曩昔15年来，科技公司不断探究为无线感测器网路和其他需求运用网际网路的可衔接设备开发运用网际网路协议(IP)的软体处理方案。近几年，所呈现最可行的IP软体处理方案之一，是2013年3月由ZigBee联盟发布的ZigBee IP标准。ZigBee IP是第一个针对根据网际网路通讯协议第六版(IPv6)的全无线网状网路处理方案的敞开标准，它为操控低功耗、低成本设备供给无缝网际网路衔接，并可在单一操控网路中衔接几十种不同的设备。
ZigBee IP规划首要在援助ZigBee Smart Energy IP协议堆叠。本文讨论无线感测器网路IP处理方案的演化，以及新ZigBee Smart Energy IP协议堆叠的运用。
感测器网路首重低功耗规划
自20世纪90年代后期，感测器网路现已成为研讨和试验的首要课题，其选用可搜集和发送材料的细小才智设备去进步结构性监督、增强动力功率或添加作物产值的网路运用远景已毋须多说。建构感测器网路的根本技能包括：
• 低功耗和高效无线电技能
让典型设备具有几年的电池寿数，并为无法透过电池或主电源供电的其他设备供给动力搜集的功用。
• 牢靠的网状网路和协议
用以完结无人值勤的长时刻运转。
• 适宜的运用协议
答应设备之间透过约好的材料格局进行资讯交流，援助自主运转。
2003年发布的IEEE 802.15.4标准以及2004年呈现的满意标准要求的商用无线电收发器，为低功耗无线通讯供给根底。从那时起，IEEE标准现已在2006、2011年得到扩展和改善。跟着15.4e和15.4g修订版别的发布，商用无线电收发器供货商现已成功下降他们射频(RF)元件近一半功耗，并预期鄙人一代元件呈现时功率可再次折半。
牢靠的网路通讯协议开发和效能验证需求较长的时刻。私有网状网路通讯协议堆叠，例如EmberZNet或许来自Berkeley的TinyOS，现已发布相容15.4标准的无线晶片。尽管这些协议堆叠被运用并得到进一步开发，可是商场的生长和扩张依靠根据标准处理方案去完结互通性，以及是否能够从多个收购管道取得选用该技能的公司产品。ZigBee联盟是最近几年为无线网状网路供给标准处理方案的少量安排之一。
运用协议是网状网路中终究被开发的专案。这些协议依靠一起的言语，使来自不同制作商的设备能够进行无缝通讯。在设备之间开发一种共用言语，须竞争对手之间相互协作并到达共同的材料传递协议和行为。关于产品相互依靠的公司，例如出产灯具产品的公司和出产调光器和开关的公司，自在商场机制可促进运用协议的到达。可是，在其他范畴，例如家居自动化或商业楼宇，自在商场机制或许无法到达促进竞争对手协同作业、共同运用协议的意图。
ZigBee PRO进步牢靠/互通性
ZigBee标准开发是感测器网路和楼宇自动化商场扩展的一部分。在21世纪初，ZigBee联盟一向专心于开发网状网路的标准、安全性和运用协议。ZigBee联盟成员和布置的安稳生长带来协议和牢靠性的进步，终究推进2007年ZigBee PRO标准和2008年Smart Energy Profile发布。Smart Energy商场要求设备具有牢靠性和互通性，这是由于制作和布置电表的公司期望能够与家庭中的其他设备进行通讯，但他们并不想具有或保护家中的这些设备。只要在标准路由和运用协议以及牢靠安全性方面到达共同，才干实在成为一个能够承受的处理方案。
ZigBee PRO是针对设备之间的通讯来开发和最佳化。该协议从IEEE 802.15.4 MAC/PHY(ZigBee网路和服务层)开端进行标准化，一向到整个运用层。相关设备能够参加网路，与其他设备配对，并可在没有体系办理员或网路体系办理员人工干预下运转。协议和材料传递特别针对小型材料(由于15.4仅援助最大127个位元组的封包)和电池供电的设备进行最佳化，这使得业界更能完结无所不在的感测和操控网路。具有成百上千设备的网路现已被成功布置并继续运转。这些网路中规划较大的，包括坐落瑞典哥德堡的计量回程网路，其包括275，000个设备，以及坐落拉斯维加斯Aria酒店的室内自动化和操控体系，其包括75，000多个ZigBee PRO设备。跟着这些网路的成功布置，ZigBee技能现已完结援助大规划感测和操控网路牢靠运转且无需人工干预或援助的方针。
跟着网路运用的扩展，更广泛的网际网路衔接成为一些公司开发网状网路处理方案的重要方针。可是，ZigBee PRO网路并非针对Web服务或网际网路通讯而最佳化。现有的定址和协议不能与运用中的IP标准相匹配，所以为供电受限和小记忆体设备而最佳化规划的通讯和解码协议，将不得不为在Web页面或才智手机上显现材料而进行转化。才智闸道的开发是为供给其衔接和转化，可是任何时候当一个新的设备或许标准被开宣布来，这些才智闸道就有必要晋级。
满意感测器网路运用需求 IETF发布6LoWPAN标准
在ZigBee联盟开展的一起，网际网路工程使命组(IETF)建立若干作业组，以评价这些感测和操控网路。跟着网际网路通讯协议第四版(IPv4)位址的快速耗尽，IPv6定址结合其他现有IP协议关于低功耗感测和操控网路来说似乎是一个天然的合理挑选。可是，现有IP协议一般根据更长的封包巨细和更高数据速率网路，这促进人们开端重视如安在15.4网路上运转标准IP协议。许多公司注意到这个问题并要求IETF开端调整IETF协议，以使它们适宜低功耗感测和操控网路。
关于IPv6，首要使命是处理封包巨细问题。IPv6设备有必要援助最低为1，280位元组的封包，可是15.4网路只能供给最多127个位元组的封包。此外，运用较大的封包对那些电池供电的设备有直接的影响。因而IETF建立了一个作业组，并于2007年发布6LoWPAN标准(RFC 4944)。该标准为完结在15.4网路上传输IP封包供给一些重要服务。最重要的是，它紧缩IP封包头部以防止在15.4子网上发送不需求的重复资讯。它也为不适宜在单个15.4封包中传输的IP封包供给了十分高效的分段和重组机制。该标准并未处理网路牢靠性和运用协议的需求，可是它完结在15.4设备上成功传输IP封包的重要一步。
IETF也发动一个作业组为低功耗和损耗网路(Lossy Network)评价适宜的路由式通讯协议，使之能够用于感测器和操控网路。评价结果是现有IETF协议不适宜这些网路，需求开发新的协议(见Draft-ietf-roll-protocols-survey-07)。根据这个定论，IETF ROLL作业组在2012年头以RFC6550方式发布RPL。RPL为这些低功耗网路供给根本的路由服务。其他标准IP协议(例如运用者材料元协议(UDP)和传输操控协议(TCP))材料能够在802.15.4网路上运转而毋须任何修正。运用传输层安全性(TLS)或材料包传输层安全性(DTLS)的安全机制也现已被发布。IETF现在现已具有用于感测和操控网路的根本协议，可是运用协议也是必要的，以便答应设备之间进行通讯。
在开发Smart Energy 2协议过程中，ZigBee联盟与Wi-Fi和HomePlug联盟进行协作，该协议规划首要在援助多种实体层，包括802.15.4、Wi-Fi和电力线通讯(PLC)，它运用6LoWPAN和RPL做为标准运用协议，可用于动力计量、消费、定价、涣散式生成与操控。Smart Energy 2标准于2013年发布，现已为低功耗感测和操控网路运转制定一整套包括运用层在内的根据IP的协议。 ZigBee IP用以验证互通性
在IETF为15.4网路开发标准协议的一起，归于ZigBee联盟成员的公司以为需求开发一套根据ZigBee的IP协议堆叠，以合作IETF的尽力，并开宣布更具体和清晰的标准。别的，ZigBee IP协议堆叠将能够供给一种测验和认证机制以验证设备之间的互通性。IEEE或IETF开发的标准一般包括许多可选的行为和功用。这些选项供给可扩展性，并或许会在某些标准用途上运用到。
可是，一切选项的实施将带来更大的代码量和复杂度，终究或许导致设备之间的互通性问题。ZigBee IP标准运用和参阅IEEE和IETF的标准，可是清晰界说运用到的特定选项。行为和安全项目也愈加清晰具体，因而设备的最小行为功用能够确认。
ZigBee联盟在2008年开端根据IP的Smart Energy协议堆叠的开发，进行一系列测验活动以验证标准、测验完结，并保证完结初始堆叠的互通性。2013年头发布ZigBee Smart Energy IP协议堆叠，现在能够从包括Silicon Labs(Ember ZigBee硬体和软体处理方案供给商)在内的多个公司取得。
ZigBee Smart Energy IP协议堆叠规则需求对6LoWPAN封包头进行紧缩和分段。RPL路由选用非贮存形式，网路路由到一个集中器，集中器运用源路由资讯发送封包到网路中的设备。标准服务发现选用mDNS协议完结，因而设备能够发现网路中其他设备上相应的服务。MAC级的安全来自15.4，运用级的安万能被用于加密封包负载。网路存取身分验证(PANA)协议用于网路的存取操控，运用安全运用TLS1.2和椭圆曲线加密。运用中可运用UDP和TCP封包协议。
ZigBee Smart Energy IP协议堆叠，是第一个根据标准发布的，它结合IEEE和IETF的相关标准构成一套由很多公司和晶片供货商援助的可认证和可交互操作的标准。在标准发布后，现已有五家公司完结协议堆叠认证。
运用ZigBee IP的设备根底
ZigBee Smart Energy IP和ZigBee Smart Energy 2运用标准现在现已能够用于低成本和低功耗15.4无线设备，这些设备一般具有整合的微操控器(MCU)、256KB Flash和32KB RAM。半导体公司供给一个根底，设备制作商对这个根底进行客制化，为他们的设备添加自己特定的运用行为。下面是一些Smart Energy设备中运用ZigBee IP时的常见挑选，包括设备援助的功用集(计量、需求回应、材料传递等)、安全等级、功用集的URI结构、材料的存取行为、运用XML材料或运用EXI进行紧缩、对事情或反常的处理。
这些规划挑选终究发生对运用中ZigBee Smart Energy IP协议堆叠的一个装备。然后，为了完结整个设备，有必要供给客户特别的运用行为和材料。例如，尽管半导体供货商的根底将为电表耗费材料供给音讯和材料结构，可是开发人员有必要运用来自特定设备的实在电表材料填充这些材料结构，由于关于每一个供货商来说材料贮存和办理技能是多变的。
一旦开发人员在根底上进行根本的挑选，代码就能够被编译、下载，并运用桌面东西和网路侦错器(例如Silicon Labs的Ember AppBuilder和Desktop Network Analyzer)进行除错。这些东西既能供给特定设备行为检视图，也能追寻网路上的封包，并保证适宜的传输和回应。
ZigBee IP与感测器和操控网路
ZigBee Smart Energy IP协议堆叠的规划方针是为援助多达三十个设备的才智动力供给牢靠的小型家居网路。进一步最佳化方向包括扩展至数百或数千台设备的网路和进步电池寿数。
Smart Energy 2运用标准包括ZigBee IP协议堆叠的运用。由于这种运用需求与网际网路伺服器和服务进行通讯，因而Smart Energy 2也选用TCP和超文字传输协议(HTTP)。这些协议现已在网际网路上运转几10年，可是面对来自低功耗设备电池寿数的应战，其具有更大的封包尺度，而且需求坚持继续衔接。某些最佳化很简单，例如运用UDP替代TCP，选用束缚运用协议(CoAP)替代HTTP去削减材料担负。
感测器网路一般是大型材料搜集网路，透过RPL路由到中心节点是适宜的。可是，操控网路也有常常很多点对点材料传输的需求，因而须进一步作业来最佳化路由。此外，许多涣散式网路需求更高的牢靠性，因而，不期望呈现单点故障，例如安全伺服器或RPL中心节点。因而，这种网路架构需求运用更多涣散式体系，而不是现在这些援助的协议。
感测器一般也包括很多电池供电的设备。加长电池寿数的最佳化协议需求更短封包并尽量削减音讯发送的频率，这一般意味着搭载XML的TCP和HTTP不适宜做为候选协议。运用新格局的紧缩封包头(例如CoAP)是一种更适宜电池供电型设备的好办法。
经由最佳化，咱们能够扩展现有的ZigBee Smart Energy IP协议堆叠，以构成更大的感测器网路。减小封包巨细和添加可用频宽而取得的电池寿数最佳化，终究有益于感测器网路的可扩展性和牢靠性。
