选择无线协议：802.15.4、ZigBee 以及专有网络之间的对比(3) 配置文件, 路由器, 网络, 无线, 领域

yuyang911220

对 802.15.4 协议最突出的三项新特性是网状网路由算法，一个功能强大的安全实施，以及应用级抽象以在目标市场领域中实现设备与可互操作“应用配置文件”的强大关联性。
ZigBee 网络的网状网路由算法使其成为网络上终端设备之间数据交付的极可靠方式。除了能够在网络中确保分组交付的可选端到端确认，ZigBee 还定义了能够围绕故障节点进行通信的路由发现算法，这也称为ZigBee 的通信自愈能力。路由发现是一种可由任何路由器设备启动并始终针对特定目的地执行的最短路径算法。计算的原理是由于每个节点都一直保留着至所有相邻设备的“链接成本”记录，其中链接成本是测量所接收信号的信号强度。累加沿路由所有链接的链接成本就可得出“路由成本”，并可计算网络中每个路由的路由成本。
节点可以通过向其相邻设备广播针对特定目的地的路由请求 (RREQ) 数据包来请求路由发现。每当某节点接收 RREQ 时，其就会向路由成本累加其链接成本，然后再相应广播 RREQ。这种情况将反复进行，直至所有 RREQ 均到达目的地设备。然后目的地设备将选择路由成本最低的 RREQ 数据包，并广播路由回复 (Route Reply)。当 RREP 数据包返回至源地，所有中间节点将更新它们的路由表，指示通往目的地的路由。这样，节点可丢失至下一跳的连接，并向网络发送路由错误 (RERR) 数据包，以便在下一次有人试图向其发送消息时，就会启动新的路由发现。
ZigBee 可实施广泛的安全措施。ZigBee 采用三种安全性密钥，即用于长期安全性的主密钥、加入网络的网络密钥，以及用于对等通信的加密密钥。采用 AES-128 位加密标准执行加密。在检验消息的完整性方面，ZigBee 采用 MIC-128，即消息完整性代码。此外，通过使用协调器作为信任中心从单个节点管理所有安全性，网络还能够定期选择对对称加密密钥进行更新，从而实现安全通信的无限管理。
不过，应用级抽象可能是 ZigBee 最具有竞争力的特性。可以对每个节点进行汇编以容纳多达 270 个“端点”或者应用。举例来说，每个端点都可以代表一个电灯开关或者一个灯泡（灯泡 01、灯泡 02 等）。每个端点可以接受任意类型的数据，也可以发送任意类型的数据。从某端点输出到另一端点的输入数据有单个描述符，一般称为群集 (Cluster)。为继续使用灯泡作为例子，假定被命名为“light_status_on_off”的灯泡开关状态是这些称为群集的数据描述符之一。然后，每个端点就可以根据端点 ID (1-270) 及其群集列表（接收或者传输的数据类型）进行描述。在群集匹配的情况下，就可以进行一对一或者一对多端点的逻辑绑定。在该例中，某一灯泡开关可以与任一或者所有被描述为支持“light_status_on_off”群集的灯泡逻辑绑定。这种应用级的一对一或者一对多绑定是 ZigBee 协议功能强大的特性。

图11 – ZigBee 的绑定表可用于即时控制更改
如果 ZigBee Alliance 当时定义了群集列表和解释端点间群集流的方法，就可以为特定应用（如电灯开关/电灯泡等）指定标准，且无需担心用于实施应用的具体硬件。ZigBee Alliance 正好已经完成了这项任务，将这些标准称为应用配置文件，从而不仅使来自不同厂商的应用能够完全实现互操作性，而且还加强了ZigBee 低功耗无线网络目标市场领域的整体竞争性。
如果互操作性不是设计人员的主要意图，ZigBee Alliance 还可以让设计人员定义不共享的企业专用型应用配置文件。为简明扼要，我们就不对 ZigBee 实施的其他特性进行详细讨论了，这些特性包括群组寻址、频率捷变、会话故障的自动重加入和协议最新版本 ZigBee 2007（也称为 ZigBee PRO）提供的系列附加特性。ZigBee PRO 基本上仍属于 ZigBee 标准范畴，但在编辑时增加了用于优化支持超大网络集成的特性。如欲了解更多详情，敬请访问 ZigBee Alliance 网站：www.zigbee.org。
采用 ZigBee 协议进行产品设计的劣势包括与开发 ZigBee 产品相关的成本：按年支付给 ZigBee Alliance的成员费用、认证产品是否符合 ZigBee 的费用以及协议本身的存储器占用。ZigBee 协议加载的特性很难在每项应用中都得到充分利用，从而在定制解决方案的情况下需要设计额外的存储器资源。在某些情况下，对存储器与资源的要求甚至可以限制到最终应用级。因此，部分企业推出了具备集成 MCU、预加载了 ZigBee 软件协议栈的无线电广播组件，其运行则由少量 API 对另一个以应用为中心的 MCU 的调用来控制。通过采用 SPI 通信来更新ZigBee芯片的配置，应用 MCU 可以免受协议对存储器与资源要求的限制，可以有效地处理其他应用任务。
SimpliciTI
SimpliciTI 是现有低级别协议实施的范例，设计人员在开发时间有限、网络拓扑简单的应用时可以用来实施。实际上，不符合现有低功耗无线标准的专有网络非常多，不仅跨多个应用空间而且还具有各种不同的实施复杂性。之所以将 SimpliciTI 选作范例协议，是因为其与 802.15.4 和 ZigBee 相比具有更小的尺寸以及更低的复杂度。不过还有众多其他实施方案也值得纳入考虑范围，简单来说有 Ant、Blue Robin、MiWi或者 SunSpot 等。SimpliciTI 拥有众多优异的关键特性，如内存占用少、方便易用、复杂度低等。
SimpliciTI 专注于支持简单星型网络的对等拓扑，即指最大化地利用称为接入点 (Access Point) 的单个网络协调器。图 12是一个家庭自动化网络的范例，其中 SimpliciTI 网络还定义了范围扩展器 (Range Extender) 与终端设备 (End Device) 抽象概念。可将该网络扩展至包括多达四个范围扩展器。

图 12 — 厂商所提供网络的范例
SimpliciTI 提供简化的网络管理功能，包括可实现终端设备休眠功能的存储并转发缓存、网络初始化、基本链接管理以及网络探索。图 13 显示的该协议架构很难直接与 OSI 模型并行，因为其在物理层、数据链路层以及网络层中实施的功能都有所简化，难以充分满足各层全面实施的要求。

图 13 —— 针对专有网络 SimpliciTI 调整后的 OSI 网络模型
SimpliciTI 采用能够与提供管理功能的网络层通信、非常类似于 TCP/IP 协议的端口架构，并可维护最少的电路板支持数据包层，即 BSP 层来与无线广播和MCU进行接口相连。SimpliciTI 没有正式的物理层描述，因此也没有对频率、数据速率或者调制提供要求，从而为设计人员提供了广阔的硬件级设计空间。
此外，需要重点指出的是，SimpliciTI 协议也没有定义路由、确认或者确保可靠性的其他方法。用户必须处理如消息超过最大应用有效负荷、数据丢失以及数据冗余等众多问题。但这不是一种局限，因为低功耗应用往往对数据数率和要求都相当低，这里或者那里丢失一个数据包不是什么问题。以自动调温器为例，丢失一个包的数据对应用来说并不构成重大问题。如果通信的可靠性对应用非常重要，用户也可在应用级实施可靠性协议。比如，可重复多次发送数据，可实施对等层确认，或实施可通知接收设备是否丢包的事务交易计数器。
        SimpliciTI 与多数其他现有的低级别实施适用于具有如下要求的应用：

• 可自由设计自己的较高层协议
• 与纯粹的专有解决方案相比设计和开发成本更低
• 采用可用的较低层协议进行简单方便的即用型实施

且愿意接受如下劣势：

• 需要设计与开发较高层协议和应用
• 可能对芯片厂商有硬件要求
• 可能需要向推广标准的公司组织缴纳专利费或成员费

免费提供 SimpliciTI 的完整源码，且免专利费，但仅限于使用协议设计方德州仪器 (TI) 所推出硬件的情况。更多详情，敬请访问 www.ti.com/simpliciti。
协议选择范例
本节将探讨如何应用上面阐述的选择标准根据假定设计要求来进行选用的一些范例。
数据日志器
第一个例子是每隔五分钟就记录湿度与气压数据的制造监控系统。在此情况下，根据相关标准要求，数据必须保存至少五年，但如果每隔几个小时可能丢失某次采样数据，也不是什么大问题。数据应该保密。安装该系统后，将取代原有的机械监控方法，而且在此情况下有线系统并不适用。工厂生产线长度不一，但最长可达到 27 米，而且相关规则要求每 7 米设一个感测站。设计进度安排非常紧，系统需要在 6 个月内就完成推出。
从上述要求来看，该设计标准如下：

• 应用方面的考虑事项
  • 系统可用于每隔五分钟捕获一次湿度与气压数据
  • 最多 5 个感测站
  • 基站必须向 PC 网络传输数据
  • 系统用于工厂改造，以取代原有的机械记录方法
• 稳健性与可靠性
  • 工厂数据应保密
  • 在工厂生产期间将数据记录下来，而且根据规则要求必须保留五年，但偶有缺失并不造成关键问题
• 易用性
  • 系统应在 6 个月内投放市场
• 硬件与 RF的考虑事项
  • 用电池供电，电池工作时间最少为两年

在本例中建议采用 SimpliciTI，这主要是由于设计进度安排比较紧，而且系统本身并不复杂。
家庭安全网络
第二与第三个例子将显示出，如果要求略有变动就会导致选择不同的协议。本系统是一个在已装修好的家居环境中安装的家庭安全网络，因此重新布线会花销太大。我们可选配安装几种不同的传感器，如烟雾传感器、玻璃破损传感器、运动传感器以及门禁控制感测 (access control) 等。每个传感器都与基站通信，然后基站再与家庭安全监控公司通信。该系统应能够与其它传感器实现互操作性，举例来说，从一家公司采购的烟雾检测器可以配合另一家公司生产的运动检测器。该网络必须具有高度安全性，以防窃听或篡改。设计进度安排能允许工程师有一定的学习时间，以加快网络协议的设计工作。

• 应用方面的考虑事项
  • 家庭安全网络
    • 烟雾检测、玻璃破损、运动检测以及占用检测等
  • 用户界面必须直观易懂
  • 需要遵循业界标准
  • 应能够从不同厂商技术之间的互操作性及其相关支持方面受益***
• 稳健性与可靠性
  • 关键的设计标准
  • 系统必须具有高度的安全性，以防篡改、窃听
• 易用性
  • 需要标准化的实施方案实现可靠性与安全性***
  • 计划在总体的家庭自动化网络中集成家庭安全性应用
  • 愿意花时间学习与充分利用更复杂的 API
• 硬件与 RF的考虑事项
  • 大多数网络设备都采用电池供电

本例中的最终结果应选择使用 ZigBee，因为不仅需要与不同厂商提供的设备互操作，还要确保满足标准化的可靠性与安全性要求。
结论
低功耗无线网络对改进使用体验、提高功能性有着巨大的潜力。本文概括性地介绍了基本的无线网络架构及相关术语，此外还探讨了如何通过相关标准并在一定框架基础上选用何种低功耗无线协议，而且专门讲解了 802.15.4、ZigBee 以及低层专有特性集的范例。我们首先重点讨论了高级别应用的考虑事项，随后再深入讨论包括稳健性、可靠性、易用性以及硬件等在内的各项具体标准，以帮助设计人员应用框架来为其应用选择正确的协议，从而为更多产品提供低功耗的无线连接能力。

yuchengze

很好的算法分析，路过帮顶