一种基于Thread的IPv6智能家居解决方案

('一种基于Thread的IPv6智能家居解决方案黄祥才;张志伟;彭意兵;何顶新【摘要】Thread是一种新兴的无线组网通信技术,专为家庭设备的连接所设计,不仅具有低速率、低功耗的技术特点,并在组网能力、可靠性、安全性以及IPv6支持方面具备突出优势,在智能家居领域有广泛的应用前景.本文将介绍该技术的特点,包括协议栈架构、组网方式,并应用Thread开源实现——OpenThread,提出一种基于IPv6的智能家居网络解决方案.【期刊名称】《单片机与嵌入式系统应用》【年(卷),期】2018(018)009【总页数】4页(P9-12)【关键词】Thread;OpenThread;智能家居;IPv6【作者】黄祥才;张志伟;彭意兵;何顶新【作者单位】华中科技大学自动化学院,武汉430074;华中科技大学自动化学院,武汉430074;华中科技大学自动化学院,武汉430074;华中科技大学自动化学院,武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TP393引言随着科学技术水平的不断提高，人们越来越追求高质量、快节奏、便捷舒适的生活方式，智能家居产业由此兴起，成为未来家居领域发展的必然趋势。无线通信技术是智能家居的关键技术，目前，智能家居领域应用的无线技术种类繁多，主流包括WiFi、蓝牙、ZigBee、Z-Wave等。而随着物联网技术的进一步发展，越来越多的无线通信标准被应用于智能家居，以满足复杂的实际需求。Thread是一种新兴的无线网络通信标准。2014年，Google旗下智能家居公司Nest主导创立了Thread联盟(ThreadGroup)。2015年7月，该联盟正式发布Thread1.0标准，Thread的设计主要面向家庭网络，具备低功耗、易于使用、安全可靠等优势。目前，SiliconLabs、Nordic等公司已经推出Thread网络解决方案，NordicnRF52840多协议SoC已通过Thread认证。在未来几年，基于Thread的无线通信产品和应用将会得到迅速的发展和普及。1Thread简介1.1主要技术特点Thread将WPAN技术和IPv6技术紧密结合，是一种基于IPv6的无线mesh网络标准，协议栈架构如图1所示。图1Thread协议栈架构Thread属于网络层协议，基于IEEE802.15.4的物理层和MAC层，以支持其低功耗特性。物理介质有限的传输能力决定了Thread目前只适用于传输速率不高的场合，最高速率为250kbps。通过6LoWPAN适配层支持IPv6网络层，使得Thread设备能够像互联网上任何一个联网设备一样，直接通过IP寻址实现主机间通信。Thread网络中有多种设备类型，主要包括边界路由器(BorderRouter,BR)、路由器(Router)以及终端设备(EndDevice)。Thread的网络拓扑结构如图2所示。图2Thread网络拓扑图边界路由器(BR)是一种具有连接Thread网络和外部网络(通常是互联网)功能的特殊路由器，负责在内外网络之间路由和转发IPv6包。路由器(Router)负责在Thread网络内部路由转发IPv6包，是mesh网络中的关键设备。通常，创建网络的第一个路由器被指定为Leader。Leader具备一定网络管理和决策能力，如响应路由器请求、管理路由器ID分配等。路由器一般不支持低功耗模式，始终处于正常工作状态，因此会消耗更多的电量。网络中大多数的设备都将作为终端设备(EndDevice)运行。由于它们没有路由转发能力，启动之后必须寻找一个最合适的路由器作为自己的父节点(Parents)，始终通过父节点路由转发数据包。为了降低功耗，终端设备大多数时间处于睡眠状态，从而大大延长电池寿命。还有一类本身具备路由能力的设备，但由于某些条件限制，如网络中路由器数量达到了上限(32个)，暂时作为终端设备运行的特殊节点(Router-EligibleEndDevices,REED)。在必要时，它们能主动向Leader发出申请，转换为路由器设备。Thread的技术特点突出，尤其在操作便捷性、网络鲁棒性、安全性，以及支持IPv6的优势，更加适用于智能家居、智能楼宇等应用场景。此外，Thread淡化了与其他无线标准的对立性，更具开放性、包容性。Thread没有定义应用层，侧重于能让广泛物联网解决方案互通的网络层设计，可为不同的应用层协议协同工作提供网络层支持。开放性和包容性将帮助Thread快速发展壮大，提升影响力。1.2OpenThread简介OpenThread是Thread协议目前唯一的开源实现。2016年，由谷歌Nest主导，在Github发起OpenThread项目，代码完全开源。采用C/C++语言开发，为开发者提供独立于硬件和操作系统的API接口，协议栈架构如图3所示。图3OpenThread协议栈OpenThread提供平台抽象层，大大降低了移植难度。项目组建议移植平台至少应该具备的硬件资源包括IEEE802.15.42.4GHz射频模组、精度可达毫秒级的定时器、非易失性存储器(以保存网络配置信息)，以及真随机数产生器(TrueRandomNumberGenerator,TRNG)。此外，官方还提供了Thread网络解决方案的参考设计，以及OpenThread边界路由器(OpenThreadBorderRouter,OTBR)的实现。2基于IPv6的智能家居混合网络解决方案2.1系统架构在智能家居的应用场景中，网络设备的功能多样，不同的设备对网络传输速率和通信质量有着不同的要求。实际上，不可能用单一的网络技术就实现所有设备的互联，多种无线技术相互融合、优劣互补，才能满足复杂多样的设备联网需求。WiFi是当今使用最广的一种无线通信技术，传输距离长、速率高，但对于嵌入式设备来说功耗太大、组网能力太弱，更适用于PC、智能手机等设备的联网。Thread网络传输速率有限，更适合用于数量较多，但传输数据量小、传输速率低的传感设备以及部分家电的联网。因此，本文结合WiFi、Thread等多种IP网络技术，实现WiFi网络、Thread网络和互联网基于IPv6层互联的智能家居混合网络。网络系统架构如图4所示。图4基于IPv6的智能家居混合网络系统架构网络系统的核心是一个多协议栈家庭路由器，负责连接家庭网络与远程互联网。本文基于树莓派3代B型(RaspberryPi3B)和OpenWRT(LEDE分支)路由器操作系统实现家庭路由器。树莓派3B板载了一个无线网卡和多个USB接口，但只有一个以太网口，可通过USB口扩展更多的以太网接口。本文使用的是CE-LINK的USB2.0转百兆网卡，该产品集成RTL8152芯片，接口类型为RJ45网口。LEDE软件源中已有该芯片的驱动程序，通过opkg命令安装相应驱动即可使用。安装OpenWRT之后，还需要对路由器做相应的配置。如图4所示，配置以太网口0作为外网口，将该网口的地址配置为从互联网服务提供商(InternetServiceProvider,ISP)获得的全球唯一IPv6单播地址(GlobalUnicastAddress,GUA)，即可访问IPv6公网；配置无线网卡为无线AP建立WiFi网络，对通信速率要求较高的网络设备(如手机、PC)，可通过WiFi连入家庭网络；以太网口1连接Thread路由器，通过它连接Thread网络和家庭网络。无线网口和以太网口1都属于路由器内网口，可通过创建一个虚拟网桥相互连接，使用DHCPv6方式为家庭路由器的各个内网口自动配置IPv6地址。Thread路由器具备路由转发功能和IPv6地址配置机制，连入家庭网络之后，Thread网络中的所有节点都能够获取到IPv6全球唯一的单播地址(GUA)，或者是IPv6本地唯一单播地址(UniqueLocalIPv6UnicastAddress,ULA)，ULA地址只能用于本地局域网通信，具有固定前缀FD00::/8，功能类似于IPv4局域网地址192.168.x.x。而使用GUA地址，Thread网络设备可以直接和互联网中的IPv6主机进行双向通信。由于Thread网络中IPv6地址配置方式为无状态地址自动配置(StatelessAddressAuto-Configuration,SLAAC)，Thread节点利用一个可用的64位地址前缀和64位的接口ID，可自动生成IPv6地址，无需用户配置。假如Thread路由器从家庭路由器中分配得到的GUA地址为2000:1234:7c34:4::1/62，它将检测到该地址(前缀位数必须少于64位)，并为Thread网络继续划分出64位的子网前缀，如2000:1234:7c34:5::1/64，并将该前缀在Thread网络中广播。Thread网络设备即可利用该地址前缀自动生成一个GUA地址。2.2Thread网络解决方案2.2.1硬件设计Thread网络解决方案的硬件总体架构如图5所示。图5Thread网络解决方案硬件架构图Thread节点和网络协处理器(NetworkCo-Processer,NCP)都采用主控外接射频模块的双芯片方案。主控芯片采用NXP的K64芯片(或是其他支持ARMMbedOS的硬件平台)，通过SPI串行总线连接MRF24J40MA射频集成模块，由其内置的MRF24J40射频芯片提供物理层和MAC层支持。MRF24J40MA是符合2.4GHzIEEE标准802.15.4的集成模块，集成晶振、内置稳压器、匹配电路和PCB天线。该模块基于Microchip的MRF24J40IEEE802.15.42.4GHz射频收发芯片，通过四线制SPI接口与主控制器通信。采用该模块可免去大量的RF、天线设计，以及合规性测试工作，上手简单，可大大缩短产品开发时间。MRF24J40MA射频模块如图6所示。图6MRF24J40MA射频模块边界路由器同样采样树莓派3B搭建原型，通过USB接口连接网络协处理器，通过板载以太网口连接家庭路由器，无需额外扩展网络接口。2.2.2软件设计Thread节点和网络协处理器的软件设计基于ARMMbed软件开发平台，应用其开源嵌入式实时操作系统CMSIS-RTOS(即ARMMbedOS)，移植OpenThread协议栈和MRF24J40MA射频模块驱动程序。ARMMbedOS是ARM公司专为基于ARMCortex-M处理器所设计的开源嵌入式实时操作系统，可运行在所有Cortex-M系列的产品上，配置灵活、可裁剪，最小内存需求低至8KB。选用MbedOS的最主要原因是其具有强大的跨平台特性以及强大的开发者生态。MbedOS目前支持60多家经过认证的硬件方案，包括100多种开发板和400多个元件库，涵盖了市面上主流的芯片厂商；Mbed开发者社区拥有数量庞大的注册用户，通过社区、Github等开源平台共享源代码。借助MbedOS开发者可以利用社区资源快速地开发产品原型，并可直接运行在不同的硬件平台上，避免了因更换硬件导致大量的移植和开发工作。除了包含RTOS，MbedOS还集成了物联网设备开发所需要的各种组件，涵盖设备安全、设备管理、通信、端云互联的功能组件，如各类网络协议、文件系统、事件管理框架，帮助开发者从嵌入式终端到云端再到用户端快速构建IoT应用。本文主要做了两方面工作：首先移植MRF24J40MA射频驱动，以及OpenThread协议栈，适配MbedOS；其次为OpenThread提供封装程度更高、抽象性更好的C++类及其接口(OpenThreadInterface和UDPSocket)，最大程度屏蔽底层细节，方便开发者进行二次开发。完成OpenThread协议栈移植后，ARMMbedOS架构如图7所示。图7OpenThread+ARMMbedOS架构图Thread路由器由网络协处理器(NCP)和边界路由器(BR)组成。网络协处理器负责在Thread网络和边界路由器之间传递数据，提供Thread网络连接性。网络协处理器与Thread节点具有完全相同的硬件结构，可由OpenThread的宏定义配置其节点类型是作为网络协处理器还是Thread节点运行。边界路由器(BR)可基于Nordic官方提供的边界路由器(NordicThreadBorderRouter,NBR)解决方案进行二次开发。NBR的软件架构示意图如图8所示。图8边界路由器软件架构示意图NBR是基于OpenWRT开发的路由器系统，内置LuCI配置面板，以及nat64、dns、wpantund等网络组件，可通过WiFi、Ethernet连接到家庭路由器，并提供DHCP和DHCPv6服务，是互联网与Thread网络之间IPv6数据包中转站。wpantund是NBR的关键组件，由OpenThread项目组开发，它集成了spinel、Dbus、wpanctl等功能组件，为NCP提供一个虚拟的本地IPv6网络接口。spinel组件实现了spinel协议，用于和网络协处理器基于串口或者SPI通信；Dbus的作用是连接spinel和边界路由器中的其他组件；wpanctl提供了对wpantund的各种命令行控制指令，涵盖组网、配置、查看网络参数和网络状态等功能，可帮助开发者快速配置和调试Thread网络。结语物联网技术的快速发展推动智能家居加速普及，人们将逐渐地体验到智能家居带来的更智能化的生活方式。无线通信技术作为智慧家庭的关键技术，近年来发展势头迅猛，已然成为当今的研究热点。Thread无线网络技术具有低功耗、高安全性、高可靠性、支持IPv6、操作简单且维护成本低等技术优势，应用前景广被看好。Thread将助力IPv6网络技术在物联网领域的部署和应用，推动智能家居加速发展和普及，并吸引广大开发者将其扩展到更多的应用领域。参考文献黄祥才(硕士研究生)，研究方向为嵌入式系统、物联网、人工智能；张志伟(硕士研究生)，研究方向为嵌入式系统、IPv6网络；彭意兵(硕士研究生)，研究方向为嵌入式系统安全；何顶新(副教授)，研究方向为计算机控制技术、嵌入式系统等。【相关文献】[1]ThreadGroupInc.Threadspecification1.1.1,2017.[2]OTroan,RDroms.IPv6PrefixOptionsforDynamicHostConfigurationProtocol(DHCP)version6,2003.[3]RDroms,Ed.DynamicHostConfigurationProtocolforIPv6(DHCPv6),2003.[4]SallyWard-Foxton.Thread网络协议使得智能家居应用如虎添翼[J].中国电子商情:基础电子,2017(8):41-43.[5]NordicSemiconduct推出Thread网络解决方案[J].单片机与嵌入式系统应用,2017(6):87.[6]杨雷,王鹏,林开伟.Thread技术与电梯物联网[J].物联网技术,2016(3):89-92.[7]史明.全IP物联网网络融合技术研究[D].淮南:安徽理工大学,2012.',)