一種基于Thread的IPv6智能家居解決方案

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(華中科技大學 自動化學院，武漢 430074)

引 言

隨著科學技術水平的不斷提高，人們越來越追求高質量、快節奏、便捷舒適的生活方式，智能家居產業由此興起，成為未來家居領域發展的必然趨勢。無線通信技術是智能家居的關鍵技術，目前，智能家居領域應用的無線技術種類繁多，主流包括WiFi、藍牙、ZigBee、Z-Wave等。而隨著物聯網技術的進一步發展，越來越多的無線通信標準被應用于智能家居，以滿足復雜的實際需求。

Thread是一種新興的無線網絡通信標準。2014年，Google旗下智能家居公司Nest主導創立了Thread聯盟(Thread Group)。2015年7月，該聯盟正式發布Thread 1.0標準，Thread的設計主要面向家庭網絡，具備低功耗、易于使用、安全可靠等優勢。目前，Silicon Labs、Nordic等公司已經推出Thread網絡解決方案，Nordic nRF52840多協議SoC已通過Thread認證。在未來幾年，基于Thread的無線通信產品和應用將會得到迅速的發展和普及。

1 Thread簡介

1.1 主要技術特點

Thread將WPAN技術和IPv6技術緊密結合，是一種基于IPv6的無線mesh網絡標準，協議棧架構如圖1所示。

圖1 Thread協議棧架構

Thread屬于網絡層協議，基于IEEE 802.15.4的物理層和MAC層，以支持其低功耗特性。物理介質有限的傳輸能力決定了Thread目前只適用于傳輸速率不高的場合，最高速率為250 kbps。通過6LoWPAN適配層支持IPv6網絡層，使得Thread設備能夠像互聯網上任何一個聯網設備一樣，直接通過IP尋址實現主機間通信。

Thread網絡中有多種設備類型，主要包括邊界路由器(Border Router, BR)、路由器(Router)以及終端設備(End Device)。

Thread的網絡拓撲結構如圖2所示。

圖2 Thread網絡拓撲圖

邊界路由器(BR)是一種具有連接Thread網絡和外部網絡(通常是互聯網)功能的特殊路由器，負責在內外網絡之間路由和轉發IPv6包。

路由器(Router)負責在Thread網絡內部路由轉發IPv6包，是mesh網絡中的關鍵設備。通常，創建網絡的第一個路由器被指定為Leader。Leader具備一定網絡管理和決策能力，如響應路由器請求、管理路由器ID分配等。路由器一般不支持低功耗模式，始終處于正常工作狀態，因此會消耗更多的電量。

網絡中大多數的設備都將作為終端設備(End Device)運行。由于它們沒有路由轉發能力，啟動之后必須尋找一個最合適的路由器作為自己的父節點(Parents)，始終通過父節點路由轉發數據包。為了降低功耗，終端設備大多數時間處于睡眠狀態，從而大大延長電池壽命。

還有一類本身具備路由能力的設備，但由于某些條件限制，如網絡中路由器數量達到了上限(32個)，暫時作為終端設備運行的特殊節點 (Router-Eligible End Devices, REED)。在必要時，它們能主動向Leader發出申請，轉換為路由器設備。

Thread的技術特點突出，尤其在操作便捷性、網絡魯棒性、安全性，以及支持IPv6的優勢，更加適用于智能家居、智能樓宇等應用場景。

此外，Thread淡化了與其他無線標準的對立性，更具開放性、包容性。Thread沒有定義應用層，側重于能讓廣泛物聯網解決方案互通的網絡層設計，可為不同的應用層協議協同工作提供網絡層支持。開放性和包容性將幫助Thread快速發展壯大，提升影響力。

1.2 OpenThread簡介

OpenThread是Thread協議目前唯一的開源實現。2016年，由谷歌Nest主導，在Github發起OpenThread項目，代碼完全開源。采用C/C++語言開發，為開發者提供獨立于硬件和操作系統的API接口，協議棧架構如圖3所示。

圖3 OpenThread協議棧

OpenThread提供平臺抽象層，大大降低了移植難度。項目組建議移植平臺至少應該具備的硬件資源包括IEEE 802.15.4 2.4 GHz射頻模組、精度可達毫秒級的定時器、非易失性存儲器(以保存網絡配置信息)，以及真隨機數產生器(True Random Number Generator,TRNG)。此外，官方還提供了Thread網絡解決方案的參考設計，以及OpenThread邊界路由器(OpenThread Border Router,OTBR)的實現。

2 基于IPv6的智能家居混合網絡解決方案

2.1 系統架構

在智能家居的應用場景中，網絡設備的功能多樣，不同的設備對網絡傳輸速率和通信質量有著不同的要求。實際上，不可能用單一的網絡技術就實現所有設備的互聯，多種無線技術相互融合、優劣互補，才能滿足復雜多樣的設備聯網需求。

WiFi是當今使用最廣的一種無線通信技術，傳輸距離長、速率高，但對于嵌入式設備來說功耗太大、組網能力太弱，更適用于PC、智能手機等設備的聯網。Thread網絡傳輸速率有限，更適合用于數量較多，但傳輸數據量小、傳輸速率低的傳感設備以及部分家電的聯網。因此，本文結合WiFi、Thread等多種IP網絡技術，實現WiFi網絡、Thread網絡和互聯網基于IPv6層互聯的智能家居混合網絡。網絡系統架構如圖4所示。

圖4 基于IPv6的智能家居混合網絡系統架構

網絡系統的核心是一個多協議棧家庭路由器，負責連接家庭網絡與遠程互聯網。本文基于樹莓派3代B型(Raspberry Pi 3B)和OpenWRT(LEDE分支)路由器操作系統實現家庭路由器。樹莓派3B板載了一個無線網卡和多個USB接口，但只有一個以太網口，可通過USB口擴展更多的以太網接口。本文使用的是CE-LINK的USB2.0轉百兆網卡，該產品集成RTL8152芯片，接口類型為RJ45網口。LEDE軟件源中已有該芯片的驅動程序，通過opkg命令安裝相應驅動即可使用。

安裝OpenWRT之后，還需要對路由器做相應的配置。如圖4所示，配置以太網口0作為外網口，將該網口的地址配置為從互聯網服務提供商(Internet Service Provider, ISP)獲得的全球唯一IPv6單播地址(Global Unicast Address, GUA)，即可訪問IPv6公網；配置無線網卡為無線AP建立WiFi網絡，對通信速率要求較高的網絡設備(如手機、PC)，可通過WiFi連入家庭網絡；以太網口1連接Thread路由器，通過它連接Thread網絡和家庭網絡。無線網口和以太網口1都屬于路由器內網口，可通過創建一個虛擬網橋相互連接，使用DHCPv6方式為家庭路由器的各個內網口自動配置IPv6地址。

Thread路由器具備路由轉發功能和IPv6地址配置機制，連入家庭網絡之后，Thread網絡中的所有節點都能夠獲取到IPv6全球唯一的單播地址(GUA)，或者是IPv6本地唯一單播地址(Unique Local IPv6 Unicast Address, ULA)，ULA地址只能用于本地局域網通信，具有固定前綴FD00::/8，功能類似于IPv4局域網地址192.168.x.x。而使用GUA地址，Thread網絡設備可以直接和互聯網中的IPv6主機進行雙向通信。

由于Thread網絡中IPv6地址配置方式為無狀態地址自動配置(Stateless Address Auto-Configuration, SLAAC)，Thread節點利用一個可用的64位地址前綴和64位的接口ID，可自動生成IPv6地址，無需用戶配置。假如Thread路由器從家庭路由器中分配得到的GUA地址為2000:1234:7c34:4::1/62，它將檢測到該地址(前綴位數必須少于64位)，并為Thread網絡繼續劃分出64位的子網前綴，如2000:1234:7c34:5::1/64，并將該前綴在Thread網絡中廣播。Thread網絡設備即可利用該地址前綴自動生成一個GUA地址。

2.2 Thread網絡解決方案

2.2.1 硬件設計

Thread網絡解決方案的硬件總體架構如圖5所示。

圖5 Thread網絡解決方案硬件架構圖

Thread節點和網絡協處理器(Network Co-Processer, NCP)都采用主控外接射頻模塊的雙芯片方案。主控芯片采用NXP的K64芯片(或是其他支持ARM Mbed OS的硬件平臺)，通過SPI串行總線連接MRF24J40MA射頻集成模塊，由其內置的MRF24J40射頻芯片提供物理層和MAC層支持。

MRF24J40MA是符合2.4 GHz IEEE標準802.15.4的集成模塊，集成晶振、內置穩壓器、匹配電路和PCB天線。該模塊基于Microchip的MRF24J40 IEEE 802.15.4 2.4 GHz 射頻收發芯片，通過四線制SPI接口與主控制器通信。采用該模塊可免去大量的RF、天線設計，以及合規性測試工作，上手簡單，可大大縮短產品開發時間。MRF24J40MA射頻模塊如圖6所示。

圖6 MRF24J40MA射頻模塊

邊界路由器同樣采樣樹莓派3B搭建原型，通過USB接口連接網絡協處理器，通過板載以太網口連接家庭路由器，無需額外擴展網絡接口。

2.2.2 軟件設計

Thread節點和網絡協處理器的軟件設計基于ARM Mbed軟件開發平臺，應用其開源嵌入式實時操作系統CMSIS-RTOS(即ARM Mbed OS)，移植OpenThread協議棧和MRF24J40MA射頻模塊驅動程序。

ARM Mbed OS是ARM公司專為基于ARM Cortex-M處理器所設計的開源嵌入式實時操作系統，可運行在所有Cortex-M系列的產品上，配置靈活、可裁剪，最小內存需求低至8 KB。選用Mbed OS的最主要原因是其具有強大的跨平臺特性以及強大的開發者生態。Mbed OS目前支持60多家經過認證的硬件方案，包括100多種開發板和400多個元件庫，涵蓋了市面上主流的芯片廠商；Mbed開發者社區擁有數量龐大的注冊用戶，通過社區、Github等開源平臺共享源代碼。借助Mbed OS開發者可以利用社區資源快速地開發產品原型，并可直接運行在不同的硬件平臺上，避免了因更換硬件導致大量的移植和開發工作。

除了包含RTOS，Mbed OS還集成了物聯網設備開發所需要的各種組件，涵蓋設備安全、設備管理、通信、端云互聯的功能組件，如各類網絡協議、文件系統、事件管理框架，幫助開發者從嵌入式終端到云端再到用戶端快速構建IoT應用。

本文主要做了兩方面工作：首先移植MRF24J40MA射頻驅動，以及OpenThread協議棧，適配Mbed OS；其次為OpenThread提供封裝程度更高、抽象性更好的C++類及其接口(OpenThread Interface和UDP Socket)，最大程度屏蔽底層細節，方便開發者進行二次開發。完成OpenThread協議棧移植后，ARM Mbed OS架構如圖7所示。

圖7 OpenThread+ARM Mbed OS架構圖

Thread路由器由網絡協處理器(NCP)和邊界路由器(BR)組成。網絡協處理器負責在Thread網絡和邊界路由器之間傳遞數據，提供Thread網絡連接性。網絡協處理器與Thread節點具有完全相同的硬件結構，可由OpenThread的宏定義配置其節點類型是作為網絡協處理器還是Thread節點運行。邊界路由器(BR)可基于Nordic官方提供的邊界路由器(Nordic Thread Border Router, NBR)解決方案進行二次開發。NBR的軟件架構示意圖如圖8所示。

圖8 邊界路由器軟件架構示意圖

NBR是基于OpenWRT開發的路由器系統，內置LuCI配置面板，以及nat64、dns、wpantund等網絡組件，可通過WiFi、Ethernet連接到家庭路由器，并提供DHCP和DHCPv6服務，是互聯網與Thread網絡之間IPv6數據包中轉站。wpantund是NBR的關鍵組件，由OpenThread項目組開發，它集成了spinel、Dbus、wpanctl等功能組件，為NCP提供一個虛擬的本地IPv6網絡接口。spinel組件實現了spinel協議，用于和網絡協處理器基于串口或者SPI通信；Dbus的作用是連接spinel和邊界路由器中的其他組件；wpanctl提供了對wpantund的各種命令行控制指令，涵蓋組網、配置、查看網絡參數和網絡狀態等功能，可幫助開發者快速配置和調試Thread網絡。

結 語

黃祥才(碩士研究生)，研究方向為嵌入式系統、物聯網、人工智能；張志偉(碩士研究生)，研究方向為嵌入式系統、IPv6網絡；彭意兵(碩士研究生)，研究方向為嵌入式系統安全；何頂新(副教授)，研究方向為計算機控制技術、嵌入式系統等。