jí)別協(xié)議，以簡化因特網(wǎng)上的交互式應(yīng)用級(jí)通信的開發(fā)。例如，CoAP作為一種二進(jìn)制HTTP運(yùn)行，提供基本的類HTTP事務(wù)，包括GET，POST，PUT和DELETE。該協(xié)議使用重發(fā)和ACK提供有序消息傳遞和保證傳遞，但如果應(yīng)用程序不需要保證傳遞，開發(fā)人員也可以省略消息確認(rèn)（圖4）。

圖4：CoAP的類HTTP消息傳遞協(xié)議使用事務(wù)提供可確認(rèn)（CON，左）和不可確認(rèn)（NON，右）事務(wù)標(biāo)識(shí)符（例如，0x7a10，左）和授權(quán)令牌（例如，0x73，左）。 （來源：The Thread Group）

快速開發(fā)套件

高性能，可靠通信和靈活網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜要求對(duì)于為家庭創(chuàng)建連接智能產(chǎn)品的開發(fā)人員來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。工程師可以使用EFR32MG1P732F256GM32無線SoC等設(shè)備從頭開始構(gòu)建解決方案，軟件包括Thread的開放軟件和底層通信層庫。另一方面，Silicon Labs的SLWSTK6000A無線入門套件提供了一個(gè)全面的開發(fā)平臺(tái)，能夠幫助開發(fā)人員加速針對(duì)新智能家居產(chǎn)品的線程連接解決方案的設(shè)計(jì)。

在硬件方面，它的主要組成部分是SLWSTK6000A是無線入門套件主板，具有板載J-Link調(diào)試器，用于實(shí)時(shí)電流和電壓監(jiān)控的高級(jí)能量監(jiān)控器，虛擬COM端口接口以及對(duì)數(shù)據(jù)包跟蹤接口（PTI）的訪問（圖5）。 Silicon Labs還包括其Si7021相對(duì)濕度和溫度傳感器，以幫助開發(fā)人員熟悉傳感應(yīng)用，而無需額外的硬件開發(fā)。除了J-Link板載調(diào)試器外，該板還包括一個(gè)支持外部硬件和配套無線電板的調(diào)試多路復(fù)用器。

圖5：Silicon Labs SLWSTK6000A無線入門套件接受無線無線卡，例如SLWRB4154A，旨在支持特定的連接選項(xiàng)。 （來源：Silicon Labs）

主板接受一個(gè)互補(bǔ)的無線電板，插入主板上的指定插槽。模塊化設(shè)計(jì)支持不同的無線電板，使開發(fā)人員能夠開發(fā)藍(lán)牙低功耗，線程，ZigBee和專有無線應(yīng)用。 SLWRB4154A無線無線電板旨在支持Thread，包括EFR32MG1P732F256GM32無線SoC和相關(guān)組件。 （主板包含一個(gè)單獨(dú)的MCU，負(fù)責(zé)提供的一些高級(jí)套件功能，但不是用戶可編程的。）大多數(shù)EFR32MG1P732F256GM32的引腳從無線電板路由到主板頂部和底部邊緣的分支焊盤。

該工具包提供了一個(gè)全面的軟件包，其中包括用于Thread SDK和底層協(xié)議的軟件庫以及Silicon Labs Simplicity Studio開發(fā)環(huán)境?；贓clipse，Simplicity Studio旨在讓開發(fā)人員專注于他們的應(yīng)用程序代碼而不是底層的硬件和軟件服務(wù)層。在啟動(dòng)時(shí)，Simplicity Studio會(huì)識(shí)別連接的硬件，提示開發(fā)人員連接硬件（如果沒有找到）。然后，Simplicity Studio會(huì)自動(dòng)安裝與連接硬件相關(guān)的軟件包。

Simplicity Studio還通過提供一系列屏幕來簡化項(xiàng)目開發(fā)，這些屏幕指導(dǎo)開發(fā)人員完成項(xiàng)目創(chuàng)建，代碼生成和上傳到連接的硬件。要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新的應(yīng)用程序，開發(fā)人員只需要完成一個(gè)簡單的對(duì)話框來指定工具包，部分和SDK，這是此上下文中的Thread SDK（圖6）。

圖6：Silicon Labs Simplicity Studio為開發(fā)人員提供了一系列旨在加速項(xiàng)目開發(fā)的對(duì)話框。在這里，開發(fā)人員通過選擇套件，部件和SDK來創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目; Simplicity Studio自動(dòng)填充套件和部件以識(shí)別硬件。 （來源：Silicon Labs）

事實(shí)上，如果它檢測(cè)到硬件，Simplicity Studio會(huì)自動(dòng)填寫套件和部件號(hào)。在下一個(gè)屏幕中，開發(fā)人員從包含服務(wù)器，客戶端和睡眠客戶端等的列表中選擇設(shè)備類型。在Simplicity Studio中，Radio Configurator允許開發(fā)人員根據(jù)諸如802.15.4之類的標(biāo)準(zhǔn)為Thread應(yīng)用選擇無線電配置文件和無線PHY。添加特定于應(yīng)用程序的代碼后，開發(fā)人員使用AppBuilder生成應(yīng)用程序源文件。此時(shí)，開發(fā)人員可以手動(dòng)編譯代碼，然后將其刷新到連接的開發(fā)硬件，甚至更簡單，只需允許AppBuilder自動(dòng)編譯并將應(yīng)用程序刷新到連接的硬件。此時(shí)，開發(fā)人員擁有完整的基于線程的連接解決方案，可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展以滿足其他要求。

結(jié)論

旨在連接家庭中的智能產(chǎn)品，線程提供簡單和可靠的有吸引力的組合。但是，對(duì)于開發(fā)人員而言，在快速交付產(chǎn)品對(duì)成功至關(guān)重要的市場(chǎng)中，從零開始實(shí)施Thread網(wǎng)絡(luò)可能非常耗時(shí)。 Silicon Labs SLWSTK6000等完整的開發(fā)平臺(tái)允許開發(fā)人員專注于其應(yīng)用程序的獨(dú)特功能，依靠套件的硬件，軟件和開發(fā)環(huán)境來實(shí)現(xiàn)底層連接服務(wù)。