使用微控制器的6LoWPAN 協(xié)議設(shè)計(jì)

　　許多專家預(yù)測(cè)，傳感器和執(zhí)行器等智能對(duì)象網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點(diǎn)數(shù)量方面的增長(zhǎng)速度將遠(yuǎn)快于以 IT 為中心的網(wǎng)絡(luò)。顯然，我們?cè)?Wi-Fi 中為以計(jì)算機(jī)為中心的家庭數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)制定了事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，并且也有可以傳輸計(jì)算機(jī)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(jí)協(xié)議的成本低得多的網(wǎng)絡(luò)，可以在從洗衣機(jī)到恒溫器到音樂(lè)播放器等娛樂(lè)設(shè)備的各種設(shè)備中實(shí)施。

　　現(xiàn)在看來(lái)，業(yè)界正朝著 6LoWPAN（低功率無(wú)線個(gè)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(duì)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(diǎn)可以通過(guò) Internet 直接訪問(wèn)。雖然在廣泛部署之前有一些問(wèn)題需要解決，但設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在可以開(kāi)始使用現(xiàn)成的微控制器 （MCU） 和軟件堆棧來(lái)開(kāi)發(fā)基于 6LoWPAN 的產(chǎn)品。

　　IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)

　　ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)已準(zhǔn)備好用于家庭自動(dòng)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(yùn)行的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。術(shù)語(yǔ)網(wǎng)格意味著網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)不必與中央接入點(diǎn)直接接觸或在其范圍內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)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(wèn)層。它不包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或更高級(jí)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(duì)特定類型的應(yīng)用（例如 HAVC 控制）制定了標(biāo)準(zhǔn)。但 ZigBee 不會(huì)將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(guò) Internet 進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)。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(duì)象能夠直接連接到 Internet。十年前，許多人擔(dān)心我們會(huì)用完計(jì)算機(jī)的 32 位 IPv4 地址，當(dāng)然 IPv4 永遠(yuǎn)不會(huì)支持連接智能對(duì)象的預(yù)期沖擊。IPv6 使用 128 位地址字段，可以支持 3.4x10 38 個(gè)唯一設(shè)備。IPv6 和 6LoWPAN 對(duì)于將日常設(shè)備連接到 Internet 至關(guān)重要。

　　6LoWPAN 協(xié)議設(shè)計(jì)用于 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)之上，這是近期的主要使用模式。肯定會(huì)有將 6LoWPAN 和 ZigBee 集成在一起的實(shí)現(xiàn)。谷歌正在開(kāi)發(fā)一個(gè)更簡(jiǎn)單的低于 1GHz 頻段的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，它可能會(huì)在開(kāi)源基礎(chǔ)上提供，作為其 Android@Home 計(jì)劃的一部分。據(jù)推測(cè)，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?？芍С?802.15.4 網(wǎng)絡(luò)的 6LoWPAN 開(kāi)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(wú)線收發(fā)器的片上系統(tǒng)產(chǎn)品。CC430F5137 _和CC430F6137（圖 1）都包括一個(gè) 16 位 MPS430 內(nèi)核、32 KB 閃存、4 KB RAM、一個(gè) 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(dòng)器添加到外設(shè)組合中。TI 提供由 Sensinode 開(kāi)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(dòng)器。

　　這兩款 TI IC 都集成了一個(gè)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(dú)立 IC 銷售。收發(fā)器包括一個(gè) 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(yùn)行，使其可用于世界上大多數(shù)國(guó)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(kāi)發(fā)套件，您可以使用它來(lái)試驗(yàn)基于 802.15.4 的設(shè)計(jì)。該套件包括一對(duì)基于 ATMEGA128RFA1 MCU 的板。Digi-Key 還提供專注于 ATMEGA128RFA1 無(wú)線 MCU 的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊，設(shè)計(jì)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(dòng)中提供了該技術(shù)的公開(kāi)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(guò)JN5148 IC支持 6LoWPAN，該 IC集成了 32 位 RISC 處理器和 2.4-GHz 無(wú)線電（圖 2）。該公司有一個(gè)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(wú)線 MCU 中集成了一個(gè) 2.4GHz 收發(fā)器，并通過(guò)其 JenNet-IP 軟件堆棧提供 6LoWPAN 支持。

　　在許多錯(cuò)誤的開(kāi)始之后，也許 6LoWPAN 可以真正推動(dòng)家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)向前發(fā)展。該技術(shù)當(dāng)然可以為消費(fèi)者提供便利。通過(guò)對(duì) 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(shí)現(xiàn)真正的節(jié)能。此外，還有一長(zhǎng)串對(duì)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(cè)。而谷歌的興趣冷冷地推動(dòng)了事情的發(fā)展。對(duì)于嵌入式設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，最好的消息是啟動(dòng)基于 6LoWPAN 的設(shè)計(jì)所需的工具現(xiàn)在就在這里，并且可以通過(guò)軟件支持輕松獲得。