基于6LoWPAN和CoAP的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡國強(qiáng)+李茵++蔚繼承

摘 要： 針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中信息監(jiān)測點(diǎn)分散和學(xué)?，F(xiàn)有無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）的不足，采用移植性強(qiáng)支持6LoWPAN協(xié)議棧的Contiki嵌入式操作系統(tǒng)在STM32平臺上進(jìn)行農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)；在DDWrt上實(shí)現(xiàn)了支持6LoWPAN協(xié)議棧的IPv4/IPv6雙棧邊緣路由器，將監(jiān)測到的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息轉(zhuǎn)發(fā)到IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)，最終實(shí)現(xiàn)了基于6LoWPAN的農(nóng)業(yè)信息傳感系統(tǒng)。在校園網(wǎng)環(huán)境下測試了農(nóng)業(yè)環(huán)境信息傳感節(jié)點(diǎn)與測試機(jī)網(wǎng)絡(luò)的連通性，測試結(jié)果表明，基于6LoWPAN協(xié)議的無線網(wǎng)關(guān)與農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測傳感節(jié)點(diǎn)通過6LoWPAN協(xié)議可以正常通信，用戶可通過CoAP協(xié)議訪問6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

關(guān)鍵詞： 6LoWPAN； CoAP； WSN； Contiki； 農(nóng)業(yè)環(huán)境信息

中圖分類號： TN915.04?34； TP393.03 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）23?0152?05

Design and implementation of agri?environmental information sensing

system based on 6LoWPAN and CoAP

HU Guoqiang1， LI Yin2， WEI Jicheng2

（1. Network and Education Technology Center， Northwest A&F University， Yangling 712100， China；

2. College of Information Engineering， Northwest A&F University， Yangling 712100， China）

Abstract： To overcome the insufficient of disperse information monitoring points in agricultural production environment and wireless sensor network （WSN） existing in college， the strong portability embedded operating system Contiki supporting 6LoWPAN protocol stack is adopted to design the agri?environmental monitoring sensor node on STM32 platform. The IPv4/IPv6 double?stack edge router supporting 6LoWPAN protocol stack was realized on DDWrt. The monitored agri?environmental information is transmitted to the IPv4/IPv6 network to realize the agricultural information sensing system based on 6LoWPAN. The connectivity between agri?environmental information sensor node and tester network was tested in campus network environment. The test results show that the 6LoWPAN protocol based wireless gateway can communicate with agri?environmental information monitoring sensor nodes via 6LoWPAN protocol normally， and users can access the 6LoWPAN wireless sensor networks via CoAP protocol.

Keywords： 6LoWPAN； CoAP； WSN； Contiki； agri?environmental information

0 引 言

近年來，隨著高性能、低成本嵌入式技術(shù)的發(fā)展，受業(yè)界廣泛關(guān)注的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN （Wireless Sensor Network，）已在農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測方面得到了初步應(yīng)用[1?3]。WSN是由部署在一定范圍內(nèi)用于傳感溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、土壤溫度、土壤濕度等物理現(xiàn)象的傳感器節(jié)點(diǎn)組成[4]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在信息采集方面的廣泛應(yīng)用極大地促進(jìn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在各個(gè)領(lǐng)域的研究發(fā)展[5]?，F(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要有兩大類：第一類為非IP技術(shù)類型，比如大規(guī)模使用的ZigBee組網(wǎng)技術(shù)；另一類為基于IP的技術(shù)，比如uIPv6協(xié)議 [6]。

隨著IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，將IPv6網(wǎng)絡(luò)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的技術(shù)已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[7]。IETF （ Internet Engineering Task Force）成立專門小組致力于實(shí)現(xiàn)IPv6網(wǎng)絡(luò)的嵌入式設(shè)備化，發(fā)揮其在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的地址優(yōu)勢[6]。在IETF的不斷努力下，低功耗802.15.4數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的6LoWPAN（IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks）協(xié)議棧被提出來，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[8?11]。

近年來，已有基于 6LoWPAN協(xié)議棧的無線傳感技術(shù)在工農(nóng)業(yè)和生活中應(yīng)用的相關(guān)研究。文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)6LoWPAN路由器，文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于6LoWPAN協(xié)議的監(jiān)測系統(tǒng)，文獻(xiàn)[14]實(shí)現(xiàn)了將WSN接入到IPv6系統(tǒng)，文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了WSN計(jì)入到IPv6網(wǎng)絡(luò)模型，文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了6LoWPAN的智能家電監(jiān)測與控制系統(tǒng)，文獻(xiàn)[17]基于6LoWPAN對礦井無線傳感器網(wǎng)絡(luò)適配層進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于TinyOS的6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，上述研究有很高的應(yīng)用價(jià)值，但也有值得改進(jìn)之處。實(shí)際應(yīng)用中部署的WSN與IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)之間無法進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)的通信，即用戶無法迅速地對特定地理壞境的農(nóng)業(yè)信息進(jìn)行監(jiān)測，無法通過命令管理每個(gè)空氣濕度、光照強(qiáng)度、土壤溫度、土壤濕度等調(diào)節(jié)裝置[15]。為了讓農(nóng)業(yè)信息WSN支持IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于Contiki嵌入式操作系統(tǒng)的6LoWPAN農(nóng)業(yè)環(huán)境實(shí)時(shí)傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以IEEE 802.15.4作為物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)的WSN，靈活接入IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)中，完成了WSN與互聯(lián)網(wǎng)之間的點(diǎn)到點(diǎn)通信。用戶可以通過Web服務(wù)器對基于6LoWPAN的WSN進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。

1 基于6LoWPAN的農(nóng)業(yè)信息傳感系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境信息采集與控制，各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過6LoWPAN協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?LoWPAN網(wǎng)關(guān)，最終通過IPV4/IPv6網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳送到Web服務(wù)器，具體要求如下。

（1） 傳感器系統(tǒng)穩(wěn)定性

傳感器節(jié)點(diǎn)一般部署在環(huán)境惡劣、高海拔、高寒、潮濕、干旱半干旱地區(qū)，在這些極其惡劣的環(huán)境下，農(nóng)業(yè)專家需要大量實(shí)時(shí)的連續(xù)數(shù)據(jù)研究農(nóng)作物的生長。因此，需要末端傳感器節(jié)點(diǎn)在復(fù)雜多變的環(huán)境中穩(wěn)定地傳輸類型復(fù)雜多變、精度要求高的觀測數(shù)據(jù)，同時(shí)還要求各節(jié)點(diǎn)故障率低，不間斷觀測。

（2） 所有傳感器節(jié)點(diǎn)和邊緣路由器全都支持6LoWPAN協(xié)議棧，每個(gè)都有惟一的IPv6地址。

（3） 傳感器系統(tǒng)可擴(kuò)展性

末端傳感器節(jié)點(diǎn)能自由擴(kuò)減，兼容性強(qiáng)，能穩(wěn)定、節(jié)能地采集農(nóng)業(yè)環(huán)境信息并將這些信息傳輸?shù)叫畔⒐芾矸?wù)器。

（4） 數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一

各類傳感器收集的數(shù)據(jù)類型不同，為了方便管理和處理這些數(shù)據(jù)，必須建立元數(shù)據(jù)模型。

（5） 便于用戶訪問

在REST（Representational State Transfer）即表現(xiàn)層狀態(tài)轉(zhuǎn)移架構(gòu)的CoAP（Constrained Application Protocol）[18]中抽象傳感器資源，優(yōu)化 CoAP協(xié)議增加的報(bào)文傳輸時(shí)延，使得主機(jī)能直接通過網(wǎng)頁訪問傳感器資源。

1.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括以下兩部分：

（1） 6LoWPAN 網(wǎng)絡(luò)：用于采集環(huán)境數(shù)據(jù)或者根據(jù)后臺指令執(zhí)行具體的操作；

（2） 后臺系統(tǒng)：用于存儲數(shù)據(jù)和發(fā)出指令。其中 6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)又包含兩種不同的節(jié)點(diǎn)：一個(gè)是普通的 6LoWPAN節(jié)點(diǎn)，用于數(shù)據(jù)的采集與指令執(zhí)行；另一個(gè)是6LoWPAN路由器，用于連接6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)與IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)。

具體細(xì)劃為支持6LoWPAN協(xié)議棧的WSN，6LoWPAN邊界路由器，IPv6網(wǎng)絡(luò)，Web服務(wù)器，終端用戶五部分，如圖1所示。

基于6LoWPAN的傳感器節(jié)點(diǎn)采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的信息后傳給節(jié)點(diǎn)的MCU[19]（微處理器），MCU對數(shù)據(jù)包處理后經(jīng)過6LoWPAN適配層的分片和重組，封裝成802.15.4數(shù)據(jù)格式發(fā)送給邊緣路由器的無線網(wǎng)卡模塊；無線網(wǎng)卡上射頻芯片接收數(shù)據(jù)包在6LoWPAN適配層分片和重組后經(jīng)過串口發(fā)送給邊界路由器，邊界路由器把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)過程如圖2所示。實(shí)現(xiàn)了基于6LoWPAN協(xié)議棧的WSN與IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)的互通和融合，用戶可以通過IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)訪問6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)由RF收發(fā)器、MCU及傳感單元三部分組成，具體設(shè)計(jì)如圖3所示。

本課題選用的MCU是意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）公司系統(tǒng)級芯片STM32F103RCT6，該芯片集成低功耗32位ARM Cortex?M3微處理器，256 KB FLASH閃存，48 KB RAM儲存器和其他通用外設(shè)。RF收發(fā)器采用AT86RF231芯片，AT86RF231是一款工業(yè)級、低電壓供電、超低功耗、方便操作的收發(fā)器。傳感單元采用可以檢測周圍環(huán)境的濕度和溫度的傳感器DHT11。

傳感器節(jié)點(diǎn)主要有兩個(gè)功能：

（1） 傳感單元采集農(nóng)業(yè)環(huán)境信息后發(fā)送到MCU處理，處理后經(jīng)過RF收發(fā)器發(fā)給邊緣路由器；

（2） 傳感器節(jié)點(diǎn)通過RF收發(fā)器接收邊緣路由器的數(shù)據(jù)包，微處理器對數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理后發(fā)送命令給傳感單元。

2.2 邊緣路由器硬件設(shè)計(jì)

邊緣路由器由兩大模塊組成：與傳感器節(jié)點(diǎn)通信的傳感網(wǎng)絡(luò)模塊和與IPV4/IPv6網(wǎng)絡(luò)通信的IPV4/IPv6網(wǎng)絡(luò)模塊。兩個(gè)模塊通過串口或USB口相連，具體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2.2.1 WSN模塊硬件設(shè)計(jì)

基于兩大模塊的功能需求，采用雙MCU架構(gòu)。WSN網(wǎng)絡(luò)通信模塊仍采用AT86RF231和STM32F103RCT6，天線采用Antenova公司支持2.4 GHz的微型天線A5839。

2.2.2 IPv6模塊硬件設(shè)計(jì)

IPv4/IPv6模塊利用支持DDWRT的BUFFALO WXR?1900DHP千兆路由器進(jìn)行開發(fā)，其使用雙核Broadcom BCM4709A處理器，Broadcom BCM4360雙頻無線網(wǎng)絡(luò)芯片，內(nèi)存512 MB，F(xiàn)LASH 128 MB，刷機(jī)系統(tǒng)可擴(kuò)展能力強(qiáng)。首先，升級DDWRT固件，使其支持IPv4/IPv6雙棧，實(shí)現(xiàn)6LoWPAN傳感網(wǎng)絡(luò)向IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；其次開發(fā)能識別通過USB接口相連的WSN模塊的驅(qū)動程序，使其識別WSN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)6LoWPAN傳感網(wǎng)絡(luò)與IPv4/IPv6相互通信。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)和邊緣路由器WSN模塊移植Contiki操作系統(tǒng)[20]，Contiki是一種物聯(lián)網(wǎng)開源操作系統(tǒng)。Contiki連接微小的、低成本、低功耗微控制器網(wǎng)絡(luò)。它由C語言實(shí)現(xiàn)的基于事件驅(qū)動的開源多任務(wù)操作系統(tǒng)組成。其使用輕量級protothreads進(jìn)程模型，可以在事件驅(qū)動內(nèi)核上提供一個(gè)線性的、類似于線程的編程風(fēng)格[21]，移植性強(qiáng)。雖然CoAP協(xié)議目前還在制定當(dāng)中，但Contiki和Ti?nyOS嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)支持CoAP協(xié)議[22]。REST中對資源的請求操作包括獲取、創(chuàng)建、修改和刪除。目前通常采用HTTP（超文本轉(zhuǎn)移協(xié)議）實(shí)現(xiàn)RESTfuI架構(gòu)，因?yàn)镠TTP提供了GET，POST，PUT和DELETE幾種操作方法，與REST要求相一致，是一種無狀態(tài)協(xié)議。由于HTTP是基于TCP協(xié)議的，在使用時(shí)需要保持連接，這對于帶寬有限的傳感器網(wǎng)絡(luò)來說是不小的開銷。采用UDP作為傳輸層協(xié)議的CoAP（Constrained Application Protocol）協(xié)議更適合在資源受限的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上使用[23]。

傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件架構(gòu)包括系統(tǒng)支撐層、傳輸層、協(xié)議層及應(yīng)用層，傳感器節(jié)點(diǎn)軟件流程設(shè)計(jì)圖如圖5所示。傳感器節(jié)點(diǎn)上電初始化后處于監(jiān)聽邊緣路由器的狀態(tài)。一旦邊緣路由器發(fā)來數(shù)據(jù)包，傳感器節(jié)點(diǎn)就對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。如果是監(jiān)測指令，傳感器節(jié)點(diǎn)就查詢當(dāng)前環(huán)境信息，把數(shù)據(jù)壓縮之后通過射頻模塊發(fā)送給邊緣路由器；如果是控制指令，傳感器節(jié)點(diǎn)將會控制環(huán)境信息傳感器的開關(guān)狀態(tài)，其完成指令后，也會通過射頻模塊向邊緣路由器發(fā)送應(yīng)答信號。

3.2 邊緣路由器軟件設(shè)計(jì)

邊緣路由器內(nèi)有兩個(gè)獨(dú)立的操作系統(tǒng)， STM32平臺的Contiki系統(tǒng)和WXR?1900D DDWRT固件自帶的Linux系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)之間通過USB轉(zhuǎn)串口通信。6LoWPAN邊緣路由器的軟件框架包括三個(gè)層次：傳輸層、協(xié)議層及CoAP應(yīng)用層，傳輸層包括無線傳輸層與有線傳輸層。具體設(shè)計(jì)流程如下：

從有線傳輸層接收CoAP數(shù)據(jù)報(bào)文，對數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行分段，并按照路由表的信息，通過無線傳輸層將CoAP數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送到Web服務(wù)器；從無線傳輸層獲取服務(wù)器發(fā)送的CoAP數(shù)據(jù)報(bào)文，對CoAP數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行恢復(fù)，并按照路由表的信息，通過有線傳輸層將數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送到WSN節(jié)點(diǎn)。

3.3 Web服務(wù)器

用戶機(jī)想要直接訪問傳感節(jié)點(diǎn)可以使用火狐瀏覽器，在火狐瀏覽器上安裝插件Copper（Cu）后就可以直接在地址欄輸入要訪問的節(jié)點(diǎn)的IP地址和端口號即可。為了便于用戶直接用HTTP方式訪問，架設(shè)了Web服務(wù)器，具體流程如圖6所示。

圖6 Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)流程圖

（1） Web服務(wù)器向某一特定區(qū)域?yàn)闃?biāo)識的傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)請求到邊緣路由器；

（2） 邊緣路由器將IPv6頭部按照事先的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化壓縮成6LoWAPN頭部，并轉(zhuǎn)發(fā)到圖6中相應(yīng)的6LoWAPN物聯(lián)網(wǎng)；

（3） CoAP消息由邊緣路由器轉(zhuǎn)發(fā)到最終物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)獲取權(quán)限范圍內(nèi)的區(qū)域標(biāo)識信息。標(biāo)識信息經(jīng)過步驟（1）～步驟（3）的反過程先到Web服務(wù)器，最終到達(dá)用戶機(jī)；

（4） 用戶機(jī)向Web服務(wù)器發(fā)起服務(wù)請求，通過獲取Web服務(wù)器發(fā)布服務(wù)說明的信息后，采用CoAP/HTTP方式向Web服務(wù)器進(jìn)行服務(wù)調(diào)用；

（5） Web服務(wù)器收到用戶機(jī)發(fā)起的服務(wù)請求后，處理消息內(nèi)容，并把用戶機(jī)請求的數(shù)據(jù)格式及發(fā)送數(shù)據(jù)的方式回送給用戶機(jī)。

4 系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室隨機(jī)設(shè)置一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)IPv6地址（FC00：：0212：4b00：053d：7789），該節(jié)點(diǎn)開啟了兩個(gè)任務(wù)，占用兩個(gè)端口，其中5683是CoAP使用的端口，12346端口做UDP傳輸用。邊緣路由器IPv6地址（FC00：：0212：4b00：0612：8e25），從校園網(wǎng)獲取IPv4地址（210.27.82.231）。傳感節(jié)點(diǎn)加入邊緣路由器創(chuàng)建的6LoWAPN網(wǎng)，如圖7所示。

為了方便用戶通過IPv4網(wǎng)絡(luò)訪問，在網(wǎng)關(guān)上做了NAT64轉(zhuǎn)換。測試機(jī)從校園網(wǎng)獲取IPv4地址（210.27.82.130），通過CoAP協(xié)議訪問，如圖8所示。

該試驗(yàn)說明，6LoWAPN網(wǎng)絡(luò)搭建成功，在IPv4環(huán)境下用戶可以通過CoAP協(xié)議訪問邊緣路由器。IPv6環(huán)境下的測試方法相同，如果在IPv6環(huán)境下，用戶可以通過CoAP協(xié)議直接訪問傳感節(jié)點(diǎn)。

5 結(jié) 論

針對現(xiàn)有農(nóng)業(yè)環(huán)境信息傳感系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在的不足，實(shí)現(xiàn)了基于6LoWPAN和CoAP無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息傳感系統(tǒng)，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了WSN 與IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)之間的點(diǎn)到點(diǎn)通信，用戶可以通過CoAP/HTTP方式訪問6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而對特定的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息進(jìn)行采集或控制。本系統(tǒng)沒有開發(fā)專門的上位機(jī)軟件，如果結(jié)合上位機(jī)軟件將更加完美，這也是下一步課題研究的重點(diǎn)。

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