過去15年來，科技公司不斷探索為無線感測器網路和其他須要利用網際網路的可連接設備開發使用網際網路協定（IP）的軟體解決方案。近幾年，所出現最可行的IP軟體解決方案之一，是2013年3月由ZigBee聯盟發布的ZigBee IP規范。ZigBee IP是第一個針對基于網際網路通訊協定第六版（IPv6）的全無線網狀網路解決方案的開放標準，它為控制低功耗、低成本設備提供無縫網際網路連結，并可在單一控制網路中連結幾十種不同的設備。

　　ZigBee IP設計主要在支援ZigBee Smart Energy IP協定堆疊。本文探討無線感測器網路IP解決方案的演變，以及新ZigBee Smart Energy IP協定堆疊的使用。

　　感測器網路首重低功耗設計

　　自20世紀90年代后期，感測器網路已經成為研究和實驗的主要課題，其采用可收集和發送資料的微小智慧設備去提升結構性監視、增強能源效率或增加作物產量的網路應用前景已毋須多說。建構感測器網路的基本技術包括：

　　?　低功耗和高效無線電技術

　　讓典型設備具有幾年的電池壽命，并為無法透過電池或主電源供電的其他設備提供能源收集的功能。

　　?　可靠的網狀網路和協定

　　用以實現無人值班的長期運行。

　　?　合適的應用協定

　　允許設備之間透過約定的資料格式進行資訊交換，支援自主運行。

　　2003年發布的IEEE 802.15.4標準以及2004年出現的滿足標準要求的商用無線電收發器，為低功耗無線通訊提供基礎。從那時起，IEEE標準已經在2006、2011年得到擴展和改進。隨著15.4e和15.4g修訂版本的發布，商用無線電收發器供應商已經成功降低他們射頻（RF）元件近一半功耗，并預期在下一代元件出現時功率可再次減半。

　　可靠的網路通訊協定開發和效能驗證須要較長的時間。私有網狀網路通訊協定堆疊，例如EmberZNet或者來自Berkeley的TinyOS，已經發布相容15.4標準的無線晶片。雖然這些協定堆疊被使用并得到進一步開發，但是市場的成長和擴張依賴基于標準解決方案去實現互通性，以及是否可以從多個采購管道獲得采用該技術的公司產品。ZigBee聯盟是最近幾年為無線網狀網路提供標準解決方案的少數組織之一。

　　應用協定是網狀網路中最后被開發的專案。這些協定依賴共同的語言，使來自不同制造商的設備可以進行無縫通訊。在設備之間開發一種公用語言，須競爭對手之間相互合作并達成一致的資料傳遞協定和行為。對于產品相互依賴的公司，例如生產燈具產品的公司和生產調光器和開關的公司，自由市場機制可促進應用協定的達成。然而，在其他領域，例如家居自動化或商業樓宇，自由市場機制可能無法達到促進競爭對手協同工作、統一應用協定的目的。

　　ZigBee PRO提升可靠/互通性

　　ZigBee標準開發是感測器網路和樓宇自動化市場擴展的一部分。在21世紀初，ZigBee聯盟一直專注于開發網狀網路的標準、安全性和應用協定。ZigBee聯盟成員和部署的穩定成長帶來協定和可靠性的提升，最終推動2007年ZigBee PRO規范和2008年Smart Energy Profile發布。Smart Energy市場要求設備具有可靠性和互通性，這是因為制造和部署電表的公司希望能夠與家庭中的其他設備進行通訊，但他們并不想擁有或維護家中的這些設備。只有在標準路由和應用協定以及可靠安全性方面達成一致，才能真正成為一個可以接受的解決方案。

　　ZigBee PRO是針對設備之間的通訊來開發和最佳化。該協定從IEEE 802.15.4 MAC/PHY（ZigBee網路和服務層）開始進行標準化，一直到整個應用層。相關設備能夠加入網路，與其他設備配對，并可在沒有系統管理員或網路系統管理員人工干預下運行。協定和資料傳遞特別針對小型資料（因為15.4僅支援最大127個位元組的封包）和電池供電的設備進行最佳化，這使得業界更能實現無所不在的感測和控制網路。擁有成百上千設備的網路已經被成功部署并持續運行。這些網路中規模較大的，包括位于瑞典哥德堡的計量回程網路，其包含275，000個設備，以及位于拉斯維加斯Aria酒店的室內自動化和控制系統，其包含75，000多個ZigBee PRO設備。隨著這些網路的成功部署，ZigBee技術已經實現支援大規模感測和控制網路可靠運行且無需人工干預或支援的目標。

　　隨著網路應用的擴展，更廣泛的網際網路連結成為一些公司開發網狀網路解決方案的重要目標。然而，ZigBee PRO網路并非針對Web服務或網際網路通訊而最佳化。現有的定址和協定不能與使用中的IP標準相匹配，所以為供電受限和小記憶體設備而最佳化設計的通訊和解碼協定，將不得不為在Web頁面或智慧手機上顯示資料而進行轉換。智慧閘道的開發是為提供其連結和轉換，但是任何時候當一個新的設備或者標準被開發出來，這些智慧閘道就必須升級。

　　滿足感測器網路應用需求　IETF發布6LoWPAN標準

　　在ZigBee聯盟發展的同時，網際網路工程任務組（IETF）成立若干工作組，以評估這些感測和控制網路。隨著網際網路通訊協定第四版（IPv4）位址的快速耗盡，IPv6定址結合其他現有IP協定對于低功耗感測和控制網路來說似乎是一個自然的合理選擇。然而，現有IP協定通常基于更長的封包大小和更高數據速率網路，這促使人們開始關注如何在15.4網路上運行標準IP協定。許多公司注意到這個問題并要求IETF開始調整IETF協定，以使它們適合低功耗感測和控制網路。

　　對于IPv6，首要任務是解決封包大小問題。IPv6設備必須支援最低為1，280位元組的封包，但是15.4網路只能提供最多127個位元組的封包。此外，使用較大的封包對那些電池供電的設備有直接的影響。因此IETF成立了一個工作組，并于2007年發布6LoWPAN標準（RFC 4944）。該標準為實現在15.4網路上傳輸IP封包提供一些重要服務。最重要的是，它壓縮IP封包頭部以避免在15.4子網上發送不需要的重復資訊。它也為不適合在單個15.4封包中傳輸的IP封包提供了非常高效的分段和重組機制。該標準并未解決網路可靠性和應用協定的需求，但是它實現在15.4設備上成功傳輸IP封包的重要一步。

　　IETF也啟動一個工作組為低功耗和損耗網路（Lossy Network）評估合適的路由式通訊協定，使之能夠用于感測器和控制網路。評估結果是現有IETF協定不適合這些網路，須要開發新的協定（見Draft-ietf-roll-protocols-survey-07）。基于這個結論，IETF ROLL工作組在2012年初以RFC6550形式發布RPL。RPL為這些低功耗網路提供基本的路由服務。其他標準IP協定（例如使用者資料元協定（UDP）和傳輸控制協定（TCP））資料能夠在802.15.4網路上運行而毋須任何修改。使用傳輸層安全性（TLS）或資料包傳輸層安全性（DTLS）的安全機制也已經被發布。IETF現在已經擁有用于感測和控制網路的基本協定，但是應用協定也是必要的，以便允許設備之間進行通訊。

　　在開發Smart Energy 2協定過程中，ZigBee聯盟與Wi-Fi和HomePlug聯盟進行合作，該協定設計主要在支援多種實體層，包括802.15.4、Wi-Fi和電力線通訊（PLC），它使用6LoWPAN和RPL做為標準應用協定，可用于能源計量、消費、定價、分散式生成與控制。Smart Energy 2標準于2013年發布，已經為低功耗感測和控制網路運行制訂一整套包括應用層在內的基于IP的協定。