基于IPv6的無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

李亞明　劉陳　王辰　劉奇　劉德明

摘 要：無線傳感網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)需要海量地址，將IPv6技術(shù)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)可解決地址資源不足的問題。論文采用具有6LoWPAN（IPv6 over Low Power wireless Area Network）協(xié)議棧的Contiki嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計；開發(fā)了支持6LoWPAN協(xié)議棧的IPV4/IPV6雙棧邊緣路由器，完成傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)向以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)；在教育網(wǎng)IPv6環(huán)境下搭建了基于IPv6的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明，所設(shè)計無線傳感器、邊緣路由器均支持基于6LoWPAN通信協(xié)議，通過瀏覽器可遠(yuǎn)程訪問IPv6傳感節(jié)點(diǎn)并能通過管理服務(wù)器獲取實(shí)時采樣數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：IPv6 ；6LoWPAN ；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；Contiki；遠(yuǎn)程訪問；實(shí)時

中圖分類號：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）03-00-03

0 引 言

傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，一直是國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，其中無線傳感網(wǎng)絡(luò)部署簡單、維護(hù)方便，成本低，相對有線傳輸更具有靈活性，在環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)管理、醫(yī)療、及工業(yè)監(jiān)控等多方面具有廣泛應(yīng)用前景。

目前大多數(shù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)都不是基于IP的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，要想使傳感節(jié)點(diǎn)接入IP網(wǎng)絡(luò)，必須要專門設(shè)計一個支持其他私有協(xié)議的轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，由于網(wǎng)關(guān)固有的復(fù)雜性，協(xié)議轉(zhuǎn)換過程中很可能會破壞雙方的網(wǎng)絡(luò)模型，在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)部署后的網(wǎng)絡(luò)管理與故障檢查方面會有很多不足。端到端IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層采用IP技術(shù)，具有很好的互通性與穩(wěn)定性，應(yīng)用層可以支持多樣性的需求，相對傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)具有很多優(yōu)勢，支持端到端IP架構(gòu)的傳感網(wǎng)絡(luò)是未來迎接大規(guī)?？煽貍鞲芯W(wǎng)絡(luò)的潛在發(fā)展方向。

但以IP做基礎(chǔ)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)規(guī)模化應(yīng)用面臨兩個問題：IPv4地址枯竭與傳感節(jié)點(diǎn)成本限制。要無限地延伸網(wǎng)絡(luò)邊界，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)融合與通信，開展全網(wǎng)絡(luò)協(xié)同服務(wù)，必須要使全網(wǎng)系統(tǒng)中最基礎(chǔ)層的被標(biāo)記物具有網(wǎng)絡(luò)IP地址；傳統(tǒng)IPv4地址資源即將枯竭，而IPv6協(xié)議具有充足的地址空間，可為需要海量地址的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)[1，2]。另一方面，無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要求體積小且成本低，并且多部署在不易取電的位置，這就要求傳感節(jié)點(diǎn)內(nèi)存資源有限，且工作低功耗[3]。

為此，結(jié)合低功耗802.15.4數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)議及IPv6網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的6LoWPAN （IPv6 over Low Power wireless Area Network）協(xié)議棧被提出，通過6LoWPAN適配層對IPv6數(shù)據(jù)包進(jìn)行分片和重組，完成IPv6網(wǎng)絡(luò)層與802.15.4物理層的融合[4-6]。Contiki是專為內(nèi)存受限的硬件平臺開發(fā)的操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)開源且集成了6LoWPAN協(xié)議棧 [7]。

論文將采用具有6LoWPAN協(xié)議棧的Contiki嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計；研制支持6LoWPAN協(xié)議棧的IPV4/IPV6雙棧邊緣路由器，完成傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)向以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)；在教育網(wǎng)IPv6環(huán)境下搭建基于IPv6的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行測試。

1 IPv6傳感網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計

在教育網(wǎng)IPv6環(huán)境下構(gòu)建如圖1所示的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)由IPv6傳感節(jié)點(diǎn)、IPv6路由、管理服務(wù)器所構(gòu)成。本設(shè)計中，無線傳感節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境的溫度、濕度與光照度信息。

圖1 IPv6無線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于6LoWPAN傳感節(jié)點(diǎn)與IPv6主機(jī)間的3層路由過程如圖2所示。傳感器感知環(huán)境溫、濕度以及光照等信息，將數(shù)據(jù)傳給節(jié)點(diǎn)的主芯片，在主芯片內(nèi)完成對數(shù)據(jù)包的處理，經(jīng)過6LoWPAN適配層的頭壓縮，將數(shù)據(jù)以802.15.4數(shù)據(jù)包格式發(fā)送出去，6LoWPAN無線網(wǎng)卡上射頻芯片接收數(shù)據(jù)包，在網(wǎng)卡主芯片完成6LoWPAN適配層重組，再經(jīng)過通用串行總線接口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到路由器，通過路由器以802.3協(xié)議規(guī)定轉(zhuǎn)發(fā)到IPv6以太網(wǎng)絡(luò)中。整個過程經(jīng)過IPv6傳感網(wǎng)關(guān)完成IPv6分組的壓縮和解壓縮，執(zhí)行6LoWPAN短地址與IPv6地址的映射，實(shí)現(xiàn)了傳感網(wǎng)絡(luò)與IP網(wǎng)絡(luò)的融合。

圖2 傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分層示意圖

下面將分別對IPv6傳感節(jié)點(diǎn)和IPv6傳感網(wǎng)關(guān)進(jìn)行說明。

2 IPv6傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計

傳感節(jié)點(diǎn)功能示意圖見圖3，主要分為主控及通信控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、RF通信模塊及射頻天線單元等幾部分。

主控模塊采用Atmel 1284P作為主芯片，采用支持6LoWPAN協(xié)議棧的Contiki作為操作系統(tǒng)。通過Contiki為傳感節(jié)點(diǎn)分配IPv6地址。傳感器選擇SHT11溫、濕度傳感器以及光敏電阻。節(jié)點(diǎn)射頻部分采用Atmel的AT86RF231，通過同步串行與主芯片通信。節(jié)點(diǎn)天線電路采用兩個SMA轉(zhuǎn)接頭外置，利用Johanson公司的2450BM15A0002平衡濾波器芯片實(shí)現(xiàn)射頻通信芯片輸出差分信號轉(zhuǎn)變?yōu)閱味诵盘枴?/p>

圖3 IPv6傳感節(jié)點(diǎn)功能示意圖

3 支持IPv4/IPv6雙棧的傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)計

傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)由兩部分構(gòu)成，一部分是IPv6無線網(wǎng)卡，另一部分是基于OpenWRT的IPv6邊緣路由器。

IPv6無線網(wǎng)卡在IPv6邊緣路由器與傳感節(jié)點(diǎn)間起橋接作用，它同樣采用Contiki作為操作系統(tǒng)，內(nèi)置6LoWPAN協(xié)議棧，通過6LoWPAN適配層對IPv6報文分片與重組。

IPv6無線網(wǎng)卡的功能示意圖如圖4。主要分為主控模塊，射頻通信模塊和射頻天線三部分。主控模塊芯片采用Atmel公司的AT90USB1287，射頻模塊芯片同樣采用Atmel的AT86RF231，天線采用Antenova公司的小尺寸2.4 GHz貼片天線A5839。

圖4 IPv6無線網(wǎng)卡功能示意圖

IPv6無線網(wǎng)卡與傳感節(jié)點(diǎn)均采用Contiki作為操作系統(tǒng)，通過一系列進(jìn)程完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。

IPv6邊緣路由器利用市面上已有的基于OpenWRT的IPv4路由器進(jìn)行開發(fā)。首先，基于OpenWRT的編程將IPv4路由器升級，使其同時支持IPv4/IPv6雙棧，完成6LoWPAN IPv6傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；其次，開發(fā)基于USB的IPv6網(wǎng)卡驅(qū)動，可以識別傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包，并通過路由器Linux內(nèi)核轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的互通。

圖5為邊緣路由器驅(qū)動實(shí)現(xiàn)示意圖。整個驅(qū)動分兩個部分，一個是USB驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)USB控制器對插入無線網(wǎng)卡的識別，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；另一個是對網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動，即實(shí)現(xiàn)對6LoWPAN協(xié)議棧的支持和IPv6數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。通過對Linux內(nèi)核的系統(tǒng)資源配置，實(shí)現(xiàn)上述功能。

圖5 邊緣路由器驅(qū)動實(shí)現(xiàn)示意圖

4 性能測試

依托CERNET2華中地區(qū)主干網(wǎng)華中科技大學(xué)子網(wǎng)，在下一代互聯(lián)網(wǎng)國家工程實(shí)驗(yàn)室按照圖1搭建IPv6聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。通過Contiki對節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)卡分配IPv6地址，6LoWPAN無線網(wǎng)卡地址：2001：250：4000：4407：：1；傳感節(jié)點(diǎn)地址2001：250：4000：4407：：1d。地址分配如圖6所示。

圖6 IPv6聯(lián)網(wǎng)地址分配示意圖

通過天津教育網(wǎng)對IPv6無線網(wǎng)卡進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連通性測試， ping網(wǎng)卡地址結(jié)果如圖7所示，在遠(yuǎn)端能得到網(wǎng)卡的回復(fù)報文，網(wǎng)絡(luò)線路連通正常。

圖7 IPv6無線網(wǎng)卡連通性測試結(jié)果

測試IPv6傳感節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連通性，天津教育網(wǎng)Ping節(jié)點(diǎn)地址如圖8所示，同樣可以看到，節(jié)點(diǎn)收到發(fā)來的數(shù)據(jù)包并且回復(fù)響應(yīng)的報文，從客戶遠(yuǎn)端到節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)是正常連通的。

圖8 6LoWPAN傳感節(jié)點(diǎn)連通性測試結(jié)果

客戶終端在管理服務(wù)器通過傳感節(jié)點(diǎn)的編號即傳感節(jié)點(diǎn)IPv6地址查找特定傳感節(jié)點(diǎn)，可以遠(yuǎn)程配置傳感節(jié)點(diǎn)的采樣時間與采樣間隔，實(shí)時查看傳感節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境信息如圖9所示。

圖9 通過管理服務(wù)器遠(yuǎn)程查看傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語

本文將IPv6技術(shù)應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)，采用具有6LoWPAN協(xié)議棧的Contiki嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)IPv6傳感節(jié)點(diǎn)和IPv6無線網(wǎng)卡，研制了支持6LoWPAN協(xié)議棧的IPv4/IPv6雙棧邊緣路由器。在教育網(wǎng)IPv6環(huán)境下的測試表明：傳感節(jié)點(diǎn)及邊緣路由器均支持基于6LoWPAN通信協(xié)議，在開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)管理平臺上可實(shí)現(xiàn)對IPv6傳感節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程管理與控制。

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