基于IEEE 802.15.6和6LoWPAN上的iPv6技术设计网状网络

本白皮书介绍了使用IEEE 802.15.6和6LoWPAN上的iPv6技术设计网状网络，该技术在IEEE 802.15.4和iPv6之间增加了适配层。本文介绍了一款瑞萨电子RL78系列微控制器，用于实际演示，并提供当今可用的组件。

抽象的

如今，无处不在的Internet拥有14亿用户。它将大量不同的网络和应用程序连接在一起，从而实现了新的业务模型，提高了运营利润，并以无数种方式降低了成本。但是直到几年前，Internet协议（IP）才被认为不适用于无线传感器网络。从那时起，电子技术得到了发展，标准链接协议已经出现，并且IP技术已经发展到现在可以实现并且非常实用的无线嵌入式Internet的地步。

介绍

物联网涵盖了所有本机启用IP并已连接Internet的嵌入式设备和网络。一旦它们的输出和控件可以在Internet上访问，就为新的应用程序和商机打开了无限的可能性，其中包括：

• 家庭和楼宇自动化系统
• 医疗保健自动化和物流系统
• 智能会议和智能网格基础设施
• 提高能源效率的设备
• 实时环境监控设备
• 工业自动化系统
• 车辆管理功能
• 设施管理系统

现在在这些应用程序中应用的某些嵌入式设备将继续使用有线通信连接。但是，越来越多的网络将通过无线链接实现连接。这种趋势正在迅速增长，并将在未来加速。设施管理区是该班次的例证。它结合了楼宇自动化，资产管理，环境控制和涉及无数嵌入式系统的其他活动。设施管理的大多数活动和功能都是移动的，这使得无线连接成为一种实现的必要性。

需求与问题

所有这些节点将做什么？仔细研究设施管理示例可以深入了解所涉及的多样性。此应用程序有很多部分。其中包括门禁控制，楼宇自动化，跟踪，节能，维护和智能计量。如下所述：

• 门禁控制
• 楼宇自动化
• 追踪
• 节能降耗
• 维护
• 智能计量

无论设施是学校，会议中心，购物中心，医院，工厂还是其他设施，嵌入式控制系统元素对于执行上述任务和过程都是必不可少的。特别地，这些电子设备中的许多电子设备需要通过无线网络互连的低功率嵌入式设备。幸运的是，存在满足这些需求的出色解决方案：使用IPv6网络协议和IEEE 802.15.4无线电链路的系统设计和安装。

设计注意事项和权衡

在为诸如设施管理之类的应用构建无线嵌入式Internet设备和系统时，系统工程师必须考虑众多设计注意事项和权衡取舍。这里是其中的一些。

低功耗

设计的主要考虑因素之一是低功耗。尽管Wi-Fi（IEEE 802.11b / g / n）技术已侵入无线嵌入式应用程序，但它主要用于智能手机和PC，这些设备需要经常性地定期充电。与IEEE 802.15.4和6LoWPAN技术相比，标准Wi-Fi使用的功率要大得多。而且，其低功耗型号对于低成本无线传感器网络而言过于昂贵。

范围和网状网络

典型的IEEE 802.15.4链路的通信范围很短（几十米的数量级），因为所需的传输功率随范围呈指数增长。为了在实现扩展的无线通信范围的同时保持较低的功耗，网络采用了多跳链接方案。多跳是一种技术，其中从嵌入式设备传输的数据包被该节点重新传输到相邻设备-重复此过程，直到消息到达其预期的最终目的地为止。（该技术基本上是Pony Express的电子等效项。）

通常，IEEE 802.15.4网络中有两种类型的设备。全功能设备（FFD）可以充当协调器，实现通用的通信模型，使其可以与无线网络中的任何其他设备进行通信。它还可以中继数据包。另一方面，功能简化的设备（RFD）是极其简单的组件，具有有限的资源和通信需求。它只能与FFD对话。

FFD和RFD形成链接，从而创建了扩展无线网络范围的集群。该网络可以由单个群集组成，或者形成多个相邻的网格可以扩展其群集，如图1（5）所示。网格划分是通过源（FFD）和目标设备（RFD或另一个FFD）之间的网络上的多个跃点路由消息的能力。

数据吞吐量

IEEE 802.15.4链路在2.4 GHz频段或在其他频段20或40 kbps时可达到250 kbps的吞吐量。这些较低的费率满足了嵌入式无线设备的低功率运行要求，这些要求必须通过容量有限的电池获得多年的使用寿命。大多数此类低功耗设备（如远程传感器等）都是RFD，它们应用廉价，省电的微控制器连接到网络。

瑞萨电子的示例解决方案

设计应用IPv6网络协议并利用IEEE 802.15.4无线电链路的无线网络产品的系统工程师需要消耗非常少功率的高性能MCU。RL78 MCU系列中的设备是此类应用的最佳设计选择。

该示例演示系统使用两个带有基于PMOD的无线电的RL78 / G14 RDK板。RDK和PMOD通过串行外围接口（SPI）端口连接。每个RL78 / G14 RDK板都基于Contiki OS（8）运行一个单独的应用程序。该软件实现了用户数据报协议（UDP）服务器和UDP客户端，后者接受来自前者的请求。每个板都有一个单独的MAC地址，用于在网络中生成其IPv6地址。

此设置的简单配置如图2所示。Linux机器与UDP服务器建立了串行线Internet协议（SLIP）连接，并在这些设备之间实现了诊断和IPv6通信路径。

如图3所示，远程节点的IPv6地址为[aaaa：200：0：0：7]。当本地节点接收到网页请求时，它会检查其路由表以确定是否具有RPL建立的地址为aaaa：200：0：0：7的路由。一旦确定了连接，将使用6LoWPAN技术封装IPv6数据包，并将消息通过IEEE 802.15.4无线电链路发送到远程节点。

然后，远程节点处理该请求，并将网页信息推送到Linux主机。有关此示例解决方案的更多信息，请联系您的瑞萨销售代表。

瑞萨通过提供许多具有低功耗选项的高性能MCU来推动这一巨大市场领域的发展。本白皮书中描述的示例解决方案在两个RL78 / G14 RDK板上运行Contiki OS。它通过IPv6和6LoWPAN堆栈提供网页，并通过IEEE 802.15.4无线电链路连接节点。

编辑：hfy