6LoWPAN無線傳感網(wǎng)絡溫室監(jiān)測系統(tǒng)的設計

干開峰等

摘要：6LoWPAN無線傳感網(wǎng)絡利用IPv6在IEEE802.15.4鏈路上的無縫連接，實現(xiàn)WSN和Internet主干網(wǎng)之間的點對點通信。以6LoWPAN無線傳感網(wǎng)絡在農業(yè)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測中的應用為例，構建6LoWPAN無線傳感網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案，給出了6LoWPAN節(jié)點和6LoWPAN網(wǎng)關的軟硬件設計，并對該系統(tǒng)進行了測試。測試結果表明，6LoWPAN無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)了WSN與外部IPv6網(wǎng)絡的直接互聯(lián)和數(shù)據(jù)交互，完成了對溫室大棚環(huán)境的實時監(jiān)測，結果穩(wěn)定高效。

關鍵詞：溫室監(jiān)測；無線傳感器網(wǎng)絡；6LoWPAN；IPv6；IEEE802.15.4

中圖分類號： TP393；S126文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）09-0371-03

收稿日期：2013-11-30

基金項目：安徽省高校省級自然科學研究項目（編號：KJ2012B151）；合肥學院科研發(fā)展基金（編號：13KY01ZR）。

作者簡介：干開峰（1974—），男，安徽和縣人，實驗師，研究方向為嵌入式系統(tǒng)，無線傳感網(wǎng)絡。Tel：（0551）62158573；E-mail：gankf@hfuu.edu.cn。無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）作為一種新興的網(wǎng)絡，在近年來得到了迅速發(fā)展。其中，IEEE 802.15.4-2006標準于2006年9月份正式發(fā)布，是眾多WSN的基礎。WSN一般并不以孤立網(wǎng)絡的形式存在，而是通過一定的方式與互聯(lián)網(wǎng)相連，以便通過互聯(lián)網(wǎng)上的設備對其進行管理、控制和訪問[1]。IPv6巨大的地址空間可以為每個嵌入式監(jiān)測設備分配1個全局唯一的IP地址，滿足特定應用環(huán)境下WSN節(jié)點的全球唯一標識的需求[2]。將IPv6引入WSN后，可以很方便地接入互聯(lián)網(wǎng)，省去了復雜的協(xié)議轉換，同時降低了應用成本，極大地擴展了WSN的應用[3]。IPv6和WSN的結合是目前國內外一個較為熱門的研究方向，2004年，IETF（the internet engineering task force）工作組提出了一種解決方案——6LoWPAN（IPv6 over LoWPAN），實現(xiàn)了IPv6和IEEE802.15.4網(wǎng)絡的無縫連接[4]，并且正式成立了6LoWPAN工作組。隨著設施農業(yè)的發(fā)展，全國的大棚數(shù)量已經(jīng)超過百萬公頃，但其中80%的大棚缺乏環(huán)境監(jiān)測、監(jiān)控手段及信息化管理手段[5]。將無線傳感器網(wǎng)絡應用于農業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中已經(jīng)成為溫室監(jiān)測領域研究的熱點。本研究設計基于6LoWPAN的無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)，以農業(yè)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測為背景。

1系統(tǒng)總體設計

1.16LoWPAN概述

IEEE 802.15.4作為LoWPAN網(wǎng)絡標準，只定義了物理層（PHY層）和MAC層。PHY層包括射頻收發(fā)器和底層控制模塊；MAC層為上層訪問物理信道，提供點到點通信的服務接口[6]。IETF 6LoWPAN定義IPv6在IEEE 802.15.4鏈路上的通信，同時實現(xiàn)與其他IPv6設備之間的互操作。6LoWPAN的網(wǎng)絡協(xié)議棧如圖1所示。

6LoWPAN網(wǎng)絡底層采用IEEE802.15.4標準，網(wǎng)絡層采用IPv6協(xié)議。為了使IPv6能運行在IEEE 802.15.4標準之上，6LoWPAN在協(xié)議棧中引入了1個適配層，該層可以實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲管理、地址管理、分片和重組、頭部壓縮、組播支持等功能[7-8]。采用6LoWPAN體系結構構建的WSN，能夠實現(xiàn)設備以全IP方式進行互連。

1.2系統(tǒng)總體方案

基于6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡的農業(yè)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包括6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡、6LoWPAN網(wǎng)關、Internet 主干網(wǎng)和遠程終端用戶等4個部分，詳見圖2。

2系統(tǒng)實現(xiàn)

2.16LoWPAN節(jié)點設計

6LoWPAN節(jié)點硬件結構主要由無線收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)處理MCU模塊、傳感器和電源組成。

無線收發(fā)模塊選用TI公司推出的第二代IEEE 802.15.4 RF收發(fā)器CC2520射頻芯片。CC2520主要用于2.4GHz的ISM頻段，為各種應用提供了廣泛的硬件支持，包括數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)認證、空閑通道評估、鏈接質量指示以及數(shù)據(jù)包計時信息等，從而降低了主機控制器上的負載[9]。

數(shù)據(jù)處理MCU選用ATmega128L處理器，ATmega128L為8位低功耗、高性能的微處理器，具有片內128 kB 的FLASH、4 kB的SRAM和4 kB的EEPROM；同時具有UART、SPI、I2C等總線接口[10]。

在應用于溫室大棚環(huán)境監(jiān)測，采集監(jiān)測區(qū)域的溫度、濕度和光照強度等信息的過程中，基于性能和價格考慮，溫度傳感器選用DS18B20，濕度傳感器選用HS1101，光照強度傳感器

選用Po188。

6LoWPAN節(jié)點的硬件接口圖見圖3。

6LoWPAN節(jié)點接收來自遠程終端用戶的查詢命令，進行傳感器數(shù)據(jù)采集并發(fā)送的數(shù)據(jù)幀流程見圖4。

從無線接口接收的IEEE802.15.4數(shù)據(jù)幀格式見表1，IEEE802.15.4幀頭中的源地址為傳感器節(jié)點的16位短地址，這樣既提高了分片利用率，又加快了節(jié)點對數(shù)據(jù)包的處理速度。

2.26LoWPAN網(wǎng)關設計

6LoWPAN 網(wǎng)關的硬件結構主要由無線收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)處理MCU模塊、有線傳輸網(wǎng)絡接口模塊和電源組成。

數(shù)據(jù)處理MCU模塊選用Samsung 推出的S3C2440A微處理器，S3C2440A是一種16/32位的RISC結構芯片，內核為ARM920T，采用MMU、AMBA、BUS和Harvard的高速緩存結構，具有獨立的8字長16 kB 指令緩存器和16 kB數(shù)據(jù)緩存本系統(tǒng)中由于6LoWPAN節(jié)點實現(xiàn)IP方式，6LoWPAN 網(wǎng)關不再負責協(xié)議轉換，其主要功能是連接WSN與互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的路由轉發(fā)[13]。網(wǎng)關內部存儲了一張地址映射表，用于傳感器節(jié)點的IPv6地址和16位短地址的雙向快速轉換。endprint

6LoWPAN 網(wǎng)關收發(fā)數(shù)據(jù)幀流程如圖6所示。

4結論

本研究基于無線傳感網(wǎng)絡技術的發(fā)展，以農業(yè)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測為背景，架構6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡實時監(jiān)控系統(tǒng)，對6LoWPAN節(jié)點和6LoWPAN的硬件部分和軟件部分的設計進行了詳細的闡述。通過測試，本系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了WSN與IPv6網(wǎng)絡之間的直接互聯(lián)和數(shù)據(jù)交互，有利于對農業(yè)溫室大棚環(huán)境實時監(jiān)測、預警以及科學指導。本系統(tǒng)可以在基于IPv6網(wǎng)絡的多種無線監(jiān)測領域進行應用，具有很大的

研究前景和推廣價值。

參考文獻：

[1]霍宏偉，張宏科，郜帥，等. 一種IPv6無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計與實現(xiàn)[J]. 計算機應用，2006，26（2）：303-306.

[2]Oliveira L M L，Rodrigues J J P C，Macao B M，et al. End-to-end connectivity IPv6 over wireless sensor networks[C]//Ubiquitous and Future Networks（ICUFN），Third International Conference on，2011：1-6.

[3]da Silva C B，Rodrigues J J P C，Oliveira L M L，et al. Design and construction of a wireless sensor and actuator network gateway based on 6LoWPAN[C]//Lisbon：International Conference on Computer as a Tool（EUROCON），2011 IEEE，2011：1-4.

[4]Suryady G，Sarwar U，Abbas M. A gatway solution for wirless sensor networks[C]. St Petersburg：ICUMT，2009.

[5]袁志強.基于ZigBee技術的溫室大棚無線監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]. 江蘇農業(yè)科學，2012，40（11）：396-397.

[6]IEEE 802.15.4 Standard（2003）Part 15.4：Wireless medium access control（MAC）and physical layer（PHY）specifications for low-rate wireless personal area networks（LR-WPANs）[S]. New York：IEEE-SA Standards Board，2003.

[7]毛妙. 6LoWPAN適配層與ND協(xié)議的研究與實現(xiàn)[D]. 上海：華東師范大學，2007.

[8]向浩，李堃，袁家斌. 基于6LoWPAN的IPv6無線傳感器網(wǎng)絡[J]. 南京理工大學學報：自然科學版，2010，34（1）：56-60.

[9]阮越廣. 基于SimpliciTI的無線智能熱量表硬件設計[J]. 儀表技術與傳感器，2012（1）：34-35，62.

[10]胡強，張海輝，徐巧年. 基于短消息的無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 農機化研究，2010，32（2）：113-116，215.

[11]滿莎，楊恢先，彭友，等. 基于ARM9的嵌入式無線智能家居網(wǎng)關設計[J]. 計算機應用，2010，30（9）：2541-2544.

[12]施勇，溫陽東. 基于DM9000A的嵌入式以太網(wǎng)接口設計與實現(xiàn)[J]. 合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2011，34（4）：519-524.

[13]王曉喃，錢煥延，唐振民. 基于6LoWPAN的無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議[J]. 計算機應用研究，2009，26（10）：3881-3882，3887.尹飛凰，高舸. 適宜馬鈴薯儲藏的環(huán)境參數(shù)智能調節(jié)系統(tǒng)[J]. 江蘇農業(yè)科學，2014，42（9）：374-376.endprint

6LoWPAN 網(wǎng)關收發(fā)數(shù)據(jù)幀流程如圖6所示。

4結論

本研究基于無線傳感網(wǎng)絡技術的發(fā)展，以農業(yè)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測為背景，架構6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡實時監(jiān)控系統(tǒng)，對6LoWPAN節(jié)點和6LoWPAN的硬件部分和軟件部分的設計進行了詳細的闡述。通過測試，本系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了WSN與IPv6網(wǎng)絡之間的直接互聯(lián)和數(shù)據(jù)交互，有利于對農業(yè)溫室大棚環(huán)境實時監(jiān)測、預警以及科學指導。本系統(tǒng)可以在基于IPv6網(wǎng)絡的多種無線監(jiān)測領域進行應用，具有很大的

研究前景和推廣價值。

參考文獻：

[1]霍宏偉，張宏科，郜帥，等. 一種IPv6無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計與實現(xiàn)[J]. 計算機應用，2006，26（2）：303-306.

[2]Oliveira L M L，Rodrigues J J P C，Macao B M，et al. End-to-end connectivity IPv6 over wireless sensor networks[C]//Ubiquitous and Future Networks（ICUFN），Third International Conference on，2011：1-6.

[3]da Silva C B，Rodrigues J J P C，Oliveira L M L，et al. Design and construction of a wireless sensor and actuator network gateway based on 6LoWPAN[C]//Lisbon：International Conference on Computer as a Tool（EUROCON），2011 IEEE，2011：1-4.

[4]Suryady G，Sarwar U，Abbas M. A gatway solution for wirless sensor networks[C]. St Petersburg：ICUMT，2009.

[5]袁志強.基于ZigBee技術的溫室大棚無線監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]. 江蘇農業(yè)科學，2012，40（11）：396-397.

[6]IEEE 802.15.4 Standard（2003）Part 15.4：Wireless medium access control（MAC）and physical layer（PHY）specifications for low-rate wireless personal area networks（LR-WPANs）[S]. New York：IEEE-SA Standards Board，2003.

[7]毛妙. 6LoWPAN適配層與ND協(xié)議的研究與實現(xiàn)[D]. 上海：華東師范大學，2007.

[8]向浩，李堃，袁家斌. 基于6LoWPAN的IPv6無線傳感器網(wǎng)絡[J]. 南京理工大學學報：自然科學版，2010，34（1）：56-60.

[9]阮越廣. 基于SimpliciTI的無線智能熱量表硬件設計[J]. 儀表技術與傳感器，2012（1）：34-35，62.

[10]胡強，張海輝，徐巧年. 基于短消息的無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 農機化研究，2010，32（2）：113-116，215.

[11]滿莎，楊恢先，彭友，等. 基于ARM9的嵌入式無線智能家居網(wǎng)關設計[J]. 計算機應用，2010，30（9）：2541-2544.

[12]施勇，溫陽東. 基于DM9000A的嵌入式以太網(wǎng)接口設計與實現(xiàn)[J]. 合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2011，34（4）：519-524.

[13]王曉喃，錢煥延，唐振民. 基于6LoWPAN的無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議[J]. 計算機應用研究，2009，26（10）：3881-3882，3887.尹飛凰，高舸. 適宜馬鈴薯儲藏的環(huán)境參數(shù)智能調節(jié)系統(tǒng)[J]. 江蘇農業(yè)科學，2014，42（9）：374-376.endprint

6LoWPAN 網(wǎng)關收發(fā)數(shù)據(jù)幀流程如圖6所示。

4結論

本研究基于無線傳感網(wǎng)絡技術的發(fā)展，以農業(yè)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測為背景，架構6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡實時監(jiān)控系統(tǒng)，對6LoWPAN節(jié)點和6LoWPAN的硬件部分和軟件部分的設計進行了詳細的闡述。通過測試，本系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了WSN與IPv6網(wǎng)絡之間的直接互聯(lián)和數(shù)據(jù)交互，有利于對農業(yè)溫室大棚環(huán)境實時監(jiān)測、預警以及科學指導。本系統(tǒng)可以在基于IPv6網(wǎng)絡的多種無線監(jiān)測領域進行應用，具有很大的

研究前景和推廣價值。

參考文獻：

[1]霍宏偉，張宏科，郜帥，等. 一種IPv6無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計與實現(xiàn)[J]. 計算機應用，2006，26（2）：303-306.

[2]Oliveira L M L，Rodrigues J J P C，Macao B M，et al. End-to-end connectivity IPv6 over wireless sensor networks[C]//Ubiquitous and Future Networks（ICUFN），Third International Conference on，2011：1-6.

[3]da Silva C B，Rodrigues J J P C，Oliveira L M L，et al. Design and construction of a wireless sensor and actuator network gateway based on 6LoWPAN[C]//Lisbon：International Conference on Computer as a Tool（EUROCON），2011 IEEE，2011：1-4.

[4]Suryady G，Sarwar U，Abbas M. A gatway solution for wirless sensor networks[C]. St Petersburg：ICUMT，2009.

[5]袁志強.基于ZigBee技術的溫室大棚無線監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]. 江蘇農業(yè)科學，2012，40（11）：396-397.

[6]IEEE 802.15.4 Standard（2003）Part 15.4：Wireless medium access control（MAC）and physical layer（PHY）specifications for low-rate wireless personal area networks（LR-WPANs）[S]. New York：IEEE-SA Standards Board，2003.

[7]毛妙. 6LoWPAN適配層與ND協(xié)議的研究與實現(xiàn)[D]. 上海：華東師范大學，2007.

[8]向浩，李堃，袁家斌. 基于6LoWPAN的IPv6無線傳感器網(wǎng)絡[J]. 南京理工大學學報：自然科學版，2010，34（1）：56-60.

[9]阮越廣. 基于SimpliciTI的無線智能熱量表硬件設計[J]. 儀表技術與傳感器，2012（1）：34-35，62.

[10]胡強，張海輝，徐巧年. 基于短消息的無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 農機化研究，2010，32（2）：113-116，215.

[11]滿莎，楊恢先，彭友，等. 基于ARM9的嵌入式無線智能家居網(wǎng)關設計[J]. 計算機應用，2010，30（9）：2541-2544.

[12]施勇，溫陽東. 基于DM9000A的嵌入式以太網(wǎng)接口設計與實現(xiàn)[J]. 合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2011，34（4）：519-524.

[13]王曉喃，錢煥延，唐振民. 基于6LoWPAN的無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議[J]. 計算機應用研究，2009，26（10）：3881-3882，3887.尹飛凰，高舸. 適宜馬鈴薯儲藏的環(huán)境參數(shù)智能調節(jié)系統(tǒng)[J]. 江蘇農業(yè)科學，2014，42（9）：374-376.endprint