本白皮書介紹了使用IEEE 802.15.6和6LoWPAN上的iPv6技術(shù)設(shè)計(jì)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，該技術(shù)在IEEE 802.15.4和iPv6之間增加了適配層。本文介紹了一款瑞薩電子RL78系列微控制器，用于實(shí)際演示，并提供當(dāng)今可用的組件。

抽象的

如今，無處不在的Internet擁有14億用戶。它將大量不同的網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序連接在一起，從而實(shí)現(xiàn)了新的業(yè)務(wù)模型，提高了運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)，并以無數(shù)種方式降低了成本。但是直到幾年前，Internet協(xié)議（IP）才被認(rèn)為不適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。從那時(shí)起，電子技術(shù)得到了發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)鏈接協(xié)議已經(jīng)出現(xiàn)，并且IP技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)并且非常實(shí)用的無線嵌入式Internet的地步。

介紹

物聯(lián)網(wǎng)涵蓋了所有本機(jī)啟用IP并已連接Internet的嵌入式設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)。一旦它們的輸出和控件可以在Internet上訪問，就為新的應(yīng)用程序和商機(jī)打開了無限的可能性，其中包括：

• 家庭和樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)
• 醫(yī)療保健自動(dòng)化和物流系統(tǒng)
• 智能會(huì)議和智能網(wǎng)格基礎(chǔ)設(shè)施
• 提高能源效率的設(shè)備
• 實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)控設(shè)備
• 工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)
• 車輛管理功能
• 設(shè)施管理系統(tǒng)

現(xiàn)在在這些應(yīng)用程序中應(yīng)用的某些嵌入式設(shè)備將繼續(xù)使用有線通信連接。但是，越來越多的網(wǎng)絡(luò)將通過無線鏈接實(shí)現(xiàn)連接。這種趨勢(shì)正在迅速增長(zhǎng)，并將在未來加速。設(shè)施管理區(qū)是該班次的例證。它結(jié)合了樓宇自動(dòng)化，資產(chǎn)管理，環(huán)境控制和涉及無數(shù)嵌入式系統(tǒng)的其他活動(dòng)。設(shè)施管理的大多數(shù)活動(dòng)和功能都是移動(dòng)的，這使得無線連接成為一種實(shí)現(xiàn)的必要性。

需求與問題

所有這些節(jié)點(diǎn)將做什么？仔細(xì)研究設(shè)施管理示例可以深入了解所涉及的多樣性。此應(yīng)用程序有很多部分。其中包括門禁控制，樓宇自動(dòng)化，跟蹤，節(jié)能，維護(hù)和智能計(jì)量。如下所述：

• 門禁控制
• 樓宇自動(dòng)化
• 追蹤
• 節(jié)能降耗
• 維護(hù)
• 智能計(jì)量

無論設(shè)施是學(xué)校，會(huì)議中心，購(gòu)物中心，醫(yī)院，工廠還是其他設(shè)施，嵌入式控制系統(tǒng)元素對(duì)于執(zhí)行上述任務(wù)和過程都是必不可少的。特別地，這些電子設(shè)備中的許多電子設(shè)備需要通過無線網(wǎng)絡(luò)互連的低功率嵌入式設(shè)備。幸運(yùn)的是，存在滿足這些需求的出色解決方案：使用IPv6網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和IEEE 802.15.4無線電鏈路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)和權(quán)衡

在為諸如設(shè)施管理之類的應(yīng)用構(gòu)建無線嵌入式Internet設(shè)備和系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)工程師必須考慮眾多設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)和權(quán)衡取舍。這里是其中的一些。

低功耗

設(shè)計(jì)的主要考慮因素之一是低功耗。盡管Wi-Fi（IEEE 802.11b / g / n）技術(shù)已侵入無線嵌入式應(yīng)用程序，但它主要用于智能手機(jī)和PC，這些設(shè)備需要經(jīng)常性地定期充電。與IEEE 802.15.4和6LoWPAN技術(shù)相比，標(biāo)準(zhǔn)Wi-Fi使用的功率要大得多。而且，其低功耗型號(hào)對(duì)于低成本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言過于昂貴。

范圍和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

典型的IEEE 802.15.4鏈路的通信范圍很短（幾十米的數(shù)量級(jí)），因?yàn)樗璧膫鬏敼β孰S范圍呈指數(shù)增長(zhǎng)。為了在實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展的無線通信范圍的同時(shí)保持較低的功耗，網(wǎng)絡(luò)采用了多跳鏈接方案。多跳是一種技術(shù)，其中從嵌入式設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包被該節(jié)點(diǎn)重新傳輸?shù)较噜徳O(shè)備-重復(fù)此過程，直到消息到達(dá)其預(yù)期的最終目的地為止。（該技術(shù)基本上是Pony Express的電子等效項(xiàng)。）

通常，IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中有兩種類型的設(shè)備。全功能設(shè)備（FFD）可以充當(dāng)協(xié)調(diào)器，實(shí)現(xiàn)通用的通信模型，使其可以與無線網(wǎng)絡(luò)中的任何其他設(shè)備進(jìn)行通信。它還可以中繼數(shù)據(jù)包。另一方面，功能簡(jiǎn)化的設(shè)備（RFD）是極其簡(jiǎn)單的組件，具有有限的資源和通信需求。它只能與FFD對(duì)話。

FFD和RFD形成鏈接，從而創(chuàng)建了擴(kuò)展無線網(wǎng)絡(luò)范圍的集群。該網(wǎng)絡(luò)可以由單個(gè)群集組成，或者形成多個(gè)相鄰的網(wǎng)格可以擴(kuò)展其群集，如圖1（5）所示。網(wǎng)格劃分是通過源（FFD）和目標(biāo)設(shè)備（RFD或另一個(gè)FFD）之間的網(wǎng)絡(luò)上的多個(gè)躍點(diǎn)路由消息的能力。

數(shù)據(jù)吞吐量

IEEE 802.15.4鏈路在2.4 GHz頻段或在其他頻段20或40 kbps時(shí)可達(dá)到250 kbps的吞吐量。這些較低的費(fèi)率滿足了嵌入式無線設(shè)備的低功率運(yùn)行要求，這些要求必須通過容量有限的電池獲得多年的使用壽命。大多數(shù)此類低功耗設(shè)備（如遠(yuǎn)程傳感器等）都是RFD，它們應(yīng)用廉價(jià)，省電的微控制器連接到網(wǎng)絡(luò)。

瑞薩電子的示例解決方案

設(shè)計(jì)應(yīng)用IPv6網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并利用IEEE 802.15.4無線電鏈路的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的系統(tǒng)工程師需要消耗非常少功率的高性能MCU。RL78 MCU系列中的設(shè)備是此類應(yīng)用的最佳設(shè)計(jì)選擇。

該示例演示系統(tǒng)使用兩個(gè)帶有基于PMOD的無線電的RL78 / G14 RDK板。RDK和PMOD通過串行外圍接口（SPI）端口連接。每個(gè)RL78 / G14 RDK板都基于Contiki OS（8）運(yùn)行一個(gè)單獨(dú)的應(yīng)用程序。該軟件實(shí)現(xiàn)了用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）服務(wù)器和UDP客戶端，后者接受來自前者的請(qǐng)求。每個(gè)板都有一個(gè)單獨(dú)的MAC地址，用于在網(wǎng)絡(luò)中生成其IPv6地址。

此設(shè)置的簡(jiǎn)單配置如圖2所示。Linux機(jī)器與UDP服務(wù)器建立了串行線Internet協(xié)議（SLIP）連接，并在這些設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)了診斷和IPv6通信路徑。

如圖3所示，遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的IPv6地址為[aaaa：200：0：0：7]。當(dāng)本地節(jié)點(diǎn)接收到網(wǎng)頁(yè)請(qǐng)求時(shí)，它會(huì)檢查其路由表以確定是否具有RPL建立的地址為aaaa：200：0：0：7的路由。一旦確定了連接，將使用6LoWPAN技術(shù)封裝IPv6數(shù)據(jù)包，并將消息通過IEEE 802.15.4無線電鏈路發(fā)送到遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)。

然后，遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)處理該請(qǐng)求，并將網(wǎng)頁(yè)信息推送到Linux主機(jī)。有關(guān)此示例解決方案的更多信息，請(qǐng)聯(lián)系您的瑞薩銷售代表。

瑞薩通過提供許多具有低功耗選項(xiàng)的高性能MCU來推動(dòng)這一巨大市場(chǎng)領(lǐng)域的發(fā)展。本白皮書中描述的示例解決方案在兩個(gè)RL78 / G14 RDK板上運(yùn)行Contiki OS。它通過IPv6和6LoWPAN堆棧提供網(wǎng)頁(yè)，并通過IEEE 802.15.4無線電鏈路連接節(jié)點(diǎn)。

編輯：hfy