缺乏能夠在網狀網絡中連接無數物聯(lián)網設備的流行標準是有問題的。這就是歐洲公司和ST 合作伙伴計劃成員EMBETECH提出基于 6TiSCH 的網絡堆棧 embeNET 的原因。embeNET 用于嵌入式系統(tǒng)，使用 C 庫來優(yōu)化使用 Cortex 微控制器的設備之間的操作。該技術目前在遠程 32 位無線 MCU STM32WL上運行，但即將支持更多 ST MCU。開發(fā)人員只需使用 EMBETECH 開發(fā)的 API 即可利用網絡協(xié)議的各種功能。因此，團隊繞過高度復雜的實施問題，專注于創(chuàng)建原始且高效的基礎架構。

物聯(lián)網 （IoT） 中網狀網絡背后的挑戰(zhàn)

為什么能源效率和干擾存在問題？

在《物聯(lián)網：挑戰(zhàn)與機遇1 》一書中，Maria Palattella 等人。（2014） 2解釋工業(yè)網絡如何越來越多地轉向基于 IP 的技術。這一趨勢很受歡迎，因為它依賴于熟悉的概念，同時支持同一網絡上的許多設備。挑戰(zhàn)在于它必須適合低功耗設備，這意味著無線電不能總是打開。該標準還必須處理由于許多設備使用相同頻率進行無線通信而造成的干擾和衰落。答案是 IEEE802.15.4-2011 媒體訪問控制 （MAC） 協(xié)議，稱為時隙信道跳頻 （TSCH，發(fā)音為 Tish）。

什么是 TSCH？

顧名思義，TSCH 依賴于時間同步。該標準將“時隙”定義為一個時間單位。它的持續(xù)時間不是由標準設定的，因此可能會有所不同。在時隙中的特定時間，網絡會發(fā)送一個帶有定時成分的數據包，每個節(jié)點都會記錄它接收到該幀的時間。有了這些信息，所有設備都可以同步它們的網絡時鐘，從而補償任何潛在的漂移。借助計數器，每個設備還可以知道網絡經過了多少個時隙。稱為絕對時隙編號（ASN），它在每個時隙后遞增，使用一個五字節(jié)整數，因此可以持續(xù)數百年。

TSCH 的另一個主要組成部分與信道跳頻有關，這是一種使設備能夠切換無線頻率的機制。為了確保附近的節(jié)點使用相同的頻率并因此可以進行通信，該標準使用 ASN 來計算確定使用什么頻率的偏移量。由于所有節(jié)點都受益于緊密的時間同步并且都知道 ASN，因此信道跳變變得高度可靠。然而，在傳輸失敗的情況下，重傳將在不同的頻率上進行。實際上，該策略比以相同頻率重新發(fā)送相同數據包的成功機會更大。

為什么 TSCH 很重要？

使用時間同步意味著 TSCH 是一種確定性無線標準。傳輸準確無誤，這意味著微控制器知道何時打開無線電以及打開多長時間，從而節(jié)省大量能源。圍繞時間進行協(xié)調還可以防止節(jié)點丟失數據包。此外，信道跳頻允許使用所有可用于 sub-GHz 和 2.4 GHz 無線電的信道。因此，工程師可以使用許多設備而不會陷入一個通道，從而降低了干擾的風險。因此，TSCH 為大規(guī)模擴展操作打開了大門。

什么是 6TiSCH？

本質上，6TiSCH 是一個使用 IPv6 子網的 TSCH 網絡。由于該協(xié)議使用 128 位地址，因此公司可以為每個設備應用單個 IPv6 標識符，而不必擔心用完，即使在大型工業(yè)環(huán)境中也是如此。在幕后，6TiSCH 相當全面。它定義了如何路由和跟蹤數據包并實施服務質量以優(yōu)先考慮某些數據包以及安全功能等。簡而言之，IETF（互聯(lián)網工程任務組）構想了 6TiSCH 以應對廣泛的應用。無論是智慧城市、交通、建筑還是工廠，6TiSCH 旨在解決網狀網絡固有的挑戰(zhàn)。

embeNET，物聯(lián)網Mesh網絡民主化的解決方案

為什么 6TiSCH 仍然不是流行詞？

雖然 6TiSCH 解決了困擾物聯(lián)網設備網狀網絡的許多問題，但我們可以問為什么該技術尚未普及。畢竟，關于該主題的第一個 IETF 郵件列表可以追溯到 2013 年 1 月，而上面提到的 2014 年的書已經概述了該技術的優(yōu)勢和重要性。然而，許多工程師仍然不知道它的存在或沒有太多經驗。原因是雖然在學術上很吸引人，但 6TiSCH 在商業(yè)上很難實施。這就是 embeNET 試圖通過提供帶有 API 的整個網絡堆棧來解決的問題，以提高易用性。

embeNET 如何解決實施挑戰(zhàn)？

公司經常難以在微控制器上實現(xiàn) 6TiSCH 網絡堆棧。雖然 IETF 定義了針對低功耗設備的機制，但它不提供交鑰匙解決方案。因此，EMBETECH 采用了該技術并改進了調度功能，確保了工業(yè)環(huán)境中的穩(wěn)定性，并針對資源受限的設備優(yōu)化了網絡堆棧。啟用所有服務后，庫只需要 100 KB 的閃存。因此，作為示例，讓我們以 ?STM32WL 為例，它是第一個具有嵌入式多調制 LoRa 收發(fā)器的 MCU。在這種情況下，其 256 KB 的存儲空間足以存儲固件、更新機制和應用程序。

網絡堆棧還使用了 ST 的硬件功能。例如，它使用了 STM32WL 的 FSK/（G）FSK 調制功能，從而簡化了整體設計。同樣，該庫使用 ST 的加密核心及其真實數字生成器來加速加密操作。因此，embeNET 只能在一個 STM32WL 內核上運行。網絡堆?？梢栽谂c應用程序相同的 Arm? Cortex?-M4 上運行，而不會對性能產生負面影響。簡而言之，開發(fā)人員享有較高的優(yōu)化水平，并且可以在各種 STM32 MCU 上輕松重用他們的系統(tǒng)。例如，智能電表應用的基本網狀網絡每天發(fā)送一個數據包，可以使用 STM32WL 和 AA 電池，可持續(xù)使用大約十年。

審核編輯：郭婷